模拟腐蚀过程和腐蚀保护系统

建模仿真是了解腐蚀现象、设计和优化腐蚀保护系统的有力工具。“腐蚀模块”是 COMSOL Multiphysics^® 的一个附加模块，为工程师和科研人员提供了直观的用户界面，用于有效地模拟腐蚀过程和保护系统。我们的软件能够描述电解质中的传输过程，包括离子和电中性物质的传输，以及金属结构中的电流平衡，从而简化建模过程。此外，“腐蚀模块”还提供了详尽的电荷转移反应描述功能，以描述导致电解质-金属表面发生腐蚀的重要电化学反应。

不仅如此，模块中还提供一个热力学数据库，其中包含电极电位以及这些表面上最常见的氧化还原反应的动力学表达式的选择。您可以使用有限元法（FEM）和边界元法（BEM）在一维、二维和三维中模拟各种传输和反应过程，全面描述腐蚀和腐蚀保护系统。

腐蚀过程

“腐蚀模块”可用于模拟各种腐蚀过程，包括电偶腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、大气腐蚀和一般腐蚀等，还可用于模拟石油和天然气系统中的无硫和含硫腐蚀、钢筋混凝土的腐蚀以及杂散电流腐蚀。

这些腐蚀过程源于相似类型的电化学现象，其中必须考虑电荷和质量的传输与平衡。此模块使您可以轻松定义相关的边界条件、表面反应和本体电解质条件。在某些情况下，电解质还可以描述为一层薄薄的水分、多孔材料或液体电解质。

借助 COMSOL Multiphysics^® 平台的基础功能，“腐蚀模块”可以与其他任意附加产品耦合使用，以模拟传热与结构力学等多物理场耦合现象，用于模拟混凝土中的应力腐蚀开裂（SCC）和氧化顶升等问题中涉及的现象。

腐蚀保护系统

我们提供多种防腐蚀方法，旨在帮助您保持易受腐蚀结构的完整性。这些方法包括牺牲阳极阴极保护（SACP）、外加电流阴极保护（ICCP）、涂层系统和阳极钝化保护等。

通过使用 COMSOL Multiphysics^® 及其附加的“腐蚀模块”，您可以研究保护系统并优化其设计，以支持多种类型的结构，例如海上风车、海底石油平台以及陆上管道、工厂和储罐等。此外，还能模拟道路桥梁和建筑基础设施、水坝和水电设备，以及船舶、潜艇和港口等；甚至可用于模拟汽车工业的腐蚀过程。

“腐蚀模块”提供的专用功能可以用来对微观和宏观尺度的腐蚀保护系统进行建模。例如，您可以使用这些专用的建模功能来研究管道如何干扰其他结构的保护系统。此外，还可以用来预测保护系统的寿命，并评估阳极消耗、杂散电流、外加阴极电流和涂层退化对系统的影响。

腐蚀模块的特征和功能

“腐蚀模块”提供专门的工具用于简化各种腐蚀过程的建模。

电偶腐蚀建模

COMSOL Multiphysics^® 及其附加的“腐蚀模块”为电化学和腐蚀建模提供了便捷且用户友好的界面，其中包含一次、二次和三次电流分布接口，能够模拟电流分布、具有极化曲线的表面动力学，以及具有本体平衡反应的质量传递效应。

每个用户界面都提供了不同级别的保真度，使用户能够根据需要选择合适的级别来对所需的系统进行足够准确的描述，无论该系统仅涉及欧姆效应还是更复杂的模型（例如包含多种物质的质量传递和平衡反应），我们都能满足您的需求。COMSOL Multiphysics^® 使您能够基于给定的物理系统，根据需要无缝添加任意数量的物质和反应。

本例使用三次电流分布，Nernst-Planck 接口模拟混凝土中钢筋的阴极保护，其中在钢表面考虑了三种不同的电化学反应。

阴极保护

“腐蚀模块”提供了一个专门用于模拟阴极保护系统的接口。用户可以定义自己的表达式，或在预定义的边界条件之间进行选择，这些边界条件包括 Butler-Volmer 或 Tafel 方程，或者表示表面动力学的实验极化曲线等。我们提供使用常用术语的定制特征，旨在帮助腐蚀和材料工程师高效地建立牺牲阳极和外加电流系统的模型。

通过描述阴极和阳极上的溶解和沉积物质，模型可以轻松地展示钙质沉积物以及它们如何随时间来改变极化。此外，您还可以计算特定位置的腐蚀速率。这些信息可以与输运方程进行耦合，以描述封闭腔和多孔材料等物体中的质量传递限制。

海上导管架结构的阴极保护。随着时间的推移，牺牲阳极（灰色）逐步被消耗。该过程中的形状变化通过阴极保护 与水平集 接口的耦合进行建模。

大气腐蚀建模

在进行大气腐蚀建模时，金属表面的电解质层相对于结构尺寸来说往往非常薄。为了有效处理这种情况，我们采用了一种假设，即电流密度在电解质薄层上呈均匀分布。基于这一假设，您可以计算表面的电流分布，而不必使用体网格对极薄的电解质层进行离散化。此功能在电流分布，壳 接口中提供，相较于全三维离散化方法，前者可以显著减少计算量。

使用电流分布，壳 接口模拟母线板的大气电偶腐蚀，该接口求解电解质薄层中的电解质电位。

腐蚀和沉积引起的几何变形

“腐蚀模块”提供了预定义的多物理场接口，用于对电化学电池中的沉积或溶解过程引起的变形进行瞬态建模。这种类型的建模可以通过使用变形几何来完成，其中边界的速度由电化学反应确定。

此外，我们还提供水平集 和相场 接口，用于对腐蚀进行建模，其中腐蚀电极表面的拓扑结构因腐蚀过程而发生改变，例如，牺牲阳极系统中可能会发生这种情况。

本例使用二维示例模拟镁合金（AE44）在盐水溶液中与低碳钢接触时的电偶腐蚀和变形。界面周围会形成腐蚀产物，同时阳极被消耗，并且几何发生变形。结果显示了腐蚀产物的沉积方式以及阳极的变形过程。

管内腐蚀保护建模

在进行管道内部的阴极保护建模时，由于管的长度和半径之间存在显著的长宽比，这给建模带来了一定的挑战。为了克服这一问题，我们提供了一种简单而有效的解决方案：忽略径向电位梯度，只求解沿管道方向的电位。通过将复杂的体积问题简化为线问题，我们能够在不牺牲精度的情况下明显降低计算负荷。

本例使用电流分布，管 接口模拟管中的电阻调节内部阴极保护，该接口求解管体中的电解质电位，从而求解纵向的电位变化。

计算方法：有限元法（FEM）& 边界元法（BEM）

在求解真实三维几何的物理方程时，数值方法需要将模型几何离散化为多个元素。除了使用有限元法以外，“腐蚀模块”还采用了边界元法。例如，电流分布，边界元 接口中的专用梁单元可用于模拟细长结构中的腐蚀情况。“腐蚀模块”中的 BEM 建模为求解阴极保护问题提供了一种经过充分验证的 FEM 替代方法。不仅如此，还简化了细长结构和超大电解质域（如海洋）的建模过程。

本例使用电流分布，边界元 接口对多个石油平台进行建模，该接口通过将所有电极建模为沿线框几何边的管来显著缩小问题规模，并节省计算时间。

材料库

“腐蚀模块”提供了一个丰富的内置材料库，其中包含 270 多个条目，涵盖了各种金属和合金在不同电解质条件下的平衡电位和极化数据（局部电流密度 vs. 电极电位）。

用于单桩风车基础的牺牲阳极保护系统，其中单桩（顶部）的过渡段具有涂层钢表面，而单桩本身是无涂层的钢管。在“腐蚀模块”材料库（中间窗口）中，您可以看到包含多种元件与合金的条目。

仿真 App

借助“App 开发器”，您可以基于任何现有的模型创建仿真 App。仿真工程师可以限制这些 App 的可用输入和输出，提供直观的定制用户界面，并与客户和同事共享这些 App，以实现各种不同的目的，包括：

· 自动执行困难且重复的任务

· 创建和更新报告

· 在用户友好的界面中向终端用户提供关键模型信息

通过关注重要的输入参数和计算结果，仿真 App 使研发专业人员能够更有效地与项目利益相关者进行沟通，从而助力创造竞争优势。

“案例库”中的阴极保护设计器 App 示例演示了如何使用仿真 App 进行阴极保护设计。

“阴极保护设计器”App 显示了单桩的电位和电流分布，以及保护程度的估计值，其中蓝色部分受到保护，而红色部分有腐蚀风险。

扩展的多物理场分析

COMSOL Multiphysics^® 提供了在不同的物理场接口之间创建任意耦合的功能。举例来说，您可以将结构力学接口与腐蚀接口相耦合，以模拟应力腐蚀开裂（SCC）行为。此外，还可以通过多物理场耦合将传热效应纳入对温度高度敏感的腐蚀和腐蚀保护过程模型中。同样，湍流和多相流也可以与化学物质传递和腐蚀保护进行耦合建模，以实现更加全面的分析。

钢筋混凝土的氧化顶升。腐蚀过程使钢筋上的氧化层生长，这反过来又导致混凝土内部产生应力。