ComsolMultiphysics软件在腐蚀防护中的应用研究

HansJournalofChemicalEngineeringandTechnology化学工程与技术,2016,6(3),33-42PublishedOnlineMay2016inHans.://dx.doi.org/10.12677/hjcet.2016.63005文章引用:封琼,张亚萍,余豪,于濂清,闫向宏.ComsolMultiphysics软件在腐蚀防护中的应用研究[J].化学工程与技术,2016,6(3):33-42.*,HaoYu,LianqingYu,XianghongYanCollegeofScience,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),QingdaoShandongReceived:Apr.28th,2016;accepted:May21st,2016;published:May24th,2016Copyright©2016byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).软件在腐蚀防护中的应用研究封琼，张亚萍*，余豪，于濂清，闫向宏中国石油大学(华东)理学院，山东青岛*通讯作者。封琼等34收稿日期：2016年4月28日；录用日期：2016年5月21日；发布日期：2016年5月24日摘要ComsolMultiphysics是一款为许多领域科研工作者和工程师提供仿真服务的多功能实用模拟软件。许多腐蚀研究者使用ComsolMultiphysics软件对腐蚀防护措施下金属表面的物理、化学变化进行数值计算，从微观尺度上还原腐蚀内部机制，以便于从宏观尺度上对防护措施的性能进行评价。本文介绍了ComsolMultiphysics软件近些年在腐蚀防护方法中的应用研究现状，综述了其在阴极保护、电镀保护及其它类型保护中的使用情况，阐述了其在腐蚀防护研究中起到的关键性作用，并对其在未来腐蚀研究中的应用前景提出了展望。关键词ComsolMultiphysics，腐蚀防护，应用1.引言ComsolMultiphysics是瑞典Comsol公司为许多领域的科研工作者和工程师提供的一款多功能多物理场模拟软件。它凭借高效的数学计算能力和出众的多场双向直接耦合分析能力来实现高精确度的数值仿真。其内嵌的CAD建模工具可以使用户自由地在软件中建立需要的二维和三维模型，丰富的后处理功能可轻松导出计算结果，为任意多物理场的数值仿真提供帮助。其强大的网格划分能力支持各种网格的生成和移动，很大程度上提高了对于复杂边界的数值计算效率。Comsol软件可以直接使用基本几何形状(如矩形、块、圆和球体)创立几何模型，然后通过布尔操作形成复杂的实体形状；也可以通过工作平面先创立二维的几何轮廓，然后使用拉伸等功能生成三维实体；也可以通过CAD软件先创建几何模型，然后导入到Comsol软件中去。ComsolMultiphysics是以有限元分析法为基础，利用求解偏微分方程(单场)或偏微分方程组(多场)的方法来仿真实际物理现象的分析工具，即采用数学方法来求解物理现象，享有“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”的美誉。目前ComsolMultiphysics软件已经在电磁学、声学、光学、热传导、微波工程、光子学、流体动力学、量子力学、生物科学、化学反应、弥散、燃料电池、地球科学、微系统、多孔介质等领域得到了十分广泛的应用[1]-[3]。ComsolMultiphysics以其完善的理论基础、整合的算法、功能性、实用性和灵活性等特点，在解决实际问题和理论计算中发挥了显著的优势，在全球领先的数值仿真领域里获得了高度的评价。近些年，腐蚀学家开始利用ComsolMultiphysics软件模拟金属腐蚀防护措施下的微观现象，为腐蚀防护机理分析提供良好的依据，同时也提高了腐蚀防护研究的工作效率。目前，许多的腐蚀研究者使用ComsolMultiphysics软件对金属的腐蚀防护机理进行理论评价、模拟和计算，使其成为研究金属腐蚀防护的重要手段。通过得到的计算结果，可还原出金属表面腐蚀的微观过程，为腐蚀防护措施的性能评价提供了充足的条件。本文将重点评述ComsolMultiphysics软件在腐蚀防护中的应用。2.ComsolMultiphysics软件在阴极保护中的应用近年来阴极保护(CP)技术发展迅速[4]-[8]，已成为金属腐蚀防护中应用最为广泛的电化学方法之一。封琼等35阴极保护技术就是通过向被保护的钢质管道通以足够的保护电流，使管道表面发生阴极极化，进而达到阻止管道腐蚀的目的。根据提供电流方式的不同，阴极保护可分为牺牲阳极阴极保护和外加(强制)电流阴极保护。赵金艳[9]利用ComsolMultiphysic软件对外加辅助阳极前后放电空间内的等离子体性能进行模拟，结果表明，辅助阳极的存在的确能够影响放电空间内的电场，从而使等离子体分布产生差异；等离子体的分布不仅与放电空间内的磁场分布有关，还与其电场分布有关。对辅助阳极的性能进行分析，研究发现辅助阳极能够提高放电空间内的等离子体离化率，且辅助阳极部分参量如：相对于溅射靶的位置、辅助阳极相对于溅射靶的中心的位置、辅助阳极电压和辅助阳极尺寸对其性能的影响并不是线性关系，而是存在着一个中间的最优值。张明[10]根据腐蚀动力学原理，利用ComsolMultiphysic软件对电厂海水冷却系统泵体进行数值仿真计算，以拉普拉斯方程作为电化学腐蚀控制方程，以阴阳极表面的电位和电流状态作为电极电位边界条件。通过设置辅助阳极距离、阳极长度、阳极数量以及阳极横向距离为参数扫描项来探讨其对阴极保护电位分布的影响。结果表明，欲达到合理阴极保护作用，阳极位置、阳极长度、阳极横向距离应处于一定范围内，过小易导致过保护，过大则易导致欠保护。而阳极数量增加很大程度上可以提高电位分布，但是会造成施工压力增大。采用经典偏微分方程模块下的Laplaceequation进行优化计算，最终确定最佳保护参数。R.Montoya[11]等通过设置电解质不规则域和合适的边界条件，采用有限元法近似模拟阴极保护系统中的电位分布。数值计算结果表明，电解质不规则域的大小影响电化学势的分布，且不规则域越大阴极保护效果就会越差。低电导率的电解质不规则域越靠近阴极，保护效果也会随之降低。仿真结果进一步表明，对于合理的阴极保护，电势往往在应用标准以外的一个窄频带产生差异；在理想加固钢筋混凝土结构(RCS)中孔隙度对于阴极保护效果也有一定的影响。一般情况下，阴极保护系统的设计需要考虑电导率小于0.777S/m的电解质不规则域，模拟得到的理论结果与实验结果吻合较好。李格妮[12]采用牺牲阳极阴极保护法对换能器的腐蚀进行防护，将分程隔板作为阳极，通过ComsolMultiphysics软件模拟计算管板表面电位分布。结果表明，在靠近隔板牺牲阳极处电位较低，随着与阳极距离的增大，电位值也随之增大。在靠近阳极处由于电位过负会发生过保护，而在距离阳极较远处管板表面的电位不在保护范围内会发生欠保护。王东[13]以牙哈装车南站储罐底板阴极保护系统为研究对象，建立储罐底板阴极保护的电位分布数学模型，基于ComsolMultiphysics软件，模拟计算不同参数条件下储罐底板的电位分布。结果表明，随着深井阳极埋地深度以及距储罐的距离增加，储罐底板电位正向偏移，且阳极距储罐底板的距离对电位变化产生的影响更为明显；随着深井阳极的长度增加，储罐底板电位正向偏移，且电位分布均匀性变化不明显；随着深井阳极输出电流以及阳极井数量的增加，储罐底板电位均负向偏移。李成杰[14]依据腐蚀动力学理论，利用ComsolMultiphysics软件对AISI1020钢在不同温度下的极化曲线进行研究，从而获得其自腐蚀电位及极化特征。结果表明，自腐蚀电位随着温度的降低而正移；极化曲线的阳极部分随着温度的降低而降低，说明低温下的腐蚀电流密度较低。通过建立海管阴极保护物理模型，对海管穿越深海温跃层环境下的阴极保护系统进行优化设计，研究不同牺牲阳极位置和数量对海管阴极保护电位分布的影响规律，计算结果表明，距离阳极越近，则海管受到阳极的极化越强烈，电流密度越大，钙质沉积层的形成越迅速，相应的阴极表观面电阻率就越大。安放单个阳极时，阳极位于跃层区(76.1cm)的阴极保护效果最好，并且在阴极保护初期的60h内，海管上保护电位最正处达到了−0.8V；安放两个阳极时，阳极分别位于跃层区和深层区时的阴极保护效果最好；安放三个阳极时，保护60h后海管的保护电位已经负于两个阳极保护120h后的保护电位值。图1和图2分别为阴极保护60h、120h时不同封琼等36Figure1.Numericalresultsof60hbygalvanicanodeCPfortheanodepositionat;(a)SZ(0cm),(b)TZ(76.1cm),(c)DZ(203cm)图1.阴极保护60h后的电位分布数值计算结果；(a)阳极表层区(0cm)，(b)阳极跃层区(76.1cm)，(c)阳极深层区(203cm)温跃层位置的电位分布数值计算结果。邱枫等[15]基于ComsolMultiphysics对贮罐底板外侧阴极保护体系中的电位分布进行仿真计算，评价了土壤电阻率、涂层、阳极极化量和阳极数量及分布等因素对电位分布的影响。通过计算结果得到，土壤电阻率低，极化值随距离变化的衰减较小