腐蚀与防护 博客文章
利用边界元方法简化腐蚀仿真过程
COMSOL Multiphysics 5.4 版本中提供了多个新特征，可用于模拟细长结构中的腐蚀现象，借助这一特征将能大幅减少石油平台等结构的处理时间。使用边界元法（boundary element method，简称 BEM）和电流分布，边界元 接口中专有的梁单元后，我们便无需再使用有限元网格对整个三维结构进行解析，这有效地缩短了包含细长组件的大型结构腐蚀问题的求解时间。
借助仿真应对腐蚀问题
腐蚀是运输行业面临的最严峻的挑战之一。为了尽量减少腐蚀带来的危害，德国的一家研究机构与著名的汽车制造商——梅赛德斯-奔驰公司联手对汽车铆钉和钣金中发生的腐蚀现象展开了研究。借助 COMSOL Multiphysics 仿真软件，研究人员能够快速研究腐蚀对汽车部件造成的影响。
石油平台的腐蚀与防护
海上石油工业利润丰厚，但也存在一些不可预测的因素，有时甚至会存在危险。例如，腐蚀就会引起钢制石油平台的结构损坏和失效，从而导致商业损失，甚至是发生事故。幸运的是，我们有各种方法可以调查和防止这些结构发生腐蚀，确保安全和高效的钻井作业。 石油钻机为什么会发生腐蚀？ 对海上石油公司来说，腐蚀是一个严重问题，有可能导致非常不安全的工作条件。由于腐蚀而造成的危害，程度较轻的情况是损坏机器和平台，维修机器或重新建造结构会造成时间和金钱损失。严重的情况是，腐蚀可能导致设备故障和钻井平台事故。 一个有腐蚀风险的海上石油钻井平台。 石油钻井平台的腐蚀是一个电化学过程。海水是一种电解质，钢结构不同部位存在的不同电位会导致金属表面产生离子，进而扩散到电解质溶液中，这些金属离子与电解质溶液中的氧化物和氢氧根离子反应，最终形成腐蚀产物（见下图）。在这个过程中，溶解氧也是一个重要因素。与水面下更深处的金属相比，由于溶解氧在水面附近的浓度比较高，水面附近区域金属的腐蚀过电位更大。 这个过程会导致钻井平台的金属表面形成凹坑，这种凹坑内以及结构的连接处或焊接处的缺陷产生的缝隙内的腐蚀，会在平台的钢表面出现不规则的 腐蚀前沿 。随着时间的推移，由坑、缝隙和其他电化学反应造成的结构异常将会引起应力增加，最终导致结构内部断裂和破裂。腐蚀的速度取决于金属本身的微观结构，对于石油钻井平台来说，就是钢的微观结构。 海水中钢结构的腐蚀过程简图。图片来源：海军研究实验室 (NRL)。 涂层是一种简单的防腐蚀方法。这种方法相当于在钢铁和海水之间放置了一个屏障，并且表面是绝缘的，一个能成功防止腐蚀的涂层涉及正确的材料选择（例如环氧混合物是常见的涂层材料），以及正确的涂层应用。虽然这种方法很有效，但事实上所有的有机涂层材料对水和氧气都是半透性的。因此，即使涂层可以提供保护作用，在一段时间后，结构中仍会发生腐蚀。 石油平台的阴极保护方法 除了涂层以外，我们还可以通过阴极保护的方法避免石油钻井平台遭受腐蚀。阴极保护有几种不同的形式，其中的一种类型是外加电流阴极保护（ICCP)，通过向钢平台施加外部电流来防止表面变成阳极。通过这种方式，整个钢结构作为一个阴极，可以阻止发生腐蚀电化学过程，从而保护了钻井平台结构。 牺牲阳极 是阴极保护的另一种形式，目的是保护结构免受腐蚀。这种方法是将钢结构与作为阳极的非贵金属（如铝）实现电连接，使得后者通过缓慢的腐蚀被“牺牲”，前者作为阴极被保护，从而使钢结构免受腐蚀。 牺牲阳极（白色的、手柄状的物体）保护石油平台免受腐蚀。图片来源：Chetan，通过Wikimedia Commons共享。 对于设计海上石油钻井平台腐蚀保护系统的工程师来说，需要对这些不同的阴极保护方法进行一些比较，例如，牺牲阳极不需要外部电源，而外加电流阴极保护则需要。由于牺牲阳极会慢慢腐蚀，它们需要定期更换，而外加电流阴极保护中使用的阳极在很长一段时间内是稳定的。值得注意的是，除非使用产生氧气或氯气的尺寸稳定阳极（DSA），否则在外加电流阴极保护中也可能发生阳极溶解。如果不使用尺寸稳定阳极，外加电流阴极保护中阳极材料的消耗可能更大。然而，这种阴极保护方法被认为是牺牲阳极的”更安全”的替代品，因为可以通过输入电能来控制电位。 选用哪种阴极保护方法应该取决于石油钻井作业的需要。例如，牺牲阳极可能更有利于短期使用，因为它们具有经济效益，可以快速实施。ICCP的投资较高，适用于长期需求和较大的结构。 石油平台既庞大又复杂，因此，在设计过程中了解结构的参数和保护方法很有帮助，密切分析海水和钢表面边界之间的腐蚀过程也很重要。优化石油平台的设计会使结构更加安全、实用，并能得到较好的保护。
保护飞行器复合材料免受雷击损坏
波音 787 梦幻客机的创新之处在于：其机身使用了超过 50% 的碳纤维复合材料。虽然这种飞行器复合材料具有重量轻和强度极佳等优点，但它们本身并不导电，因此需要额外的防护涂层来降低雷击损坏。本篇博客中，我们介绍了如何使用多物理场仿真来计算防护涂层中与典型飞行周期相关的温度波动所造成的热应力和位移。
如何选择正确的电流分布接口？
在设计电化学电池时，我们需要考虑电解质和电极中的三类电流分布：一次分布、二次分布 和三次分布。不久之前，我们介绍了电流分布的基本理论；本文则以线电极为例，详细解释不同的电流分布类型，帮助你在 COMSOL Multiphysics 中选择合适的电流分布接口，顺利执行电化学电池仿真。
电流分布理论
在电化学电池的设计中，您需要考虑电解质和电极中的三种电流分布类型，它们被称作一次、二次 和三次电流分布。三种电流分布对应着不同的近似方式和程度，采用其中哪一个则取决于电解质溶液电阻、有限电极反应动力学以及质量传递的相对重要性。在本文中，我们将概述电流分布的概念，并从理论层面上探讨这一主题。