腐食プロセスと防食系をモデル化
モデリングとシミュレーションは, 腐食を理解し, 防食系を設計および最適化するための強力なツールです. COMSOL Multiphysics® のアドオンである腐食解析モジュールにより, エンジニアや科学者は直感的なユーザーインターフェースで腐食プロセスと防食系を効果的にモデル化できます. モデリングプロセスは, イオンや中性種の輸送, 金属構造内の電流バランスなど, 電解質内の輸送プロセスを記述するソフトウェアの機能によって効率化されます. 腐食解析モジュールには, 電解質 - 金属表面で発生する腐食の原因となる電荷移動反応を詳細に記述する機能も含まれています.
このモジュールには, 電極電位を含む熱力学データベースと, これらの表面での最も一般的な酸化還元反応の反応速度式の選択が含まれています. 腐食および防食系を記述する輸送および反応プロセスは, 有限要素法 (FEM) および境界要素法 (BEM) を使用して, 1D, 2D, および 3Dでモデル化できます.
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腐食解析モジュールを使用して, ガルバニック, 孔食, 隙間, 大気, および全体的な腐食など, さまざまな腐食プロセスをモデル化できます. また, 石油およびガスシステムの甘酸っぱい腐食, 鉄筋コンクリートの腐食, 迷走電流による腐食のモデル化にも使用できます.
これらの腐食プロセスは, 電荷と質量の両方の輸送とバランスを考慮する必要がある, 同様のタイプの電気化学現象から生じます. このモジュールにより, 関連する境界条件, 表面反応, バルク電解質条件を簡単に定義できます. 電解質は, 水分の薄い層, 多孔質材料, または液体電解質として説明できます.
COMSOL Multiphysics® プラットフォームの基礎となる機能により, 腐食解析モジュールを他のアドオン製品と組み合わせて, 熱伝達や構造力学などの連成現象をモデル化できます. このマルチフィジックスモデリング機能は, コンクリートの応力腐食割れ (SCC) や酸化物ジャッキなどの問題に関連する現象に利用できます.
腐食を受けやすい構造の構造的完全性を維持するために使用できる多くの腐食防止方法があります. これらには, 犠牲陽極陰極防食 (SACP), 印加電流陰極防食 (ICCP), コーティングシステム, および陽極パッシベーション保護が含まれます.
COMSOL Multiphysics® と腐食解析モジュールを使用して防食系を研究し, その設計を最適化して, 洋上風車, 海底石油プラットフォーム, 陸上パイプライン, プラント, 貯蔵タンクなど, さまざまなタイプの構造物をサポートできます. 腐食解析モジュールは, 道路橋や建物のインフラストラクチャー, ダム, 水力発電設備, 船舶, 潜水艦, 港のモデル化にも使用できます. また, 自動車産業における腐食プロセスのモデル化にも使用できます.
腐食解析モジュールには, マイクロスケールとマクロスケールの両方で防食系をモデル化するための特別な機能が含まれています. この特殊なモデリング機能を使用して, たとえば, パイプラインが他の構造の防食系にどのように干渉するかを解析できます. また, 防食系の寿命だけでなく, アノード消費, 迷走電流, 印加カソード電流, およびコーティング劣化の影響を予測するためにも使用できます.
腐食解析モジュールは, さまざまな腐食プロセスのモデリングを合理化するための専用ツールを提供します.
COMSOL Multiphysics® と腐食解析モジュールは, 電気化学と腐食をモデル化するための既製の使いやすいインターフェースを提供します. 基本的な機能は, 1次, 2次, および3次の電流分配用のユーザーインターフェースによって提供されます. これらのインターフェースにより, 電流分布, 分極曲線による表面動力学, およびバルク平衡反応による物質輸送効果をモデル化できます.
これらのユーザーインターフェースはそれぞれ異なるレベルの忠実度を提供し, オーミック効果のみが必要な場合か, もしくは複数の化学種の物質輸送と平衡反応な場合でも, 以下を含むようなより複雑なモデルである場合でも, 系を十分に正確に説明するために必要なレベルをユーザーが選択できるようにします. COMSOL Multiphysics® を使用すると, 特定の物理系に必要な数の化学種と反応をシームレスに追加できます.
大気腐食をモデル化する場合, 金属表面の電解質層は通常, 構造のサイズに比べて非常に薄いです. そのような場合, 電流密度が薄い電解質層全体で均一であると仮定することが効率的である場合があります. この仮定の下では, 極薄の電解質層をボリュームメッシュで離散化することなく, 表面の電流分布を推定することができます. この機能は, 電流分布 (シェル) インターフェースにあり, 完全な 3D 離散化と比較して計算量を大幅に削減します.
長さと半径の縦横比が大きいため, パイプ内の陰極防食のモデル化は困難な場合があります. 簡単な解決策は, 放射状のポテンシャル勾配を無視して, パイプに沿ったポテンシャルのみを解くことです. この解は, 体積の問題を線の問題に縮小します. つまり, 精度を犠牲にすることなく, 計算負荷が大幅に削減されます.
腐食解析モジュールには, さまざまな電解液中の多数の金属および合金の平衡電位および分極データ (局所電流密度対電極電位) を含む, 270を超えるエントリを持つ組み込みの材料ライブラリが含まれています.
COMSOL Multiphysics® は, 異なるフィジックスインターフェース間で任意のカップリングを作成する機能を提供します. たとえば, 応力腐食割れ (SCC) は, 構造力学インターフェースと腐食インターフェースを組み合わせることでモデル化できます. 伝熱効果は, マルチフィジックス連成により, 非常に温度に敏感な腐食および防食プロセスのモデルに組み込むこともできます. 同様に, 乱流および多相流は, 化学種の輸送および腐食保護と組み合わせてモデル化できます.
腐食解析モジュールには, 陰極防食系をモデル化するための専用のインターフェースがあります. ユーザーは, 独自の式を定義したり, バトラー・ボルマー方程式やターフェル方程式などの事前定義された境界条件や, 表面での反応速度を表す実験的な分極曲線から選択したりできます. 使い慣れた用語を使用するカスタマイズされた機能により, 腐食および材料エンジニアにとって効率的な犠牲陽極および印加電流システムのモデリングが可能になります.
カソードとアノード上の溶解種と堆積種を記述することにより, モデルは石灰質堆積物と, これらが時間の経過とともに分極をどのように変化させるかを簡単に説明できます. このモジュールは, 特定の場所での腐食率を計算することもできます. この情報を輸送方程式と組み合わせて, 密閉空洞や多孔質材料などの物質輸送の制限を記述することができます.
腐食モジュールには, 電気化学セルの堆積または溶解プロセスの結果として発生する変形の時間依存モデリングのための定義済みのマルチフィジックスインターフェースが含まれています. このタイプのモデリングは, 境界の速度が電気化学反応によって与えられる変形ジオメトリを使用して実現できます.
さらに, 犠牲陽極系など, 腐食プロセスの結果として腐食電極表面のトポロジが変化する腐食をモデル化するために, レベルセットおよびフェーズフィールドインターフェースを使用できます.
実際の 3D ジオメトリで物理方程式を解く場合, 数値法ではモデルジオメトリを要素に離散化する必要があります. FEM に加えて, 腐食モジュールは BEM を使用します. たとえば, 電流分布, 境界要素インターフェースの特殊な梁要素を使用して, 細い構造の腐食をモデル化できます. 腐食モジュールの BEM モデリングは, 陰極防食の問題を求解するための FEM に代わる十分に実績のある代替手段を提供します. また, 細長い構造と非常に大きな電解質ドメイン (海など) のモデリングプロセスを合理化します.
アプリケーションビルダーを使用して, 既存のモデルに基づいてシミュレーションアプリを作成できます. シミュレーションエンジニアは, これらのアプリの利用可能な入力と出力を制限し, カスタマイズされた直感的なユーザーインターフェースを提供して, 次のようなさまざまな目的で顧客や同僚と共有できます:
シミュレーションアプリにおいて, 重要な入力パラメーターと計算結果に焦点を当てることで, 研究開発の専門家がプロジェクトの利害関係者とより効果的に関わることを可能にし, 競争力を生み出すのに役立ちます.
アプリケーションライブラリに含まれる陰極保護デザイナーアプリは, シミュレーションアプリを使用した陰極防食設計の一例です.
どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.
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