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, 防食システムを設計および最適化するための強力なツールです. 腐食解析モジュールは, COMSOL Multiphysics® のアドオンであり, エンジニアや科学者が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システムを効果的にモデル化できるようにします. このソフトウェアは, 電解質–金属表面における腐食の原因となる電荷移動反応に加えて, イオンおよび中性種の輸送, ならびに金属構造物内の電流バランスを含む電解質中の輸送プロセスを詳細に記述できるため, モデリングプロセスが効率化されます.
このモジュールには, 電極電位を備えた熱力学データベースと, これらの表面で最も一般的な酸化還元反応に対する速度式の選択肢が含まれています. 腐食および防食システムを記述する輸送および反応プロセスは, 1D, 2D, 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効率化するための専用機能を提供します.
COMSOL Multiphysics® と腐食解析モジュールは, 電気化学と腐食をモデリングするためのビルトインの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, 3次電流分布の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, 分極曲線を使用した表面反応速度論, およびバルク平衡反応を伴う物質輸送効果をモデル化できます.
これらのインターフェースはそれぞれ忠実度のレベルが異なるため, オーム効果のみを考慮すればよい場合でも, 複数の化学種に対する物質輸送と平衡反応を含むようなより複雑なモデルが必要な場合でも, 想定する系を十分に正確に記述するために必要なレベルを選択できます. COMSOL Multiphysics® では, 対象の物理系に対して, 任意の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.
希薄な水系電解質 (弱酸, 弱塩基, 両性電解質, および錯体種を含む) のモデリングにおいて, 水性電解質輸送 インターフェースは, 機構論的腐食モデリング, 生体系の電気化学モデル, 電気化学センサーモデリングなどの用途に適した効率的なアプローチを提供します. 拡散, 移動, 対流に加え, 電気的中性条件および水の自己イオン化を考慮したネルンスト・プランク方程式を用いて, 電位および化学種濃度を計算します. 弱電解質および錯体種を平衡反応を通して扱うことで, 従属変数の数を削減し, モデル設定を簡略化します.
実際の 3D ジオメトリに対して物理方程式を解く場合, 数値解法ではモデルジオメトリを要素へと離散化する必要があります. FEM に加えて, 腐食解析モジュールでは BEM も使用します. たとえば, 電流分布 (境界要素) インターフェースの専用の梁要素を使用して, 細長い構造物の腐食をモデル化できます. 腐食解析モジュールにおける BEM モデリングは, 陰極防食問題を解く際に FEM に代わる十分に実証された手法を提供します. また, 細長い構造物および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も効率化します.
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連成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解析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. 伝熱効果も, マルチフィジックスカップリングにより, 温度に非常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ができます. 同様に, 乱流および多相流は, 化学種輸送および防食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. 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などのあらかじめ定義された境界条件から選択することができます. 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.
パイプ内の陰極防食をモデリングすることは, 長さと半径の間のアスペクト比が大きいため困難な場合があります. 簡単な解決策は, 半径方向のポテンシャル勾配を無視し, パイプに沿ったポテンシャルだけを求解することです. この解決策により, 体積問題が線問題に低減されるため, 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.
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.
シミュレーションのニーズはそれぞれ異なります.
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