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Corrosion Module

Modellieren Sie Korrosionsprozesse und Korrosionsschutzsysteme

Modellierung und Simulation sind leistungsstarke Werkzeuge für das Verständnis von Korrosion und die Entwicklung und Optimierung von Korrosionsschutzsystemen. Das Corrosion Module, ein Add-On zu COMSOL Multiphysics®, ermöglicht Ingenieuren und Wissenschaftlern die effektive Modellierung von Korrosionsprozessen und Korrosionsschutzsystemen in einer intuitiven Benutzeroberfläche. Der Modellierungsprozess wird durch die Fähigkeit der Software optimiert, die Transportprozesse in einem Elektrolyten zu beschreiben, einschließlich des Transports von Ionen und neutralen Spezies sowie der Strombilanz in Metallstrukturen. Das Corrosion Module enthält auch Funktionen zur detaillierten Beschreibung der Ladungstransfer-Reaktionen, die für die Korrosion an Elektrolyt-Metall-Oberflächen verantwortlich sind.

Das Modul enthält eine thermodynamische Datenbank mit Elektrodenpotentialen und eine Auswahl an kinetischen Ausdrücken für die häufigsten Redoxreaktionen an diesen Oberflächen. Die Transport- und Reaktionsprozesse, die Korrosion und Korrosionsschutzsysteme beschreiben, können in 1D, 2D und 3D mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) und der Randelemente-Methode (BEM) modelliert werden.

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Ein Fundament mit mehreren Windturbinen, das das Elektrodenpotenzial zeigt.
Ein Modell einer Lochfraßstelle, das die Korrosionsrate in der Rainbow Light Farbtabelle mit weißen Stromlinien zeigt.

Korrosionsprozesse

Mit dem Corrosion Module können Sie eine Vielzahl von Korrosionsprozessen modellieren, z.B. galvanische, Lochfraß-, Spalt-, atmosphärische und allgemeine Korrosion. Es kann auch zur Modellierung der Kohlendioxid- und Schwefelwasserstoff-Korrosion in Öl- und Gassystemen, der Korrosion in Stahlbeton und der Streustromkorrosion verwendet werden.

Diese Korrosionsprozesse beruhen auf ähnlichen Arten von elektrochemischen Phänomenen, für die der Transport und das Gleichgewicht von Ladung und Masse berücksichtigt werden müssen. Das Modul erleichtert die Definition der relevanten Randbedingungen, der Oberflächenreaktionen und der Bedingungen für den Hauptelektrolyten. Der Elektrolyt kann als eine dünne Feuchtigkeitsschicht, als ein poröses Material oder als ein flüssiger Elektrolyt beschrieben werden.

Mit den zugrundeliegenden Fähigkeiten der COMSOL Multiphysics® Plattform kann das Corrosion Module mit anderen Add-On-Produkten kombiniert werden, um gekoppelte Phänomene wie Wärmetransport und Strukturmechanik zu modellieren. Diese Multiphysik-Modellierungsfunktionalität steht für Phänomene zur Verfügung, die mit Problemen wie der Spannungsrisskorrosion und dem Rosten von Metallkomponenten in Beton (Oxide Jacking) verbunden sind.

Korrosionsschutzsysteme

Es gibt viele Methoden zur Korrosionsprävention, die dazu beitragen können, die strukturelle Integrität von korrosionsanfälligen Strukturen zu erhalten. Dazu gehören der kathodische Schutz mit Opferanoden, der kathodische Schutz mit Fremdstrom, Beschichtungssysteme und anodische Passivierung.

COMSOL Multiphysics® und das Corrosion Module können verwendet werden, um Schutzsysteme zu untersuchen und deren Design zu optimieren, um viele Arten von Strukturen, wie z.B. Offshore-Windräder, Unterwasser-Ölplattformen und Onshore-Pipelines, Anlagen und Lagertanks, zu unterstützen. Das Corrosion Module kann auch zur Modellierung von Straßenbrücken und Gebäudeinfrastruktur, Staudämmen und Wasserkraftanlagen sowie Schiffen, U-Booten und Häfen verwendet werden. Auch Korrosionsprozessen in der Automobilindustrie können mit ihm modelliert werden.

Das Corrosion Module enthält spezielle Funktionen für die Modellierung von Korrosionsschutzsystemen sowohl auf der Mikro- als auch auf der Makroskala. Mit dieser speziellen Modellierungsfunktionalität können Sie beispielsweise untersuchen, wie Pipelines die Schutzsysteme anderer Bauwerke beeinträchtigen können. Sie kann auch dazu verwendet werden, die Lebensdauer eines Schutzsystems sowie die Auswirkungen von Anodenverbrauch, Streuströmen, kathodischen Fremdströmen und dem Abbau von Beschichtungen vorherzusagen.

Ein Modell eines Schiffrumpfs mit der Stromdichte in roten Stromlinien.

Features und Funktionalitäten im Corrosion Module

Das Corrosion Module bietet spezielle Werkzeuge zur optimierten Modellierung von verschiedenen Korrosionsprozessen.

Eine Nahansicht des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck und dem Modell eines Stahlstabs im Grafikfenster.

Galvanische Korrosion

COMSOL Multiphysics® und das Corrosion Module bieten maßgefertigte benutzerfreundliche Interfaces für die Modellierung von Elektrochemie und Korrosion. Die Basisfunktionalität wird durch Interfaces für die Primär-, Sekundär- und Tertiärstromverteilung bereitgestellt. Diese Interfaces ermöglichen die Modellierung der Stromverteilung, der Oberflächenkinetik mit Polarisationskurven und der Stofftransporteffekte mit Gleichgewichtsreaktionen.

Jedes dieser Interfaces bietet einen anderen Grad an Genauigkeit, so dass der Benutzer die Stufe auswählen kann, die für eine hinreichend genaue Beschreibung des betreffenden Systems erforderlich ist. Dabei spielt es keine Rolle, ob nur Ohmsche Effekte benötigt werden oder ob es sich um ein komplexeres Modell handelt, z.B. eines, das Stofftransport und Gleichgewichtsreaktionen für mehrere Spezies beinhaltet. Mit COMSOL Multiphysics® können Sie nahtlos so viele Spezies und Reaktionen hinzufügen, wie für ein bestimmtes physikalisches System erforderlich sind.

Eine Nahansicht des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Current Distribution, Shell und dem Modell einer Stromschiene im Grafikfenster.

Atmosphärische Korrosion

Bei der Modellierung der atmosphärischen Korrosion ist die Elektrolytschicht auf der Metalloberfläche in der Regel sehr dünn, verglichen mit der Größe der Struktur. In solchen Fällen kann es effizient sein, anzunehmen, dass die Stromdichte in der dünnen Elektrolytschicht gleichmäßig ist. Unter dieser Annahme kann die Stromverteilung auf der Oberfläche geschätzt werden, ohne dass die extrem dünne Elektrolytschicht mit einem Volumennetz diskretisiert werden muss. Diese Funktionalität finden Sie im Interface Current Distribution, Shell, das den Rechenaufwand im Vergleich zu einer vollständigen 3D-Diskretisierung erheblich reduziert.

Eine Nahansicht des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Pipe Electrode Surface und dem Modell einer Pipeline im Grafikfenster.

Innerer Korrosionsschutz in Rohren

Die Modellierung eines kathodischen Schutzes innerhalb eines Rohrs kann aufgrund des großen Verhältnisses zwischen Länge und Radius eine Herausforderung darstellen. Eine einfache Lösung besteht darin, den radialen Potentialgradienten zu vernachlässigen und nur für das Potential entlang des Rohrs zu lösen. Diese Lösung reduziert ein Volumenproblem auf ein Linienproblem, was bedeutet, dass die Rechenlast erheblich reduziert wird, ohne dass Abstriche bei der Genauigkeit gemacht werden müssen.

Eine Nahansicht des Fensters Add Material und das Modell eines Schutzsystems im Grafikfenster.

Materialbibliothek

Das Corrosion Module enthält eine integrierte Materialbibliothek mit mehr als 270 Einträgen, die Gleichgewichtspotentiale und Polarisationsdaten (lokale Stromdichte versus Elektrodenpotential) für eine Reihe von Metallen und Legierungen in verschiedenen Elektrolyten enthält.

Eine Nahansicht der Damage-Einstellungen und eines Oxide-Jacking-Modells im Grafikfenster.

Erweiterte Multiphysik-Analysen

COMSOL Multiphysics® bietet Funktionalitäten zur Erstellung beliebiger Kopplungen zwischen verschiedenen physikalischen Interfaces. So kann beispielsweise Spannungsrisskorrosion durch die Kombination eines strukturmechanischen Interfaces mit einem Korrosions-Interface modelliert werden. Auch Effekte des Wärmetransports können durch Multiphysik-Kopplungen in Modelle von stark temperaturempfindlichen Korrosions- und Korrosionsschutzprozessen einbezogen werden. In ähnlicher Weise können turbulente und mehrphasige Strömungen in Kombination mit dem Transport chemischer Spezies und dem Korrosionsschutz modelliert werden.

Eine Nahansicht der Einstellungen für Cathodic Protection und dem Modell einer Jacket-Gründungsstruktur im Grafikfenster.

Kathodischer Schutz

Das Corrosion Module verfügt über ein spezielles Interface für die Modellierung von kathodischen Schutzsystemen. Nutzer können ihre eigenen Ausdrücke definieren oder zwischen vordefinierten Randbedingungen, wie Butler-Volmer- oder Tafel-Gleichungen, oder experimentellen Polarisationskurven wählen, die die Kinetik an der Oberfläche darstellen. Maßgeschneiderte Funktionen, die vertraute Terminologie verwenden, ermöglichen Korrosions- und Materialingenieuren eine effiziente Modellierung von Opferanoden und Fremdstromsystemen.

Durch die Beschreibung gelöster und abgelagerter Spezies auf Kathoden und Anoden können die Modelle kalkhaltige Ablagerungen und deren Veränderung der Polarisation im Laufe der Zeit berücksichtigen. Das Modul kann auch die Korrosionsraten an bestimmten Positionen berechnen. Diese Informationen können mit Transportgleichungen kombiniert werden, um Beschränkungen des Stofftransports z.B. in geschlossenen Hohlräumen und porösen Materialien zu beschreiben.

Eine Nahansicht des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Electrode Surface und einem Modell der galvanischen Korrosion im Grafikfenster.

Verformung von Geometrien durch Korrosion und Ablagerung

Das Corrosion Module enthält vordefinierte Multiphysik-Interfaces für die zeitabhängige Modellierung von Verformungen, die als Folge von Ablagerungs- oder Auflösungsprozessen in elektrochemischen Zellen auftreten. Diese Art der Modellierung kann durch die Verwendung einer sich verformenden Geometrie erreicht werden, wobei die Geschwindigkeiten der Ränder durch die elektrochemischen Reaktionen gegeben sind.

Darüber hinaus stehen die Interfaces Level Set und Phase Field zur Verfügung, um Korrosion zu modellieren, bei der sich die Topologie der korrodierenden Elektrodenoberfläche als Folge der Korrosionsprozesse ändert, wie z.B. bei Opferanodensystemen.

Eine Nahansicht des Model Builder mit dem hervorgehobenen Knoten Current Distribution, Boundary Elements und Ölplattformen im Grafikfenster.

Berechnungsmethoden: FEM und BEM

Wenn Sie physikalische Gleichungen auf einer realen 3D-Geometrie lösen, erfordern numerische Methoden eine Diskretisierung der Modellgeometrie in Elemente. Neben der Finite-Elemente-Methode (FEM) verwendet das Corrosion Module auch die Randelemente-Methode (BEM). Zum Beispiel können spezielle Balkenelemente im Interface Current Distribution, Boundary Elements zur Modellierung von Korrosion in schlanken Strukturen verwendet werden. Die BEM-Modellierung im Corrosion Module bietet eine bewährte Alternative zur FEM für die Lösung von Problemen des kathodischen Schutzes. Sie vereinfacht auch den Modellierungsprozess für schlanke Strukturen und sehr große Gebiete mit Elektrolyten (wie z.B. das Meer).

Eine Nahansicht einer App, die das Ergebnisfenster und ein Monopile-Modell im Grafikfenster zeigt.

Simulations-Apps

Mit dem Application Builder können Sie Simulations-Apps auf der Grundlage eines beliebigen bestehenden Modells erstellen. Der Simulationsingenieur kann die verfügbaren Inputs und Outputs dieser Anwendungen einschränken und so eine individuell angepasste, intuitive Benutzeroberfläche bereitstellen, die für viele verschiedene Zwecke mit Kunden und Kollegen geteilt werden kann:

  • Automatisierung schwerer und repetetiver Aufgaben
  • Erstellen und Aktualisieren von Berichten
  • Bereitstellung wesentlicher Modellinformationen für Endnutzer in einer benutzerfreundlichen Oberfläche

Indem sie sich auf die Eingabeparameter und Berechnungsergebnisse konzentrieren, auf die es ankommt, ermöglichen die Simulations-Apps den F&E-Experten eine effektivere Zusammenarbeit mit den Projektbeteiligten und verschaffen ihnen so einen Wettbewerbsvorteil.

Die App Cathodic Protection Designer, die in der Application Library verfügbar ist, ist ein Beispiel dafür, wie Simulations-Apps für das Design von kathodischem Schutz eingesetzt werden können.

Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.

Um vollständig beurteilen zu können, ob die COMSOL Multiphysics® Software Ihre Anforderungen erfüllt, können Sie uns kontaktieren. Wenn Sie mit einem unserer Vertriebsmitarbeiter sprechen, erhalten Sie persönliche Empfehlungen und vollständig dokumentierte Beispiele, die Ihnen helfen, das Beste aus Ihrer Evaluierung herauszuholen und die beste Lizenzoption für Ihre Bedürfnisse zu wählen.

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