Modellare la corrosione e la protezione dalla corrosione con COMSOL Multiphysics®

Modello di pitting che mostra la velocità di corrosione con linee di flusso bianche.

Processi di corrosione

Il Corrosion Module può essere utilizzato per modellare un'ampia gamma di processi di corrosione, come la corrosione galvanica, il pitting, la corrosione interstiziale, atmosferica e generale. Può anche essere utilizzato per modellare la corrosione dolce e acida nei sistemi oil & gas, la corrosione nel cemento armato e la corrosione da correnti parassite.

Questi processi di corrosione derivano da tipologie simili di fenomeni elettrochimici per le quali è necessario considerare il trasporto e il bilancio di carica e massa. Il modulo semplifica la definizione delle condizioni al contorno, delle reazioni superficiali e delle condizioni dell'elettrolita in massa. L'elettrolita può essere descritto come un sottile strato di umidità, un materiale poroso o un elettrolita liquido.

Grazie alle capacità di base della piattaforma COMSOL Multiphysics^®, il Corrosion Module può essere combinato con altri prodotti aggiuntivi per modellare fenomeni accoppiati, come il trasferimento di calore e la meccanica strutturale. Questa funzionalità di modellazione multifisica è disponibile per i fenomeni coinvolti in problemi come la cricca da corrosione sotto sforzo (SCC) e l'oxide jacking nel calcestruzzo.

Sistemi di protezione dalla corrosione

Esistono numerosi metodi di prevenzione della corrosione che possono essere utilizzati per contribuire a mantenere l'integrità strutturale delle strutture che vi sono soggette. Tra questi, la protezione catodica con anodo sacrificale (SACP), la protezione catodica a corrente impressa (ICCP), i sistemi di rivestimento e la protezione anodica di passivazione.

COMSOL Multiphysics^® e il Corrosion Module possono essere utilizzati per studiare i sistemi di protezione e ottimizzarne i progetti per supportare molti tipi di strutture, come le turbine eoliche offshore, le piattaforme petrolifere sottomarine e le condutture, gli impianti e i serbatoi di stoccaggio onshore. Il Corrosion Module può essere usato anche per modellare ponti stradali e infrastrutture edilizie, dighe e impianti idroelettrici, navi, sottomarini e porti. Può anche essere utilizzato per modellare i processi di corrosione nell'industria automobilistica.

Il Corrosion Module include funzionalità specializzate per la modellazione di sistemi di protezione dalla corrosione sia su microscala che su macroscala. Questa funzionalità di modellazione specializzata può essere utilizzata, ad esempio, per studiare come le condutture possano interferire con i sistemi di protezione di altre strutture. Può anche essere impiegata per prevedere la durata di un sistema di protezione e l'impatto del consumo degli anodi, delle correnti parassite, delle correnti catodiche impresse e della degradazione del rivestimento.

Vista in primo piano di un modello di piattaforma petrolifera che mostra la distribuzione del potenziale degli elettrodi.

Caratteristiche e funzionalità del Corrosion Module

Il Corrosion Module offre strumenti specifici per semplificare la modellazione di vari processi di corrosione.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Tertiary Current Distribution, Nernst-Planck evidenziato e un modello di barra d'acciaio nella finestra Graphics.

Corrosione galvanica

COMSOL Multiphysics^® e il Corrosion Module forniscono interfacce integrate per la modellazione dell’elettrochimica e della corrosione. Le funzionalità di base sono fornite dalle interfacce per la distribuzione della corrente primaria, secondaria e terziaria. Queste interfacce consentono di modellare la distribuzione della corrente, la cinetica superficiale con curve di polarizzazione e gli effetti di trasporto di massa con reazioni di equilibrio in massa. Ciascuna di queste interfacce offre un diverso livello di fedeltà, consentendo di selezionare il livello necessario per fornire una descrizione sufficientemente accurata del sistema in esame, sia che si tratti di un modello che richiede solo effetti ohmici, sia che si tratti di un modello più complesso, come ad esempio uno che includa il trasporto di massa e reazioni di equilibrio per più specie. COMSOL Multiphysics^® consente di aggiungere senza difficoltà tutte le specie e le reazioni desiderate per un dato sistema fisico.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Current Distribution, Shell evidenziato e un modello di sbarra collettrice nella finestra Graphics.

Corrosione atmosferica

Nella modellizzazione della corrosione atmosferica, lo strato di elettrolita sulla superficie metallica è solitamente molto sottile rispetto alle dimensioni della struttura. In tali casi, può risultare efficiente ipotizzare che la densità di corrente sia uniforme lungo tutto lo strato elettrolitico sottile. Partendo da questa ipotesi, è possibile stimare la distribuzione della corrente sulla superficie senza dover discretizzare lo strato elettrolitico estremamente sottile con una mesh volumetrica. Questa funzionalità è disponibile nell’interfaccia Current Distribution, Shell, che riduce significativamente lo sforzo computazionale rispetto a una discretizzazione 3D completa.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Aqueous Electrolyte Transport evidenziato e i modelli di film liquido sottile nella finestra Graphics.

Trasporto di elettroliti acquosi

Per la modellazione di elettroliti diluiti a base acquosa contenenti acidi deboli, basi deboli, anfoliti e specie complesse, l’interfaccia Aqueous Electrolyte Transport offre un approccio efficiente particolarmente adatto ad applicazioni quali la modellazione meccanicistica della corrosione, i modelli elettrochimici di sistemi biologici e la modellazione di sensori elettrochimici. Essa calcola il potenziale elettrico e le concentrazioni delle specie utilizzando le equazioni di Nernst–Planck con diffusione, migrazione e convezione, insieme all’elettroneutralità e all’autoisonizzazione dell’acqua. Trattando le specie deboli e complesse tramite reazioni di equilibrio, l’interfaccia riduce il numero di variabili dipendenti e semplifica la configurazione del modello.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Current Distribution, Boundary Elements evidenziato e le piattaforme petrolifere nella finestra Graphics.

Metodi di calcolo: FEM e BEM

Quando si risolvono equazioni fisiche su una geometria 3D reale, i metodi numerici richiedono la discretizzazione della geometria del modello in elementi. Oltre al FEM, il Corrosion Module utilizza il BEM. Ad esempio, per modellare la corrosione in strutture snelle si possono utilizzare elementi beam specifici nell'interfaccia Current Distribution, Boundary Elements. La modellazione BEM nel Corrosion Module offre un'alternativa ben collaudata al FEM per risolvere i problemi di protezione catodica. Inoltre, semplifica il processo di modellazione per le strutture sottili e per i domini elettrolitici molto grandi (ad esempio, il mare).

Vista in primo piano delle impostazioni della condizione Damage e di un modello di oxide jacking nella finestra Graphics.

Analisi multifisiche estese

COMSOL Multiphysics^® offre funzionalità per creare accoppiamenti arbitrari tra diverse interfacce fisiche. Ad esempio, la cricca da corrosione sotto sforzo (SCC) può essere modellata combinando un'interfaccia di meccanica strutturale con un'interfaccia di corrosione. Anche gli effetti del trasferimento di calore possono essere incorporati nei modelli di processi di corrosione e protezione dalla corrosione altamente sensibili alla temperatura con accoppiamenti multifisici. Allo stesso modo, il flusso turbolento e multifase può essere modellato in combinazione con il trasporto di specie chimiche e la protezione dalla corrosione.

Protezione catodica

Il Corrosion Module dispone di un'interfaccia specializzata per la modellazione dei sistemi di protezione catodica. È possibile definire espressioni o scegliere tra condizioni al contorno predefinite, quali le equazioni di Butler–Volmer o di Tafel, oppure curve di polarizzazione sperimentali che rappresentano la cinetica superficiale. Funzionalità personalizzate che utilizzano una terminologia familiare rendono efficiente la modellazione di anodi sacrificali e sistemi a corrente impressa per gli ingegneri della corrosione e dei materiali. Descrivendo le specie disciolte e depositate su catodi e anodi, i modelli possono tenere conto dei depositi calcarei e di come questi modifichino la polarizzazione nel tempo. Il modulo è inoltre in grado di calcolare i tassi di corrosione in punti specifici. Queste informazioni possono essere combinate con equazioni di trasporto per descrivere i limiti del trasporto di massa, ad esempio, in cavità chiuse e materiali porosi.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Electrode Surface evidenziato e un modello di corrosione galvanica nella finestra Graphics.

Geometrie deformabili dovute a corrosione e/o deposizione

Il Corrosion Module contiene interfacce multifisiche predefinite per la modellazione in funzione del tempo delle deformazioni che si verificano come risultato dei processi di deposizione o dissoluzione nelle celle elettrochimiche. Questo tipo di modellazione può essere realizzato utilizzando una geometria deformante, dove le velocità dei confini sono date dalle reazioni elettrochimiche.

Inoltre, le interfacce Level Set e Phase Field sono disponibili per modellare la corrosione in cui la topologia della superficie dell'elettrodo corroso cambia come risultato dei processi di corrosione, come nei sistemi ad anodo sacrificale.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Pipe Electrode Surface evidenziato e un modello di condotta nella finestra Graphics.

Protezione dalla corrosione interna nei tubi

La modellazione della protezione catodica all'interno di un tubo può essere impegnativa a causa del grande rapporto tra lunghezza e raggio. Una soluzione semplice consiste nel trascurare il gradiente di potenziale radiale e risolvere solo il potenziale lungo il tubo. Questa soluzione riduce un problema di volume a un problema di linea, il che significa che il carico computazionale è notevolmente ridotto senza sacrificare l'accuratezza.

Vista in primo piano del Material Browser.

Material Library

Il Corrosion Module comprende una libreria di materiali integrata con oltre 270 voci, con potenziali di equilibrio e dati di polarizzazione (densità di corrente locale rispetto al potenziale dell'elettrodo) per una serie di metalli e leghe in diversi elettroliti.

Vista in primo piano di un'app che mostra la finestra Results e un modello di monopalo nella finestra Graphics.

App di simulazione

L'Application Builder può essere utilizzato per creare app di simulazione basate su qualsiasi modello esistente. L'esperto di simulazione può limitare gli input e gli output disponibili di queste app, fornendo un'interfaccia utente personalizzata e intuitiva che può essere condivisa con clienti e colleghi per molti scopi diversi, tra cui:

Automatizzare attività difficili e ripetitive
Creare e aggiornare report
Rendere disponibili agli utenti finali le informazioni chiave del modello in un'interfaccia di facile utilizzo.

Concentrandosi sui parametri di input e sui risultati di calcolo che interessano, le app di simulazione consentono agli esperti di R&S di interagire più efficacemente con le parti in causa nel progetto, contribuendo a creare un vantaggio competitivo.

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