链状结构外加电流保护的临界电导率模拟计算方法及系统

本发明金属腐蚀的阴极保护电位仿真计算领域，特别地涉及一种链状结构外加电流保护的临界电导率模拟计算方法及系统。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、浮式海洋平台在深海中通常采用系泊链作为其固定方式，系泊链需要在海水中长期腐蚀而不产生断裂。外加电流阴极保护法具有保护周期长，可调节，污染小，效率高等其他腐蚀防护方法难以替代的优点。系泊链的链状结构属于非刚性结构，难以达到外加电流阴极保护法对电连通性的要求。可以从提高其链状结构电导率的角度提高外加电流阴极保护效果，为了对链状结构外加电流阴极保护系统设计提供重要参考，现有技术通常采用实验的方式，确定链状结构可以应用外加电流阴极保护法，进而确定其临界电导率，但是试验方法需要耗费较多的时间，并且存在误差率高、成本高的问题，因此，如何提供一种模拟计算方法能够准确、方便评估链状结构应用外加电流阴极保护的临界电导率，为链状结构外加电流阴极保护系统设计提供参考是目前亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种链状结构外加电流保护的临界电导率模拟计算方法及系统，能够降低实验成本和时间，准确、方便计算得到链状结构应用外加电流阴极保护的临界电导率，为链状结构外加电流阴极保护系统设计提供参考。

2、本发明的技术方案如下：

3、在本发明的第一方面，提供了一种链状结构外加电流保护的临界电导率模拟计算方法，包括以下步骤：

4、步骤1：获取电流物理场模拟所需基本参数，根据基本参数建立链状结构仿真模型，设置链状结构金属材料的电导率、相对介电常数和外加保护电流大小；

5、步骤2：对电阻产生的电位衰减计算，确定临界电导率；

6、步骤3：获取二次电流分布物理场模拟所需基本参数，根据基本参数建立链状结构仿真模型，设置海水和材料的电解质电导率、电极反应动力学参数，并根据步骤2得到的电位衰减，设置链状结构的边界条件；

7、步骤4：对海水中链状结构外加电流阴极保护电位进行计算，得到外加电流阴极保护电位；

8、步骤5：判断外加电流阴极保护电位是否在标准保护电位规定范围内，若是，则步骤2中的临界电导率为链状结构应用外加电流阴极保护的临界电导率；若否，则增加电导率的大小回到步骤2重新进行电位衰减的计算，直到外加电流阴极保护电位在规定范围内，则认为增大后的电导率为临界电导率。

9、在本发明的一些实施方式中，所述步骤1中的基本参数包括导线直径、链状结构尺寸、金属材料电导率和相对介电常数。

10、在本发明的一些实施方式中，所述步骤2中电位衰减计算的过程为：将辅助阳极设置为终端，通入i1电流，将链状结构一端设置为接地，对链状结构采用自由四面体网格划分，然后将导线设置的不同的电导率进行计算，将计算的电位结果最大值减最小值即得到电位衰减。

11、在本发明的一些实施方式中，所述步骤3中的基本参数包括海水电解质电导率和金属材料的极化曲线。

12、在本发明的一些实施方式中，二次电流分布物理场模拟所需基本参数极化曲线，通过电化学工作站的三电极体系测得，其中对电极采用与实际外加电流保护系统中辅助阳极相同材料，工作电极使用链状结构的相同材料，参比电极使用饱和kcl的ag/agcl。

13、在本发明的一些实施方式中，极化曲线测量扫描速率不大于0.005v/s，电压扫描范围根据开路电位确定。

14、在本发明的一些实施方式中，所述步骤4中外加电流阴极保护电位的计算过程为：对链状结构采用自由四面体网格划分，然后计算得到链状结构金属表面电势与所接触表面电解液的电势差，即为外加电流阴极保护电位。

15、在本发明的第二方面，提供了一种外加电流阴极保护的临界电导率的模拟计算系统，包括：

16、模型建立模块，被配置为：获取电流物理场模拟所需基本参数，根据基本参数建立链状结构仿真模型，设置链状结构金属材料的电导率、相对介电常数和外加保护电流大小；

17、电位衰减计算模块，被配置为：对电阻产生的电位衰减计算，确定临界电导率；

18、边界条件获取模块，被配置为：获取二次电流分布物理场模拟所需基本参数，根据基本参数建立链状结构仿真模型，设置海水和材料的电解质电导率、电极反应动力学参数，并根据步骤2得到的电位衰减，设置链状结构的边界条件；

19、电位计算模块，被配置为：对海水中链状结构外加电流阴极保护电位进行计算，得到外加电流阴极保护电位；

20、临界电导率确定模块，被配置为：判断外加电流阴极保护电位是否在标准保护电位规定范围内，若是，则步骤2中的临界电导率为链状结构应用外加电流阴极保护的临界电导率；若否，则增加电导率的大小回到步骤2重新进行电位衰减的计算，直到外加电流阴极保护电位在规定范围内，则认为增大后的电导率为临界电导率。

21、本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

22、(1)本发明提供的链状结构外加电流保护的临界电导率模拟计算方法，通过comsol模拟不同电导率下链状结构应用外加电流阴极保护电位分布，由此计算得到临界电导率，相对于实验方法，能够降低实验成本和时间，准确、方便计算得到链状结构应用外加电流阴极保护的临界电导率，为链状结构外加电流阴极保护系统设计提供参考。

23、(2)由于试验中无法按照所需要求随意改变设置材料的电导率大小，而本发明提供的模拟计算方法仅通过改变材料属性即可轻易设置大小，无成本、速度快。模拟可以根据实际链状结构尺寸大小，迅速构建数字化的物理模型，而试验需要获得试样实体，成本高速度慢。

24、(3)本发明将电导率参数和电极反应动力学参数作为电位衰减模拟计算的依据，根据实际电化学测试得到的极化曲线参数，保证模拟计算数值结果的可靠性。

技术特征：

1.一种链状结构外加电流保护的临界电导率模拟计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的链状结构外加电流保护的临界电导率模拟计算方法，其特征在于，所述步骤1中的基本参数包括导线直径、链状结构尺寸、金属材料电导率和相对介电常数。

3.如权利要求1所述的链状结构外加电流保护的临界电导率模拟计算方法，其特征在于，所述步骤2中电位衰减计算的过程为：将辅助阳极设置为终端，通入i1电流，将链状结构一端设置为接地，对链状结构采用自由四面体网格划分，然后将导线设置的不同的电导率进行计算，将计算的电位结果最大值减最小值即得到电位衰减。

4.如权利要求1所述的链状结构外加电流保护的临界电导率模拟计算方法，其特征在于，所述步骤3中的基本参数包括海水电解质电导率和金属材料的极化曲线。

5.如权利要求4所述的链状结构外加电流保护的临界电导率模拟计算方法，其特征在于，二次电流分布物理场模拟所需基本参数极化曲线，通过电化学工作站的三电极体系测得，其中对电极采用与实际外加电流保护系统中辅助阳极相同材料，工作电极使用链状结构的相同材料，参比电极使用饱和kcl的ag/agcl。

6.如权利要求5所述的链状结构外加电流保护的临界电导率模拟计算方法，其特征在于，极化曲线测量扫描速率不大于0.005v/s，电压扫描范围根据开路电位确定。

7.如权利要求1所述的链状结构外加电流保护的临界电导率模拟计算方法，其特征在于，所述步骤4中外加电流阴极保护电位的计算过程为：对链状结构采用自由四面体网格划分，然后计算得到链状结构金属表面电势与所接触表面电解液的电势差，即为外加电流阴极保护电位。

8.一种链状结构外加电流保护的临界电导率模拟计算系统，其特征在于，包括：

9.一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1-7任一所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时执行上述权利要求1-7任一所述的方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种链状结构外加电流保护的临界电导率模拟计算方法及系统，通过搭建COMSOL仿真模型，根据导线直径、链状结构尺寸、金属材料电导率，设置COMSOL软件中的电流物理场相关参数，用于模拟计算不同电导率下造成的电位衰减；根据试验所获取的海水电导率、金属材料的电导率、极化曲线，设置COMSOL软件中的二次电流分布物理场相关参数，并结合在电流物理场获得的电位衰减作为边界条件模拟海水中处于稳态下的电位分布，若电位分布达到保护电位要求，此时电位衰减所对应的电导率则为临界电导率。该方法能够准确、方便评估链状结构应用外加电流阴极保护的临界电导率，为链状结构外加电流阴极保护系统设计提供参考。

技术研发人员：朱烨,杨帆
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12