一种深海环境下金属点蚀进程中的诱导应力演化表征方法

本发明属于力-化学等多场耦合，具体涉及一种深海环境下金属点蚀进程中的诱导应力演化表征方法。

背景技术：

1、目前，深海战略加速布局，输油管线应用广泛，但是材料的腐蚀问题是海洋资源开发中面临的主要威胁之一，深海环境下的金属腐蚀是一类电化学过程，涉及到表面电化学反应、材料内外物质的传输扩散、材料损伤失效等问题，其中，点蚀是深海腐蚀典型之一，极易造成服役管道的应力集中与裂纹扩展，研究点蚀下的力-电化学问题对于深海采矿装备的寿命预测、可靠性分析与防腐蚀设计有重要意义。

2、但是，综合现有研究发现大多研究将腐蚀进程与力学问题分开讨论，关注材料蚀后力学性质变化。由于缺失腐蚀进程中力、电化学的关联这一要素分析，尚未实现对点蚀全过程及其应力演化的表征，限制了腐蚀与力学耦合机理的研究，影响了海洋装备的可靠性分析及寿命预测。

3、因此，急需开发一种方法将腐蚀进程中的力、电化学关联起来，实现腐蚀全进程中力-电化学信息的协同表征。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种深海环境下金属点蚀进程中的诱导应力演化表征方法。

2、本发明的技术方案是：一种深海环境下金属点蚀进程中的诱导应力演化表征方法，包括以下步骤：

3、a.基于nernst-planck传质方程和腐蚀反应动力学，建立电化学腐蚀模型；

4、b.表征点蚀演化进程；

5、c.表征点蚀发生过程中金属基底的腐蚀与产物沉积过程；

6、d.以产物堆积增厚与基底腐蚀减薄的面积比确定为腐蚀膨胀率；

7、e.用腐蚀膨胀率建立起电化学腐蚀信息与力学信息的联系，建立腐蚀诱导应力模型；

8、f.得到点蚀进程中的腐蚀诱导应力演化。

9、更进一步的，步骤a基于nernst-planck传质方程和腐蚀反应动力学，建立电化学腐蚀模型，具体过程如下：

10、首先，进行点蚀的电化学描述；

11、然后，建立电化学腐蚀模型。

12、更进一步的，所述电化学腐蚀模型包括含吸氧腐蚀、基于nernst-planck模型的传质方程、腐蚀反应动力学。

13、更进一步的，步骤b表征点蚀演化进程，具体过程如下：

14、以电流密度与蚀坑深度这两个关键电化学量表征腐蚀进程，分析腐蚀速度与腐蚀程度。

15、更进一步的，步骤c表征点蚀发生过程中金属基底的腐蚀与产物沉积过程，具体过程如下：

16、首先，将腐蚀过程视作金属先发生腐蚀减薄，再进行产物堆积。

17、然后，对金属腐蚀过程中基底减薄和产物堆积产生的腐蚀膨胀率进行表征。

18、更进一步的，步骤d以产物堆积增厚与基底腐蚀减薄的面积比确定为腐蚀膨胀率，具体过程如下：

19、所述腐蚀膨胀率α表示为腐蚀产物与基底损失的体积之比。

20、更进一步的，步骤e用腐蚀膨胀率建立起电化学腐蚀信息与力学信息的联系，建立腐蚀诱导应力模型，具体过程如下：

21、首先，当结构自由膨胀时，基于腐蚀膨胀率α得到腐蚀膨胀应变εtr；

22、然后，在考虑腐蚀膨胀应变的二维固体力学场中，得到腐蚀诱导应力模型。

23、更进一步的，步骤f得到点蚀进程中的腐蚀诱导应力演化，具体过程如下：

24、首先，通过腐蚀膨胀率建立起电化学腐蚀信息与力学信息的桥梁；

25、然后，通过腐蚀膨胀率实现腐蚀诱导应力的计算与表征；

26、最后，定时间间隔，得到腐蚀诱导应力，从而得到点蚀进程中的腐蚀诱导应力演化。

27、本发明的有益效果如下：

28、本发明将膨胀理论推广应用到金属腐蚀中给出了应力与腐蚀参量之间的联系，实现了腐蚀全进程中力-电化学信息的协同表征。

29、本发明模拟了腐蚀过程中的金属腐蚀和产物沉积的过程，将产物沉积与金属基底损失的面积比表示为膨胀率，以此展开腐蚀应变与腐蚀诱导应力的计算。

30、本发明模拟结果显示腐蚀诱导应力腐蚀诱导应力表现出明显的集中效应，且随着远离蚀坑中心呈发散状减小；应力的增加在腐蚀后期更为显著，腐蚀三年后，最大应力值达169mpa，这一现象在深海工程防腐上要尤为注意，实际应用中必须加强服役时限过长装备的安全性排查。

技术特征：

1.一种深海环境下金属点蚀进程中的诱导应力演化表征方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种深海环境下金属点蚀进程中的诱导应力演化表征方法，其特征在于：步骤a基于nernst-planck传质方程和腐蚀反应动力学，建立电化学腐蚀模型，具体过程如下：

3.根据权利要求2所述的一种深海环境下金属点蚀进程中的诱导应力演化表征方法，其特征在于：所述电化学腐蚀模型包括含吸氧腐蚀、基于nernst-planck模型的传质方程、腐蚀反应动力学。

4.根据权利要求2所述的一种深海环境下金属点蚀进程中的诱导应力演化表征方法，其特征在于：步骤b表征点蚀演化进程，具体过程如下：

5.根据权利要求1所述的一种深海环境下金属点蚀进程中的诱导应力演化表征方法，其特征在于：步骤c表征点蚀发生过程中金属基底的腐蚀与产物沉积过程，具体过程如下：

6.根据权利要求5所述的一种深海环境下金属点蚀进程中的诱导应力演化表征方法，其特征在于：步骤d以产物堆积增厚与基底腐蚀减薄的面积比确定为腐蚀膨胀率，具体过程如下：

7.根据权利要求1所述的一种深海环境下金属点蚀进程中的诱导应力演化表征方法，其特征在于：步骤e用腐蚀膨胀率建立起电化学腐蚀信息与力学信息的联系，建立腐蚀诱导应力模型，具体过程如下：

8.根据权利要求1所述的一种深海环境下金属点蚀进程中的诱导应力演化表征方法，其特征在于：步骤f得到点蚀进程中的腐蚀诱导应力演化，具体过程如下：

技术总结
本发明公开了一种深海环境下金属点蚀进程中的诱导应力演化表征方法，包括以下步骤：基于Nernst‑Planck传质方程和腐蚀反应动力学，建立电化学腐蚀模型；表征点蚀演化进程；表征点蚀发生过程中金属基底的腐蚀与产物沉积过程；以产物堆积增厚与基底腐蚀减薄的面积比确定为腐蚀膨胀率；用腐蚀膨胀率建立起电化学腐蚀信息与力学信息的联系，建立腐蚀诱导应力模型；得到点蚀进程中的腐蚀诱导应力演化。本发明将膨胀理论推广应用到金属腐蚀中给出了应力与腐蚀参量之间的联系，实现了腐蚀全进程中力‑电化学信息的协同表征。本发明模拟了腐蚀过程中的金属腐蚀和产物沉积的过程，将产物沉积与金属基底损失的面积比表示为膨胀率，展开腐蚀应变与腐蚀诱导应力的计算。

技术研发人员：谢海妹,于宁宁,秦梦斐,张茜,亢一澜
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15