一种管路冲刷腐蚀数字孪生预测系统及方法

技术领域

本发明涉及金属腐蚀防护技术领域，具体为一种管路冲刷腐蚀数字孪生预测系统及方法。

背景技术

冲刷腐蚀是在流动介质在高速流动冲刷下金属表面出现损坏的现象，是流体冲刷和电化学腐蚀协同作用的结果。冲刷腐蚀不仅受到材料本身特性的影响，流动介质和流体力学因素也影响材料冲刷腐蚀行为。海水含盐浓度较高，是一种腐蚀性较强的天然电解质溶液。船舶终年漂泊海上，遭受海水腐蚀。船舶海水管道是船舶推进保障系统、发电机组保障系统和辅助系统的重要组成部分，承担着冷却主辅机、消防、清洗等任务，对于保证船舶动力装置、辅助机械和设备的正常工作至关重要。大多数海水管道处于潮湿、高温的恶劣环境中，安装布置空间狭小，维修保养困难。管道使用的材料多为金属，腐蚀问题突出。海水管路冲刷腐蚀大多发生在三通、法兰接头以及管道弯头处，由于流体形态的急剧变化使得这些部位比较容易遭到严重的冲刷腐蚀，而目前对于预测及解决海水管路冲刷腐蚀的技术措施较少。因此，建立海水管路冲刷腐蚀数字孪生体，开展管路全寿命周期冲刷腐蚀预测，进而提出相关的防护措施，对于保证海水管路的安全正常运行具有比较重要的意义。

为实现船舶高航速、高机动性与高负载性能，需要海水管路系统提高供给流量，因此，对海水管路系统最大允许流速提出了更高的要求。目前以铜镍合金为代表的二代海水管路最大设计流速不超过3.6m/s，但该最大流速的提出未考虑海水多因素影响，如果是一代紫铜海水管路，即使在较低流速下，管路系统也会发生严重的冲刷腐蚀破坏。另外，船舶航行时，船舶因动力装置运转、流体脉动等因素还会产生振动现象，其中低频次周期性振动能量大、传播远，导致海水管内流场变化，管道冲刷腐蚀状况更加复杂，难以预测。一旦海水管路因压力突变或磨损过快而失效，冷却海水无法到达中央冷却器来冷却主机和辅机等装置，消防系统和压载调节也无法正常工作，甚至造成全船动力系统瘫痪，冲刷腐蚀问题严重影响到海水管路系统使用寿命，威胁船舶航行安全。亟需设计相关试验装置和测试方法，对海水管路在振动环境下的冲刷腐蚀进行研究，从而预测管路失效部位，进而指导海水管路系统设计，提高海水管路系统安全性和稳定性。

数字孪生以数字化方式搭建物理实体的虚拟映射，在全寿命周期实现物理实体与虚拟映射的交互反馈、数据融合和决策优化。数字孪生的优势在于利用虚拟映射对物理实体的状态进行实时监测、动态模拟与信息扩展，结合运行历史数据和人工智能算法对物理实体各项参数、行为等实现动态、高可信度快速预测，最终通过多源信息回馈与系统评估决策完成对物理实体的行为纠偏或优化指导。目前针对产品内在结构关键性能的数字孪生研究尚缺乏，特别是对基于数字孪生的重大装备或部件内在结构性能的实时模拟仿真、动态预测维护还没有解决方案。

数字孪生技术可以跟踪腐蚀监测系统的所有信息，利用这些信息协助决策腐蚀与防护过程。鉴于冲刷腐蚀导致的损失巨大，腐蚀监测与腐蚀防护的重要性日益凸显，利用高通量数据采集传输、物联网等高新技术推动腐蚀监测及防护研究，整合利用各类信息已成为一种趋势。因此，设计一种管路冲刷腐蚀数字孪生预测系统及方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种管路冲刷腐蚀数字孪生预测系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种管路冲刷腐蚀数字孪生预测系统，包括透明水箱、离心泵、止回阀、流速传感器、压力传感仪、测试弯管、移动工作站、温度传感器、可视化管道、数据库平台、螺杆、参比电极、辅助电极、工作电极、螺母块和电化学工作站，所述透明水箱的出水端以及进水端通过可视化管道形成闭环水路，且可视化管道上依次设置有离心泵、止回阀、流速传感器、压力传感仪、测试弯管和温度传感器，且离心泵位于靠近透明水箱的出水端一侧，流速传感器、压力传感仪和温度传感器均通过无线信号配合连接有移动工作站,移动工作站通过无线信号配合连接有数据库平台，数据库平台中设置有SQL Server数据库模块和腐蚀应用系统，同时腐蚀应用系统主界面和子界面，且主界面包括初始化模块、管理模块、通信模块、计算模块和结果输出模块，子界面由温度监测显示模块、压力监测显示模块、流速数值监测显示模块和腐蚀电位监测显示模块组成，移动工作站中设置有冲刷腐蚀仿真系统；流速传感器、压力传感仪、移动工作站、温度传感器、数据库平台和电化学工作站均设置有无线接收系统。

优选的，所述测试弯管的内壁外拱处开设有21个相互对应的凹槽，测试弯管的内壁内拱处开设有15个相互对应的凹槽，且该凹槽内粘贴有试样，同时试样与测试弯管内壁平齐，且该试样设置在螺杆上。

优选的，所述螺杆穿过测试弯管位于凹槽底部开设的引出孔配合连接有螺母块。

优选的，所述螺杆通过螺母块固定连接在测试弯管上。

优选的，所述测试弯管的外拱处设置有参比电极、辅助电极和工作电极。

优选的，所述参比电极、辅助电极和工作电极直接连接在电化学工作站上，电化学工作站通过无线网络连接有移动工作站，参比电极、辅助电极、工作电极和电化学工作站组成为腐蚀电位检测仪。

一种管路冲刷腐蚀数字孪生预测方法，包括步骤一，试验监测环境建设；步骤二，数据传输；步骤三，数据整合分析；步骤四，可视化处理；步骤五，结果优化反馈；

其中上述步骤一中，试验监测环境建设的步骤如下：

1)首先将透明水箱的出水端以及进水端通过可视化管道形成闭环水路，且可视化管道上依次设置有离心泵、止回阀、流速传感器、压力传感仪、测试弯管和温度传感器，且离心泵位于靠近透明水箱的出水端一侧，同时在测试弯管上分别设置参比电极、辅助电极和工作电极，且安装的测试弯管的公称直径为DN50，即内径为54mm，弯径比为1.33，由于测试弯管内壁上粘接有试样，同时试验与螺杆连接，且螺杆通过螺母块连接在测试弯管上，同时使用的试样材料为B10铜镍合金，切割成规格为8mm×6mm×6mm的试样，工作面积为48mm

2)然后将流速传感器、压力传感仪、温度传感器和电化学工作站均通过无线信号配合连接移动工作站,移动工作站通过无线信号配合连接数据库平台，然后将设置的参比电极、辅助电极和工作电极均通过导线配合连接有电化学工作站；

其中上述步骤二中，数据传输步骤如下：

1)首先利用流速传感器、压力传感仪和温度传感器分别对流量、压力以及温度进行数据，同时参比电极、辅助电极、工作电极和电化学工作站的搭配工作共同得到腐蚀电位的数据；

2)将得到的流量、压力、温度数据以及腐蚀电位的数据通过无线信号传输的方式进行传输，且无线信号传输通过采用Zigbee短距离无线通信技术进行传输，同时Zigbee短距离无线通信技术的底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层，其与感知层的流速传感器、压力传感仪、温度传感器和电化学工作站通信是统一通过基于ModbusRTU的RS485现场总线；通信数据传到Zigbee终端后经无线方式传输至移动工作站，流速传感器、压力传感仪、温度传感器和电化学工作站的采集数据则通过Zigbee网络最终传输到Zigbee网关，移动工作站通过局域网读取Zigbee网关数据，此时数据传输到移动工作站的网口，后续通过移动工作站的IP地址和端口号读写数据；由于移动工作站与数据库平台通过无线信号连接，从而经过移动工作站处理后的数据经过无线网络传输到数据库平台，且流速传感器、压力传感仪、温度传感器和电化学工作站采集到的数据通过VB编程将采集到的数据传输至数据库平台的保存；利用VB的数据库绑定控件Adodc和数据显示控件DataGrid；数据最终到SQL Server数据库模块，继而完成数据的采集和保存；

其中上述步骤三中，将流速传感器、压力传感仪、温度传感器和电化学工作站采集到的数据通过无线传输的方式导入到移动工作站中设置的冲刷腐蚀仿真系统，且冲刷腐蚀仿真系统为COMSOL软件，同时在导入的过程中COMSOL 软件提供了数据导入接口，数据导入接口包括SQL、MATLAB以及Java，随后通过多物理场仿真软件COMSOL对导入的数据进行模拟计算得到数值仿真数据，且基于COMSOL的数值模拟计算过程包含以下几步：

1)几何建模，利用软件自身的几何模块或者导入其他三维软件绘制的图；

2)材料选取，定义几何模型中各部分材料的属性；

3)物理场选择，分析需要解决问题中所包含的物理场和其之间相互的耦合关系；

4)划分网格，利用软件中自带的网格划分方式或者导入其他软件划分的网格；

5)研究，选择合适的求解器；

6)后处理，对求解的结果分析；

同时，海水管路冲刷腐蚀仿真计算过程中需要考虑连续性方程、动量方程和湍流模型，因此选择k-ε湍流模型和“稳态”的物理场，湍流模型类型选择RANS模式；

根据以上描述，因此管内流场仿真的计算如下：

流动控制方程：

式中，ρ为连续相密度，kg/m

标准k-ε模型形式如下：

其中：

式中，k为湍流动能，J；ε为湍流耗散率，W/m

B10铜镍合金在海水冲刷环境中发生电化学腐蚀时，铁被氧化，电极反应动力学用塔菲尔方程来描述；在COMSOL软件中通过电极过程动力学方程研究腐蚀过程时，主要考虑二次电流分布：

式中，i

绝缘边界条件：

电极表面边界：

式中，i

在仿真分析过程中，要获取冲刷腐蚀速率需要求解海水管路中流体流场及电化学腐蚀场，由于流体流场与电化学腐蚀场相互影响，腐蚀电流与流体流速、电位存在如下关系：

i＝f(u,φ)

综上计算，从而可知腐蚀电流与流体流速、电位之间的关系；

其中上述步骤四中，可视化处理步骤如下：

1)由于流速传感器、压力传感仪、温度传感器和电化学工作站采集到的数据通过VB编程将采集到的数据传输至数据库平台的保存，即数据库平台中设置的SQL Server数据库模块，由于数据库平台中设置有腐蚀应用系统，且腐蚀应用系统根据保存在SQL Server数据库模块中的数据进行开发得到，同时腐蚀应用系统，且腐蚀应用系统的开发基于VB平台；

2)随后根据腐蚀应用系统实时得到的数据驱动孪生模型，在搭建的实物模型过程中，选取试样工作面作为特征部位点进行腐蚀数据监测，实时反映金属材料腐蚀情况，并且选用该点进行数字孪生；程序主界面可显示管路冲刷腐蚀管道内部流动参数实时动态变化，同时也可以显示实时测试的腐蚀数据和基于测试数据的腐蚀数值仿真计算结果；分别以坐标轴和表格的形式详细显示了不同时刻的温度变化情况，能够有效提高界面的可视化程度；另外，程序主界面中有相关设置，可以对试验和仿真数据进行求平均、求最大最小值、求方差等数学计算，同时也可以将试验和仿真数据导出不同格式保存；

3)将步骤三中计算得到的腐蚀电流、流体流速、传质系数以及电位的数据值，随后将计算得到的数据值结果通过开发的腐蚀应用系统进行可视化显示处理；

其中上述步骤五中，根据步骤四中的显示结果，不断改变温度、压力、流速参数大小，形成多种参数组合条件，再输入到COMSOL软件中可得到众多仿真结果，根据得到的众多仿真结果得到一种优化的管路使用方案，从而能够掌握管路的实时冲刷腐蚀情况及预测管路寿命。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明将数字孪生技术应用于金属冲刷腐蚀研究，提出了一种基于数据驱动的管路冲刷腐蚀数字孪生预测系统及方法；通过基于实际工况环境完成虚拟仿真并导出腐蚀仿真结果，每个结果对应一种腐蚀环境，然后通过传感器技术采集现场数据，再以此索引仿真结果，最后两者进行对比，修正仿真结果直至其有参考价值；同时本发明可应用于管路冲刷腐蚀全寿期管理，在成功建立数字孪生体后，能够掌握管路的实时冲刷腐蚀情况及预测管路寿命；

2)本发明可将海水冲刷腐蚀环境中的环境因素数据和金属材料腐蚀特征数据采用无线方式实时传输保存；通过实时获取的数据可驱动数值仿真进行，完成海水冲刷腐蚀试验与仿真试验的同步进行，有利于保证数据的准确性以及及时性；

3)同时本发明所用原理科学、架构合理，具有很高的推广和应用价值。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的中局部结构分解图；

图3是本发明的系统工作原理图；

图4为本发明中的系统应用框架图；

图5为本发明中的网络拓扑结构示意图；

图6为本发明的方法流程图；

图7为本发明中的方法设计框架图；

图中：1、透明水箱；2、离心泵；3、止回阀；4、流速传感器；5、压力传感仪；6、测试弯管；7、移动工作站；8、温度传感器；9、可视化管道； 10、数据库平台；11、螺杆；12、参比电极；13、辅助电极；14、工作电极； 15、螺母块；16、电化学工作站。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供的一种实施例：一种管路冲刷腐蚀数字孪生预测系统，包括透明水箱1、离心泵2、止回阀3、流速传感器4、压力传感仪5、测试弯管6、移动工作站7、温度传感器8、可视化管道9、数据库平台10、螺杆11、参比电极12、辅助电极13、工作电极14、螺母块15和电化学工作站16，透明水箱1的出水端以及进水端通过可视化管道9形成闭环水路，且可视化管道9上依次设置有离心泵2、止回阀3、流速传感器4、压力传感仪 5、测试弯管6和温度传感器8，且离心泵2位于靠近透明水箱1的出水端一侧，流速传感器4、压力传感仪5和温度传感器8均通过无线信号配合连接有移动工作站7,移动工作站7通过无线信号配合连接有数据库平台10，数据库平台10中设置有SQL Server数据库模块和腐蚀应用系统，腐蚀应用系统的应用框架图如图4，同时腐蚀应用系统主界面和子界面，且主界面包括初始化模块、管理模块、通信模块、计算模块和结果输出模块，子界面由温度监测显示模块、压力监测显示模块、流速数值监测显示模块和腐蚀电位监测显示模块组成，移动工作站7中设置有冲刷腐蚀仿真系统；流速传感器4、压力传感仪5、移动工作站7、温度传感器8、数据库平台10和电化学工作站16均设置有无线接收系统；测试弯管6的内壁外拱处开设有21个相互对应的凹槽，测试弯管6的内壁内拱处开设有15个相互对应的凹槽，且该凹槽内粘贴有试样，同时试样与测试弯管6内壁平齐，且该试样设置在螺杆11上，螺杆11 穿过测试弯管6位于凹槽底部开设的引出孔配合连接有螺母块15，螺杆11通过螺母块15固定连接在测试弯管6上，测试弯管6的外拱处设置有参比电极12、辅助电极13和工作电极14，参比电极12、辅助电极13和工作电极14 直接连接在电化学工作站16上，电化学工作站16通过无线网络连接有移动工作站7，参比电极12、辅助电极13、工作电极14和电化学工作站16组成为腐蚀电位检测仪。

请参阅图5-7，本发明提供的一种实施例：一种管路冲刷腐蚀数字孪生预测方法，包括步骤一，试验监测环境建设；步骤二，数据传输；步骤三，数据整合分析；步骤四，可视化处理；步骤五，结果优化反馈；

其中上述步骤一中，试验监测环境建设的步骤如下：

1)首先将透明水箱1的出水端以及进水端通过可视化管道9形成闭环水路，且可视化管道9上依次设置有离心泵2、止回阀3、流速传感器4、压力传感仪5、测试弯管6和温度传感器8，且离心泵2位于靠近透明水箱1的出水端一侧，同时在测试弯管6上分别设置参比电极12、辅助电极13和工作电极14，且安装的测试弯管6的公称直径为DN50，即内径为54mm，弯径比为 1.33，由于测试弯管6内壁上粘接有试样，同时试验与螺杆11连接，且螺杆 11通过螺母块15连接在测试弯管6上，同时使用的试样材料为B10铜镍合金，切割成规格为8mm×6mm×6mm的试样，工作面积为48mm

2)然后将流速传感器4、压力传感仪5、温度传感器8和电化学工作站 16均通过无线信号配合连接移动工作站7,移动工作站7通过无线信号配合连接数据库平台10，然后将设置的参比电极12、辅助电极13和工作电极14均通过导线配合连接有电化学工作站16；

其中上述步骤二中，数据传输步骤如下：

1)首先利用流速传感器4、压力传感仪5和温度传感器8分别对流量、压力以及温度进行数据，同时参比电极12、辅助电极13、工作电极14和电化学工作站16的搭配工作共同得到腐蚀电位的数据；

2)将得到的流量、压力、温度数据以及腐蚀电位的数据通过无线信号传输的方式进行传输，且无线信号传输通过采用Zigbee短距离无线通信技术进行传输，同时Zigbee短距离无线通信技术的底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层，其与感知层的流速传感器4、压力传感仪5、温度传感器8和电化学工作站16通信是统一通过基于Modbus RTU的RS485现场总线；通信数据传到Zigbee终端后经无线方式传输至移动工作站7，流速传感器4、压力传感仪5、温度传感器8和电化学工作站16的采集数据则通过Zigbee网络最终传输到Zigbee网关，移动工作站7通过局域网读取Zigbee 网关数据，此时数据传输到移动工作站7的网口，后续通过移动工作站7的 IP地址和端口号读写数据；由于移动工作站7与数据库平台10通过无线信号连接，从而经过移动工作站7处理后的数据经过无线网络传输到数据库平台 10，且流速传感器4、压力传感仪5、温度传感器8和电化学工作站16采集到的数据通过VB编程将采集到的数据传输至数据库平台10的保存；利用VB 的数据库绑定控件Adodc和数据显示控件DataGrid；数据最终到SQL Server 数据库模块，继而完成数据的采集和保存；

其中上述步骤三中，将流速传感器4、压力传感仪5、温度传感器8和电化学工作站16采集到的数据通过无线传输的方式导入到移动工作站7中设置的冲刷腐蚀仿真系统，且冲刷腐蚀仿真系统为COMSOL软件，同时在导入的过程中COMSOL软件提供了数据导入接口，数据导入接口包括SQL、MATLAB以及Java，随后通过多物理场仿真软件COMSOL对导入的数据进行模拟计算得到数值仿真数据，且基于COMSOL的数值模拟计算过程包含以下几步：

1)几何建模，利用软件自身的几何模块或者导入其他三维软件绘制的图；

2)材料选取，定义几何模型中各部分材料的属性；

3)物理场选择，分析需要解决问题中所包含的物理场和其之间相互的耦合关系；

4)划分网格，利用软件中自带的网格划分方式或者导入其他软件划分的网格；

5)研究，选择合适的求解器；

6)后处理，对求解的结果分析；

同时，海水管路冲刷腐蚀仿真计算过程中需要考虑连续性方程、动量方程和湍流模型，因此选择k-ε湍流模型和“稳态”的物理场，湍流模型类型选择RANS模式；

根据以上描述，因此管内流场仿真的计算如下：

流动控制方程：

式中，ρ为连续相密度，kg/m

标准k-ε模型形式如下：

其中：

式中，k为湍流动能，J；ε为湍流耗散率，W/m

B10铜镍合金在海水冲刷环境中发生电化学腐蚀时，铁被氧化，电极反应动力学用塔菲尔方程来描述；在COMSOL软件中通过电极过程动力学方程研究腐蚀过程时，主要考虑二次电流分布：

式中，i

绝缘边界条件：

电极表面边界：

式中，i

在仿真分析过程中，要获取冲刷腐蚀速率需要求解海水管路中流体流场及电化学腐蚀场，由于流体流场与电化学腐蚀场相互影响，腐蚀电流与流体流速、电位存在如下关系：

i＝f(u,φ)

综上计算，从而可知腐蚀电流与流体流速、电位之间的关系；

其中上述步骤四中，可视化处理步骤如下：

1)由于流速传感器4、压力传感仪5、温度传感器6和电化学工作站16 采集到的数据通过VB编程将采集到的数据传输至数据库平台10的保存，即数据库平台10中设置的SQLServer数据库模块，由于数据库平台10中设置有腐蚀应用系统，且腐蚀应用系统根据保存在SQL Server数据库模块中的数据进行开发得到，同时腐蚀应用系统，且腐蚀应用系统的开发基于VB平台；

2)随后根据腐蚀应用系统实时得到的数据驱动孪生模型，在搭建的实物模型过程中，选取试样工作面作为特征部位点进行腐蚀数据监测，实时反映金属材料腐蚀情况，并且选用该点进行数字孪生；程序主界面可显示管路冲刷腐蚀管道内部流动参数实时动态变化，同时也可以显示实时测试的腐蚀数据和基于测试数据的腐蚀数值仿真计算结果；分别以坐标轴和表格的形式详细显示了不同时刻的温度变化情况，能够有效提高界面的可视化程度；另外，程序主界面中有相关设置，可以对试验和仿真数据进行求平均、求最大最小值、求方差等数学计算，同时也可以将试验和仿真数据导出不同格式保存；

3)将步骤三中计算得到的腐蚀电流、流体流速、传质系数以及电位的数据值，随后将计算得到的数据值结果通过开发的腐蚀应用系统进行可视化显示处理；

其中上述步骤五中，根据步骤四中的显示结果，不断改变温度、压力、流速参数大小，形成多种参数组合条件，再输入到COMSOL软件中可得到众多仿真结果，根据得到的众多仿真结果得到一种优化的管路使用方案，从而能够掌握管路的实时冲刷腐蚀情况及预测管路寿命。

基于上述，本发明的优点在于，通过基于实际工况环境完成虚拟仿真并导出腐蚀仿真数据结果，随后根据每个结果对应一种腐蚀环境，然后通过传感器技术采集现场数据，再以此索引仿真结果，最后两者进行对比，修正仿真结果直至其有参考价值，从而使本发明可应用于管路冲刷腐蚀全寿期管理，在成功建立数字孪生体后，能够掌握管路的实时冲刷腐蚀情况及预测管路寿命。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。