基于随机场方法的钢管腐蚀形貌演化的模拟方法

技术领域

本发明涉及钢结构腐蚀形貌模拟技术领域，具体涉及一种基于随机场方法的钢管腐蚀形貌演化的模拟方法。

背景技术

腐蚀是一种常见的金属结构损伤形式，特别是在暴露于恶劣环境条件下的钢管等金属构件上。腐蚀会导致金属表面的物质损失、形貌改变和力学性能下降，最终可能导致结构的失效。因此，对腐蚀进行研究具有重要意义。

模拟和预测钢结构表面的腐蚀形貌是腐蚀研究的关键内容之一。通过模拟和预测腐蚀形貌，可以更好地理解腐蚀过程中的物理力学机制，评估腐蚀对结构性能的影响，并制定相应的防护和维护策略。

以往，腐蚀表面模拟和预测的方法主要包括均匀截面削弱、随机点蚀或者钻铣挖孔等方法。这些方法在一定程度上可以模拟腐蚀形貌，但存在一些限制。例如，均匀截面削弱方法则无法考虑到腐蚀过程中的非均匀性和局部效应，而随机点蚀或者钻铣方法需要假设腐蚀形貌是规则的几何形状，难以准确模拟复杂的真实腐蚀形貌。

对于腐蚀空间相关性的问题，传统方法无法充分捕捉这些细节。腐蚀是一个复杂电化学反应的过程，且材料表面的腐蚀电流密度密切相关的，而腐蚀电流密度的影响因素有很多且有空间上相关性的特点。如材料表面酸根离子的浓度梯度不同，在一个区域内，腐蚀电流密度也会出现梯度变化，导致腐蚀呈现空间相关性；为了更好的模拟腐蚀的效果，应该考虑到这个腐蚀空间相关性的问题。

综上所述，既有的腐蚀形貌模拟方法以及预测，无法满足对腐蚀影响下材料力学性能等方面课题的进一步研究分析。迫切需要一个能考虑到腐蚀空间相关性问题的，能更加准确的模拟腐蚀形貌的，还可以提供与腐蚀相关的统计特性的，如腐蚀速率、腐蚀深度分布等数据的模拟方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于随机场方法的钢管腐蚀形貌演化的模拟方法，该方法有利于提高钢管腐蚀形貌演化模拟的准确性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于随机场方法的钢管腐蚀形貌演化的模拟方法，包括：

(1)确定待研究钢管构件尺寸及材料属性参数；

(2)基于法拉第电解定律建立腐蚀深度预测模型，确定腐蚀量与腐蚀电流密度之间的关系；

(3)根据材料属性参数、腐蚀环境、腐蚀电流密度信息，建立腐蚀深度预测模型待定参数的随机场模型，包括其分布类型、期望、方差和空间自相关长度；

(4)将参数空间划分成若干单元，通过中心点法进行离散化处理；令每个单元的随机变量取值等于其中心位置处的随机变量值；建立二维平面的腐蚀电流密度随机场；再根据改进的相关系数函数，建立钢管表面腐蚀电流密度的三维空间随机场，得到定义在整个钢管表面上的随机场；

(5)根据腐蚀深度预测模型将腐蚀电流密度的随机场代入关系式，得到腐蚀深度随机场；

(6)根据随机场理论以及腐蚀深度预测模型，模拟出空间随机场每个单元网格处腐蚀深度随时间累积增长的效果，得到时变的三维空间随机场；

(7)考虑钢管表面的防腐涂层的防腐效果；将防腐涂层的溶解时间看成涂层材料、环境温度、环境湿度、氯离子浓度的函数，并将涂层材料、环境温度、环境湿度、氯离子浓度视为随机场；

(8)根据步骤(5)和(7)得到的钢管构件表面防腐涂层溶解时间以及腐蚀深度随机场，可以预测任意时刻的钢管构件的腐蚀形貌。

进一步地，步骤(2)中，采用法拉第电解定律建立腐蚀电流密度与腐蚀量之间的关系，通过该关系得到腐蚀深度随机场；

法拉第电解定律描述了电化学腐蚀的基本规律；式(1)和(2)分别为法拉第第一电解定律和第二电解定律：

m＝KQ (1)

K＝M/Fn (2)

式中，m为金属的质量，K为电化当量，Q为通过的电量，t为通电时间，M为物质的摩尔质量，n为化合物中正或负化合价总数的绝对值，F为法拉第恒量；

基于式(1)、(2)建立腐蚀深度预测模型，如式(3)所示：

式中，i

d(t)＝A(t-t

式中，t

进一步地，步骤(3)中，以柱坐标形式建立适用于圆钢管的空间自相关系数函数，用以模拟出腐蚀电流密度在圆钢管上的随机场；适用于圆钢管的空间自相关系数函数为：

式中，(θ

进一步地，步骤(7)中，将防腐涂层的失效考虑为具有空间相关性的，根据随机场模拟钢管表面各单元失效时间；防腐涂层的溶解视为涂层材料、环境温度、环境湿度、氯离子浓度的函数：

t

其中，α为涂层材料有效寿命随机场，β为环境温度随机场，γ为环境湿度随机场，δ为环境氯离子浓度随机场；

因此，防腐涂层的溶解时间t

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种可以更真实模拟钢管表面腐蚀形貌演化的模拟方法，解决了如何模拟出腐蚀表面空间变异性的问题，该方法将二维的随机场应用在三维的钢管构件上，通过随机场方法模拟和预测出不同时间下钢管构件表面的形貌演化以及数据，提高了钢管腐蚀形貌演化模拟的准确性，对于之后的结构评估、预测寿命和制定维护策略都具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例的方法实现流程图；

图2是本发明实施例中二维随机场模拟出的腐蚀深度示意图；

图3是本发明实施例中三维随机场模拟出的圆钢管腐蚀形貌示意图；

图4是本发明实施例中三维随机场模拟出的圆钢管各服役时间下的腐蚀形貌示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于随机场方法的钢管腐蚀形貌演化的模拟方法，包括：

(1)确定待研究钢管构件尺寸及材料属性参数。

(2)基于法拉第电解定律建立腐蚀深度预测模型，确定腐蚀量与腐蚀电流密度之间的关系。

步骤(2)中，采用法拉第电解定律建立腐蚀电流密度与腐蚀量之间的关系，通过该关系得到腐蚀深度随机场。

法拉第电解定律描述了电化学腐蚀的基本规律。式(1)和(2)分别为法拉第第一电解定律和第二电解定律：

m＝KQ (1)

K＝M/Fn (2)

式中，m为金属的质量(单位为g)，K为电化当量(单位为g/C)，Q为通过的电量(单位为C)，t为通电时间(单位为s)，M为物质的摩尔质量(单位为g/mol)，n为化合物中正或负化合价总数的绝对值，F为法拉第恒量，等于9.65×10

基于式(1)、(2)建立腐蚀深度预测模型，如式(3)所示：

式中，i

d(t)＝A(t-t

式中，t

(3)根据材料属性参数、腐蚀环境、腐蚀电流密度等信息，建立腐蚀深度预测模型待定参数的随机场模型，包括其分布类型、期望、方差和空间自相关长度等关键统计特征。

为了将随机场应用于三维构件上，需对原有相关系数函数进行改进。空间自相关系数函数如下：

式中，ω

根据随机场的空间自相关性强弱函数关系，对原有相关系数函数进行改进。以柱坐标形式，建立适用于圆钢管的空间自相关系数函数，用以模拟出腐蚀电流密度在圆钢管上的随机场。适用于圆钢管的空间自相关系数函数为：

式中，(θ

(4)将参数空间划分成若干单元，通过中心点法进行离散化处理；令每个单元的随机变量取值等于其中心位置处的随机变量值；建立二维平面的腐蚀电流密度随机场；再根据改进的相关系数函数，建立钢管表面腐蚀电流密度的三维空间随机场，得到定义在整个钢管表面上的随机场。

(5)根据腐蚀深度预测模型将腐蚀电流密度的随机场代入关系式，得到腐蚀深度随机场。

(6)根据随机场理论以及腐蚀深度预测模型，模拟出空间随机场每个单元网格处腐蚀深度随时间累积增长的效果，得到时变的三维空间随机场。

(7)考虑钢管表面的防腐涂层的防腐效果；将防腐涂层的溶解时间看成涂层材料、环境温度、环境湿度、氯离子浓度的函数，并将涂层材料、环境温度、环境湿度、氯离子浓度视为随机场。

步骤(7)中，将防腐涂层的失效考虑为具有空间相关性的，根据随机场模拟钢管表面各单元失效时间；防腐涂层的溶解视为涂层材料、环境温度、环境湿度、氯离子浓度的函数：

t

其中，α为涂层材料有效寿命随机场，β为环境温度随机场，γ为环境湿度随机场，δ为环境氯离子浓度随机场；

因此，防腐涂层的溶解时间t

防腐涂层溶解时间随机场的相关长度根据防腐涂层的材料以及腐蚀环境而异。

(8)根据步骤(5)和(7)得到的钢管构件表面防腐涂层溶解时间以及腐蚀深度随机场，可以预测任意时刻的钢管构件的腐蚀形貌。

下面以某滨海环境钢结构建筑的圆钢管构件为例，说明如何使用随机场方法模拟和预测空间圆钢管的腐蚀形貌。

构件材料为Q460C，该Q460C圆钢管长2600mm，截面直径为159mm，管壁厚度为5mm。建筑腐蚀环境为沿海地区，腐蚀较为严重，第一年腐蚀速率为0.1mm/n。考虑其变异性，于是取变异系数为0.55。腐蚀随机场相关长度lc为25mm，防腐涂层溶解时间ti的随机场相关长度为100mm。将该钢管表面分别沿环向和轴向，划分成50×260个单元网格。腐蚀深度时变模型中参数B服从标准正态分布，且其均值为0.5，变异系数为0.1。

按照上述的方法步骤即可模拟出腐蚀深度的随机场。

在本实施例中，二维随机场模拟出的腐蚀深度如图2所示。三维随机场模拟出的圆钢管腐蚀形貌如图3所示。三维随机场模拟出的圆钢管各服役时间下的腐蚀形貌如图4所示。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。