Modéliser la corrosion et la protection cathodique avec COMSOL Multiphysics®

Modèle d'une piqûre montrant le taux de corrosion avec la palette de couleurs Rainbow Light et des lignes de courant blanches.

Processus de corrosion

Le module Corrosion est utilisé pour modéliser une variété importante de phénomènes de corrosion : galvanique, atmosphérique, par piqûres, par crevasses, et corrosion générale. Il est également utilisé pour modéliser la corrosion dans les systèmes pétroliers et gaziers, dans le béton armé et la corrosion due aux courants vagabonds.

Ces processus de corrosion découlent de phénomènes électrochimiques de types similaires pour lesquels le transport et l'équilibre de la charge électrique et de la masse doivent être considérés. Le module permet aisément de définir les conditions aux limites, les réactions de surface et les conditions de l'électrolyte de masse. L'électrolyte peut être décrit comme une fine couche d'humidité, un matériau poreux ou un électrolyte liquide.

Grâce aux capacités intrinsèques de la plate-forme COMSOL Multiphysics^®, le module Corrosion est combinable avec d'autres modules complémentaires pour modéliser des phénomènes couplés, comme les transferts thermiques et la mécanique des structures. Cette modélisation multiphysique est possible pour un certain nombre de phénomènes intervenant dans des problèmes de type corrosion sous contrainte (SCC) et dilatation par la rouille dans les bétons armés.

Systèmes de protection contre la corrosion

Il existe de nombreuses méthodes de prévention contre la corrosion qui sont utilisées afin d'aider à maintenir l'intégrité structurelle des structures exposées à la corrosion. Ces méthodes comprennent la protection cathodique par anode sacrificielle (SACP), la protection cathodique par courant imposé (ICCP), les systèmes de revêtement et la passivation anodique.

COMSOL Multiphysics^® et le module Corrosion sont utilisés pour étudier les systèmes de protection et optimiser leurs conceptions afin de supporter de nombreux types de structures, comme les éoliennes offshores, les plates-formes pétrolières sous-marines et les pipelines, usines et réservoirs de stockage sur terre. Le module Corrosion est également utilisé pour simuler les ponts routiers et les infrastructures de construction, les barrages et les équipements hydroélectriques, les navires, les sous-marins et les ports. Il est également adapté à la modélisation des phénomènes de corrosion dans l'industrie automobile.

Le module Corrosion comprend une fonctionnalité spécifique pour la modélisation des systèmes de protection à la fois à l'échelle microscopique et à l'échelle macroscopique. Cette fonctionnalité spécifique est utilisée par exemple pour étudier comment les pipelines peuvent interférer avec les systèmes de protection d'autres structures. Elle sert également à prédire la durée de vie d'un système de protection ainsi que les impacts de la consommation des anodes, des courants vagabonds, des courants imposés de protection cathodique et de la dégradation des revêtements.

Un modèle de coque de navire montrant la densité de courant avec des lignes de courant rouges.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Corrosion

Le module Corrosion fournit des outils spécifiques pour optimiser la modélisation des différents processus de corrosion.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Distribution de courant tertiaire, Nernst-Planck en surbrillance et un modèle de barre en acier dans la fenêtre graphique.

Modélisation de la corrosion galvanique

COMSOL Multiphysics^® et le module Corrosion proposent des interfaces utilisateur prêtes à l'emploi pour modéliser l'électrochimie et la corrosion. Les fonctionnalités de base sont fournies par les interfaces utilisateur de distribution de courant primaire, secondaire et tertiaire. Ces interfaces permettent de modéliser la distribution de courant, les cinétiques de réaction en surface avec des courbes de polarisation, et les effets de transport de masse avec des réactions d'équilibre en volume.

Chacune de ces interfaces utilisateur propose un degré de fidélité différent, permettant à l'utilisateur de sélectionner le degré nécessaire pour donner une description suffisamment précise du système en question, qu'il s'agisse uniquement d'effets ohmiques ou d'un modèle plus complexe, tel qu'il inclut le transport de masse et les réactions d'équilibre pour de multiples espèces. COMSOL Multiphysics^® vous permet d'ajouter de manière simple autant d'espèces et de réactions que nécessaire pour un système physique donné.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Distribution de courant, coques en surbrillance et un modèle de busbar dans la fenêtre graphique.

Modélisation de la corrosion atmosphérique

Lors de la corrosion atmosphérique, la couche d'électrolyte sur la surface du métal est généralement très mince par rapport à la taille de la structure. Dans de tels cas, il peut être plus efficace de supposer que la densité de courant est uniforme à travers la fine couche d'électrolyte. Avec cette hypothèse, la distribution de courant sur la surface est estimée sans avoir besoin de discrétiser la couche d'électrolyte extrêmement mince avec un maillage volumique. Cette fonctionnalité se retrouve dans l'interface Distribution de courant, coques, qui réduit considérablement les coûts de calcul par rapport à une discrétisation 3D complète.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Surface de l'électrode, conduite en surbrillance et un modèle de réseau de conduites dans la fenêtre graphique.

Modélisation de la protection contre la corrosion interne des conduites

La modélisation de la protection cathodique à l'intérieur d'une conduite peut être complexe en raison du ratio élevé entre la longueur et le rayon de la géométrie. Une méthode simple consiste à négliger le gradient de potentiel radial et à résoudre uniquement le potentiel le long de la conduite. Cette méthode réduit un problème volumique à un problème linéique, ce qui allège considérablement les ressources en calcul sans impacter la précision.

Vue rapprochée de la fenêtre Ajouter un matériau et d'un modèle de système de protection dans la fenêtre graphique.

Bibliothèque de matériaux

Le module Corrosion fournit une bibliothèque de matériaux comportant plus de 270 entrées, avec des potentiels d'équilibre et des données de polarisation (densité de courant locale en fonction du potentiel de l'électrode) pour un certain nombre de métaux et d'alliages dans différents électrolytes.

Vue rapprochée des réglages d'Endommagement et d'un modèle de dilatation par la rouille dans la fenêtre graphique.

Analyses multiphysiques étendues

COMSOL Multiphysics^® fournit des fonctionnalités permettant de créer arbitrairement des couplages entre différentes interfaces physiques. La corrosion sous contrainte (SCC) est par exemple modélisable en combinant une interface de mécanique des structures avec une interface de corrosion. Les effets de transfert thermique sont également pris en compte dans les modèles de corrosion hautement sensibles à la température et les procédés de protection contre la corrosion, avec des couplages multiphysiques. De la même manière, les écoulements turbulents et multiphasiques sont combinables avec le transport d'espèces chimiques et la protection contre la corrosion.

Protection cathodique

Le module Corrosion dispose d'une interface spécialisée pour la modélisation des systèmes de protection cathodique. Les utilisateurs peuvent définir leurs propres expressions ou choisir entre des conditions limites prédéfinies, par exemple les équations de Butler-Volmer ou de Tafel, ou des courbes de polarisation expérimentales représentant les cinétiques de réaction à la surface. Des fonctionnalités spécialisées qui utilisent une terminologie courante rendent efficace la modélisation des anodes sacrificielles et des systèmes à courant imposé pour les ingénieurs en corrosion et en matériaux.

En décrivant la dissolution et la déposition des espèces sur les cathodes et les anodes, les modèles prennent efficacement en compte les dépôts calcaires et la façon dont ils modifient la polarisation au cours du temps. Le module calcule également les taux de corrosion à des endroits spécifiques. Ces informations peuvent être combinées avec des équations de transport pour décrire les limitations du transport de masse dans, par exemple, les cavités fermées et les matériaux poreux.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Surface de l'électrode en surbrillance et un modèle de corrosion galvanique dans la fenêtre graphique.

Déformation des géométries due à la corrosion et au dépôt

Le module Corrosion contient des interfaces multiphysiques prédéfinies pour modéliser de manière temporelle les déformations survenant à la suite des processus de dépôt ou de dissolution dans les cellules électrochimiques. Ce type de modélisation est réalisé en utilisant une géométrie déformée, où les vitesses aux frontières sont reliées aux réactions électrochimiques.

Les interfaces Level Set et Phase Field sont également proposées pour modéliser de la corrosion où la topologie de la surface de l'électrode corrodée est modifiée par les processus de corrosion, tels que dans les systèmes d'anode sacrificielle.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Distribution de courant, éléments de surface en surbrillance et les plateformes pétrolières dans la fenêtre graphique.

Méthodes de calcul : FEM et BEM

Lors de la résolution d'équations de physique sur une géométrie 3D réelle, les méthodes numériques nécessitent une discrétisation de la géométrie du modèle en éléments. En complément de la FEM, le module Corrosion utilise la BEM. Des éléments poutres spécialisés dans l'interface Distribution de courant, éléments de surface peuvent par exemple être utilisés pour modéliser la corrosion dans des structures minces. La modélisation BEM dans le module Corrosion propose une alternative éprouvée à la FEM pour résoudre les problèmes de protection cathodique. Elle simplifie également le processus de modélisation pour les structures minces placés dans des électrolytes de très grande dimension, typiquement en mer.

Vue rapprochée d'une application montrant la fenêtre de résultats et un modèle de monopile dans la fenêtre graphique.

Applications de simulation

Le Constructeur d'applications est utilisé pour créer des applications de simulation basées sur n'importe quel modèle existant. L'ingénieur en simulation peut restreindre les entrées et sorties accessibles dans ces applications, fournissant ainsi une interface utilisateur personnalisée et intuitive qui peut ensuite être partagée avec des clients et des collègues à des fins diverses, notamment pour :

Automatiser des tâches complexes et répétitives
Créer et mettre à jour des rapports
Mettre à disposition des utilisateurs finaux les informations clés des modèles dans une interface conviviale.

En se focalisant sur les paramètres d'entrée et les résultats de calcul qui importent le plus, les applications permettent aux experts R&D de s'engager plus efficacement avec les parties prenantes d'un projet, contribuant à créer un avantage concurrentiel.

L'application Cathodic Protection Designer incluse dans la Bibliothèque d'Applications illustre la manière dont on peut se servir des applications pour la conception de systèmes de protection cathodique.

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