海軍裝備腐蝕仿真技術(shù)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和展望

馮亞菲，方志剛，趙 伊

(中國人民解放軍92228部隊，北京 100072)

1 前 言

海軍裝備因其獨特的海洋服役環(huán)境而易受到海洋大氣、海水等介質(zhì)的腐蝕，從而裝備的可靠性及安全性降低，經(jīng)濟性也受到嚴重的影響。為降低維護成本，減小腐蝕對裝備安全和戰(zhàn)備的影響，應對裝備在全壽期內(nèi)進行腐蝕防護控制。傳統(tǒng)的方法通常依靠實驗室以及自然環(huán)境等試驗暴露問題后再尋求補救措施，這種方法不能有效地預測并減少腐蝕損失[1]。隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，其優(yōu)勢已逐漸顯現(xiàn)：既可以對實際試驗難以完成的多種復雜問題進行模擬，又可以對裝備防腐設計方案甚至整機系統(tǒng)進行虛擬仿真分析，提前暴露可能出現(xiàn)的問題，彌補實際試驗的不足[2]。目前，仿真技術(shù)在腐蝕防護控制領(lǐng)域已得到了人們的廣泛關(guān)注，研究逐漸從材料級、部件級向系統(tǒng)級、體系級過渡。然而，在實現(xiàn)腐蝕仿真試驗技術(shù)工程化應用之前，仍有許多問題需要解決。

2 國內(nèi)外發(fā)展概況

2.1 國外發(fā)展概況

由于仿真技術(shù)具備低成本、耗時短、可適用范圍廣等特點，計算機仿真技術(shù)已經(jīng)應用于先進國家的軍事領(lǐng)域，在近年來呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的趨勢。美軍早在20世紀中期就認識到了模擬仿真的重要作用。1965年6月美國空軍顧問委員會的報告中指出：“預測裝備的戰(zhàn)斗效能必須要利用試驗數(shù)據(jù)、使用分析程序才能做到。這種分析一般都要涉及模型、仿真或方法”[2]。

20世紀60年代后期，研究人員第一次使用計算機仿真技術(shù)進行腐蝕預測，采用的是有限微分法。隨后，因在許多場合下，有限差分法比有限微分法具有更高的精度而被應用于腐蝕問題預測，但因有限差分法不適用于三維圖形模擬，70年代開始使用有限元法。相比于有限微分法，有限元法在編程解決問題方面更加容易。但是，使用有限元法需要生成有限單元網(wǎng)格，該過程極其煩瑣而且耗時耗力，尤其針對典型的腐蝕問題。因此，在70年代后期，邊界元法被廣泛使用，它是數(shù)值技術(shù)的另一種形式，常用于分析、設計和優(yōu)化陰極保護系統(tǒng)。80年代后期至90年代后期的10年間，邊界元法應用于船體陰極保護系統(tǒng)的文獻可以分為兩類：設計分析和案例研究。設計分析是處理一般的設計問題以及恰當?shù)倪吔缭嚓P(guān)工具的分析開發(fā)，案例研究是使用現(xiàn)有的技術(shù)來分析現(xiàn)有的系統(tǒng)并將結(jié)果與可靠的實驗數(shù)據(jù)進行比較[3-6]。

邊界元法的原理是：首先基于格林定理將待求解的數(shù)學物理問題的微分控制方程變換成邊界上的積分方程，然后采取邊界單元離散和分片插值技術(shù)對邊界進行離散，從而將邊界積分方程離散為代數(shù)方程，再采取數(shù)值方法求解出原問題中邊界積分方程的數(shù)值解。采用邊界元法可以將邊界積分方程離散后再進行分析，這樣可以降低所考慮問題的維數(shù)。對于邊界元法，關(guān)鍵問題在于其數(shù)學模型的建立需要合理的假設，同時需要一定的邊界條件對數(shù)學模型進行求解。2005年，有報道指出國外已采用邊界元法對全尺寸艦船進行了防腐優(yōu)化設計，報道主要描述了通過計算機建模來預測雜散電流的腐蝕，文中對利用邊界元法建模來設計和優(yōu)化船舶防腐陰極保護系統(tǒng)進行了討論[7]。

自20世紀60年代開始，國外就開始建設腐蝕數(shù)據(jù)庫供從事與腐蝕防護工作相關(guān)的技術(shù)人員使用。美國的NACE和NBS合作建立了腐蝕數(shù)據(jù)庫，NACE又陸續(xù)開發(fā)了COR.SUB和COR.AB腐蝕數(shù)據(jù)庫，其中COR.SUB是關(guān)于25種常用的工程金屬材料在1000種介質(zhì)中不同溫度和濃度下的腐蝕數(shù)據(jù)庫；COR.AB包括《Corrosion Abstracts》雜志自1962年創(chuàng)刊至今的全部內(nèi)容。德國也建立了類似的腐蝕數(shù)據(jù)庫DECHEMA[8]。

20世紀80年代中期，人工神經(jīng)網(wǎng)絡得到了迅速的發(fā)展并應用于腐蝕與防護領(lǐng)域，用來預測腐蝕類型和腐蝕性能等，如金屬材料腐蝕類型的預測、金屬應力腐蝕斷裂預測、非金屬材料老化預測等。

腐蝕專家系統(tǒng)是計算機在腐蝕科學技術(shù)中應用的又一個重要方面。如ACHILLES腐蝕專家系統(tǒng)包括海洋應用材料、涂料涂層、腐蝕監(jiān)測、大氣腐蝕、生物腐蝕、陰極保護等9個子系統(tǒng)，美軍的陰極保護專家系統(tǒng)主要是針對地下結(jié)構(gòu)管道、貯罐等進行陰極保護設計、維護等[8]。

近來，美國GCAS公司開發(fā)了一種基于模擬仿真的“加速腐蝕專家模擬器”系統(tǒng)[9]，簡稱ACES系統(tǒng)。該系統(tǒng)被美國陸軍首先用于模擬輪式車輛由于腐蝕而隨時間延長的性能劣化趨勢，模擬結(jié)果與實際加速腐蝕試驗數(shù)據(jù)具有非常高的相關(guān)度。該系統(tǒng)對整個全尺寸車輛進行了三維模擬，然后進行全面檢測確定故障并提出修復措施。后來，美國海軍對ACES系統(tǒng)進行了擴展，開發(fā)了點蝕、剝蝕和應力腐蝕開裂3種腐蝕形式的仿真模型，以及一個帶有學習算法的知識自動獲取模塊[10]。目前，ACES系統(tǒng)已經(jīng)用于預測美國陸軍裝備的腐蝕程度?？傊珹CES系統(tǒng)代表了全尺寸評估對象腐蝕傾向和模擬方面的重大進步。

值得注意的是，美軍在利用加速腐蝕仿真系統(tǒng)預測裝備腐蝕狀況的同時，高度重視仿真數(shù)據(jù)與實際環(huán)境試驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性。一方面是由于實際環(huán)境試驗(尤其是自然環(huán)境試驗)在美軍裝備研制中的重要地位；另一方面，與實際環(huán)境試驗數(shù)據(jù)的相關(guān)程度能驗證仿真模型的精確度以及仿真數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2 國內(nèi)發(fā)展概況

近年來，在裝備仿真技術(shù)研究領(lǐng)域，我國已經(jīng)在導彈、飛機、艦船等方面開展了仿真研究。但在仿真技術(shù)發(fā)展的全局規(guī)劃、試驗數(shù)據(jù)積累、數(shù)據(jù)集成等研究方面明顯落后于發(fā)達國家，缺乏對數(shù)據(jù)的開發(fā)利用及仿真結(jié)果的可靠性驗證等原因制約了仿真技術(shù)的發(fā)展。

數(shù)據(jù)庫是建立模型的基礎(chǔ)，我國在腐蝕數(shù)據(jù)庫建設上有一定的基礎(chǔ)。我國已經(jīng)開展了數(shù)十年的自然環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)積累工作，得到了大量的寶貴數(shù)據(jù)，但是目前大部分數(shù)據(jù)尚沒有被充分開發(fā)和利用。如：北京化工大學開發(fā)的金屬材料和非金屬材料腐蝕數(shù)據(jù)庫[11, 12]、北京科技大學開發(fā)的大氣腐蝕數(shù)據(jù)庫[13]、中國科學院金屬研究所開發(fā)的大氣腐蝕數(shù)據(jù)庫[14]以及中船重工725所開發(fā)的多層分布式海洋腐蝕與防護數(shù)據(jù)庫等[15]。如果能夠利用現(xiàn)代數(shù)據(jù)分析技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行開發(fā)，建立地域相關(guān)腐蝕模型，則會產(chǎn)生顯著的社會和軍事效益。

我國在材料以及部件級腐蝕仿真方面取得了較大的進步。如：海軍航空工程學院利用模擬仿真技術(shù)對ZL115鑄鋁合金、C41500黃銅、7B04鋁合金和7B04鋁合金/涂層體系等進行了電偶腐蝕和縫隙腐蝕問題的研究[16-18]；中船重工719所對B10合金與高強鋼兩種艦船結(jié)構(gòu)材料的電偶腐蝕行為進行了研究，并對其耦合的電絕緣判據(jù)進行了評估[19]，仿真結(jié)果顯示，當B10合金與高強鋼電偶對之間的絕緣電阻高于4 kΩ時，可有效控制電偶腐蝕；中船重工725所對鈦合金及銅合金管路的電偶腐蝕行為進行了數(shù)值仿真研究[20]，探索了材料間電偶腐蝕電位和電流密度的分布規(guī)律，指出電偶腐蝕速率與管徑和介質(zhì)流速都呈正相關(guān)關(guān)系；上汽通用五菱汽車股份有限公司利用電化學仿真方法[21]，分析車身漆膜厚度狀況，對車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，提高產(chǎn)品的防腐性能；哈爾濱工程大學以及中船重工725研究所等單位也對陰極保護及其相關(guān)技術(shù)進行了模擬仿真研究[22]；海軍工程大學還對水下船體因腐蝕產(chǎn)生的電場信號進行了數(shù)值仿真研究[23, 24]。研究人員利用有限元法，通過對潛艇外加電流陰極保護條件下的潛艇腐蝕相關(guān)靜電場進行數(shù)值建模，求解非線性極化條件下潛艇水下腐蝕相關(guān)靜電場。結(jié)果指出：當螺旋槳涂層發(fā)生局部破損時，會有效降低潛艇腐蝕相關(guān)靜電場，降低潛艇被發(fā)現(xiàn)和觸發(fā)水中武器的可能性，為艦艇電場隱身提供了一種新的思路[24]。

自2001年來，海軍研究院聯(lián)合大連理工大學圍繞艦船結(jié)構(gòu)及其防護技術(shù)進行了大量的仿真研究。如：陰極保護系統(tǒng)對螺旋槳葉根緊固螺栓開裂的影響、潛艇上層建筑結(jié)構(gòu)防腐蝕系統(tǒng)模擬、鋁合金艦艇陰極保護系統(tǒng)模擬、某型驅(qū)逐艦軸系及其附件陰極保護電位分布及其影響研究以及艉軸緊固件腐蝕疲勞試驗研究等。仿真結(jié)果為艦船結(jié)構(gòu)腐蝕防護設計提供技術(shù)手段和支撐，提高了艦船綜合腐蝕防護能力。

2.2.1 陰極保護系統(tǒng)對螺旋槳葉根緊固螺栓開裂的影響

運用數(shù)值仿真方法，通過ANSYS軟件對船體及其附體(含螺旋槳及其緊固螺栓)進行3D建模，計算水下船體結(jié)構(gòu)外表面的保護電位分布，見圖1。并根據(jù)仿真計算結(jié)果，分析陰極保護系統(tǒng)對螺旋槳葉根緊固螺栓開裂的影響。模擬結(jié)果表明：在10年的保護周期內(nèi)，螺旋槳葉根緊固螺栓保護電位變化較小，螺栓的保護電位一直低于800 mV；由于陰極保護系統(tǒng)的存在，因此不會直接導致螺栓處析氫反應的發(fā)生。以10年為一個保護周期，原方案在第8年后會出現(xiàn)過保護問題，需要增大陽極屏面積。

圖1 電位分布圖：(a)螺旋槳，(b)螺栓Fig.1 Potential distribution diagrams: (a) propeller， (b) bolts

2.2.2 潛艇上層建筑結(jié)構(gòu)防腐蝕系統(tǒng)模擬

采用邊界元法，針對易受腐蝕的潛艇上層建筑內(nèi)艙結(jié)構(gòu)中表面、設備表面、管道表面以及犧牲陽極表面等建立計算模型[25]，見圖2。并根據(jù)現(xiàn)行防腐系統(tǒng)的實際狀態(tài)，優(yōu)化設計犧牲陽極系統(tǒng)。模擬結(jié)果表明：采用一定初始質(zhì)量和數(shù)量的鋁合金犧牲陽極(設計壽命為5年)，對不同保護電流密度下的保護電位范圍的變化趨勢進行計算，得到了上層建筑內(nèi)艙結(jié)構(gòu)陰極保護系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，證明了該陽極系統(tǒng)能夠使上層建筑結(jié)構(gòu)表面在5年保護周期中處于良好的防腐狀態(tài)。

圖2 潛艇上層建筑表面保護電位分布[25]Fig.2 Protection potential distribution of submarine superstructure surface[25]

2.2.3 鋁合金艦艇陰極保護系統(tǒng)模擬

考慮多種航行狀態(tài)以及假設幾種防腐涂層損傷的情況下，采用邊界元法模擬了鋁合金船體表面保護電位分布、保護電流密度分布以及犧牲陽極消耗速度[26]。該方法不僅優(yōu)化了船體陰極保護系統(tǒng)的設計，還預測了船體保護狀態(tài)和犧牲陽極狀態(tài)，確定了犧牲陽極的有效極限體積，保證整個船體表面的保護電位值在各種航速下都處于有效范圍內(nèi)，確保船體在使用壽命內(nèi)采取可靠的防腐措施。

上述的仿真研究對裝備腐蝕模擬研究來說，既有共性問題也存在個性問題。其共性問題是，對不同裝備進行腐蝕模擬既要從實際需要模擬的問題入手，選擇合適的仿真方法；又要充分考慮裝備真實的服役環(huán)境，合理建立模型和設置邊界條件。例如：對于潛艇上層建筑的犧牲陽極系統(tǒng)進行模擬研究應采用邊界元法設計，還需考慮干濕交替的問題。對不同的裝備腐蝕問題進行模擬研究又面臨各自的關(guān)鍵問題，如對潛艇上層建筑結(jié)構(gòu)腐蝕防護系統(tǒng)進行模擬時，其關(guān)鍵問題有3點：① “屏蔽效應”問題，在潛艇上層建筑的犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)中，產(chǎn)生“屏蔽效應”的原因主要來自兩個方面，一是耐壓殼及非耐壓殼的隔擋板結(jié)構(gòu)、各類設備等對誘導電場中電流的傳播起阻礙作用；二是潛艇表面形成的保護電流會弱化潛艇結(jié)構(gòu)的防腐效果，這是由于貴金屬設備與潛艇之間處于電流短接狀態(tài)時，會在其表面形成保護電流的“匯”。② 潛艇浮出水面航行時的防腐問題，當潛艇浮出水面航行時，具有防腐作用的犧牲陽極系統(tǒng)失效，而潮濕的空氣環(huán)境會加劇結(jié)構(gòu)表面的腐蝕傾向，為了有效地緩解潛艇浮出水面航行時的腐蝕傾向，當潛艇潛水航行時，犧牲陽極系統(tǒng)需要在保證結(jié)構(gòu)表面處于有效保護狀態(tài)的同時，在結(jié)構(gòu)表面上形成“鈣質(zhì)層”。③ 過保護問題，當犧牲陽極系統(tǒng)的作用使結(jié)構(gòu)表面的局部區(qū)域處于過保護狀態(tài)時，將加快防腐涂層出現(xiàn)損傷的過程，甚至導致結(jié)構(gòu)材料發(fā)生氫脆而影響到潛艇的安全。針對上述關(guān)鍵問題，在采用邊界元技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了減少因隔擋板等結(jié)構(gòu)使犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)的誘導電場模型復雜而造成的誤差，可以進一步采用“分塊邊界元”技術(shù)實現(xiàn)正確的數(shù)值模擬計算。

3 面臨的挑戰(zhàn)

我國已經(jīng)在材料、結(jié)構(gòu)等方面進行了大量的腐蝕仿真模擬研究工作，積累了大量的數(shù)據(jù)；在裝備的系統(tǒng)級、體系級仿真研究中，也積累了一些寶貴的經(jīng)驗。但與國外相比，仍存在以下不足：

(1)腐蝕仿真技術(shù)發(fā)展缺乏全局規(guī)劃，管理機制不健全、技術(shù)規(guī)范缺乏。腐蝕仿真軟件資源多、分布散，缺乏仿真軟件集成的統(tǒng)一標準；缺乏模型和數(shù)據(jù)共享機制，數(shù)據(jù)互通存在障礙；缺乏全面、持續(xù)開展腐蝕仿真工作的管理制度和長效機制，如腐蝕仿真研究管理考核方法、數(shù)據(jù)共享策略、數(shù)據(jù)的補充機制等；缺乏相關(guān)的仿真試驗評價的技術(shù)、方法、規(guī)范等。

(2)數(shù)據(jù)匱乏,難以支撐腐蝕仿真研究開展。多年來各單位已經(jīng)積累了一些自然環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)，但裝備種類多、使用環(huán)境復雜、貯存時間長，已有數(shù)據(jù)仍不能滿足裝備腐蝕防護控制設計分析及支撐全面開展裝備腐蝕仿真工作的需要。此外，對環(huán)境數(shù)據(jù)采集的不全面、不規(guī)范也造成了環(huán)境數(shù)據(jù)的交流困難，導致無法實現(xiàn)共享。缺乏全面、系統(tǒng)、規(guī)范的自然和平臺環(huán)境的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐，已成為制約裝備腐蝕仿真研究進一步深入開展的最重要因素。

(3)仿真精度和可靠度有待提高。在腐蝕仿真模擬方面，需要加強環(huán)境數(shù)據(jù)以及模型數(shù)據(jù)的積累，進一步提高仿真精度及可靠度。

4 發(fā)展趨勢

對于裝備腐蝕仿真技術(shù)的發(fā)展，應朝著全壽期、全尺寸、互操作性、可信性、重用性及大數(shù)據(jù)挖掘的方向發(fā)展。裝備腐蝕仿真是一項系統(tǒng)工程，應系統(tǒng)有序地開展建模仿真工作，從材料級開始，逐步實現(xiàn)部件級、系統(tǒng)級，最終實現(xiàn)全壽期、全尺寸整機的建模仿真。建立全壽期、全尺寸模型往往系統(tǒng)復雜、成本高，因此提高模型系統(tǒng)的互操作性和重用性可以降低成本、節(jié)省建模時間。建模與仿真技術(shù)和大數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以增強仿真結(jié)果的可信性和預測能力。

4.1 全壽期、全尺寸建模與仿真

腐蝕仿真模擬研究應貫穿裝備的全壽期，從設計、制造到維護，如：選材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝優(yōu)化、防護技術(shù)優(yōu)化等。仿真級別逐漸從以材料級、部件級為主轉(zhuǎn)向以系統(tǒng)級、體系級為主。不斷擴大腐蝕仿真技術(shù)的應用范圍，最終實現(xiàn)全壽期、全尺寸、多種類、多型號的海軍裝備腐蝕傾向預測，為腐蝕仿真技術(shù)在工程上應用提供技術(shù)支撐。

4.2 環(huán)境建模與仿真

裝備腐蝕離不開環(huán)境的影響。環(huán)境建模與仿真是指依靠包括陸地、海洋、大氣和太空在內(nèi)的整個自然環(huán)境空間領(lǐng)域具有權(quán)威性、完整性、多態(tài)性和一致性的數(shù)據(jù)，進行模型建立與仿真，為國防領(lǐng)域建模仿真提供有力的環(huán)境數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的支撐。環(huán)境仿真的研究趨勢將主要集中于綜合自然環(huán)境數(shù)據(jù)、模型和仿真的互操作性、可信性與重用性，包括：環(huán)境數(shù)據(jù)模型和公共數(shù)據(jù)模型框架的搭建；環(huán)境數(shù)據(jù)的表示、映射與交換；環(huán)境數(shù)據(jù)庫模型。

4.3 高性能與可信性仿真技術(shù)

仿真可信度是仿真的重要指標，迭代完善是行之有效的技術(shù)途徑。倘若仿真失去可信度，對裝備腐蝕的仿真就毫無意義。仿真可信度技術(shù)未來發(fā)展趨勢聚焦在加強對仿真系統(tǒng)生命周期的校核、驗證與確認的管理以及充分利用采集的外場試驗數(shù)據(jù)加強模型驗證等幾個方面。

4.4 基于區(qū)塊鏈的建模仿真技術(shù)

裝備腐蝕仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具有典型的大數(shù)據(jù)特性[27]，然而目前大數(shù)據(jù)仍存在數(shù)據(jù)易被篡改和數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一等問題。利用區(qū)塊鏈技術(shù)與大數(shù)據(jù)相結(jié)合，激活了大數(shù)據(jù)的海量、全面、時效等固有優(yōu)點，彌補了其數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一及缺乏有效共享等缺陷，為腐蝕仿真技術(shù)的快速發(fā)展提供了一個新思路。

5 展 望

為了進一步發(fā)展裝備腐蝕仿真技術(shù)，全面推進基于模擬仿真技術(shù)的裝備腐蝕預測工作，需要從以下幾個方面著手：

(1)規(guī)范數(shù)據(jù)積累、仿真流程及試驗驗證，包括對腐蝕數(shù)據(jù)的收集范圍、整理格式、存儲方式等進行統(tǒng)一規(guī)定；規(guī)范仿真流程及試驗驗證，使其標準化，以建立系統(tǒng)化、規(guī)范化的裝備腐蝕數(shù)據(jù)庫；建立腐蝕數(shù)據(jù)的交流共享機制，避免同類腐蝕數(shù)據(jù)的重復獲取和整理，減少不必要的時間浪費，為建設裝備材料全系統(tǒng)腐蝕數(shù)據(jù)庫提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持；建立腐蝕數(shù)據(jù)庫運行及維護機制，保證數(shù)據(jù)庫的正常運行，并且對數(shù)據(jù)庫進行定期維護，及時補充新的腐蝕數(shù)據(jù)，及時更正出現(xiàn)的問題數(shù)據(jù)，以保證裝備腐蝕數(shù)據(jù)庫的準確性和適用性。

(2)在現(xiàn)有模擬仿真系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進行核心、關(guān)鍵部件和系統(tǒng)級、體系級模擬系統(tǒng)的建設，充分研究全壽期各階段試驗數(shù)據(jù)，充分驗證仿真試驗與實際試驗結(jié)果的相關(guān)度，提高仿真的可信度[28]。

(3)在建立了系統(tǒng)化、精細化腐蝕數(shù)據(jù)庫后，研究不同因素對裝備耐蝕性的影響規(guī)律，如：服役環(huán)境、工藝、組織、成分等，采用先進的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，再結(jié)合腐蝕數(shù)據(jù)庫，建立裝備腐蝕模型和開發(fā)服役壽命預測的軟件，從而對整個裝備的腐蝕性能做出快速評價以及對其服役壽命進行快速預測，并為新型裝備的研制提供指導方案。