[发明专利]一种管路冲刷腐蚀数字孪生预测系统及方法

权利要求书

1.一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)，其特征在于：所述透明水箱(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，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。

2.根据权利要求1所述的一种管路冲刷腐蚀数字孪生预测系统，其特征在于：所述测试弯管(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。

3.根据权利要求1所述的一种管路冲刷腐蚀数字孪生预测系统，其特征在于：所述螺杆(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)。

4.根据权利要求1所述的一种管路冲刷腐蚀数字孪生预测系统，其特征在于：所述螺杆(11)通过螺母块(15)固定连接在测试弯管(6)上。

5.根据权利要求1所述的一种管路冲刷腐蚀数字孪生预测系统，其特征在于：所述测试弯管(6)的外拱处设置有参比电极(12)、辅助电极(13)和工作电极(14)。

6.根据权利要求1所述的一种管路冲刷腐蚀数字孪生预测系统，其特征在于：所述参比电极(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。

7.一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；其特征在于：

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48mm²，试样背部钻孔，可安装螺杆(11)，加工好的试样首先用丙酮进行除油，并清理螺孔内的油污，随后用240#-1000#水磨砂纸依次打磨试样表面，无水乙醇清洗、脱水后放置在收纳盒，放入真空干燥箱内干燥12h；采用高精度电子天平称量试样试验前重量；使用游标卡尺测量试样尺寸；在试样的背面中心位置处旋入固定螺杆(11)，用704硅胶将试样逐个涂封在测试弯管(6)上开设的凹槽内，涂封结束后将测试弯管(6)外拱和内拱两部分胶装，置于通风处至少24h，待硅胶充分固化后进行冲刷腐蚀试验即可，同时透明水箱(1)内装的水为天然海水；

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SQLServer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/m³；u为瞬时速度，m/s；p为压力，Pa；μ为粘度，Pa·s；I为单位张量；F为附加源项；

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/m³；σ_k为k方程的湍流Prandtl数，取为1.0；σ_ε为ε方程的湍流Prandtl数，取为1.3；P_k为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；C_ε1＝1.44，C_ε2＝1.92，C_μ＝0.09为经验常数；

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，i₁、i_s分别为电解质和电极的电流密度；σ₁、σ_s为电导率；φ₁、φ_s分别为在电解质和金属导体中的电势；Q₁和Q_s为电流源项；

绝缘边界条件：

电极表面边界：

式中，i_total为总电流密度；i_loc为局部电流密度；

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(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，即数据库平台(10)中设置的SQL Server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SQLServer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。