[发明专利]一种基于数字孪生的金属材料深海腐蚀评价系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于数字孪生的金属材料深海腐蚀评价系统及方法，包括高压釜、温度监测器、压力监测器、三电极、中央控制器、多通道电化学工作站、溶解氧监测器和试样框架，所述高压釜为深海腐蚀试验监测系统的介质贮存单元，高压釜的内部分别设置有温度监测器、压力监测器和三电极，温度监测器和压力监测器分别为深海腐蚀试验监测系统的温度监测单元和压力监测单元；该发明通过数字孪生技术构建出实际深海装备金属材料腐蚀速率与虚拟仿真模型的腐蚀速率进行比较的一体化管理系统，模拟、还原和预测金属结构全寿期内的腐蚀过程，实时对金属结构腐蚀进行智能化预测、评价和防护，保证金属结构深海服役的安全可靠。

技术领域

本发明涉及金属腐蚀防护技术领域，具体为一种基于数字孪生的金属材料深海腐蚀评价系统及方法。

背景技术

深海海底蕴含丰富的石油天然气、锰结核、磷钙石等，探索开采这些资源需要研发大量新型海洋工程装备。深海环境中压力、温度、溶解氧、 pH值、生物污损等环境状态与浅海环境存在较大差别。深海极为复杂的环境使得深海装备易发生电化学腐蚀。同时，受设施自身的机械作用和周围海水腐蚀作用，装备腐蚀过程更加复杂化，除遭受海水浸泡腐蚀外，还承受高压、应力等力学作用。在海洋环境中，海洋工程材料的腐蚀和生物污损问题每年给国家造成近万亿元的经济损失和30％以上的海中航行体能源浪费，己成为严重制约重大海洋工程技术和装备发展的技术瓶颈之一，其失效问题更是严重影响海洋工程结构和装备的可靠性和寿命，是国内外海洋工程领域亟待解决的问题。

高强钢是在碳素钢的基础上，加入少量合金元素，提高强度，并改善其使用性能而发展起来的一类工程结构用钢，广泛应用于船舶、海上油气钻采平台等海洋结构设计建造中。Ni-Cr-Mo-V高强钢可用于船舶结构设计，同时又可作为结构材料用于深海环境，具有强度高、韧性高和焊接性能好等优点。随着我国海洋技术的进步以及我国对海洋开发利用要求的提高，对一系列材料的高强度和高耐海水腐蚀性能要求也越来越高。通过开展实海环境试验和室内模拟试验可以获取高强钢腐蚀规律和相关机理，但是对于深海腐蚀发生的过程缺乏有效手段。随着数字孪生技术的发展，使得腐蚀过程的研究获得突破。数字孪生技术可以弥补环境试验的不足，又可避免试验的高额费用和长时间；在一定的意义上，能更加及时、灵活地满足研制、生产和使用各个过程中对高强钢结构环境适应性的评价要求。

装备数字孪生是对应于装备物理实体的数字模型，是面向装备全寿命周期，采用单一数据源实现物理空间和信息空间的双向连接。数字线索和数字孪生受到业界高度关注。美空军与波音公司合作构建了战斗机机体的数字孪生模型，便于预测其寿命期限以及维修换件时间；美陆军在PHM(故障预测与健康管理)技术的基础上，通过集成微机电、无线通信、微数据处理器和电源微功耗技术，对弹药以及发射平台的状态进行评估。

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过程。鉴于深海结构腐蚀导致的损失巨大，腐蚀监检测与腐蚀防护的重要性日益凸显，利用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。深海腐蚀数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在深海环境中的腐蚀行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体扩展新的能力。针对深海装备用高强钢腐蚀动态发展预测困难、深海环境多深度腐蚀机理不清晰等问题，基于深海腐蚀数据在线监检测、多物理场耦合仿真以及物联网数据实时传输技术，建立基于深海腐蚀数据驱动的数字孪生试验平台，实现高强钢全寿期腐蚀过程虚拟仿真重现，分析高强钢在静水压力、温度、溶解氧作用下高强钢深海腐蚀动态发展规律，智能评价和精确预测深海腐蚀，为深海海洋装备的全寿期腐蚀防护及预测提供技术和方法支撑。

然而，目前针对高强钢深海腐蚀规律的数字孪生研究鲜有研究，特别是对基于数字孪生的材料腐蚀的实时模拟仿真、动态预测维护及评价还没有解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的金属材料深海腐蚀评价系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。