海軍裝備腐蝕仿真技術現狀、挑戰和展望

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境而易受到海洋大氣、海水等介質的腐蝕，從而裝備的可靠性及安全性降低，經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備的影響，應對裝備在全壽期內進行腐蝕防護控制。傳統的方法通常依靠實驗室以及自然環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]。隨著仿真技術的不斷發展，其優勢已逐漸顯現：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進行虛擬仿真分析，提前暴露可能出現的問題，彌補實際試驗的不足[2]。目前，仿真技術在腐蝕防護控制領域已得到了人們的廣泛關注，研究逐漸從材料級、部件級向系統級、體系級過渡。然而，在實現腐蝕仿真試驗技術工程化應用之前，仍有許多問題需要解決。

2 國內外發展概況

2.1 國外發展概況

由于仿真技術具備低成本、耗時短、可適用范圍廣等特點，計算機仿真技術已經應用于先進國家的軍事領域，在近年來呈現迅猛發展的趨勢。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：“預測裝備的戰斗效能必須要利用試驗數據、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，它是數值技術的另一種形式，常用于分析、設計和優化陰極保護系統。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的邊界元相關工具的分析開發，案例研究是使用現有的技術來分析現有的系統并將結果與可靠的實驗數據進行比較[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對邊界進行離散，從而將邊界積分方程離散為代數方程，再采取數值方法求解出原問題中邊界積分方程的數值解。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。對于邊界元法，關鍵問題在于其數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化船舶防腐陰極保護系統進行了討論[7]。

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

20世紀80年代中期，人工神經網絡得到了迅速的發展并應用于腐蝕與防護領域，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。

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

近來，美國GCAS公司開發了一種基于模擬仿真的“加速腐蝕專家模擬器”系統[9]，簡稱ACES系統。該系統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，模擬結果與實際加速腐蝕試驗數據具有非常高的相關度。該系統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系統進行了擴展，開發了點蝕、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系統已經用于預測美國陸軍裝備的腐蝕程度。總之，ACES系統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預測裝備腐蝕狀況的同時，高度重視仿真數據與實際環境試驗數據的相關性。一方面是由于實際環境試驗(尤其是自然環境試驗)在美軍裝備研制中的重要地位；另一方面，與實際環境試驗數據的相關程度能驗證仿真模型的精確度以及仿真數據的可靠性。

2.2 國內發展概況

近年來，在裝備仿真技術研究領域，我國已經在導彈、飛機、艦船等方面開展了仿真研究。但在仿真技術發展的全局規劃、試驗數據積累、數據集成等研究方面明顯落后于發達國家，缺乏對數據的開發利用及仿真結果的可靠性驗證等原因制約了仿真技術的發展。

數據庫是建立模型的基礎，我國在腐蝕數據庫建設上有一定的基礎。我國已經開展了數十年的自然環境腐蝕數據積累工作，得到了大量的寶貴數據，但是目前大部分數據尚沒有被充分開發和利用。如：北京化工大學開發的金屬材料和非金屬材料腐蝕數據庫[11, 12]、北京科技大學開發的大氣腐蝕數據庫[13]、中國科學院金屬研究所開發的大氣腐蝕數據庫[14]以及中船重工725所開發的多層分布式海洋腐蝕與防護數據庫等[15]。如果能夠利用現代數據分析技術對這些數據進行開發，建立地域相關腐蝕模型，則會產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構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進行了評估[19]，仿真結果顯示，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律，指出電偶腐蝕速率與管徑和介質流速都呈正相關關系；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，對車身結構進行優化設計，提高產品的防腐性能；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技術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生的電場信號進行了數值仿真研究[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靜電場進行數值建模，求解非線性極化條件下潛艇水下腐蝕相關靜電場。結果指出：當螺旋槳涂層發生局部破損時，會有效降低潛艇腐蝕相關靜電場，降低潛艇被發現和觸發水中武器的可能性，為艦艇電場隱身提供了一種新的思路[24]。

自2001年來，海軍研究院聯合大連理工大學圍繞艦船結構及其防護技術進行了大量的仿真研究。如：陰極保護系統對螺旋槳葉根緊固螺栓開裂的影響、潛艇上層建筑結構防腐蝕系統模擬、鋁合金艦艇陰極保護系統模擬、某型驅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。仿真結果為艦船結構腐蝕防護設計提供技術手段和支撐，提高了艦船綜合腐蝕防護能力。

2.2.1 陰極保護系統對螺旋槳葉根緊固螺栓開裂的影響

運用數值仿真方法，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，計算水下船體結構外表面的保護電位分布，見圖1。并根據仿真計算結果，分析陰極保護系統對螺旋槳葉根緊固螺栓開裂的影響。模擬結果表明：在10年的保護周期內，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；由于陰極保護系統的存在，因此不會直接導致螺栓處析氫反應的發生。以10年為一個保護周期，原方案在第8年后會出現過保護問題，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 潛艇上層建筑結構防腐蝕系統模擬

采用邊界元法，針對易受腐蝕的潛艇上層建筑內艙結構中表面、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。并根據現行防腐系統的實際狀態，優化設計犧牲陽極系統。模擬結果表明：采用一定初始質量和數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，得到了上層建筑內艙結構陰極保護系統的關鍵參數，證明了該陽極系統能夠使上層建筑結構表面在5年保護周期中處于良好的防腐狀態。

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模擬

考慮多種航行狀態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]。該方法不僅優化了船體陰極保護系統的設計，還預測了船體保護狀態和犧牲陽極狀態，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，確保船體在使用壽命內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鍵問題，如對潛艇上層建筑結構腐蝕防護系統進行模擬時，其關鍵問題有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中，產生“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構、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構的防腐效果，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失效，而潮濕的空氣環境會加劇結構表面的腐蝕傾向，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，犧牲陽極系統需要在保證結構表面處于有效保護狀態的同時，在結構表面上形成“鈣質層”。③ 過保護問題，當犧牲陽極系統的作用使結構表面的局部區域處于過保護狀態時，將加快防腐涂層出現損傷的過程，甚至導致結構材料發生氫脆而影響到潛艇的安全。針對上述關鍵問題，在采用邊界元技術的基礎上，為了減少因隔擋板等結構使犧牲陽極陰極保護系統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”技術實現正確的數值模擬計算。

3 面臨的挑戰

我國已經在材料、結構等方面進行了大量的腐蝕仿真模擬研究工作，積累了大量的數據；在裝備的系統級、體系級仿真研究中，也積累了一些寶貴的經驗。但與國外相比，仍存在以下不足：

(1)腐蝕仿真技術發展缺乏全局規劃，管理機制不健全、技術規范缺乏。腐蝕仿真軟件資源多、分布散，缺乏仿真軟件集成的統一標準；缺乏模型和數據共享機制，數據互通存在障礙；缺乏全面、持續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、數據共享策略、數據的補充機制等；缺乏相關的仿真試驗評價的技術、方法、規范等。

(2)數據匱乏,難以支撐腐蝕仿真研究開展。多年來各單位已經積累了一些自然環境腐蝕數據，但裝備種類多、使用環境復雜、貯存時間長，已有數據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，對環境數據采集的不全面、不規范也造成了環境數據的交流困難，導致無法實現共享。缺乏全面、系統、規范的自然和平臺環境的基礎數據的支撐，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，需要加強環境數據以及模型數據的積累，進一步提高仿真精度及可靠度。

4 發展趨勢

對于裝備腐蝕仿真技術的發展，應朝著全壽期、全尺寸、互操作性、可信性、重用性及大數據挖掘的方向發展。裝備腐蝕仿真是一項系統工程，應系統有序地開展建模仿真工作，從材料級開始，逐步實現部件級、系統級，最終實現全壽期、全尺寸整機的建模仿真。建立全壽期、全尺寸模型往往系統復雜、成本高，因此提高模型系統的互操作性和重用性可以降低成本、節省建模時間。建模與仿真技術和大數據相結合，可以增強仿真結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、結構優化、工藝優化、防護技術優化等。仿真級別逐漸從以材料級、部件級為主轉向以系統級、體系級為主。不斷擴大腐蝕仿真技術的應用范圍，最終實現全壽期、全尺寸、多種類、多型號的海軍裝備腐蝕傾向預測，為腐蝕仿真技術在工程上應用提供技術支撐。

4.2 環境建模與仿真

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

4.3 高性能與可信性仿真技術

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。仿真可信度技術未來發展趨勢聚焦在加強對仿真系統生命周期的校核、驗證與確認的管理以及充分利用采集的外場試驗數據加強模型驗證等幾個方面。

4.4 基于區塊鏈的建模仿真技術

裝備腐蝕仿真產生的數據具有典型的大數據特性[27]，然而目前大數據仍存在數據易被篡改和數據格式不統一等問題。利用區塊鏈技術與大數據相結合，激活了大數據的海量、全面、時效等固有優點，彌補了其數據格式不統一及缺乏有效共享等缺陷，為腐蝕仿真技術的快速發展提供了一個新思路。

5 展 望

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

(1)規范數據積累、仿真流程及試驗驗證，包括對腐蝕數據的收集范圍、整理格式、存儲方式等進行統一規定；規范仿真流程及試驗驗證，使其標準化，以建立系統化、規范化的裝備腐蝕數據庫；建立腐蝕數據的交流共享機制，避免同類腐蝕數據的重復獲取和整理，減少不必要的時間浪費，為建設裝備材料全系統腐蝕數據庫提供基礎數據支持；建立腐蝕數據庫運行及維護機制，保證數據庫的正常運行，并且對數據庫進行定期維護，及時補充新的腐蝕數據，及時更正出現的問題數據，以保證裝備腐蝕數據庫的準確性和適用性。

(2)在現有模擬仿真系統基礎上，進行核心、關鍵部件和系統級、體系級模擬系統的建設，充分研究全壽期各階段試驗數據，充分驗證仿真試驗與實際試驗結果的相關度，提高仿真的可信度[28]。

(3)在建立了系統化、精細化腐蝕數據庫后，研究不同因素對裝備耐蝕性的影響規律，如：服役環境、工藝、組織、成分等，采用先進的數據分析技術，再結合腐蝕數據庫，建立裝備腐蝕模型和開發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。