شبیه سازی Stress Corrosion در کامسول

در این مقاله قصد داریم Stress Corrosion را با استفاده از نرم افزار کامسول و با استفاده از ماژول خوردگی آن بررسی کنیم.

مقدمه

خطوط لوله های فولادی انتقال نفت و گاز شرایط پیچیده ای از تنش / فشار را تحمل می کنند. علاوه بر تنش از طریق فشار داخلی، خطوط لوله به علت حرکت خاک اطراف تحت فشار قرار می گیرند. تاثیر این تغییر شکل الاستیک و پلاستیک در خوردگی خطوط لوله در این مثال نشان داده شده است.

انحلال آهن (واکنش آندی) و احیا هیدروژن (واکنش کاتدی) به عنوان واکنش های الکتروشیمیایی در نظر گرفته می شوند.

هندسه مدل

هندسه مدل از خط لوله فولادی و دامنه اطراف خاک تشکیل شده است. طول خط لوله ۲ متر و ضخامت دیواره ۱۹٫۱ میلی متر است. نقص خوردگی در قسمت بیرونی خط لوله، بیضی شکل، با طول ۲۰۰ میلیمتر و عمق ۱۱٫۴۶ میلیمتر است. هدایت الکترولیت حوزه خاک در S / m 0.096.

شکل1: هندسه مدل در COMSOL شامل یک خط لوله با نقص خوردگی و دامنه اطراف خاک است

شکل۱: هندسه مدل در کامسول شامل یک خط لوله با نقص خوردگی و دامنه اطراف خاک است

Elastoplastic Stress

شبیه سازی تنش elastoplastic با استفاده از مدل دارای انعطاف کرنش کوچک روی خط لوله انجام می شود. تابع سخت شدن، σyhard، به عنوان تعریف شده است:

εp تغییر شکل پلاستیک ، σe است تنش فون میزس، E مدول یانگ (۲۰۷۰۰۰۰۰۰۰۰۰) و σys استحکام فولاد آلیاژی (۸۰۶۰۰۰۰۰۰ Pa) است.

Electrochemical Reactions

واکنش های انحلال آهن (آندی) و احیا هیدروژن (کاتدی) دو واکنش الکتروشیمیایی هستند که در سطح ناقل خوردگی خطوط لوله رخ می دهد. بقیه سطوح خط لوله به صورت الکتروشیمیایی غیر فعال هستند.

برای بیان مدل واکنش انحلال آهن، یک چگالی جریان موضعی آندی تعریف شده است:

اعداد مورد نیاز برای جایگزاری در فرمول های بالا جهت محاسبه به شرح زیر است:

disp “0.001 [m]” Displacement

Eeq0a “-0.859 [V]” “Equilibrium potential for iron dissolution vs SCE in absence of stress”

Eeq0c -0.644[V] “Equilibrium potential for hydrogen evolution vs SCE in absence of stress”

i0a 2.353e-3[A/m^2] “Exchange current density for iron dissolution”

ba 118[mV] “Tafel slope for iron dissolution”

i0c 1.457e-2[A/m^2] “Exchange current density for hydrogen evolution”

bc -207[mV] “Tafel slope for hydrogen evolution”

deltaPm 806e6[Pa]/3 “Excess pressure to elastic deformation”

Vm “7.13e-6 [m^3/mol]” “Molar volume of steel”

zm 2 “Charge number”

T 298.15[K] Temperature

nu 0.45 “Orientation dependent factor”

alpha 1.67e11[1/cm^2] Coefficient

N0 1e8[1/cm^2] “Initial dislocation density”

deltaEeqae -(deltaPm*Vm/(zm*F_const)) “Change in equilibrium potential due elastic deformation”

sigmal “0.096 [S/m]” “Electrolyte conductivity”

حال می رویم سراغ رابطه ی تافل در واکنش کاتدی:

 

 

 

نتایج و بحث

شکل ۲ توزیع پتانسیل الکترولیت (V) در دامنه خاک و توزیع تنش فون میزس (MPa) در دامنه لوله را در نرم افزار کامسول نشان می دهد، همانطور که نشان داده شده است جابجایی مجاز ۴ میلیمتر در جهت x است. می توان دید که تنش های محلی در نزدیکی نقص خوردگی به طور قابل توجهی بالاتر از سایر خطوط لوله است. توزیع پتانسیل الکترولیتی غیرمستقیم در نزدیکی نقص خوردگی همچنین در شکل ۲ نشان داده شده است، همانطور که در ناحیه نیم دایره ای می بینید.

شکل 2: توزیع پتانسیل الکترولیت در حوزه خاک و توزیع تنش فون میزس در ناحیه خط لوله برای جابجایی مجاز 4 میلیمتر.

شکل ۲: توزیع پتانسیل الکترولیت در حوزه خاک و توزیع تنش فون میزس در ناحیه خط لوله برای جابجایی مجاز ۴ میلیمتر.

 

شکل ۳ توزیع تنش فون میزس در طول طول نقص خوردگی برای جابجایی های مجاز به ترتیب ۱٫۳۷۵ میلی متر، ۲٫۷۵ میلی متر، ۳٫۷۵ میلی متر و ۴ میلی متر را در کامسول نشان می دهد. تنش فون میزس با افزایش فشار کششی افزایش می یابد همانطور که در مرکز نقص خوردگی مشخص است. برای تنش کششی ۳٫۷۵ میلیمتر و ۴ میلی متر، مشاهده شده است که تنش موضعی، به ویژه در مرکز نقص خوردگی، بیش از مقاومت فولاد آلیاژی (۱۰۶ × ۸۰۶) است. این باعث تغییر شکل پلاستیک در مرکز نقص خوردگی می شود، در حالی که تغییر شکل در ناحیه باقی مانده از نقص خوردگی در محدوده الاستیک باقی می ماند. برای تنش کششی پایین تر از ۱٫۳۷۵ میلی متر و ۲٫۷۵ میلی متر، تمام نقص خوردگی مشاهده شده در محدوده تغییر شکل الاستیک دیده می شود.

شکل 3: توزیع تنش فون میزس در طول نقص خوردگی برای جابجایی های مجاز از 375 میلی متر، 75 میلی متر، 3.75 میلی متر و 4 میلی متر.

شکل ۳: توزیع تنش فون میزس در طول نقص خوردگی برای جابجایی های مجاز از ۳۷۵ میلی متر، ۷۵ میلی متر، ۳٫۷۵ میلی متر و ۴ میلی متر.

 

شکل ۴ توزیع پتانسیل خوردگی را در طول نقص خوردگی برای جابجایی های مجاز از ۳۷۵ میلی متر، ۷۵ میلی متر، ۳٫۷۵ میلی متر و ۴ میلی متر را نشان می دهد.

شکل 4: توزیع پتانسیل خوردگی در طول نقص خوردگی برای جابجایی های مجاز از 1.375 میلی متر، 2.75 میلی متر، 3.75 میلی متر و 4 میلی متر.

شکل ۴: توزیع پتانسیل خوردگی در طول نقص خوردگی برای جابجایی های مجاز از ۱٫۳۷۵ میلی متر، ۲٫۷۵ میلی متر، ۳٫۷۵ میلی متر و ۴ میلی متر.

 

شکل ۵ توزیع چگالی جریان آندی را در طول نقص خوردگی برای جابجایی های مجاز از ۳۷۵ میلی متر، ۷۵ میلی متر، ۳٫۷۵ میلی متر و ۴ میلی متر نشان می دهد. برای تنش کششی کمتر از ۱٫۳۷۵ میلی متر و ۲٫۷۵ میلی متر، تغییرات در چگالی جریان آندی در طول طول نقص خوردگی شبیه رفتار بالقوه خوردگی است. با این حال، برای تنشهای بالاتر از ۳٫۷۵ میلی متر و ۴ میلی متر، تغییرات در چگالی جریان آندی به طور قابل توجهی غیر یکنواخت است، به ویژه در مرکز نقص خوردگی. دیده می شود که چگالی جریان آندی به طور قابل توجهی در مرکز نقص خوردگی افزایش می یابد، در حالی که در هر دو طرف نقص خوردگی برای تنش های بالاتر کاهش می یابد.

 

شکل 5: توزیع تراکم جریان آندی در طول نقص خوردگی برای جابجایی های مجاز از 1.375 میلی متر، 2.75 میلی متر، 3.75 میلی متر و 4 میلی متر

شکل ۵: توزیع تراکم جریان آندی در طول نقص خوردگی برای جابجایی های مجاز از ۱٫۳۷۵ میلی متر، ۲٫۷۵ میلی متر، ۳٫۷۵ میلی متر و ۴ میلی متر

شکل ۶ توزیع چگالی جریان کاتدی در طول نقص خوردگی برای جابجایی های مجاز از ۳۷۵ میلی متر، ۲٫۷۵ میلی متر، ۳٫۷۵ میلی متر و ۴ میلی متر در کامسول نشان می دهد. می توان دید که چگالی جریان کاتدی منفی با افزایش فشار کششی افزایش می یابد و در مرکز نقص خوردگی منفی تر از سایر قسمت ها است.

شکل 6: توزیع تراکم جریان کاتدی در امتداد طول نقص خوردگی برای جابجایی های مجاز از 1.375 میلی متر، 2.75 میلی متر، 3.75 میلی متر و 4 میلی متر.

شکل ۶: توزیع تراکم جریان کاتدی در امتداد طول نقص خوردگی برای جابجایی های مجاز از ۱٫۳۷۵ میلی متر، ۲٫۷۵ میلی متر، ۳٫۷۵ میلی متر و ۴ میلی متر.

1 پاسخ

دیدگاه ها غیر فعال است.