1.2 电化学腐蚀仿真对装备性能提高的作用

腐蚀仿真技术由于具有成本低、耗时短、适用范围广等特点，已经广泛应用于发达国家的装备领域，近年来呈现迅猛发展的趋势。美国早在20世纪中期就认识到仿真技术在装备优化设计过程中的重要作用。1965年6月，美国空军科学顾问委员会的报告指出，预测装备的综合性能必须利用试验数据、使用分析程序才能做到，这种分析一般都涉及模型、仿真或算法。20世纪60年代后期，研究人员第一次使用腐蚀仿真技术进行腐蚀预测，采用的是有限微分法。随后，有限差分法因在许多场合下具有比有限微分法更高的精度而被应用于腐蚀预测。但由于有限差分法不适用于三维图形模拟，因此20世纪70年代研究人员开始使用有限元法（Finite Element Method）。与有限微分法相比，有限元法在编程解决问题方面更加容易。但是使用有限元法需要生成有限单元网格，该过程极其烦琐而且耗时耗力，尤其是针对典型的腐蚀问题。因此，在20世纪70年代后期，边界元法（Boundary Element Method）被广泛应用，它是数值方法的另一种形式，常用于分析、设计和优化阴极保护系统。在20世纪80年代后期到20世纪90年代后期的10年间，边界元法应用于阴极保护系统的文献可以分为两类：设计分析和案例研究。设计分析是指处理一般的设计问题及恰当的边界元相关工具的分析与开发，案例研究是指使用现有的技术来分析现有的系统并将结果与可靠的实验数据进行比较。

边界元法的原理是，首先基于格林（Green）函数将待求解的数学物理问题的微分方程转换成边界上的积分方程；其次采取边界单元离散和分片插值技术对边界进行离散，从而将边界上的积分方程离散为代数方程；最后采用数值方法求解出原问题中边界上的积分方程的数值解。采用边界元法可以将边界上的积分方程离散后再进行分析，这样可以降低所考虑问题的维数。对于边界元法，关键问题在于其数学模型的构建需要做出合理的假设，同时需要根据一定的边界条件对数学模型进行求解。2005年有报道指出，国外已采用边界元法对全尺寸舰船进行了腐蚀防护优化设计，该报道主要描述了通过计算机建模来预测杂散电流的腐蚀，对采用边界元法建模分析、设计和优化阴极保护系统进行了讨论。

自20世纪60年代开始，国外就开始开发腐蚀数据库供从事腐蚀防护相关工作的技术人员使用。美国的NACE和NBS合作开发了腐蚀数据库，NACE又陆续开发了腐蚀数据库COR.SUB和COR.AB，其中COR.SUB是关于25种常用的工程金属材料在1000种介质中、在不同温度和浓度下的腐蚀数据库；COR.AB包括 Corrosion Abstracts 自1962年创刊至今的全部内容。德国也开发了类似的腐蚀数据库DECHEMA。

20世纪80年代中期，人工神经网络得到了迅速发展并被应用于材料腐蚀与防护领域，用来预测腐蚀类型和腐蚀性能等，如金属材料腐蚀类型预测、金属材料应力腐蚀断裂预测、非金属材料老化预测等。腐蚀专家系统是计算机在腐蚀科学技术领域中应用的一个重要方面。例如，ACHILLES腐蚀专家系统包括海洋应用材料、涂料涂层、腐蚀监测、大气腐蚀、生物腐蚀、阴极保护等9个系统，美国的阴极保护系统主要针对地下结构管道、贮罐等进行阴极保护设计、维护等。

腐蚀仿真技术经过30多年的发展，目前已形成行业共识：在装备研发阶段，基于腐蚀仿真技术开展高效、科学和具有前瞻性的腐蚀防护设计，是延长装备使用寿命、降低腐蚀故障率最有效的方法。基于这一共识，以美国为代表的发达国家在20世纪就结合装备研制开发了多款腐蚀仿真软件（如Corrdesa公司开发的Corrosion Djinn、Computational Mechanics公司开发的BEASY、Elsyca公司开发的CorrosionMaster等）。这类软件通过仿真计算，可以充分考虑不同金属材料、各类涂层、外部环境、产品结构等因素对腐蚀的影响，精确地预测腐蚀风险，其应用已在战斗机、舰船的腐蚀防护设计上取得了巨大成功。近年来，美国GCAS公司开发了一种基于仿真的加速腐蚀专家模拟器（ACES）。ACES被美国陆军首先用于模拟轮式车辆由于腐蚀随时间延长的性能劣化趋势，模拟结果与实际加速腐蚀试验数据具有非常高的相关度。ACES先对全尺寸车辆进行三维模拟，然后进行全面检测以确定故障并给出修复措施。之后，美国海军对ACES进行了扩展，开发了模拟点蚀、剥蚀和应力腐蚀开裂3种腐蚀形式的仿真模型，以及一个带有学习算法的知识自动获取模块。目前，ACES已被用于预测美国陆军装备的腐蚀程度。总之，ACES代表了全尺寸车辆腐蚀倾向预测和模拟方面的重大进步。

目前，舰船、航空器、车辆等装备的腐蚀形式以电化学腐蚀为主。国外成熟的腐蚀仿真软件正是以电化学腐蚀过程为理论基础，开展复杂装备的腐蚀动力学过程和整体腐蚀热点的仿真评估的。但是，由于电化学腐蚀过程的复杂性，因此单纯依靠电化学腐蚀的基础理论，是无法得到精准的仿真结果的，还需要大量的装备实际材料在实战环境中的腐蚀数据库作为腐蚀仿真软件的支撑，才能得到精准的仿真结果。目前，国外相关的腐蚀仿真软件已经构建了完整的腐蚀算法体系、数据库系统，可以高效、精确地完成复杂装备的电化学腐蚀过程模拟。然而，国内相关的腐蚀仿真工作尚停留在实验室研究层面，主要基于电化学腐蚀的基础理论对小型部件进行腐蚀预测，腐蚀仿真软件整体功能有限、普适性差、覆盖领域少，无法满足大型装备电化学腐蚀的精准仿真需求。在当前装备快速研发的背景下，我国大型装备腐蚀仿真领域的信息安全及核心技术受制于人，尚未实现自主可控，制约着我国高性能装备的研制，这个问题亟须解决。

海军装备因其独特的海洋服役环境而易受到海洋大气、海水等介质的腐蚀，其可靠性及安全性会降低，经济性也会受到严重的影响。为了降低维护成本，减小腐蚀对装备安全和战备的影响，应对装备在全寿命周期内进行腐蚀防护控制。传统的方法通常是依靠实验室研究及自然环境试验等手段暴露问题后再寻求补救措施，这种方法不能有效地预测并减少腐蚀损失。随着腐蚀仿真技术的不断发展，其优势已逐渐显现：既可以对实物试验难以完成的多种复杂问题进行模拟，又可以对装备腐蚀防护设计方案甚至整机系统进行虚拟仿真分析，提前暴露可能出现的问题，弥补实物试验的不足。目前，腐蚀仿真技术在腐蚀防护领域已得到人们的广泛关注，研究逐渐从材料级、部件级向系统级、体系级过渡，如图1-2所示。然而，在实现腐蚀仿真技术工程化应用之前，仍有许多问题需要解决。