Bản sao số có dự báo được ăn mòn không? Cách UPT CorroTwin™ mô phỏng hệ bảo vệ catốt

Thép ngâm trong nước biển không hỏng một sớm một chiều. Nó mất dần từng phần mười milimét mỗi năm, ở đúng những chỗ khó nhìn thấy nhất: chân cọc dưới bùn, mặt trong một caisson, mép một khoang bơm. Khi thợ lặn phát hiện, việc sửa chữa thường đã đắt hơn nhiều lần so với việc ngăn ngừa.

Câu hỏi của bài này rất cụ thể: trước khi lắp một anode nào, ta có thể biết chỗ nào của kết cấu sẽ được bảo vệ, chỗ nào không, và hệ sẽ đủ dùng trong bao lâu hay không? Câu trả lời là có, nếu ta có một bản sao số của hệ bảo vệ catốt được dựng đúng vật lý.

Bản sao số của hệ bảo vệ catốt là gì?

"Bản sao số" (digital twin) hay bị hiểu là một mô hình 3D đẹp. Với bảo vệ catốt, hình ảnh chỉ là phần nổi. Một bản sao số đúng nghĩa phải trả lời được câu hỏi kỹ thuật: điện thế bảo vệ trên từng mảng bề mặt thép là bao nhiêu, khi biết hình học, vật liệu, môi trường và vị trí từng anode.

Nó gồm bốn lớp chồng lên nhau:

flowchart LR
A["Hình học<br/>kết cấu, anode, mực nước"] --> B["Vật liệu & môi trường<br/>điện trở suất, phân cực, lớp phủ"]
B --> C["Bộ giải vật lý<br/>phương pháp phần tử biên"]
C --> D["Đo đạc hiện trường<br/>điện thế, dòng anode"]
D -. hiệu chỉnh .-> B

1. Hình học: kết cấu thép, vị trí và kích thước anode, mực nước theo triều.
2. Vật liệu và môi trường: điện trở suất của nước, đường cong phân cực của thép và anode, hệ số hư hỏng lớp phủ theo thời gian. Mỗi giá trị đều phải có nguồn: số đo, tiêu chuẩn hoặc tài liệu.
3. Bộ giải vật lý: tính phân bố điện thế và dòng điện trên toàn bộ bề mặt.
4. Đo đạc hiện trường: số đo điện thế và dòng anode thực tế, dùng để so sánh và hiệu chỉnh mô hình. Đây là lớp biến một mô hình thiết kế thành bản sao số "sống".

Vì sao dùng phương pháp phần tử biên?

Bài toán bảo vệ catốt có một đặc điểm: những gì ta cần biết đều nằm trên bề mặt (điện thế trên thép, dòng ra từ anode), còn môi trường nước bao quanh thì gần như vô hạn. Phương pháp phần tử biên (BEM) khai thác đúng đặc điểm đó: nó chỉ chia lưới bề mặt, không chia lưới khối nước.

BEM là hướng tiếp cận phổ biến trong mô phỏng bảo vệ catốt trên thế giới. Một ví dụ là mô-đun PITHIA-CP của FEAC Engineering trên nền Siemens Simcenter 3D [2].

Cái giá của BEM là ma trận đặc: mỗi phần tử ảnh hưởng đến mọi phần tử khác. Bộ nhớ tăng theo bình phương số phần tử, nên kết cấu càng lớn thì càng cần một bộ giải thông minh.

Bộ giải của UPT CorroTwin™: con số đo, không phải con số hứa

Tất cả các con số dưới đây là số đo thật từ các lần chạy được lưu trong hệ thống. Mỗi số đều ghi nguồn.

Kiểm chứng với lời giải chính xác

Trước khi tin một bộ giải trên kết cấu thật, ta cho nó giải những bài có lời giải giải tích, rồi so sánh.

• Hai mặt cầu đồng tâm (anode ở trong, thép ở ngoài): dòng điện lệch 0,39 % và 0,41 %, điện thế lệch 0,19 mV và 0,12 mV so với lời giải chính xác. Khi lưới mịn gấp đôi, sai số giảm khoảng 4 lần, đúng như lý thuyết dự đoán [3].
• Mặt nước tự do bằng phương pháp ảnh, so với một bể cách điện khép kín bán kính 20 m: chỗ được bảo vệ kém nhất lệch 0,007 mV, chỗ âm nhất lệch 0,011 mV, tổng dòng điện khớp trong ngưỡng 1 % đặt ra cho phép thử [3].

Hội tụ trên kết cấu thật

Với bài toán lớn, UPT CorroTwin™ dùng phương pháp lặp GMRES có tiền điều kiện Schwarz hai mức. Số vòng lặp gần như không tăng khi bài toán lớn lên.

Bộ nhớ: đo trên máy chủ thật

Trên máy chủ ảo dành cho khách (8 GB RAM, ngân sách 5 GiB cho một lần giải), bài 12 360 phần tử chạy trong 11,7 giây, dùng 2 531 MiB RAM, hội tụ sau 24 vòng. Trên cả ba điểm đo, bộ ước tính bộ nhớ của hệ thống đều ước cao hơn thực tế, tức là nghiêng về phía an toàn: tỉ số ước tính trên thực đo nằm trong khoảng 1,10 đến 1,35.

Từ bản vẽ đến bản đồ điện thế

Bốn cấp độ của một bản sao số bảo vệ catốt

Lời khuyên giống như với mọi dự án chuyển đổi số: bắt đầu nhỏ. Chọn một công trình, dựng mô hình cấp 1, đối chiếu với một đợt đo (cấp 2), rồi mới mở rộng.

Giới hạn: bản sao số hỗ trợ kỹ sư, không thay kỹ sư

Kết quả của UPT CorroTwin™ là chỉ số kỹ thuật hỗ trợ quyết định. Chúng không phải giấy chứng nhận, không phải tuyên bố hợp chuẩn, và không thay thế việc kiểm định hay phán đoán của kỹ sư có trách nhiệm. Độ chính xác phụ thuộc vào dữ liệu đầu vào. Chi tiết nằm trong Thỏa thuận Khách hàng (UCA) và Thỏa thuận Dịch vụ số (DSA).

Nguồn