借助 ICCP 与仿真预防船体腐蚀

Caty Fairclough 2015年 8月 6日

为预防船体在恶劣的海洋环境中受腐蚀,我们通常采用阴极保护的方法。利用诸如牺牲阳极或外加电流等不同的方法,使海上作业的设备正常运转。外加电流阴极保护 (ICCP) 方法就是通过向船体施加外部电流来减轻腐蚀的。此方法的效能取决于多种因素,例如螺旋桨上是否涂有涂层。在这里,我们通过仿真来探讨螺旋桨上的涂层如何影响外加电流阴极保护方法的工效的。

海上腐蚀

坐在甲板上,您可能无法得知水下发生了什么。但如果潜入水下,就可能会发现船体表面最大的问题之一:腐蚀。

当处于电解质(即海水)中,并且不同区域具有不同的电位时,船体就会发生腐蚀。简而言之,海水这一电解质促使电子从附近电解质电位较高的阳极流向附近电解质电位较低的阴极,由此引起阳极区出现氧化和腐蚀。

电极和电解质中氧化还原以及氧气减少演示图。
电解质溶液内阳极与阴极简图。

腐蚀导致船舶和石油平台等结构损坏,影响其使用寿命。还可能导致泄漏,引发安全事故。如果等这些问题发生之后再寻求解决办法,则需要付出高昂的代价,因此重点是提前采取保护措施防止腐蚀,例如采用外加电流阴极保护。

船舶图片。
图中所示船舶采用了防腐蚀系统延长了结构的使用寿命。(由 Jean-Michel Roche 提供。在 Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported 许可下使用,经 Wikimedia Commons发布。)

借助外加电流阴极保护减缓船体腐蚀

在使用外加电流阴极保护方法保护船体免受腐蚀时,我们施加了外部电流将船体上的高电位阳极区转化为低电位阴极区。因为整个船体都为阴极,确保了船体表面免受腐蚀。

船体示意图。
船体几何图形。

一个有效的外加电流阴极保护系统所需的电流量取决于多种因素,例如水的盐度和温度。然而,暴露于海水中的金属区域是决定电流量的最重要因素。螺旋桨通常由外露金属制成,但可以给它涂上保护层。螺旋桨是否具有涂层会影响外加电流阴极保护系统工作时所需的电流量。

下面我们通过仿真比较船舶上的螺旋桨有涂层以及没有涂层时外加电流阴极保护系统的工作效率。

采用仿真评估螺旋桨有涂层时 ICCP 的性能

Huber 和 Wang 的论文启发,我们创建了一个模型来评估螺旋桨有涂层时,外加电流阴极保护系统的使用状况。

有涂层的螺旋桨

在螺旋桨有涂层的情况下,我们施加了 0.87A 电流进行测试。此时,船体表面的电解质电位相对平均且较低,而阳极表面的电解质电位相对较高。看上去似乎一切正常,但是让我们仔细观察一下阳极附近的不均匀区域。

有涂层螺旋桨的电解质电位图。
轴的局部电流密度图。

左图:有涂层螺旋桨的教学模型中的电解质电位。阳极为红色的圈。右图:有涂层螺旋桨轴的局部电流密度。

如图所示,模型的轴表面局部电流密度为负值,说明电流流入轴表面,而不是从轴表面流出。从而证实了轴表面发生阴极反应。

在螺旋桨有涂层的情况下,因为轴表面的发生阴极反应,阳极表面的电解质电位相对较高,整体电解质电位相对较低,外加电流密度足以保护船体免受腐蚀。

没有涂层的螺旋桨

在模拟没有涂层的螺旋桨时,我们施加了 3.1A 电流。同样的,在船体表面,阳极表面的电解质电位高于其它部位的电解质电位。然而,当与船体表面其它部位相比时,轴表面及没有涂层的螺旋桨表面的电解质电位相对较低。

螺旋桨没有涂层的船体电解质电位图。
轴及没有涂层螺旋桨的局部电流密度图。

左图:没有涂层螺旋桨的教学模型中的电解质电位。阳极为红色的圈。右图:轴及没有涂层螺旋桨的局部电流密度。

通过观察轴表面及没有涂层螺旋桨表面,我们发现其上的局部电流密度均为负值。由此,我们可以认为轴表面及没有涂层螺旋桨表面发生了阴极反应。因此,在螺旋桨没有涂层的情况下,电流密度也足以保护船体免受腐蚀。

无论螺旋桨是否具有涂层都能实现防腐蚀,但是有涂层螺旋桨所需的电流更低,从而使整个系统更高效。此外,如下图所示,在螺旋桨有涂层的情况下,电解质电位也更均匀。

有涂层及没有涂层螺旋桨的电解质电位比较图。
有涂层/没有涂层的螺旋桨模型电解质电位对比图。弧长表示船体长度。

结论与后续步骤

通过 COMSOL Multiphysics 仿真,我们发现与螺旋桨没有涂层的船体相比,由于有涂层螺旋桨的船体表面电位较低,因此船体表面的耐腐蚀效果更佳。毫无疑问,外加电流阴极保护系统对有涂层螺旋桨能更好地发挥保护作用。

要了解如何设置、运行这个模型,并分析您自己的外加电流阴极保护系统吗?从案例下载专区下载教程。您可以轻松修改本教程以模拟不同类型的阴极保护系统,例如使用不通过外加电流的牺牲阳极方法。

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