通过仿真防止大气腐蚀

2019年 3月 21日

如果您曾经生活在一个潮湿的地方,可能熟悉一种被称为大气腐蚀的现象,这种现象通常表现为生锈。大气中的金属腐蚀经常发生,以至于建筑和制造领域的专业人员经常使用某种形式的腐蚀防护(比如在金属表面上施加一层涂层)。为了有效地分析腐蚀过程并优化预防技术,工程师可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件对大气腐蚀进行模拟。

寻找防止生锈的方法

大气腐蚀是一种电化学现象,当金属与电解质(如水)接触时就会发生。随着时间的推移,即使是 很少的一层水分膜 也足以对结构造成很大的破坏。经过一个漫长的冬天,当雪开始融化时,你放在门外的自行车就会出现生锈的迹象。造成大气腐蚀的其他因素包括 城市的空气污染 和 海洋环境中的盐 

生锈的排气管的图片。.
生锈的排气管。

由于环境的不可控和不容易预测性,许多工程师都会采用一些方法来保护他们的设计免受大气腐蚀。例如,根据环境的不同,制造商可能会选择使用比常见金属(例如钢和铁)更抗腐蚀的金属(例如铜和铝)。其他形式的保护还有在设计的产品上施加保护涂层,例如非贵金属涂层(如镀锌的钢,镀锡的铜)、油漆或防腐材料。

通过阴极和阳极保护减少腐蚀

另一种减少大气腐蚀的方法是采用阴极保护。与电解质接触的金属具有发生氧化(保护)的阴极区和发生还原(腐蚀)的阳极区。被腐蚀的金属通常被氧化,释放出的电子会参与阴极反应。尽管技术各不相同,但阴极保护涉及从外部电源(如电流)向金属提供电子的过程。阴极保护在一般环境下很有用,如金属暴露在水中。

在一些金属涂层,如镀锌钢结构中,锌就作为为阳极,当钢暴露在电解液中时,锌层就会受到破坏,锌相对便宜,从而保护阴极(钢)不被腐蚀。 还有其他阴极保护方法,如牺牲阳极或施加电流,但这些方法只有当物体浸入电解质(例如水)时才是有效的。

在某些环境中,还可以使用阳极保护。该方法通过施加可控的小阳极电流将金属偏置到无源区。该电流将产生一层薄薄的钝化膜层,从而 “阻止” 阳极腐蚀反应。它通常用于腐蚀性极强的环境中,如当不锈钢暴露于磷酸中时。

使用 COMSOL  Multiphysics 和其附加的 腐蚀模块,工程师可以评估结构中的阴极和阳极保护,电解质电位和腐蚀反应。举个例子,让我们看一下母线模型,母线是用于建筑物,车辆等分配功率的母线,因此会在许多不同的环境中受到大气腐蚀。

模拟母线的大气腐蚀过程

此大气腐蚀示例中的母线由多种材料和零件组成的:

  • 铜质法兰
  • 铝质法兰
  • 锌质螺母和螺栓

母线槽几何图形,包括铜法兰,铝法兰和锌螺母和螺栓。
母线由铜质法兰,铝质法兰,锌质螺母和螺栓组成。

每一个表面都会引起两个反应:

  1. 金属溶解,其中反应动力学由阳极 Tafel 表达式描述
  2. 氧气还原,其中反应动力学由阴极 Tafel 表达式描述

在该示例中,后一种反应(还原反应)受限于通过薄电解质层的氧气传输特性,极限电流密度取决于薄层的厚度,氧气的溶解度和氧气的扩散率。

设置好几何形状后,母线将暴露在潮湿的空气中开始腐蚀过程。首先,您可以使用“二次电流分布” 接口来求解电极域中的电位。然后,可以使用 “电流分布,外壳” 接口求解薄电解质层中的电解质电位。

电解质膜的厚度取决于盐负荷密度和相对湿度,而电导率和氧溶解度取决于周围空气的相对湿度。考虑到对相对湿度的依赖性,您可以采用在一般 “大气腐蚀”模型中 相同的表达式来获得电解质膜的厚度,电解质的电导率和氧溶解度。假定氧扩散率是恒定的。

在 COMSOL Multiphysics® 中评估仿真结果

首先探究不同类型金属的电位变化,这可以帮助您确定哪些区域更容易腐蚀。在左下方图像中,可以看到施加的电流 (100A) 会导致母线上的电位下降约 2.5 mV。

其次,您可以看到金属中的电位与电解质膜电位之间的差异(如右下方图示显示为电极电位相对于相邻参考点的变化),显示了大气腐蚀如何影响每种类型的金属。请注意,它在铜质法兰(红色)上为正,在锌质螺母和螺栓(浅蓝色)和铝质法兰(深蓝色)上为负,这表明在该模型中,相对于更贵重的铜材料,其他材料更容易腐蚀。

母线模型的屏幕截图,显示了电势变化。
汇流排模型的屏幕截图,显示了电解质膜的电势。

母线中的电位分布(左)。金属上的电解质电位与电解质薄层电位差异(右)。

现在,让我们看一下电解质薄层中的电位变化,其结果如下图所示。通过查看母线板上电解质薄层上的电位变化情况,您可以了解在阳极和阴极区域可能发生反应的位置。

屏幕截图显示了母线模型和从覆盖母线的电解质膜获得的电解质电势。
母线板表面的电解质薄层上的电位分布。

研究阳极/金属溶解反应

要分析金属溶解反应,可以从密度变化的局部电流开始。如下图所示,该反应主要发生在铜质法兰与锌质螺栓(在锌表面)的交点处,也发生在铝表面的铜法兰和铝法兰之间。这些结果表明,正如预期的那样,局部腐蚀区域发生在两种不同的金属以及“非贵重”金属之间。

该图显示了母线表面外部金属溶解电极反应的局部电流密度。
母线板外表面上金属溶解电极反应的局部电流密度。

 

研究阴极/氧反应

在阴极反应的结果中可以看到:氧还原反应发生在铝和锌的表面上。很明显,氧气的输运限制了腐蚀过程,因为局部氧还原电流密度的大小接近极限电流密度。

该图显示了汇流排表面外部氧还原电极反应的局部电流密度。
氧还原电极在母线板外表面的局部电流密度。

在研究了腐蚀过程并弄清楚每种类型的反应可能发生的位置之后,工程师们可以在考虑各种环境条件的情况下,设计能够更好地防止大气腐蚀的母线板。

下一步

如果你想自己模拟大气腐蚀过程,可以单击下面的按钮尝试此处介绍的母线模型。这样做将带您进入案例库中,其中包含此示例的文档以及相关的 MPH 文件(您需要有效的软件许可证才能下载此文件)。

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