腐蚀模块
腐蚀模块
使用腐蚀模块模拟电化学腐蚀过程和阴极保护设计
浸没在海水中的钢结构通过 40 个牺牲阳极来防止腐蚀。该模型假定受保护表面上具有恒定有限的氧还原电流，对受保护结构表面的电势分布进行仿真。
电化学腐蚀无处不在
全球每年在腐蚀方面的费用超过 1 万亿美元。大多数腐蚀是由于水下和潮湿环境中的电化学反应过程而产生的。化学腐蚀模块使工程师和科学家可以研究这些过程，了解在结构的使用寿命中可能发生的腐蚀程度，并实施预防性措施来抑制电化学腐蚀，保护它们的结构。在微观尺度下腐蚀模块可用于仿真腐蚀，研究其基本机制，在更大尺度上可以用来确定如何保护整体结构或结构长期免受腐蚀。
关键是理解腐蚀机理
化学腐蚀模块包含的特征、接口和示例模型，使您可以直接仿真所有电化学腐蚀过程，例如原电池腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀。通过模拟腐蚀表面的变化及其附近的电解质中的变化，研究腐蚀性物质和腐蚀材料中的传递过程。化学腐蚀模块含有对腐蚀电位和电流分布进行模拟的标准接口，可以通过 Tafel、Butler-Volmer 或其他用户定义的方程来描述电化学反应动力学。通过腐蚀模块可以得到大量的信息，包括电化学反应、电解质和金属结构中的电位、均相化学反应以及腐蚀过程中特有的现象（例如金属表面由于腐蚀而发生变化）。
更多图片：
腐蚀物质沿缝隙长度方向上的浓度分布
船壳上的电解质电势（ICCP）
在镀锌钉子电化学腐蚀的三次电流分布研究中，铁的浓度和电解质电势的等值线。
优化腐蚀保护系统
化学腐蚀模块可以帮助您设计有效的防腐蚀系统。包括仿真外加阴极电流保护 (ICCP)、牺牲阳极和阳极保护，通过在腐蚀材料上施加阳极电流来强制钝化。
使用化学腐蚀模块来研究微观尺度下的特殊保护机理，得到的相关结果参数可用于更大尺度结构的仿真，例如保护结构上的氢氧化膜生长。您可以在 COMSOL Multiphysics 中导入 CAD 文件，然后设置条件来描述保护过程。确定结构中容易发生加速腐蚀的区域之后，您可以指定牺牲阳极的位置，以及应施加阴极或阳极保护电流的位置。
腐蚀模块的另一个应用是估计杂散电流对地下结构或水下结构腐蚀的影响。为避免这种腐蚀现象，您还可以使用该模块来优化保护电极的位置分布。经过合理设计之后，这些电极会影响杂散电流的吸收，防止杂散电流源附近的结构（例如铁轨）发生腐蚀。
模拟电化学腐蚀的各种效应
随着时间的推移，腐蚀对结构的影响可能会是完全灾难性的。由于腐蚀会溶解结构材料，因而可能会危及结构的完整性。
在某些情况下，您可能希望同时进行腐蚀分析与结构分析，以确定哪些部分结构受到高应力和高应变的影响。这些部分中的腐蚀可能会是破坏性的，所以需要确定这些部分受到保护。要了解腐蚀的影响并优化您的腐蚀保护设计，您可以将化学腐蚀模块与结构力学模块联合使用。这需要使用 COMSOL Multiphysics 的强大功能，实现任何两个模块之间的耦合。
在其他情况下，可能需要将湍流或多相流与化学物质传递进行组合。这样，您可以使用 CFD 模块，并结合化学腐蚀模块中的质量传递接口，精确地描述质量传递。
腐蚀模块
产品特征
- 定义任意电化学反应，包括随温度变化的动力学参数（例如浓度和腐蚀电势）
- Butler-Volmer 和 Tafel 预定义方程，与二次和三次电流密度分布接口
- 稀溶液和浓溶液电解质（Nernst-Planck 方程）中通过扩散、对流和离子迁移发生的质量传递
- 多孔介质中的化学物质传递和流体流动
- 电极动力场中的受限电流密度
- 腐蚀反应动力学研究：循环伏安法、电位法和 AC 阻抗仿真
- 腐蚀表面拓扑结构对电化学动力场、电流分布和腐蚀电势的影响
- 层流、传热和焦耳热
应用领域
- 阳极保护
- 阴极保护
- 双电层电容
- 腐蚀保护 (CP)
- 缝隙腐蚀
- 电偶腐蚀
- 外加电流阴极保护 (ICCP)
- 交流干扰缓解
- 钝化
- 点腐蚀
- 特征管理
- 水下电势 (UEP)
- 腐蚀相关磁场 (CRM)
- AC/DC (HVDC) 干扰分析
- 土壤电阻率
- 阳极地床设计
- 表面保护
- ICCP 系统
以仿真为主导的防腐蚀策略
S. Qidwai USNRL, DC, USA
腐蚀是一个广受关注的问题，美国平均每年在此方面的花费达数十亿美元。尤其对海军而言，它是第一大维修问题。因此，在海军研究实验室（NRL），研究人员正基于多物理场仿真开发有助于材料设计师制作耐腐蚀材料的方法。他们这样做的目的是可以更直观地了解金属组成和微观结构对金属中腐蚀面产生影响的过程。随着腐蚀凹坑在材料中的逐渐变化，结构的完整性会降低，从而可能导致材料或部件在载荷下失效。因此，他们的总体目标是量化微结构、腐蚀凹坑渐变及机械性能之间的关系。为了建立这种关系，他们正努力开发会考虑微结构的腐蚀全耦合电化学质量传递模型。除了诸如移动网格（ALE）技术这样的功能外，他们还准备使用 COMSOL Multiphysics® 与 LiveLink™ for MATLAB 联合开发自己的模型。
潜艇：防腐保护或敌情侦查？
David Schaefer University of Duisburg-Essen, Duisburg, Germany Germany's Technical Center for Ships and Naval Weapons, Bundeswehr, Germany
潜艇在使用防腐保护系统时会产生水下电位（UEP）信号。而这些信号可以被敌方舰船检测到，这是防腐保护所带来的不良后果。德国舰船与海军武器技术中心（WTD71）与杜伊斯堡-埃森大学的 General and Theoretical Electrical Engineering（ATE）实验室合作研究了这些 UEP 信号以减少它们。 研究团队使用 COMSOL 模拟了潜艇船体的电位分布，研究材料是否具备防腐作用。结果表明，电位越高，船体越不会受到腐蚀。然后，他们模拟了不同电位留下的信号。公认的观点是腐蚀量越高信号越容易检测，大多数情况下是这样的。此外，分析结果表明，信号实际上是在零腐蚀防护和全腐蚀防护的标准运行条件之间最不易被检测到。
石油平台的牺牲阳极腐蚀防护
浸在海水中的钢结构可通过阴极保护的方法来免受腐蚀，这种保护可以通过外加电流或使用牺牲阳极来实现。其中牺牲阳极方法较为简单，因此通常是首选方法。本案例展示了如何模拟使用牺牲铝阳极的石油平台防腐蚀系统，其中使用了的一次电流分布接口。
带溶解牺牲阳极的单桩
单桩基础是一种大直径结构单元，可用于支撑海上风力涡轮机等结构。此 App 举例说明了当牺牲阳极溶解时，单桩的阴极保护如何随时间推移而减弱。此模型分析同时发生的导致金属溶解和氧还原（混合电位）的电化学反应，可用于计算受保护钢结构上的二次电流分布电极动力学。 单桩几何结构由具有涂覆钢表面的上部组件和下部无涂覆表面的钢管组成，该结构被海水或泥浆包围，不同的 Tafel 表达式反应动力学用于描述不同的环境。本教学案例是采用瞬态研究求解 12 年时间的结果，研究了如下两种情况：整个单桩接地；过渡件接地，且下部钢管通过集总电阻与过渡件连接。 模型还使用二次电流分布 接口中新增的牺牲边阳极 子节点来模拟沿几何边缘的细长牺牲阳极。通过该子节点，您可以在瞬态仿真中模拟阳极溶解时阴极保护属性的变化情况。
镀锌铁钉
这是一个教程案例，可作为“腐蚀模块”建模功能的介绍性案例，其中模拟了湿木材（充当电解质）上镀锌钉表面的金属氧化和氧还原电流密度。铁钉未被锌保护层完全覆盖，钉子尖端的下层铁表面暴露在外。首先对电解质电导率和电极反应动力学进行建模，获得二次电流分布（不考虑电池中的浓度变化），在第二部分，分析氧传递，对三次电流分布进行建模。
大气环境腐蚀
此模型模拟铝合金与钢接触时的大气电偶腐蚀。电解质膜的厚度取决于周围空气的相对湿度，以及金属表面氯化钠晶体的盐负荷密度。模型中还包含氧气扩散率和溶解度的经验表达式，以便推导出极限氧还原电流密度的表达式。
船体外加电流阴极保护
循环伏安法
循环伏安法是研究电化学系统的常用分析技术。在该方法中，对工作电极与参比电极之间的势差在起始电位与顶点电位之间进行来回线性扫描。电流-电压波形称为伏安图，提供有关电解质反应性和质量传递属性的信息。 该 App 旨在演示和模拟循环伏安法的使用。您可以改变两种物质的本体浓度、传递属性、动力学参数以及循环伏安计的设置。
电化学阻抗谱
电化学阻抗谱 (EIS) 是电分析中常用的技术，用于研究电化学系统的谐波响应。对工作电极的电位施加较小的正弦变化，并在频域中分析所产生的电流。 阻抗的实部和虚部给出有关电池动力学和质量传递属性的信息，以及通过双电层电容的表面属性的信息。 “电化学阻抗谱”分析 App 的目的是了解电化学阻抗谱、奈奎斯特图和波特图。在该 App 中，您可以改变本体浓度、扩散系数、交换电流密度、双电层电容以及最大和最小频率。
钢筋混凝土中钢的阴极保护
电极变形镍缝隙腐蚀
此模型演示缝隙腐蚀的基本原理，以及如何使用瞬态研究模拟电极变形。模型为二维模式，腐蚀反应的极化数据取自 Absulsalam 等人的论文。 此模型及结果与 Brackman 等人建立的一维模型相似，其中不分析质量传递效应。有关缝隙中质量传递的详细处理，请参阅模型示例“乙酸/乙酸钠溶液中铁缝隙腐蚀”。
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