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

腐蚀模块

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 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) 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。 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

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