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腐蚀过程 博客文章

如何模拟外加电流阴极保护

2019年 12月 18日

外加电流阴极保护是保护金属免受电腐蚀的常用方法。在此博客文章中,我们将解释这种方法的工作原理以及常见的应用。最后给出一个船体仿真模型。在该模型中,对轴、螺旋桨阴极保护系统产生的电场信号进行分析是仿真非常重要的一个方面。 防止电偶腐蚀 若将金属放入电解液中,将始终面临电偶腐蚀的风险。这种类似的反应会发生在水环境,土壤,混凝土,以及大气环境下。当潮湿的空气凝结在金属表面上时,会形成一层电解液薄膜。当金属周围被电解液环绕,并且电解液能够将其中的离子从金属的一端传输到另一端时,就会受到腐蚀。即使是看似相同类型的金属(铸铁),也会由于金属中的杂质或金属本身的不同而被腐蚀,这种腐蚀可能是金属与结构的其他部分具有不同的电化学势有关。 板上螺栓的电偶腐蚀。D3j4vu提供的自己的作品。通过 Wikimedia Commons 在 CC BY-SA 3.0 下获得许可。 如果不对金属进行保护,电偶腐蚀会导致点蚀、缝隙腐蚀等问题。为了缓解此类问题,可能需要通过聚合物涂层来将金属与电解质环境隔离开。但是,随着时间的流逝,此类涂层可能会因撞击或穿透而被破坏,最终导致腐蚀。 在许多情况下,如果金属的第一道保护屏障被破坏,通常会采用另一种方法来避免电偶腐蚀。这种方法就是通过结构极化,使暴露的金属成为系统的阴极来实现的。暴露的金属受阴极反应控制,阳极反应造成的材料损失可以忽略不计。通常有下列两个方法来保护金属不受腐蚀: 通过牺牲阳极来实现阴极保护(SACP) 使用电化学平衡电位较低的牺牲金属 通过外加电流来实现阴极保护(ICCP) 使用外部电流源(通常是整流器),产生直流电流,使金属表面极化成阴极电位区 电流源与一些由惰性材料制成的阳极相连接,不像牺牲阳极那样消耗电流 ICCP方法通常用于陆上管道,港口,混凝土结构,船舶等。由于其具有高电流输出和易于安装等特点,它也是海上石油平台加装腐蚀防护系统的一种常用方法。 ICCP的一个主要缺点是电流输出可能很大,这会导致附近金属表面产生非常负的极化。这可以使阴极极化成一个发生析氢的区域。对于某些结构,氢会扩散到金属表面并在金属中产生氢脆和氢致应力开裂 (HISC)的风险。 SACP可能更常用于钢结构,因为析氢的风险不太明显。在大型船舶上,这是一种非常常见的阴极保护方法。用于将施加电流的阳极嵌入容器的船体表面,与具有相同电流容量的牺牲阳极相比,其产生的阻力要小得多。 模拟通过外加电流实现的阴极保护 如果想要在一个几何大结构的背景下捕获物理和电化学的所有细节,对腐蚀进行建模会极具挑战性。幸运的是,在对较大规模的阴极保护(例如船体,管道或石油平台)建模时,可以做一些假设和简化。 首先,从控制方程式和电解液质充分混合的假设入手,将方程式进行简化,以便可以只计算由离子迁移引起的电解液质中的电流平衡。这就会把控制方程式简化为拉普拉斯方程式,其中电解液质的电导率作为材料参数输入。 电流密度平衡的方程式为 \nabla \cdot \mathbf{i}l=0 其中 \mathbf{i}l=-\bigg(\sum^n{i=1}zi^2u{m,i}F^2ci\bigg)\nabla\phil+\bigg(F\sum^n{i=1}zici\bigg)\mathbf{u}. 其中,il 是电解液中的电流密度,n 是物种的数量,z 是离子的电荷,u{m,i} 是离子的迁移率,F 是法拉第常数,c 是物种的浓度,\phil 是电解液的电位,\mathbf{u} 是描述电解液流动的速度矢量。 上面方程式右侧的第二项包含了电中性条件,它等于零。方程式右边第一项括号内的系数等于电解液的电导率。这就得到了完全混合电解液中电流密度的表达式: \mathbf{i} _l=-\kappal\nabla\phil 在所有的金属表面上,可以同时发生阳极和阴极反应。这些反应可以用 Butler-Volmer 或 Tafel 方程确定的电流密度来表示。Butler-Volmer 方程给出了表面点出作为电化学势函数的电化学反应速率。使用法拉第定律,由于涉及到电子,因此得到了电流密度(参考文献1).Butler-Volmer 方程式可以描述发生在阴极上的析氢反应: i{H2}=i{0,H2} \bigg[ (c{OH^-})^2P{H2} \exp\big(\frac{3F} {2RT}\eta\big)\exp\big(\frac{F}{2RT} \eta)\bigg] 其中i{0,H2} 为交换电流密度,c{OH^-} 是无量纲氢氧根离子浓度,P{H2}为无量纲氢分压,R 为通用气体常数,T 为温​​度和 \eta 活化过电位。 活化过电位定义为: \eta= \phis-\phil-E{eq}, 其中,\phis 表示电级表面电势,E{eq}  表示相对系统中所有反应共有的特定参考电极测得的平衡电极电势。   通过给出这些方程式中不同的参数,可以得到极化曲线,如下图所示: 图1:在次贵金属 表面(蓝色)和较贵金属 表面(红色)处反应的 Butler–Volmer 表达式。 这些极化曲线通常也用埃文斯图(Evans diagram)表示: 图 2:在没有欧姆和质量输运损耗的情况下,两个电极反应的埃文斯图。 对于外加电流阳极,通常需要设置电流密度,以使系统在参考电位上达到给定的电解液电势。这构成了模拟外加电流的阴极保护所需的材料参数和边界条件。   图 3:船体示意图,其中包括参考电极,阳极,螺旋桨和轴的位置。 在船体上建立 ICCP […]

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。 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: 金属溶解,其中反应动力学由阳极 Tafel 表达式描述 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。 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。 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。 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)。   母线板的大气腐蚀 – 模板文件

地下管道应力腐蚀的多物理场模拟

2018年 4月 11日

应力腐蚀是暴露于腐蚀环境的金属表面因受到机械应力(残余应力或外加应力)作用而产生的表面退化现象,地下管道中的这种现象很难预测和检测,可能会导致泄漏,造成重大损失,并对周围区域造成损害。在模拟应力腐蚀时,我们面临的主要挑战是耦合机械和电化学的相互作用。本文中,我们讨论如何借助 COMSOL Multiphysics® 软件解决这一难题。

腐蚀分析中的电极和外部短路建模

2017年 3月 14日

在腐蚀分析中,我们经常研究的腐蚀表面所具有的电气连接可不像控制电流或电压那么简单。相反,电极表面可能直接短路连接到另一个电极,例如单桩与过渡连接件之间的电气连接。在本篇博客文章中,我们将讨论如何在 COMSOL Multiphysics® 软件中使用适当的边界条件来描述这些电极和外部短路。

如何模拟电化学阻抗和电容

2016年 8月 24日

电阻效应和电容效应是理解电化学系统的基础。由质量传递而产生电阻和电容,可通过描述对应基本现象(例如扩散)的物理方程来进行表征。此外,当需要考虑双电层、薄膜和反应动力学的电阻或电容特性时,可利用与电化学电流及电压相关的物理条件对此类效应进行简化处理。最后,您可以在 COMSOL Multiphysics® 中轻松地对来自外部负载电路的电阻和电容进行表征。

利用边界元方法简化腐蚀仿真过程

2016年 2月 17日

COMSOL Multiphysics 5.4 版本中提供了多个新特征,可用于模拟细长结构中的腐蚀现象,借助这一特征将能大幅减少石油平台等结构的处理时间。使用边界元法(boundary element method,简称 BEM)和电流分布,边界元 接口中专有的梁单元后,我们便无需再使用有限元网格对整个三维结构进行解析,这有效地缩短了包含细长组件的大型结构腐蚀问题的求解时间。

借助仿真应对腐蚀问题

2015年 12月 28日

腐蚀是运输行业面临的最严峻的挑战之一。为了尽量减少腐蚀带来的危害,德国的一家研究机构与著名的汽车制造商——梅赛德斯-奔驰公司联手对汽车铆钉和钣金中发生的腐蚀现象展开了研究。借助 COMSOL Multiphysics 仿真软件,研究人员能够快速研究腐蚀对汽车部件造成的影响。

保护飞行器复合材料免受雷击损坏

2015年 6月 11日

波音 787 梦幻客机的创新之处在于:其机身使用了超过 50% 的碳纤维复合材料。虽然这种飞行器复合材料具有重量轻和强度极佳等优点,但它们本身并不导电,因此需要额外的防护涂层来降低雷击损坏。本篇博客中,我们介绍了如何使用多物理场仿真来计算防护涂层中与典型飞行周期相关的温度波动所造成的热应力和位移。


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