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電偶腐蝕現(xiàn)象的仿真分析

2021-05-19 14:47:43 作者： COMSOL 來源： COMSOL 分享至：

在腐蝕分析中，我們經(jīng)常研究的腐蝕表面所具有的電氣連接可不像控制電流或電壓那么簡單。相反，電極表面可能直接短路連接到另一個電極，例如單樁與過渡連接件之間的電氣連接。在本篇博客文章中，我們將討論如何在 COMSOL 軟件中使用適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件來描述這些電極和外部短路。

短路和電偶腐蝕仿真

在之前的博客文章中，我們討論了鋰離子電池短路的建模，我們當(dāng)時分析了一個被鋼針刺穿而產(chǎn)生短路的電池，并直接在幾何中繪制了穿過鋼針的電流路徑。

電偶腐蝕是另一種系統(tǒng)，金屬表面之間的電氣連接起著非常重要的作用。在電偶腐蝕中，兩種具有不同電化學(xué)反應(yīng)活性的金屬處于電接觸狀態(tài)，從而提供一條電流路徑，使其中一種金屬腐蝕，而化學(xué)物質(zhì)（通常是溶于水的氧）在不活潑金屬端被還原。

舉例來說，為了模擬電偶腐蝕，我們可以選擇使用與低碳鋼連接的鎂合金。由于鎂具有負(fù)值較大的（氧化）腐蝕電位，因此它會優(yōu)先腐蝕。經(jīng)過一段時間后，鎂電極材料被腐蝕。

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電解質(zhì)電位分布（彩色表面）和電流密度（箭頭）。電解質(zhì)電流從腐蝕的鎂合金（右）流向低碳鋼（左）。

與電解質(zhì)相比，金屬具有非常高的電導(dǎo)率，因此我們通常認(rèn)為金屬具有均勻電位。如果兩種金屬相互連接，則整個表面的電位是恒定的，這是電偶腐蝕的特征條件，即電極之間沒有外加電壓。相反，電化學(xué)電池由于兩種金屬不同的電化學(xué)環(huán)境和反應(yīng)活性而發(fā)生極化。這種反應(yīng)性差異產(chǎn)生了不同金屬上電位不同的雙電荷層。

為了方便起見，我們經(jīng)常使用該電位作為系統(tǒng)地，表示在電位 φs 下具有簡單邊界條件的短路金屬。在電化學(xué)模型中，我們使用“電極表面”邊界條件在整個連接金屬表面設(shè)置 φs = 0。

從上圖可以明顯地看出，電解質(zhì)電位在整個表面上并不均勻，而是隨著“電極反應(yīng)”邊界條件中設(shè)置的局部腐蝕電位而變化，也可能取決于電極動力學(xué)或質(zhì)量傳輸。（要了解這些電位與電流分布的關(guān)系，請查看這篇有關(guān)選擇電流分布接口的博客文章。）

上圖取自電偶腐蝕造成電極變形案例。在此模型中，我們通過應(yīng)用外部電位設(shè)為 0 V 的“電極表面”邊界條件，將鎂和低碳鋼定義為電接觸。

“電極表面”邊界條件對低碳鋼表面施加 0 V 的外部電位。鎂合金采用相同的條件，但其電化學(xué)反應(yīng)活性不同。

腐蝕分析中的犧牲陽極陰極保護(hù)

我們在犧牲陽極陰極保護(hù)中刻意利用了電偶腐蝕現(xiàn)象。為了保護(hù)結(jié)構(gòu)部件（通常是鋼）免受腐蝕，通常將它以電連接方式連接到由較活潑金屬制成的犧牲陽極，犧牲陽極會優(yōu)先腐蝕。請注意，為了使?fàn)奚枠O有效地保護(hù)鋼，兩種金屬之間需要通過電路直連來形成閉合電路。實際上，犧牲陽極與受保護(hù)金屬表面短路連接，因此開始腐蝕。

當(dāng)我們在 COMSOL Multiphysics 模型中定義犧牲陽極時，可以使用與上述理想化電偶腐蝕示例相同的方法，犧牲陽極和受保護(hù)鋼表面上的電位均設(shè)為 0 V。下面，我們看看陰極保護(hù)的陽極膜阻效應(yīng)案例中的鋼制平臺分析模型。在此模型中，我們定義的鋼表面具有與上節(jié)所述相同的外部電位條件。

“電極表面”邊界條件對鋼表面施加 0 V 外部電位。相同條件下，腐蝕電位負(fù)值更大時會導(dǎo)致犧牲陽極腐蝕。

COMSOL Multiphysics? 中的電極和外部短路建模

如果兩個金屬表面之間的電接觸不理想怎么辦？舉例來說，它們可能通過具有較大電阻的電纜連接。我們并不是直接將電位設(shè)置為 0 V，而是使用自 COMSOL 軟件提供的“外部短路”邊界條件。該設(shè)置將電極表面的外部電位定義為通過串聯(lián)電阻接地的均勻浮動電位。根據(jù)歐姆定律，對地電壓的精確值取決于電極表面的總電流：

我們來看一個例子。海上陰極保護(hù)的一個常見任務(wù)是保護(hù)單樁，這些單樁是用于固定海底風(fēng)力渦輪機等海上結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)底座。通常，單樁在結(jié)構(gòu)上與過渡連接件連接，并總是位于水面以下，而過渡連接件會延伸到水面以上。

典型的海上單樁結(jié)構(gòu)示意圖。

為了保護(hù)所有結(jié)構(gòu)鋼零件免受腐蝕，我們使用犧牲陽極護(hù)套。當(dāng)陽極只與過渡連接件進(jìn)行直接電路連接時，單樁通過由結(jié)構(gòu)接觸形成的電接觸受到保護(hù)。由于這在電學(xué)上并非理想情況，我們在電化學(xué)模型中使用電阻來解釋不理想的電路連接。帶溶解犧牲陽極的單樁教學(xué)案例中提供了相關(guān)示例。

“電極表面”邊界條件對單樁裸鋼表面應(yīng)用外部對地短路。

“外部短路”邊界條件將鋼表面對地電壓（0 V）、過渡連接件的電位和犧牲陽極聯(lián)系在一起。在地面與單樁之間，我們應(yīng)用一個值為 0.01 Ω 的電阻 R_Tp，用來表示單樁與過渡連接件之間的電接觸電阻。

雖然這個電阻并不大，但在本例中包含這一電阻非常重要。保護(hù)鋼表面的犧牲陽極上的總電流消耗可能為幾十安，因此相應(yīng)的電阻損耗可能超過 100 mV。由于鋼表面的電化學(xué)特性在 100 mV 或更小的電位范圍內(nèi)從良好保護(hù)變?yōu)楸Ｗo(hù)不良，因此這些數(shù)值大小相當(dāng)。

下圖顯示了表面不同部分的外部電位。

由犧牲陽極護(hù)套包裹的過渡連接件（頂部）和單樁（底部）的外部電位。

請注意，由于兩種金屬是高導(dǎo)電金屬，因此兩個表面上的電位是均勻的。然而，由于“外部短路”邊界條件中包含的電阻，單樁與過渡連接件之間的電位差超過 140 mV。這意味著鋼表面沒有得到很好的保護(hù)，這種情況也顯示在下面的電極表面電位圖中。

由犧牲陽極護(hù)套包圍的過渡連接件（頂部）和單樁（底部）中的電極表面電位。

藍(lán)色表示負(fù)（陰極）電位，因此過渡連接件受到相對良好的保護(hù)。相比之下，單樁表面保護(hù)較差，可能存在腐蝕風(fēng)險。

利用“外部短路”邊界條件進(jìn)行的分析能夠確保模型正確分析兩個結(jié)構(gòu)部分之間的電阻貢獻(xiàn)。這些結(jié)果表明，我們在設(shè)計護(hù)套時需要非常小心。如果陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計不佳，只將犧牲陽極連接到過渡連接件可能無法為單樁提供足夠的保護(hù)。

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