如何模拟印象深刻的电流阴极保护

2019年12月18日

印象深刻的当前阴极保护是保护金属结构免受电腐蚀的常见方法。在此博客文章中，我们说明该方法的工作原理以及通常使用的应用程序。显示了船体上此类模拟的一个示例，并解释了实施的关键点。在该模型中，重要方面之一是电场签名，该签名是由轴和螺旋桨在船上的阴极保护系统产生的。

防止电腐蚀

通过将金属放入电解质中，您将始终有流动性腐蚀的风险。这将发生在水环境，土壤，混凝土，甚至在大气条件下，只有薄膜的电解质才会形成，因为潮湿的空气在表面上凝结。无论您在金属周围的介质中，都可以将离子从金属的一个位置传输到另一个位置，都会有腐蚀。即使是一种似乎具有相同类型的金属，例如铸铁，仅仅是因为金属中的杂质或金属本身的不同阶段的杂质，这些杂质可能与结构的其他部分具有不同的电化学潜力。

螺栓在板上的电腐蚀的照片。
螺栓在板上的电腐蚀。D3J4VU的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0，通过Wikimedia Commons。

如果结构不受保护，电腐蚀将导致诸如蚀腐蚀和缝隙腐蚀等问题。为了减轻此类问题，您可能需要通过用聚合物涂层粉刷电解质环境将结构隔离开来。但是，这种涂层可能会因撞击或随着时间的推移而渗透障碍物并导致腐蚀而破坏。

在许多情况下，如果您的第一个屏障被破坏，通常您通常会有另一种机制来避免电流腐蚀。这可以通过极化结构来实现，从而成为系统的阴极。然后，阴极反应将控制暴露的材料，并且由于阳极反应引起的材料损失可以忽略不计。有两种常见的方法：

牺牲阳极阴极保护（SACP）
- 使用具有较低电化学平衡电位的牺牲金属
印象深刻的电流阴极保护（ICCP）
- 使用外部电流源，通常是整流器，它会产生DC电流，该直流电流使金属的表面偏向阴极电位区域
- 当前的来源与某些由惰性材料制成的阳极连接，因此不被消耗，就像牺牲阳极一样

ICCP方法通常用于陆上管道，港口，混凝土结构以及可行的船舶和其他结构。由于高电流输出和易于安装，它也是一种在海上石油平台上改造腐蚀系统的流行方法。

ICCP的一个主要缺点是当前的输出可能很大，在附近的金属表面产生非常负极的极化。这可以将阴极偏振到发生氢进化的区域。对于某些结构，氢会扩散到金属表面中，并在金属中产生氢含量和氢诱导的应激破裂（HISC）的风险。

SACP可以更频繁地用于钢结构，因为氢进化的风险不太突出。在大型海洋船上，这是一种非常常见的阴极保护方法。与具有相同电流容量相同的牺牲阳极相比，用于印象电流的阳极可以嵌入容器的船体表面中，从而产生非常低的阻力。

建模印象深刻的当前阴极保护

如果您想在几何结构的背景下捕获物理学和电化学的所有细节，则建模腐蚀可能是一个真正具有挑战性的项目。幸运的是，当对较大尺度（例如船体，管道或油平台）进行模拟阴极保护时，您可以做出一些假设和有效的简化。

通过从管理方程式开始和混合电解质的假设，您可以简化方程式，以便仅计算由电解质的当前平衡电荷迁移。这将管理方程式降低到拉普拉斯方程，其中电解质的电导率作为材料参数进入。

当前密度平衡的方程式由

\ nabla \ cdot \ mathbf {i} _l = 0

在哪里

\ Mathbf {i} _l = - \ bigG（\ sum^n_ {i = 1} z_i^2u_ {m，i} f^2c_i \ bigg）\ nabla \ nabla \ phi_l+\ phi_l+\ bigG（f \ sum^n_ = 1 = 1} Z_IC_I \ BIGG）\ MATHBF {U}。

这里，I_L定义电解质中的电流密度，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是法拉第的常数，c是物种浓度，\ phi_l是电解质电位，并且\ Mathbf {U}是描述电解质流动的速度矢量。

上面方程右侧的第二项包含电压条件作为因子，等于零。在上方方程的右侧的第一项括号内的因子等于电解质电导率，\ kappa_l。这产生了完美混合电解质中电流密度的以下表达：

\ Mathbf {i} _l = - \ kappa_l \ nabla \ phi_l

在所有金属表面上，您可以同时进行阳极反应和阴极反应。这些反应可以由经常使用的管家 - 沃尔默或塔菲尔方程确定的当前密度表示。管家 - volmer方程给出了电化学反应的速率，这是表面位点电位电位的函数。使用法拉第定律，这给出了当前密度，因为涉及电子（参考。1）。男管家 - 伏勒剂方程可能描述，例如，在阴极上发生的氢进化反应：

i_ {h_2} = i_ {0，h_2} \ bigg [（c_ {oh^ - }）^2p_ {h_2} \ exp \ big（\ frac {3f} {2rt} {2rt} \ eta \ eTa \ big） -（ - \ frac {f} {2rt} \ eta）\ bigg]

在哪里I_ {0，H_2}是交换电流密度，c_ {哦^ - }是无量纲的氢氧化离子浓度，P_ {H_2}是无量纲的氢二压，R是通用气体常数，T是温度，并且\ eta是激活过电势。

激活过电势定义为：

\ eta = \ phi_s- \ phi_l-e_ {eq}，，，，

在哪里\ phi_s表示表面的电势e_ {eq}表示对系统中所有反应共有的特定参考电极测量的平衡电极电位。

通过给出这些方程式中的不同参数，您可以获得极化曲线，例如以下图：

管家 - 沃尔默表达的图。
图1：在不太高贵的金属表面（蓝色）和更高贵的金属表面（红色）处的反应的管家 - 伏尔默表达。