Corrosion Module
Corrosion Module
Zur Modellierung elektrochemischer Korrosionsprozesse und kathodischen Korrosionsschutzes
Eine Stahlstruktur, die in Meerwasser eingetaucht ist, wird durch 40 Opferanoden vor Korrosion geschützt. Bei diesem Beispiel wird die Spannungsverteilung auf der Oberfläche der geschützten Struktur modelliert, wofür ein konstanter Grenzstrom zur Sauerstoffreduktion an der geschützten Oberfläche angenommen wird.
Elektrochemische Korrosion tritt überall auf
Korrosion verursacht auf der Welt Kosten von bis zu einer Billion Dollar jährlich. Korrosion tritt am häufigsten durch elektrochemische Reaktionsprozesse auf, die in Unterwasser-, nassen oder feuchten Umgebungen stattfinden. Mit dem Corrosion Module können Ingenieure und Wissenschaftler diese Prozesse untersuchen, sich einen Überblick über das Ausmaß der Korrosion einer Struktur während ihrer Standzeit verschaffen und präventive Maßnahmen implementieren, damit elektrochemische Korrosion unterbunden wird, um die jeweilige Struktur zu schützen. Das Modul kann dazu verwendet werden, Korrosion im kleinen Maßstab zu simulieren, um die grundlegenden Mechanismen zu untersuchen, sowie Korrosion im größeren Maßstab zu simulieren, um zu ermitteln, wie große oder dauerhafte Strukturen geschützt werden können.
Verständnis über die Korrosion ist entscheidend
Das Corrosion Module umfasst Funktionen, Interfaces und Beispielmodelle, die eine direkte Herangehensweise für eine Simulation von allen elektrochemischen Korrosionsprozessen ermöglichen, wie etwa galvanische, Lochfraß- und Spaltkorrosion. Transport in korrosivem und korrodiertem Material wird über ein dynamisches Modellieren von Änderungen berücksichtigt, die es in der korrodierenden Oberfläche und in dem Elektrolyten gibt, der die Oberfläche berührt. Das Corrosion Module enthält Standardinterfaces zum Modellieren des Korrosionspotentials und der Stromverteilungen von Korrosionsprozessen, für die die Kinetik der elektrochemischen Reaktion durch die Tafel-Gleichung, die Butler-Volmer-Gleichung oder benutzerdefinierte Gleichungen beschrieben werden kann. Die elektrochemischen Reaktionen werden vollständig gelöst, und zwar zusammen mit elektrischen Potentialen in Elektrolyten und Metallstrukturen, homogenen chemischen Reaktionen und Phänomenen, die speziell in Korrosionsprozessen vorkommen, wie z. B. die Änderung der Form einer Metalloberfläche infolge von Korrosion.
Weitere Bilder
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Konzentrationen von Korrosionsspezies entlang eines Risses -
Elektrolytpotential auf der Hülle eines Schiffs bei kathodischem Korrosionsschutz mit Fremdstromanoden
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Eisenkonzentration und Konturen der Elektrolytspannung in der Tertiärstromverteilungsuntersuchung der galvanischen Korrosion eines verzinkten Nagels.
Optimieren von Korrosionsschutzsystemen
Mit dem Corrosion Module können Sie auch wirksame Korrosionsschutzsysteme entwerfen. Dies umfasst die Simulation von kathodischem Korrosionsschutz mit Fremdstromanoden, von Opferanoden und von anodischem Schutz, wobei an korrodierendes Material ein anodischer Strom angelegt wird, um eine Passivierung zu erzwingen.
Wenn Sie mit dem Corrosion Module die speziellen Schutzmechanismen im kleinen Maßstab untersuchen, können Sie Parameter ermitteln, die sich zum Simulieren einer größeren Struktur verwenden lassen, beispielsweise das Wachsen eines Hydroxidfilms auf einer geschützten Struktur. Sie können CAD-Dateien, die Ihre Konstruktionen enthalten, in COMSOL Multiphysics importieren und dann die Korrosionsschutzmaßnahmen definieren. Nachdem Sie für die jeweilige Struktur die Bereiche ermittelt haben, die anfällig für beschleunigte Korrosion sind, können Sie die Stellen angeben, an denen Opferanoden platziert bzw. kathodische oder anodische Schutzströme eingeleitet werden sollen.
Eine weitere Anwendung des Moduls besteht darin, die Auswirkungen von Kriechströmen auf die Korrosion von erdverlegten oder unter Wasser befindlichen Strukturen abzuschätzen. Sie können das Modul auch dazu verwenden, die Platzierung der Schutzelektroden zu optimieren, um den Korrosionsmechanismus zu vermeiden. Durch optimale Gestaltung dieser Elektroden können die korrosiven Effekte von Kriechströmen minimiert werden ohne die Strukturen in der Nähe der Kriechstromquelle zu korrodieren, wie z. B. bei Bahntrassen.
Modellieren der zunehmenden Auswirkungen elektrochemischer Korrosion
Die Auswirkungen, die Korrosion im Verlauf der Zeit auf eine Struktur hat, können geradezu katastrophal sein. Wird durch Korrosion Material von einer Struktur abgetragen, ist möglicherweise deren Standsicherheit gefährdet.
In bestimmten Fällen möchten Sie möglicherweise eine Strukturanalyse zusammen mit einer Korrosionsanalyse vornehmen, um festzustellen, welche Teile der Struktur hohen Spannungen und Belastungen ausgesetzt sind. Korrosion in diesen Teilen kann verheerend sein, sodass Sie sicherstellen möchten, dass diese Teile geschützt sind. Um die Korrosionsauswirkungen zu verstehen und den jeweiligen Korrosionsschutzentwurf zu optimieren, können Sie das Corrosion Module mit dem Structural Mechanics Module kombinieren. Dies funktioniert dank der Leistungsfähigkeit von COMSOL Multiphysics problemlos, denn hiermit können Modelle, die in einem Modul erstellt wurden, direkt mit einem anderen Modul gekoppelt werden.
In anderen Fällen muss eine turbulente und mehrphasige Strömung möglicherweise mit dem Transport von chemischen Spezies kombiniert werden. Sie können dann das CFD Module zusammen mit den Interfaces für Massentransporte im Corrosion Module verwenden, um genaue Massentransportbeschreibungen zu erhalten.
Submarines: Corrosion Protection or Enemy Detection?
David Schaefer University of Duisburg-Essen, Duisburg, Germany Germany's Technical Center for Ships and Naval Weapons, Bundeswehr, Germany
Submarines create underwater electric potential (UEP) signatures when using corrosion protection systems. These signatures are detectable by enemy vessels, an undesirable effect of the corrosion protection. Germany’s Technical Center for Ships and Naval Weapons (WTD 71) has worked with the Laboratory for General and Theoretical Electrical ...
Oil Platform Corrosion Protection Using Sacrificial Anodes
Steel structures immersed in seawater can be protected from corrosion through cathodic protection. This protection can be achieved by an impressed external current or by using sacrificial anodes. The use of sacrificial anodes is often preferred due to its simplicity. This example models the primary current distribution of a corrosion protection ...
Electrochemical Impedance Spectroscopy
Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a common technique in which a small oscillating perturbation in cell potential is applied to an electrochemical system so as to interrogate the kinetic and transport properties. The Electroanalysis interface is used with a frequency domain study to simulate EIS for a range of electrode reaction ...
Crevice Corrosion with Electrode Deformation
This model exemplifies the basic principles of crevice corrosion and how a time-dependent study can be used to simulate the electrode deformation. The model is in 2D and the polarization data for the corrosion reaction is taken from a paper by Absulsalam and others. The model and the results are similar to a 1D model by Brackman and others. ...
Ship Hull Corrosion Mitigation
Impressed current cathodic protection is a commonly employed strategy to mitigate the ship hull corrosion where an external current is applied to the hull surface, polarizing it to a lower potential. In this model, the effect of propeller coating on the current demand is demonstrated.
Cathodic Protection of Steel in Concrete
This example models cathodic protection of a steel reinforcing bar in concrete. Three different electrochemical reactions are considered on the steel surface. Charge and oxygen transport are modeled in the concrete domain, where the electrolyte conductivity and oxygen diffusivity depend on the moisture content. The impact of different ...
Atmospheric Corrosion
This model simulates atmospheric galvanic corrosion of an aluminum alloy in contact with steel. The electrolyte film thickness depends on the relative humidity of the surrounding air and the salt load density of NaCl crystals on the metal surface. Empirical expressions for the oxygen diffusivity and solubility are also included in the model in ...
Galvanized Nail
This tutorial example serves as an introduction to the Corrosion Module and models the metal oxidation and oxygen reduction current densities on the surface of a galvanized nail, surrounded by a piece of wet wood, which acts as electrolyte. The protecting zinc layer on the nail is not fully covering, so that at the tip of the nail the underlaying ...
Model of a Diffuse Double Layer
In the diffuse double layer and within the first few nanometers of an electrode surface, the assumption of electroneutrality is not valid due to charge separation. Typically, the diffuse double layer may be of interest when modeling very thin layers of electrolyte including those in electrochemical capacitors and microelectrodes. This example ...
Cyclic Voltammetry at an Electrode
Cyclic voltammetry is a common analytical electrochemical technique, where the potential at a working electrode is swept over a range and back again while the current is recorded. The current-voltage waveform, referred to as a voltammogram, provides information about the reactivity and mass transport properties of an electrolyte. For large ...
