Corrosion Module

Modellierung elektrochemischer Korrosionsprozesse und Kathodenschutzdesigns mit dem Corrosion Module

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:

Konzentrationen von Korrosionsspezies entlang eines Risses

Elektrolytpotential auf der Hülle eines Schiffs bei kathodischem Korrosionsschutz mit Fremdstromanoden

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.