一种对双金属电偶腐蚀行为模拟计算的方法与流程

本发明属于腐蚀数值模拟仿真研究领域，具体涉及一种对双金属电偶腐蚀行为模拟计算的方法。

背景技术：

1、作为最常用的钢之一，碳钢是应用最广泛的材料。q235是一种常见的低碳结构钢，在基础设施建设中起着至关重要的作用，由于其重量轻、强度高、使用范围越来越广力量可成形性、韧性及其加工的容易程度。在许多工程应用碳钢与其他金属接触，而碳钢腐蚀速率取决于操作条件。在许多情况下，碳钢与铜镍合金的连接会导致腐蚀。众所周知，电化腐蚀会加速阳极金属的溶解，进而破坏整个结构并造成严重的经济损失。这种情况包括使用碳钢或焊接钢与铜镍合金配件接触。铜镍合金和碳钢之间的电势差在接触点产生电流。这导致碳钢腐蚀得更快。然而，在海水中很少研究铜镍合金和碳钢的电偶腐蚀。鉴于q235和镁合金在海洋中的广泛应用，对其进行深入研究具有重要意义腐蚀机理q235/镁合金的腐蚀演化规律，以保护它们免受腐蚀。

2、电偶腐蚀涉及多种耦合现象，如电化学反应、电迁移、离子扩散、氧化层形成和溶解。出于建模目的，此处仅处理电偶腐蚀电流对模型的影响。早期的建模尝试提供了一个分析解决方案用于电偶接点周围的电偶电流和电位分布，涉及两种并排放置、相互成180°角并被腐蚀溶液覆盖的不同金属。这些理论预测后来也通过结上的电势和电流密度的实验测量得到了验证。最近，半解析和数值方法以解决电偶中阳极和阴极上的电流密度分布以及类似的电化学现象，例如电沉积。用元胞自动机方法模拟点蚀也是另一种方法。由于界面曲率是决定电化学溶解速率的一个重要参数，因此采用连续介质方法比网格模型更适合模拟电偶腐蚀。

3、假设线性极化曲线代替指数tafel曲线，研究180°阴极-阳极结中的电偶电流。围绕电偶连接点的电解液中的离子传导通过简单的拉普拉斯电势分布方程进行建模。阳极上产生的电蚀坑被模拟为移动边界问题。点蚀坑主要集中在结附近。发现点蚀坑的深度随时间线性增加。

4、模拟阳极金属溶解和点蚀坑发展的动力学需要求解由拉普拉斯方程控制的电位，因为阳极表面正在溶解。因此，电偶腐蚀属于移动边界问题的范畴。定向凝固中有许多移动边界现象；电偶腐蚀与电沉积现象相反，在电沉积过程中阴极发生形状变化，而在电偶腐蚀过程中阳极发生形状变化。许多建模和模拟方法用于通过移动边界方法求解电沉积动力学，并且这些方法也可以应用于电偶腐蚀。在电沉积中，通常运用半分析法，水平集方法，和欧拉方法以获得时间函数作为阴极表面或沟槽中沉积膜的动力学解。

技术实现思路

1、鉴于上述技术问题，本发明提供一种对双金属电偶腐蚀行为模拟计算的方法。

2、本发明的技术方案：

3、一种对双金属电偶腐蚀行为模拟计算的方法，包括如下步骤：

4、(a)构建包含两种不同金属材料的电连接结构三维模型，所述金属材料包括阳极金属与阴极金属；

5、(b)对模型进行精细化网格划分并采用模型-网格自适应匹配算法；

6、(c)设置电解质环境参数，包括溶液电导率或大气环境中的相对湿度、温度及氯化物沉积速率；

7、(d)通过电极动力学方程计算电极电流密度分布，并基于阳极金属法向移动速度公式动态更新边界几何；

8、(e)在瞬态求解器中模拟预设时间后的腐蚀形貌与电流密度分布。

9、所述模型-网格自适应匹配主要采用h-自适应：通过细化或粗化单元来改变网格密度。如将变形较大或计算误差大的单元细分为更小单元，提高计算精度。

10、进一步，步骤(a)中所述电连接结构为板状金属对、多链节钢链结构或螺栓连接结构。

11、更进一步，所述螺栓连接结构包含耐候钢基板与锌/不锈钢的紧固件组合。

12、更进一步，所述多链节钢链结构为5链钢链结构或42链节钢链结构，且两金属板通过电连接形成电偶对。

13、进一步，步骤(d)中所述阳极金属法向移动速度为v(单位：m/s)，由下式计算：

14、

15、其中ian(单位：a/m2)是阳极电极反应电流密度，m是平均摩尔质量，ρ是密度，f为法拉第常数。

16、进一步，步骤(c)中电解质环境为海水时，设置电导率参数并构建海水流体模型；当环境为湿润大气时，电解质膜厚与电导率根据动态湿度变化调整，氧极限电流密度ilim,o2(单位：a/m2)，公式如下：

17、

18、其中f(96485c/mol)是法拉第常数，d(单位：m2/s)是氧在薄膜中的扩散率，csol(单位：mol/m3)是氧的溶解度，dfilm(单位：m)是膜厚。

19、进一步，步骤(e)中采用comsol multiphysics软件的"二次电流分布"接口求解电极域电位，并耦合金属溶解反应动力学方程与氧还原反应的tafel表达式。

20、进一步，所述螺栓连接结构的边界条件设置为周期性变化参数，包括：

21、-昼夜温度循环，范围：15℃-26℃；

22、-空气湿度波动，范围，50％-90％；

23、-含盐量0.1wt.％nacl的电解质膜。

24、本发明还提供一种电偶腐蚀防护结构设计优化方法，采用上述的对双金属电偶腐蚀行为模拟计算的方法，通过对比不同金属配对组合的模拟结果，选择材料配置。当评估对象为耐候钢基板与紧固件组合时，优先选用阳极性金属紧固件以形成大阳极-小阴极结构。

25、在本发明中，电偶腐蚀的理论模型显示能够预测在接合处附近引起阳极点蚀的接合处周围的电流密度分布。beasy等腐蚀软件通常用于模拟电化腐蚀现象，以优化阴极保护。这些模型可以预测电偶接点周围的电流密度分布，但不能预测蚀坑形成的全部动力学过程。目前的数值模拟方法的目的是预测不断生长的由电偶腐蚀效应引起的局部点蚀坑的形状扩展及其动力学演化特征。

26、发明详述：

27、一种对双金属电偶腐蚀行为模拟计算的方法，具有如下的过程和步骤：

28、1、模型几何：如图1所示，使用单一电解质域。下边界的左侧部分是低碳钢材料的表面，右侧部分是腐蚀的镁合金。由于模型中是合金发生腐蚀，因此几何中右半部分的下边界向下移动。在几何原点沿负y方向引入0.1mm的小台阶，以确保在仿真过程中保留

29、几何的拓扑结构，其中台阶的垂直边界位于钢表面内。对所有模型绘制网格，网格类型采用超细网格，选择模型-网格自适应匹配，测试模拟海水溶液电导率，构建海水流体模型，采用超细网格，同样选择模型-网格自适应匹配；所有模型建立完毕，等待设置边界条件进行计算。

30、2、模型定义：5％nacl溶液电解质充分混合，选定二次电流分布，从而求解溶液电解质电位φ(v)。将电解质电导率设置为5s/m。镁合金是电偶的阳极，氧化镁由下式得出：

31、mg(s)→mg2+(aq)+2e-，合金主要由镁组成，模型中忽略其他合金元素的氧化反应。低碳钢充当这种电偶的阴极。使用腐蚀材料库中提供的实验极化数据描述了低碳钢和镁合金表面的电极动力学。镁金属的溶解导致电极边界移动，其法向移动速度为v(si单位：m/s)，由下式计算：其中ian(si单位：a/m2)是阳极电极反应电流密度，m是平均摩尔质量(25g/mol)，ρ是镁合金的密度(1820kg/m3)。

32、3、实验电路和电势测量：测试链的一端连接到itechit6720的负极稳压器通过电线。饱和甘汞电极作为参比阳极，镁合金作为工作电极1，碳钢作为工作电极2。所有电极都浸入模拟海水(5％nacl)中，从而形成一个电路导通系统。所有这些实验都是在室温(10～30℃，优选20℃)的空气中进行。

33、4、电化学实验：电化学测试在chi 760e电化学工作站上进行，该工作站具有在模拟海水溶液中的典型三电极电化学系统。在测试之前，作为工作电极的碳钢电极和镁合金电极依次用400、800、1000和1200目的sic砂纸抛光，然后依次用超纯水和无水乙醇清洗，随后用吸水纸干燥。然后将碳钢-镁合金连接件浸入模拟海水溶液中展开不同周期0、3、10、30、60和90天的浸泡试验。之后，这些样品被有序地转移到新制备的模拟海水溶液中进行电化学测试。参比电极是饱和ag/agcl电极，对电极是铂电极。首先，开路电位记录了1800s。之后电极系处于稳定状态极化曲线以0.005v/s的扫描速率从-1.2到0v记录。

34、5、comsol multiphysics 6.2是一个直接耦合分析软件，适用于任何数量的物理场，基于有限元算法，用于数值模拟。有限元算法在计算二次电流分布场时不仅可以得到结构表面的电位和电流密度信息，还可以得到特定范围内的电位和电流。而且研究对象的单元形状可以变化，具有很大的灵活性和通用性。因此，它适用于研究本工作中电位-电流分布计算。

35、本发明中软件本身基于电化学原理计算，扫描速率和典型大气没有关联，采用的腐蚀介质有很大关系，也就是电化学测试过程中的溶液，尽可能贴近大气中所含有的腐蚀粒子。

36、在迭代计算或逐步求解过程中，小台阶可能代表每次迭代或步骤中的微小变化或增量。如在求解偏微分方程的数值解时，通过不断迭代更新变量值，每次迭代的变化量较小，类似一个个小台阶，逐步逼近精确解。这是一种计算精度方面的优化。

37、本发明一种对双金属电偶腐蚀行为模拟计算的方法，另一实施例，螺栓连接结构在湿润大气环境中的腐蚀受到多方面的影响，其中相对湿度、温度和氯化物沉积速率影响钢的大气腐蚀。相对湿度和温度影响润湿时间，润湿时间决定了暴露在大气中的金属的腐蚀速率。

38、该模型的构建，通过hypemesh构建的螺栓连接结构由耐候钢基板及不锈钢/锌螺母-锌螺栓组成，并暴露于典型大气环境中。

39、该模型求解电极域中的电位和电解质薄层中的电解质电位。求解电位时，在耐候钢板，仅在螺栓连接结构外表面上求解电解质电位变化。电解质膜厚和电导率取决于周围空气的相对湿度，氧还原极限电流密度取决于氧扩散率和溶解度。

40、螺栓连接模型几何形状由耐候钢及锌/不锈钢螺母-螺栓组成。使用“二次电流分布”接口根据下式求解耐候钢、不锈钢/锌金属电极域上的电位φs(单位：v)：

41、

42、其中，is(单位：a/m2)是电极电流密度矢量，σs(单位：s/m)是电导率，假设这三个域的电导率都是常数。

43、碳钢，锌，不锈钢表面需要考虑金属溶解反应和氧还原反应。金属溶解电极反应动力学由阳极tafel表达式描述，而氧还原电极动力学由阴极tafel表达式描述。氧还原反应受到氧通过膜的传输的限制。极限电流密度ilim,o2(单位：a/m2)，取决于膜厚、氧溶解度和氧扩散率，公式如下：

44、

45、其中f(96485c/mol)是法拉第常数，d(单位：m2/s)是氧在薄膜中的扩散率，csol(单位：mol/m3)是氧的溶解度，dfilm(单位：m)是膜厚。通过假设氧还原动力学对氧浓度的局部电流密度的一阶依赖性，可以推导出以下电流密度ilim,o2(单位：a/m2)表达式：

46、

47、其中iexpr是没有质量传输限制的情况下电极反应的局部电流密度。

48、通过设置边界条件，具体为：白天温度26℃，夜间15℃，空气湿度在50％～90％周期性变化，空气含盐量0.1wt.％nacl，白天16h，夜间8h；比对不同螺栓-2.5cr耐候钢连接结构在典型大气环境下的模拟计算结果。

49、有益的技术效果：

50、在本发明中，两个不同的金属表面接触形成平行或重叠接头时，对电偶腐蚀过程中的蚀坑形成动力学进行了建模和模拟。作为电偶对连接点电流分析的一个新进展，电偶腐蚀在数学上的建模是一个移动边界问题，用拉普拉斯方程表示电解质中的电位和阳极表面的活化驱动溶解电位。除了数值求解电偶电流密度分布之外，还计算阳极金属表面的溶解速率，并在阳极表面的点蚀坑深度及其分布情况进行计算。极化曲线的线性模型或线性电阻模型被用作阳极和阴极表面的活化边界条件。给出了蚀坑形状和电流密度分布随时间变化的结果。