在腐蚀分析中，我们经常要研究腐蚀表面，它的电气连接并不像控制电流或电压那样简单。相反，一个电极表面可能通过直接连接或通过电阻器与另一个电极短路，例如海上风力涡轮机基础中的单桩和过渡件之间的电气连接。在这篇博客中，我们将研究如何在 COMSOL Multiphysics®软件中使用适当的边界条件来描述这些电极和外部短路。
腐蚀分析中的牺牲阳极的阴极保护
牺牲阳极的阴极保护中有意利用了电偶腐蚀现象。为了保护一个结构部件（通常是钢）不被腐蚀，它被电连接到一个由不太贵的金属制成的牺牲阳极。牺牲阳极就会优先腐蚀。请注意，为了使牺牲阳极有效地保护钢，这两种金属之间需要有直接的电连接来形成闭合回路。实际上，牺牲阳极与被保护的表面短路，使它们能被腐蚀。
当我们在 COMSOL Multiphysics 模型中定义牺牲阳极时，通常可以假设阳极材料和阴极材料是良好的电导体。因此，在牺牲阳极和受保护的钢表面上，电势可以均匀地设置为 0V。下面，我们来看一个钢质的导管架平台的分析，来自 COMSOL 案例库中的阳极膜阻对阴极保护的影响教程案例。在这个模型中，我们用与牺牲阳极相同的外部电势条件来定义钢表面。
通过电极表面边界条件对钢表面施加 0V 的外部电势。同样的条件下，牺牲阳极更负的腐蚀电位会导致其腐蚀。
在 COMSOL Multiphysics® 中对电极和外部短路进行建模
如果两个金属表面之间的电接触不理想怎么办？例如，它们可能是由具有明显电阻的电缆连接的。我们不把电势直接设置为 0V，而是使用外部短路边界条件。这种设置将电极表面的外部电势定义为一个均匀的浮动电势，通过一个串联电阻连接到地面。根据欧姆定律，外部电势相对于地的精确电压取决于电极表面的总电流。
让我们来看一个例子。海上阴极保护的一个常见任务是保护单桩。这些单桩是用于固定海上结构的钢制基础设施，如海床上的风力涡轮机塔。通常情况下，单桩在结构上与一个过渡件相连接。虽然单桩总是在水面以下，但过渡件却延伸到水面以上。
一个典型的海上单桩结构的示意图。
为了保护所有的钢结构部件免受腐蚀，我们使用了几个安装在过渡片上的牺牲阳极。当阳极只与过渡件有直接的电气连接时，单桩通过它通过结构接触的电气接触被保护。由于这在电学上并不是理想的电连接状态，我们在电化学模型中使用了一个电阻来描述不完美的电连接。我们可以在带有溶解牺牲阳极的单桩教程模型中看到这个例子。
电极表面边界条件对单桩没有涂层的钢表面施加外部短路。
外部短路边界条件将钢表面连接到地面(0 V)，过渡片的电势和牺牲阳极。在地面和单桩之间，施加一个电阻R_Tp，值为 0.01 Ω。这表示单桩和过渡件之间电接触的电阻。
虽然这不是一个大电阻，但在这种情况下包括它是非常重要的。保护钢表面的牺牲阳极上的总电流消耗可能是几十 A，所以相应的电阻损失可能超过 100 mV。由于钢表面的电化学特性在 100 mV 或更小的电位范围内可以从保护良好变为保护不良，这些量级是相当的。
下图显示了表面不同部分的外部电势。
过渡片（顶部）和单桩（底部）上的外部电势，被牺牲阳极外套包围。
注意，电势在两个表面上是均匀的，因为它们是高导电金属。尽管如此，由于外部短边界条件中包含的电阻，单桩和过渡件之间仍然存在超过 140 mV 的电位差。这意味着钢表面通常得不到很好的保护，这也在下面的电极表面电位图中显示出来了。
过渡片（顶部）和单桩（底部）中的电极表面电位，被牺牲阳极的夹层包围。
蓝色表示负的（阴极）电位，所以过渡片的保护相对较好。相比之下，单桩表面的保护很差，可能会有腐蚀风险。
使用外部短路边界条件的分析确保模型正确考虑了两个结构部分之间的电阻贡献。这些结果表明，当把阳极放在过渡件上时，需要非常小心。如果阴极保护系统设计得不好，仅将牺牲阳极连接到过渡片上可能无法为单桩提供足够的保护。
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编者注：本博客于 2021 年 2 月 5 日更新。
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