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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