腐蚀模拟
理论：电流分布决定腐蚀
概述
船上钢制零件用了不锈钢螺栓，结果只有螺栓周围的钢腐蚀严重。为什么？
这是异种金属接触引起的电偶腐蚀。电位不同的金属在海水中相连时，较活泼的金属（钢）成为阳极而溶解，较惰性的金属（不锈钢）表面发生氧还原。钢不仅要溶解供应自身表面的电流，还要供应不锈钢表面消耗的电流。所以贵金属面积越大，钢腐蚀越快。腐蚀模拟就是求解海水中的电位分布，求出电流在哪里、集中多少。
控制方程
电解液中电荷守恒，电位 $\phi$ 满足拉普拉斯方程（$\kappa$ 为电导率）。金属表面上，电流由金属电位 $E$ 与溶液电位之差决定。这一关系就是极化曲线，包含了腐蚀倾向和氧供应速度。
由电流到腐蚀速度
由法拉第定律可把电流密度换算为减薄速度。阴极反应受氧扩散控制（极限电流 $i_L$）时，阳极电流密度由阴极与阳极面积比决定。
包铜船与铁钉
18世纪，英国海军开始用铜板包覆木制军舰船底，以防船蛆和藤壶。结果固定铜板的铁钉和船体上的铁配件迅速腐蚀。1824年化学家戴维证明，把锌或铁的小块连接到铜上就能保护铜，这被视为阴极保护的开端。异种金属组合的危险，以及反过来利用同一原理的防腐，两百年来一直用同样的电化学来解释。
算例：面积比与腐蚀速度
海水中阴极反应（氧还原）取扩散控制，极限电流密度0.1 A/m²。钢每1 A/m²每年减薄1.16 mm。同时给出减薄3 mm所需年数：
| 贵金属／钢面积比 | 钢腐蚀速度 | 与单独相比 | 减薄3 mm需 |
|---|---|---|---|
| 钢单独 | 0.12 mm/年 | ×1 | 25.8年 |
| 1 | 0.23 mm/年 | ×2 | 12.9年 |
| 10 | 1.28 mm/年 | ×11 | 2.3年 |
| 100 | 11.7 mm/年 | ×101 | 0.3年 |
我以为不锈钢螺栓小就没事，原来是不锈钢大、钢小的时候危险。
对，小阳极配大阴极最危险。不锈钢板配钢螺栓，钢螺栓会很快溶掉。像这次钢板配不锈钢螺栓，面积比本应较小；但如果钢板涂了漆，只有涂层小缺陷处露出钢，那里就成为小阳极集中溶解。表中数值是理想上限，实际上海水电阻使电流集中在接触部附近，所以要求解分布而非面积平均。这就是用有限元等方法求解电位分布的原因。
例2：牺牲阳极用量
以0.1 A/m²保护10 m²裸钢10年：电流1.0 A，电量87,660 Ah。锌电容量780 Ah/kg、利用系数0.85，约需132 kg锌。若涂层使裸露面积降到十分之一，约13 kg即可。
分析步骤
- 确定电解液电导率、温度和流动（氧供应）。
- 由试验或文献准备各金属的极化曲线。
- 建入几何求解电解液电位，得到表面电流分布。
- 由电流求腐蚀速度，比较寿命和防腐对策（绝缘、涂层、阳极）。
- 考虑涂层缺陷和随时间变化的表面状态（膜层、附着物）。
“涂了漆却穿孔了”
某钢制储罐与铜合金管道相连，为防腐只把钢这一侧仔细涂了漆，结果几年后钢上出现小孔。涂层小缺陷处露出的钢，相对大面积未涂漆的铜合金成为小阳极，电流集中于此。求解电位分布显示，缺陷处电流密度是不涂漆时的几十倍。组合异种金属时，原则是阴极侧（贵金属）也要涂装，或进行电绝缘。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 只涂阳极侧 | 电流集中于缺陷 | 阴极侧也涂装或绝缘 |
| 按面积平均评估 | 漏掉接触部局部腐蚀 | 求解电位分布 |
| 极化曲线取固定 | 误判温度与流动影响 | 按条件准备 |
| 忽略电导率 | 误判电流扩散 | 计入溶液电阻 |
| 忽略时间变化 | 漏掉膜层与附着物效果 | 考虑随时间变化 |
我想试试相关计算。