外加電(dian)(dian)流陰極(ji)保護是(shi)(shi)保護金屬(shu)免受電(dian)(dian)腐蝕的(de)(de)常(chang)用方法。本文我們將解釋這種(zhong)方法的(de)(de)工作(zuo)原理以及常(chang)見的(de)(de)應用。最后給出(chu)一個船體仿(fang)真(zhen)(zhen)模型(xing)(xing)。在(zai)該模型(xing)(xing)中(zhong)，對(dui)軸、螺旋槳(jiang)陰極(ji)保護系統產生的(de)(de)電(dian)(dian)場信(xin)號(hao)進行分(fen)析是(shi)(shi)仿(fang)真(zhen)(zhen)非常(chang)重要(yao)的(de)(de)一個方面(mian)。

防止(zhi)電偶腐蝕

若將(jiang)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)放入(ru)電(dian)解(jie)(jie)液(ye)中(zhong)(zhong)(zhong)，將(jiang)始終面(mian)臨電(dian)偶腐蝕的風險。這(zhe)種類似的反應會(hui)發生在(zai)水環(huan)境，土壤，混凝(ning)土，以及大氣(qi)環(huan)境下。當潮濕的空(kong)氣(qi)凝(ning)結在(zai)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)表面(mian)上時(shi)，會(hui)形成(cheng)一層電(dian)解(jie)(jie)液(ye)薄膜。當金(jin)(jin)屬(shu)(shu)周圍(wei)被電(dian)解(jie)(jie)液(ye)環(huan)繞(rao)，并且電(dian)解(jie)(jie)液(ye)能(neng)夠(gou)將(jiang)其中(zhong)(zhong)(zhong)的離子從金(jin)(jin)屬(shu)(shu)的一端傳輸到另一端時(shi)，就會(hui)受到腐蝕。即使是看似相同類型的金(jin)(jin)屬(shu)(shu)（鑄鐵(tie)），也會(hui)由于金(jin)(jin)屬(shu)(shu)中(zhong)(zhong)(zhong)的雜質或金(jin)(jin)屬(shu)(shu)本身的不同而被腐蝕，這(zhe)種腐蝕可能(neng)是由于金(jin)(jin)屬(shu)(shu)與(yu)結構的其他部分具有(you)不同的電(dian)化學勢造成(cheng)的。

板上螺(luo)栓的電偶腐蝕。D3j4vu 提供(gong)的自(zi)己的作品(pin)。通過 Wikimedia Commons 在 CC BY-SA 3.0 下獲(huo)得許可。

如果不對金屬進行(xing)保護，電偶(ou)腐蝕(shi)會導致(zhi)點蝕(shi)、縫隙腐蝕(shi)等問(wen)題。為了(le)緩解(jie)(jie)此類問(wen)題，可(ke)能(neng)需要通過聚(ju)合物涂(tu)層來將(jiang)金屬與電解(jie)(jie)質(zhi)環境(jing)隔(ge)離開。但是，隨著時間(jian)的(de)流逝，此類涂(tu)層可(ke)能(neng)會因撞(zhuang)擊或穿透而被(bei)破壞(huai)，最(zui)終導致(zhi)腐蝕(shi)。

在許多情(qing)況下，如果金屬(shu)的(de)(de)第一(yi)道保護屏障被破壞(huai)，通常(chang)會采用另一(yi)種(zhong)方法(fa)(fa)來避免電偶腐(fu)蝕(shi)。這(zhe)種(zhong)方法(fa)(fa)就(jiu)是(shi)通過結構極(ji)化，使暴露(lu)的(de)(de)金屬(shu)成(cheng)為系統(tong)的(de)(de)陰(yin)極(ji)來實現的(de)(de)。暴露(lu)的(de)(de)金屬(shu)受陰(yin)極(ji)反(fan)應控制，陽極(ji)反(fan)應造成(cheng)的(de)(de)材(cai)料損失可以忽略(lve)不計。通常(chang)有下列兩個方法(fa)(fa)來保護金屬(shu)不受腐(fu)蝕(shi)：

通過犧(xi)牲陽極(ji)來實現陰(yin)極(ji)保護（SACP）

使用電化學平衡電位較低的(de)犧牲金屬

通過(guo)外加電流來(lai)實現陰極保(bao)護(hu)（ICCP）

使用(yong)外部電(dian)流源（通(tong)常是整流器），產(chan)生直流電(dian)流，使金(jin)屬表面極(ji)化成陰極(ji)電(dian)位區

電(dian)流源(yuan)與一(yi)些由惰性材(cai)料(liao)制成(cheng)的陽極相連接，不像犧牲陽極那樣消耗(hao)電(dian)流

ICCP 方(fang)法(fa)通常用于陸上管道，港(gang)口(kou)，混凝土(tu)結構，船舶等(deng)。由于其具有高電流(liu)輸出和易(yi)于安裝等(deng)特(te)點，它也是海(hai)上石油平臺(tai)加裝腐蝕防護(hu)系統的一種常用方(fang)法(fa)。

ICCP 的(de)(de)一個主(zhu)要缺點是電流輸(shu)出(chu)可能很(hen)大，這(zhe)會導致附近金屬(shu)表(biao)面(mian)產生(sheng)(sheng)非常負的(de)(de)極(ji)化。這(zhe)可以(yi)使陰極(ji)極(ji)化成(cheng)一個發(fa)生(sheng)(sheng)析(xi)氫(qing)(qing)(qing)的(de)(de)區(qu)域。對于(yu)某些結(jie)構，氫(qing)(qing)(qing)會擴散到金屬(shu)表(biao)面(mian)并在金屬(shu)中產生(sheng)(sheng)氫(qing)(qing)(qing)脆和氫(qing)(qing)(qing)致應(ying)力(li)開裂 （HISC）的(de)(de)風險。

SACP 可能更常(chang)用于(yu)鋼結構，因為(wei)析氫的(de)(de)(de)風(feng)險不太明顯。在大(da)型船(chuan)舶上(shang)，這是一種非常(chang)常(chang)見的(de)(de)(de)陰極保護(hu)方法。用于(yu)將施(shi)加電流的(de)(de)(de)陽(yang)極嵌(qian)入(ru)容(rong)器的(de)(de)(de)船(chuan)體(ti)表(biao)面(mian)，與具有相(xiang)(xiang)同電流容(rong)量(liang)的(de)(de)(de)犧(xi)牲陽(yang)極相(xiang)(xiang)比，其產生的(de)(de)(de)阻(zu)力要小(xiao)得多。

模擬通過外加電流(liu)實(shi)現的(de)陰極保護

如果想(xiang)要在(zai)一個幾(ji)何大結構的(de)背景下捕獲(huo)物理和電化(hua)學(xue)的(de)所有細節(jie)，對腐蝕進行建模會極(ji)具挑戰性。幸運的(de)是，在(zai)對較大規(gui)模的(de)陰極(ji)保護（例(li)如船體，管道或石油平(ping)臺）建模時，可以做一些假設(she)和簡化(hua)。

首先，從(cong)控(kong)制方(fang)(fang)程式(shi)和電解(jie)液質充分(fen)混合的(de)假(jia)設入(ru)手，將方(fang)(fang)程式(shi)進行簡(jian)(jian)化，以(yi)便(bian)可(ke)以(yi)只計算由離(li)子遷(qian)移引起的(de)電解(jie)液質中(zhong)的(de)電流平衡。這就會(hui)把控(kong)制方(fang)(fang)程式(shi)簡(jian)(jian)化為拉普(pu)拉斯方(fang)(fang)程式(shi)，其中(zhong)電解(jie)液質的(de)電導率作(zuo)為材料參數輸入(ru)。

電流密度(du)平衡(heng)的方程式為

其中

其(qi)中， 是(shi)電(dian)(dian)解(jie)液(ye)(ye)中的(de)(de)電(dian)(dian)流密度，n 是(shi)物種(zhong)(zhong)的(de)(de)數量，z 是(shi)離子的(de)(de)電(dian)(dian)荷， 是(shi)離子的(de)(de)遷移率，F 是(shi)法拉第常數，c 是(shi)物種(zhong)(zhong)的(de)(de)濃度， 是(shi)電(dian)(dian)解(jie)液(ye)(ye)的(de)(de)電(dian)(dian)位(wei)，u 是(shi)描述電(dian)(dian)解(jie)液(ye)(ye)流動的(de)(de)速度矢(shi)量。

上面(mian)方程式(shi)右側(ce)的(de)(de)第二項包含了電中(zhong)性條件，它等于(yu)零。方程式(shi)右邊第一(yi)項括號(hao)內的(de)(de)系數(shu)等于(yu)電解液的(de)(de)電導率。這就(jiu)得(de)到(dao)了完(wan)全混合電解液中(zhong)電流密度的(de)(de)表達式(shi)：

在所有的金屬表面上，可以同時發生陽極(ji)(ji)和陰極(ji)(ji)反(fan)(fan)應(ying)(ying)。這(zhe)些反(fan)(fan)應(ying)(ying)可以用(yong) Butler-Volmer 或 Tafel 方程(cheng)確定的電(dian)流密度來表示。Butler-Volmer 方程(cheng)給出了表面上電(dian)化(hua)學(xue)勢函數的電(dian)化(hua)學(xue)反(fan)(fan)應(ying)(ying)速(su)率(lv)。使(shi)用(yong)法(fa)拉第定律，由于涉及(ji)到電(dian)子，因此得到了電(dian)流密度（參考(kao)文獻1）。Butler-Volmer 方程(cheng)式可以描述發生在陰極(ji)(ji)上的析氫反(fan)(fan)應(ying)(ying)：

其中 為交換電流密(mi)度， 是無量綱氫氧根離子濃度，為無量綱氫分壓，R 為通用氣體(ti)常數，T 為溫度和 η 活化過(guo)電位。

活化過電(dian)位定義為：

其中，表示電級表面電勢，表示相對系統中所有反應共有的特定參考電極測得的平衡電極電勢。

通過給出這些方程式中不同的參數，可以得到極化(hua)曲線，如下圖(tu)所示：

圖1：在(zai)次貴(gui)(gui)金屬(shu) 表(biao)面(mian)（藍色(se)）和較貴(gui)(gui)金屬(shu) 表(biao)面(mian)（紅色(se)）處反應(ying)的 Butler–Volmer 表(biao)達式。

這些(xie)極化曲(qu)線通常也用埃文斯圖（Evans diagram）表(biao)示(shi)：

圖 2：在沒有歐(ou)姆和質量輸(shu)運損耗的情況下，兩(liang)個(ge)電極反應(ying)的埃(ai)文斯圖。

對于外(wai)加(jia)電(dian)(dian)流(liu)陽(yang)極，通常(chang)需(xu)要設置電(dian)(dian)流(liu)密(mi)度，以使(shi)系統(tong)在參(can)(can)考電(dian)(dian)位上達到給定(ding)的(de)電(dian)(dian)解液電(dian)(dian)勢。這構成了(le)模擬外(wai)加(jia)電(dian)(dian)流(liu)的(de)陰(yin)極保(bao)護所需(xu)的(de)材料參(can)(can)數和(he)邊界條件(jian)。

圖(tu)(tu) 3：船體示(shi)意圖(tu)(tu)，其中包括(kuo)參考電極(ji)，陽極(ji)，螺旋槳和軸的位置。

在船(chuan)體(ti)上(shang)建立 ICCP 模(mo)型(xing)

在(zai)給定的(de)示例（也可以在(zai)官(guan)網案例庫(ku)中(zhong)(zhong)(zhong)找到：cn.comsol.com/models），我們研(yan)究了帶有(you)軸和(he)螺(luo)(luo)(luo)旋(xuan)(xuan)槳的(de)船體(ti)，該船體(ti)和(he)螺(luo)(luo)(luo)旋(xuan)(xuan)槳受到外加(jia)電流的(de)保(bao)護(hu)。還(huan)研(yan)究了涂(tu)(tu)層螺(luo)(luo)(luo)旋(xuan)(xuan)槳與未(wei)涂(tu)(tu)層螺(luo)(luo)(luo)旋(xuan)(xuan)槳的(de)區(qu)別。目的(de)是評估兩種(zhong)不(bu)同情(qing)(qing)況(kuang)下沿船龍骨的(de)剖面(mian)情(qing)(qing)況(kuang)。這在(zai)海(hai)軍(jun)軍(jun)事應用中(zhong)(zhong)(zhong)很重(zhong)要(yao)，因為(wei)在(zai)海(hai)軍(jun)應用中(zhong)(zhong)(zhong)，大家(jia)會(hui)想知道海(hai)水中(zhong)(zhong)(zhong)電磁信(xin)號的(de)大小(xiao)。

當我們導(dao)入幾何圖(tu)形并(bing)定義了(le)電解(jie)質域后，有(you)幾個關(guan)鍵步驟如下：

定義(yi)參考電極（圖4）

在幾何(he)穩定的外(wai)加(jia)電流陽極處(chu)添加(jia)電解(jie)液電位邊界條件(jian)，并將(jiang)該條件(jian)設置為0 V

請(qing)參(can)考(kao)暴露金屬表面設置中(zhong)的參(can)考(kao)電(dian)位，并將參(can)考(kao)電(dian)位與參(can)考(kao)電(dian)位上所需的保護(hu)電(dian)位差進行對比（圖(tu)5）。

輸(shu)入暴(bao)露在電(dian)解液中的各(ge)種金屬相應的平(ping)衡(heng)電(dian)位和(he)反(fan)應參數（圖 6）

圖 4：參考電位在某一(yi)點的設置。

圖 5：用外加電流保護(hu)的(de)金(jin)屬電極(ji)表(biao)面的(de)設置。

圖 6：模型中軸上受保護金屬上的(de)電極反應設置。

結論

電(dian)極電(dian)位與參考電(dian)位之(zhi)間的(de)比較是(shi)評估(gu)海洋(yang)腐蝕時最常用(yong)的(de)量。通過查看不同的(de)電(dian)位，可以清楚地(di)知道這些物體是(shi)否受到(dao)保護，以及是(shi)否可能有一些區域會發生析氫等，如果有，那么應采用(yong)更好的(de)電(dian)屏蔽措施(shi)。船體表面的(de)電(dian)勢如下(xia)圖所示(shi)。

圖 7：帶(dai)有 625 合金螺(luo)旋槳的(de)和(he)鎳鋁青銅（NAB）軸的(de)船體在外加電(dian)(dian)流陰極保(bao)護下相對 Ag / AgCl 參考(kao)電(dian)(dian)極的(de)電(dian)(dian)極電(dian)(dian)勢。

在這個模(mo)型中，通過研究(jiu)沿(yan)船(chuan)體龍骨(gu)的(de)相對 Ag/AgCl 的(de)電(dian)(dian)極電(dian)(dian)位，你(ni)將了(le)解(jie)到使(shi)用涂層(ceng)或未涂層(ceng)的(de)螺(luo)旋(xuan)槳(jiang)會(hui)怎樣影響電(dian)(dian)場信號(hao)(hao)。同時也(ye)可以看到，帶涂層(ceng)的(de)螺(luo)旋(xuan)槳(jiang)在電(dian)(dian)解(jie)液電(dian)(dian)位上變化較小，因此(ci)在船(chuan)舶周(zhou)圍的(de)電(dian)(dian)場會(hui)給一個較小的(de)信號(hao)(hao)。

圖 8：帶有涂(tu)層和(he)未(wei)涂(tu)層螺旋槳的(de)船體(ti)龍骨的(de)，相對 Ag / AgCl 參考值(zhi)的(de)電位。