Corrosion Module
Corrosion Module
Software per la modellazione dei processi di corrosione elettrochimica e della protezione catodica
Una struttura in acciaio immersa in acqua di mare è protetta dalla corrosione mediante 40 anodi sacrificali. Questo esempio rappresenta il modello della distribuzione di potenziale sulla superficie della struttura protetta, ipotizzando una corrente limite costante per la riduzione dell'ossigeno sulla superficie protetta.
La corrosione elettrochimica è ovunque
La corrosione costa al mondo oltre un miliardo all'anno. La maggior parte dei fenomeni di corrosione si verifica a causa di processi di reazione elettrochimica in acqua e in ambienti umidi o bagnati. Il Corrosion Module consente a ingegneri e scienziati di studiare questi processi e comprendere l'incidenza della corrosione sulla durata di una struttura, al fine di adottare misure preventive che inibiscano la corrosione elettrochimica e proteggano la struttura stessa. Questo strumento può essere utilizzato per simulare la corrosione a livello microscalare - per indagarne i meccanismi fondamentali - e su scala più ampia, per individuare sistemi di protezione da corrosione per strutture di grandi dimensioni.
Comprendere la corrosione è fondamentale
Il Corrosion Module offre funzionalità, interfacce e modelli pre-impostati che consentono un approccio diretto alla simulazione di tutti i processi di corrosione elettrochimica - corrosione galvanica, interstiziale e per pitting. Il processo di corrosione è rappresentato attraverso la modellazione dinamica dei cambiamenti geometrici dovuti all’asportazione di materiale e l’analisi dei fenomeni di trasporto nell'elettrolita che bagna tale superficie. Il modulo include interfacce standard per modellare il potenziale di corrosione e la distribuzione di corrente nei processi di corrosione laddove la cinetica della reazione elettrochimica possa essere descritta mediante la legge di Tafel, l'equazione di Butler-Volmer o altre equazioni definite dall'utente. Le reazioni elettrochimiche sono risolte completamente, insieme ai potenziali elettrici negli elettroliti e nelle strutture metalliche e alle reazioni chimiche.
Altre immagini:
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Concentrazioni di specie corrosive lungo una fessura -
Potenziale elettrolita sullo scafo di una nave durante la protezione catodica a correnti impresse (ICCP)
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Concentrazione di ferro e contorni del potenziale elettrolita nello studio della distribuzione di corrente terziaria della corrosione galvanica di un chiodo zincato.
Ottimizzare i sistemi di protezione dalla corrosione
Il Corrosion Module consente di progettare efficaci sistemi di protezione dalla corrosione, compresa la simulazione della protezione catodica a correnti impresse (ICCP), di anodi sacrificali e della protezione anodica, dove la corrente anodica viene impressa sul materiale corrodente per attivare il fenomeno della passivazione.
L'utilizzo del Corrosion Module per indagare specifici meccanismi di protezione a livello microscalare consente di estrarre i parametri da utilizzare per simulare strutture più grandi, ad esempio l'accrescimento del film passivante di ossidi insolubili sulle strutture protette. I file CAD dei progetti possono essere importati in COMSOL Multiphysics per impostare la descrizione del processo di protezione. Una volta identificate le regioni della struttura soggette a fenomeni di corrosione accelerata, è possibile specificare la posizione degli anodi sacrificali e i punti di applicazione delle correnti impresse per la protezione catodica o anodica.
Il modulo consente inoltre di stimare l'effetto delle correnti parassite sulla corrosione di strutture interrate o sommerse e di ottimizzare la posizione degli elettrodi di protezione per evitare il fenomeno della corrosione. Se gli elettrodi sono progettati correttamente, medieranno l'assorbimento delle correnti parassite senza corrodere la struttura posta vicino a una sorgente di tali correnti, come una ferrovia.
Modellare gli effetti estesi della corrosione elettrochimica
L'impatto della corrosione su una struttura nel tempo può essere catastrofico: la corrosione consuma il materiale di una struttura e può comprometterne l'integrità strutturale.
In alcuni casi, è opportuno eseguire l'analisi strutturale congiuntamente all'analisi della corrosione per capire quali componenti di una struttura siano sottoposti a forti sollecitazioni e deformazioni. La corrosione di questi componenti può avere effetti devastanti e, pertanto, è importante accertarsi che essi siano protetti. Per capire gli effetti della corrosione e ottimizzare un progetto di protezione, è possibile combinare il Corrosion Module con lo Structural Mechanics Module di COMSOL, strumento specifico per le analisi di meccanica strutturale. Uno dei punti di forza di COMSOL Multiphysics è infatti la capacità di analizzare in uno stesso modello fenomeni fisici diversi, singolarmente o in modo accoppiato.
In altri casi, potrebbe essere necessario combinare il flusso turbolento e multifase con il trasporto delle specie chimiche. In questo caso si utilizza il CFD Module in combinazione con le interfacce di trasporto di massa del Corrosion Module per ottenere descrizioni precise del trasporto di massa.
Simulation-Led Strategy for Corrosion Prevention
S. Qidwai USNRL, DC, USA
Corrosion is a widespread concern costing the US billions of dollars annually. For the Navy, specifically, it is the number one maintenance problem. Therefore, at the Naval Research Laboratory (NRL), researchers are developing a method based on multiphysics simulation that will aid material designers in producing corrosion-resistant materials. ...
Submarines: Corrosion Protection or Enemy Detection?
David Schaefer University of Duisburg-Essen, Duisburg, Germany Germany's Technical Center for Ships and Naval Weapons, Bundeswehr, Germany
Submarines create underwater electric potential (UEP) signatures when using corrosion protection systems. These signatures are detectable by enemy vessels, an undesirable effect of the corrosion protection. Germany’s Technical Center for Ships and Naval Weapons (WTD 71) has worked with the Laboratory for General and Theoretical Electrical ...
Cathodic Protection of Steel in Reinforced Concrete
This example models cathodic protection of a steel reinforcing bar in concrete. Three different electrochemical reactions are considered on the steel surface. Charge and oxygen transport are modeled in the concrete domain, where the electrolyte conductivity and oxygen diffusivity depend on the moisture content. The impact of different moisture ...
Ship Hull ICCP
Impressed current cathodic protection is a commonly employed strategy to mitigate the ship hull corrosion where an external current is applied to the hull surface, polarizing it to a lower potential. In this model, the effect of propeller coating on the current demand is demonstrated.
Cyclic Voltammetry
Cyclic voltammetry is a common analytical technique for investigating electrochemical systems. In this method, the potential difference between a working electrode and a reference electrode is swept linearly in time from a start potential to a vertex potential, and back again. The current-voltage waveform, called a voltammogram, provides ...
Corrosion Protection of an Oil Platform Using Sacrificial Anodes
Steel structures immersed in seawater can be protected from corrosion through cathodic protection. This protection can be achieved by an impressed external current or by using sacrificial anodes. The use of sacrificial anodes is often preferred due to its simplicity. This example models the primary current distribution of a corrosion protection ...
Monopile with Dissolving Sacrificial Anodes
A monopile foundation is a large-diameter structural element that can be used to support structures like offshore wind turbines. This application exemplifies how the cathodic protection of a monopile decreases over time as the sacrificial anodes dissolve. The model can be used to evaluate secondary current distribution electrode kinetics on the ...
Crevice Corrosion of Nickel with Electrode Deformation
This model exemplifies the basic principles of crevice corrosion and how a time-dependent study can be used to simulate the electrode deformation. The model is in 2D and the polarization data for the corrosion reaction is taken from a paper by Absulsalam and others. The model and the results are similar to a 1D model by Brackman and others. ...
Atmospheric Corrosion
This model simulates atmospheric galvanic corrosion of an aluminum alloy in contact with steel. The electrolyte film thickness depends on the relative humidity of the surrounding air and the salt load density of NaCl crystals on the metal surface. Empirical expressions for the oxygen diffusivity and solubility are also included in the model in ...
Galvanized Nail
This tutorial example serves as an introduction to the Corrosion Module and models the metal oxidation and oxygen reduction current densities on the surface of a galvanized nail, surrounded by a piece of wet wood, which acts as electrolyte. The protecting zinc layer on the nail is not fully covering, so that at the tip of the nail the underlaying ...
Electrochemical Impedance Spectroscopy
Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a common technique in electroanalysis. It is used to study the harmonic response of an electrochemical system. A small, sinusoidal variation is applied to the potential at the working electrode, and the resulting current is analyzed in the frequency domain. The real and imaginary components of the ...
