在腐蝕分析中，我們經常研究的腐蝕表面所具有的電氣連接可不像控制電流或電壓那么簡單。相反，電極表面可能直接短路連接到另一個電極，例如單樁與過渡連接件之間的電氣連接。在本篇博客文章中，我們將討論如何在 COMSOL  軟件中使用適當的邊界條件來描述這些電極和外部短路。

短路和電偶腐蝕仿真

在之前的博客文章中，我們討論了鋰離子電池短路的建模，我們當時分析了一個被鋼針刺穿而產生短路的電池，并直接在幾何中繪制了穿過鋼針的電流路徑。

電偶腐蝕 是另一種系統，金屬表面之間的電氣連接起著非常重要的作用。在電偶腐蝕中，兩種具有不同電化學反應活性的金屬處于電接觸狀態，從而提供一條電流路徑，使其中一種金屬腐蝕，而化學物質（通常是溶于水的氧）在不活潑金屬端被還原。

舉例來說，為了模擬電偶腐蝕，我們可以選擇使用與低碳鋼連接的鎂合金。由于鎂具有負值較大的（氧化）腐蝕電位，因此它會優先腐蝕。經過一段時間后，鎂電極材料被腐蝕。

電解質電位分布（彩色表面）和電流密度（箭頭）。電解質電流從腐蝕的鎂合金（右）流向低碳鋼（左）。

與電解質相比，金屬具有非常高的電導率，因此我們通常認為金屬具有均勻電位。如果兩種金屬相互連接，則整個表面的電位是恒定的，這是電偶腐蝕的特征條件，即電極之間沒有外加電壓。相反，電化學電池由于兩種金屬不同的電化學環境和反應活性而發生極化。這種反應性差異產生了不同金屬上電位不同的雙電荷層。

為了方便起見，我們經常使用該電位作為系統地，表示在電位 φs 下具有簡單邊界條件的短路金屬。在電化學模型中，我們使用“電極表面”邊界條件在整個連接金屬表面設置 φs = 0。

從上圖可以明顯地看出，電解質電位在整個表面上并不均勻，而是隨著“電極反應”邊界條件中設置的局部腐蝕電位而變化，也可能取決于電極動力學或質量傳輸。（要了解這些電位與電流分布的關系，請查看這篇有關選擇電流分布接口的博客文章。）上圖取自電偶腐蝕造成電極變形案例。在此模型中，我們通過應用外部電位 設為 0 V 的“電極表面”邊界條件，將鎂和低碳鋼定義為電接觸。

“電極表面”邊界條件“電極表面”邊界條件對低碳鋼表面施加 0 V 的外部電位。鎂合金采用相同的條件，但其電化學反應活性不同。

腐蝕分析中的犧牲陽極陰極保護

我們在犧牲陽極陰極保護中刻意利用了電偶腐蝕現象。為了保護結構部件（通常是鋼）免受腐蝕，通常將它以電連接方式連接到由較活潑金屬制成的犧牲陽極，犧牲陽極會優先腐蝕。請注意，為了使犧牲陽極有效地保護鋼，兩種金屬之間需要通過電路直連來形成閉合電路。實際上，犧牲陽極與受保護金屬表面短路連接，因此開始腐蝕。

當我們在 COMSOL Multiphysics 模型中定義犧牲陽極時，可以使用與上述理想化電偶腐蝕示例相同的方法，犧牲陽極和受保護鋼表面上的電位均設為 0 V。下面，我們看看陰極保護的陽極膜阻效應案例中的鋼制平臺分析模型。在此模型中，我們定義的鋼表面具有與上節所述相同的外部電位條件。

鋼表面“電極表面”邊界條件對鋼表面施加 0 V 外部電位。相同條件下，腐蝕電位負值更大時會導致犧牲陽極腐蝕。

COMSOL Multiphysics® 中的電極和外部短路建模如果兩個金屬表面之間的電接觸不理想怎么辦？舉例來說，它們可能通過具有較大電阻的電纜連接。我們并不是直接將電位設置為 0 V，而是使用自 COMSOL 軟件提供的“外部短路”邊界條件。該設置將電極表面的外部電位定義為通過串聯電阻接地的均勻浮動電位。根據歐姆定律，對地電壓的精確值取決于電極表面的總電流：

我們來看一個例子。海上陰極保護的一個常見任務是保護單樁，這些單樁是用于固定海底風力渦輪機等海上結構的鋼結構底座。通常，單樁在結構上與過渡連接件連接，并總是位于水面以下，而過渡連接件會延伸到水面以上。

典型的海上單樁結構示意圖。

為了保護所有結構鋼零件免受腐蝕，我們使用犧牲陽極護套。當陽極只與過渡連接件進行直接電路連接時，單樁通過由結構接觸形成的電接觸受到保護。由于這在電學上并非理想情況，我們在電化學模型中使用電阻來解釋不理想的電路連接。帶溶解犧牲陽極的單樁教學案例中提供了相關示例。

“電極表面”邊界條件對單樁裸鋼表面應用外部對地短路。

“外部短路”邊界條件將鋼表面對地電壓（0 V）、過渡連接件的電位和犧牲陽極聯系在一起。在地面與單樁之間，我們應用一個值為 0.01 Ω 的電阻 R_Tp，用來表示單樁與過渡連接件之間的電接觸電阻。

雖然這個電阻并不大，但在本例中包含這一電阻非常重要。保護鋼表面的犧牲陽極上的總電流消耗可能為幾十安，因此相應的電阻損耗可能超過 100 mV。由于鋼表面的電化學特性在 100 mV 或更小的電位范圍內從良好保護變為保護不良，因此這些數值大小相當。

下圖顯示了表面不同部分的外部電位。

由犧牲陽極護套包裹的過渡連接件（頂部）和單樁（底部）的外部電位。

請注意，由于兩種金屬是高導電金屬，因此兩個表面上的電位是均勻的。然而，由于“外部短路”邊界條件中包含的電阻，單樁與過渡連接件之間的電位差超過 140 mV。這意味著鋼表面沒有得到很好的保護，這種情況也顯示在下面的電極表面電位圖中。

由犧牲陽極護套包圍的過渡連接件（頂部）和單樁（底部）中的電極表面電位。

藍色表示負（陰極）電位，因此過渡連接件受到相對良好的保護。相比之下，單樁表面保護較差，可能存在腐蝕風險。

利用“外部短路”邊界條件進行的分析能夠確保模型正確分析兩個結構部分之間的電阻貢獻。這些結果表明，我們在設計護套時需要非常小心。如果陰極保護系統設計不佳，只將犧牲陽極連接到過渡連接件可能無法為單樁提供足夠的保護。