外加電流陰極保護是保護金屬免受電腐蝕的常用方法。本文我們將解釋這種方法的工作原理以及常見的應用。最后給出一個船體仿真模型。在該模型中，對軸、螺旋槳陰極保護系統產生的電場信號進行分析是仿真非常重要的一個方面。

防止電偶腐蝕

若將金屬放入電解液中，將始終面臨電偶腐蝕的風險。這種類似的反應會發生在水環境，土壤，混凝土，以及大氣環境下。當潮濕的空氣凝結在金屬表面上時，會形成一層電解液薄膜。當金屬周圍被電解液環繞，并且電解液能夠將其中的離子從金屬的一端傳輸到另一端時，就會受到腐蝕。即使是看似相同類型的金屬（鑄鐵），也會由于金屬中的雜質或金屬本身的不同而被腐蝕，這種腐蝕可能是由于金屬與結構的其他部分具有不同的電化學勢造成的。

板上螺栓的電偶腐蝕。D3j4vu 提供的自己的作品。通過 Wikimedia Commons 在 CC BY-SA 3.0 下獲得許可。

如果不對金屬進行保護，電偶腐蝕會導致點蝕、縫隙腐蝕等問題。為了緩解此類問題，可能需要通過聚合物涂層來將金屬與電解質環境隔離開。但是，隨著時間的流逝，此類涂層可能會因撞擊或穿透而被破壞，最終導致腐蝕。

在許多情況下，如果金屬的第一道保護屏障被破壞，通常會采用另一種方法來避免電偶腐蝕。這種方法就是通過結構極化，使暴露的金屬成為系統的陰極來實現的。暴露的金屬受陰極反應控制，陽極反應造成的材料損失可以忽略不計。通常有下列兩個方法來保護金屬不受腐蝕：

通過犧牲陽極來實現陰極保護（SACP）

    使用電化學平衡電位較低的犧牲金屬

通過外加電流來實現陰極保護（ICCP）

    使用外部電流源（通常是整流器），產生直流電流，使金屬表面極化成陰極電位區

    電流源與一些由惰性材料制成的陽極相連接，不像犧牲陽極那樣消耗電流

ICCP 方法通常用于陸上管道，港口，混凝土結構，船舶等。由于其具有高電流輸出和易于安裝等特點，它也是海上石油平臺加裝腐蝕防護系統的一種常用方法。

ICCP 的一個主要缺點是電流輸出可能很大，這會導致附近金屬表面產生非常負的極化。這可以使陰極極化成一個發生析氫的區域。對于某些結構，氫會擴散到金屬表面并在金屬中產生氫脆和氫致應力開裂 （HISC）的風險。

SACP 可能更常用于鋼結構，因為析氫的風險不太明顯。在大型船舶上，這是一種非常常見的陰極保護方法。用于將施加電流的陽極嵌入容器的船體表面，與具有相同電流容量的犧牲陽極相比，其產生的阻力要小得多。

模擬通過外加電流實現的陰極保護

如果想要在一個幾何大結構的背景下捕獲物理和電化學的所有細節，對腐蝕進行建模會極具挑戰性。幸運的是，在對較大規模的陰極保護（例如船體，管道或石油平臺）建模時，可以做一些假設和簡化。

首先，從控制方程式和電解液質充分混合的假設入手，將方程式進行簡化，以便可以只計算由離子遷移引起的電解液質中的電流平衡。這就會把控制方程式簡化為拉普拉斯方程式，其中電解液質的電導率作為材料參數輸入。

電流密度平衡的方程式為

其中

其中， 是電解液中的電流密度，n 是物種的數量，z 是離子的電荷， 是離子的遷移率，F 是法拉第常數，c 是物種的濃度， 是電解液的電位，u 是描述電解液流動的速度矢量。

上面方程式右側的第二項包含了電中性條件，它等于零。方程式右邊第一項括號內的系數等于電解液的電導率。這就得到了完全混合電解液中電流密度的表達式:

在所有的金屬表面上，可以同時發生陽極和陰極反應。這些反應可以用 Butler-Volmer 或 Tafel 方程確定的電流密度來表示。Butler-Volmer 方程給出了表面上電化學勢函數的電化學反應速率。使用法拉第定律，由于涉及到電子，因此得到了電流密度(參考文獻1).Butler-Volmer 方程式可以描述發生在陰極上的析氫反應：

其中 為交換電流密度， 是無量綱氫氧根離子濃度，為無量綱氫分壓，R 為通用氣體常數，T 為溫度和 η 活化過電位。

活化過電位定義為：

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，可以得到極化曲線，如下圖所示：

圖1：在次貴金屬 表面（藍色）和較貴金屬 表面（紅色）處反應的 Butler–Volmer 表達式。

這些極化曲線通常也用埃文斯圖（Evans diagram）表示：

圖 2：在沒有歐姆和質量輸運損耗的情況下，兩個電極反應的埃文斯圖。

對于外加電流陽極，通常需要設置電流密度，以使系統在參考電位上達到給定的電解液電勢。這構成了模擬外加電流的陰極保護所需的材料參數和邊界條件。

圖 3：船體示意圖，其中包括參考電極，陽極，螺旋槳和軸的位置。

在船體上建立 ICCP 模型

在給定的示例（也可以在官網案例庫中找到：cn.comsol.com/models），我們研究了帶有軸和螺旋槳的船體，該船體和螺旋槳受到外加電流的保護。還研究了涂層螺旋槳與未涂層螺旋槳的區別。目的是評估兩種不同情況下沿船龍骨的剖面情況。這在海軍軍事應用中很重要，因為在海軍應用中，大家會想知道海水中電磁信號的大小。

當我們導入幾何圖形并定義了電解質域后，有幾個關鍵步驟如下：

定義參考電極（圖4）

在幾何穩定的外加電流陽極處添加電解液電位邊界條件，并將該條件設置為0 V

請參考暴露金屬表面設置中的參考電位，并將參考電位與參考電位上所需的保護電位差進行對比(圖5)。

輸入暴露在電解液中的各種金屬相應的平衡電位和反應參數（圖 6）

圖 4：參考電位在某一點的設置。

圖 5：用外加電流保護的金屬電極表面的設置。

圖 6：模型中軸上受保護金屬上的電極反應設置。

結論

電極電位與參考電位之間的比較是評估海洋腐蝕時最常用的量。通過查看不同的電位，可以清楚地知道這些物體是否受到保護，以及是否可能有一些區域會發生析氫等，如果有，那么應采用更好的電屏蔽措施。船體表面的電勢如下圖所示。

圖 7：帶有 625 合金螺旋槳的和鎳鋁青銅（NAB）軸的船體在外加電流陰極保護下相對 Ag / AgCl 參考電極的電極電勢。

在這個模型中，通過研究沿船體龍骨的相對 Ag/AgCl 的電極電位，你將了解到使用涂層或未涂層的螺旋槳會怎樣影響電場信號。同時也可以看到，帶涂層的螺旋槳在電解液電位上變化較小，因此在船舶周圍的電場會給一個較小的信號。

圖 8：帶有涂層和未涂層螺旋槳的船體龍骨的，相對 Ag / AgCl 參考值的電位。