腐蚀电位剖面模拟管阴极保护下

文摘

的潜在分布管换热器模拟应用阴极极化时的极端。两种方法的比较提出了实现这一目标:基于边界的数字解决方案元素进行与商业软件Beasy-GID semianalytical方法由作者开发的。简化的数学模型,考虑和解决问题。因为这两种方法使用极化曲线作为边界条件,实验(电压和电流密度)极化曲线测定流条件下在实验室和圆柱形细胞几何。结果表明不可能延长保护整个管长度;因此,其他保护方法。

1。介绍

热交换器的腐蚀的蒸汽循环发电工厂代表维护的一个重要问题。攻击是广义和本地化的形态;后者包括钻井为交换表面和关闭循环液体的污染。问题已经解决了,停止操作并密封爆管,造成热交换效率下降。

冷凝器是multimetal系统与特殊流体动力学条件和几何复杂性(1]。通常是找到碳钢框和钛、不锈钢、甚至不同的铜合金管和盘子2]。所有这些合金电化学腐蚀特征不同,由于他们的电接触可以诱导(电化学腐蚀3]。在阴极保护时,应用在箱子里,cathodically偏振板,但其效果可能不是被整个管和它将作为阳极的一部分。因此,电化学势在管不是常数,它是重要的决定在纵向方向,以作为参数的潜力应用于边缘。当前和潜在分布管从理论上分析作者阿尔凯尔和Mirarefi [4]。Astley [5],Verbrugge [6),和歌曲7)解决这个问题考虑一维拉普拉斯方程的管理关系,这是假定为线性动力学;在这种情况下,问题转化为一个分布系统组成的一个常微分方程(ODE)和各种边界条件。上述作者验证模型对结果通过实验原型。史高丽和黑客3)工作在同一个研究线路和执行一个数值有限元分析以及定性研究瓦格纳无因次数来确定板的影响,管。通过中试规模的原型验证的数据。

这个问题已经解决了在以前的作品(8,9]使用一维近似,因此,问题转化为一个系统组成的一个(ODE)和一些边界条件。

本文方程对应的解决现有及潜在分布在换热器管研究当一个给定的潜力应用于边缘。我们比较获得的结果通过使用商业软件Beasy-GID [10)和一个由作者开发的方法。简化模型的方法需要一个分析决议提出的基于一维电化学近似Frumkin [11]。

我们描述的数学模型,简化考虑,并解决相应的数学方程。提出的极化曲线,作为边界条件(实验获得圆柱细胞流条件下,模拟换热器内流体动力学条件。

2。建模

为了分析当前和潜在的分布与电解液流管系统,在一个无限小的质量平衡控制体积建立了(12]。通用的物种,积累等于输入-输出的物种在一段时间内与相应的一代(): 在(1),质量平衡是说,通过区域的通量的物种和的摩尔浓度的物种。

全球平衡所有的物种能编写如下: 这些术语乘以该物种费用()和法拉第常数(),我们可以把质量平衡转换成电荷平衡: 考虑一个电化学系统,与反应界面,它可以假定没有一代在控制体积(电解质),然后是零。此外,在左边的稳态条件(3)也是零,导致 在哪里是电流密度向量。扩大在相对应的传输组件迁移,扩散和对流(Nernst-Plank发展(13),(4)可以表示为 离子电导率,物种的扩散率吗,是电势,是平流速度。如果解决方案提出了一个各向同性介质,离子电导率和物种扩散系数齐次性质,所以它们的梯度为零。此外,考虑管的开发概要文件(14,15)和一个不可压缩流,速度的散度为零,(5可以转换成) 由于电中性溶液中,第三项(即对应的贡献。对流运输)为零: 考虑主要或次要电流分布(16),电解液中的物种浓度梯度可以被忽视。因此(7)简化 正式获得的方程是相同的对应于传热或大规模扩散数学模型,在稳定状态。对于这些现象获得的解决方案可以应用于解决电场方程在电化学系统中,用适当的边界条件。这个解决方案使用的程序分析,模拟或数字。

由于系统被认为是一个管,方便表达(8在圆柱坐标如下(17]: 由于对称原因,衍生品对极地的论点可以取消。然后,椭圆偏微分方程(PDE)解决如下: Frumkin [11)确定实验的潜在电解质变化只在一维(沿流)以下条件时,考虑在圆柱几何,验证 在这个公式管的半径,电解液的电阻率,是比例常数的极化曲线(线性极化电阻的倒数)。

因此,如果条件(11)验证,(10)的结果 在这些条件下,电势梯度管墙平行,并与电流密度(也平行于管道的墙壁,)在电解液流动。应用欧姆定律, 应用基尔霍夫定律可以建立一个管壁的正常电流密度之间的关系()和纵向电流密度,如下: 结合(13)和(14)可以获得以下方程: 静电势是线性相关的电化学势: 在哪里化学势和吗是交换电子的数量。边界条件表达通常通过线性或半对数的近似: 或 所表达的行为边界条件(17)和(18)可观测到的实验曲线只在有界区间;线性或半对数的条件不能扩展到整个范围考虑。

最后,对于管边缘的边界条件,狄利克雷(常数潜在边缘)和诺伊曼(没有潜在的边缘变化)条件(18可以认为。在这篇文章中只有第一个,也就是说,狄利克雷条件,被认为是。

3所示。决议

ODE势函数对应于(15管墙)和边界条件是得到的极化曲线。

假设一个常数潜在管边缘, 提到,是很重要的条件下考虑本文提出的不平等Frumkin (11验证)。以解决分析ODE (15),边界条件的实验曲线线性化的过程。为每一个实验,一个移动框,包含10点之前和10点之后,被认为是。这个集合,一个简单的线性模型是使用最小二乘法拟合,然后从该模型中,得到了逐点,切线的斜率及其与纵轴的交点。

然后,在每个点一个线性依赖关系如下 是获得。为了解决这个问题,一个离散化方法按以下方式执行:管是分成几部分,这样每一个的长度决定的初步观察。事实上,较短的部分被接近极端(最大的潜在变化发生)和更长时间的中央管的一部分。在每个管道的优势潜力分配。每个部分被认为是常数的电化学性能和评价作为平均极端值。

如果系数(20.)是正的,解决方案可能需要以下形式: 与 施加边界条件(19),系数和得到如下: 公式(21)后使用和从(20.),使用的值和由(22)和(23)。最终结果得到迭代为此目的而使用Microsoft Excel。为第一个迭代腐蚀电位条件下用于室内点和潜在的(19)是对极端点。关闭标准,区别的上确界范数连续步骤必须小于任意ε。

4所示。使用软件Beasy-GID

与以前比较的结果的目的方法,使用商业软件Beasy-GID。这个包是用来模拟腐蚀系统,利用边界元素法(19]。所需的信息通过这个软件包括系统几何(添加作为一个几何模型与GID程序),不同的金属部件之间的电气连接系统(建模为一个电路在软件界面),和涉及金属的极化曲线。

5。原型冷凝器

原型冷凝器是由一个海军黄铜管(爹妈C443 [20.)、碳钢盒子,蒙次黄铜盘子(UNS C268)。

盒子是由碳钢、30×30×30厘米,喷砂,和彩绘使用非水溶剂型丙烯酸最终厚度为120微米。

地铁中断,部分也加入了一个绝缘的管,电连接部分使用一个8毫米²电缆为确定循环电流。

在某些距离执行管引入锌丝作为参比电极。另外锌参考电极纳入框(参见图1)。为了得到系统的极化,镀铂钛电极1′′直径15厘米长合并在盒子。系统的极化进行使用电压源或电流控制(20最大电流和最大电压30 V)。管板的偏振选择接近−1 V,大约在锌腐蚀电位(电负性最强黄铜组件)。

实验中使用的电解质溶液0.1硫酸钠,pH值7,导电率为0.2 S / M。

6。确定边界条件

细胞使用专为这个实验(细胞如图2)。里面,半管放置测试,它构成了工作电极。

在细胞中也将对电极(铂箔)和参比电极(饱和甘汞电极,SCE)。电解液是由离心泵循环。通过转子流量计流量测量和控制球阀,分别。水循环系统温度控制的散热器位于电解质水库。

实验中使用的流量是30 L / min和电解液温度保持在20±2°C。

海军黄铜材料测试,管直径是0.0254厘米(1′′),和电极面积是20厘米²。

工作电极与电解液接触的细胞在密封条件下,24小时前在流动条件下曲线的测定。极化曲线是通过一个线性扫描(−之间5 mV /分钟,600 + 600 mV和SCE)。获得的实验曲线作为边界条件的模拟程序。

7所示。结果与讨论

图3展示了海军黄铜的极化曲线得到相应的水流条件30 L / min硫酸钠,pH值7。

图中的极化曲线3展览两个高原(−−0.04和0.01 V之间对SCE及以上0.005 V)和一个突然增加当前附近的0 V与南加州爱迪生公司。响应化学复杂性的结果是由于两个主要的电氧化合金金属(铜和锌),微量合金化元素的影响(锡)和阴极反应发生:进化的氢和氧还原(21- - - - - -23]。

图4显示了潜在的形象为原型,模拟Beasy-GID,提出模拟。

仿真软件Beasy-GID礼物潜在价值的证明一个更平滑演进的趋势比实验原型对应的值。这一事实导致极化的影响超出了预测实验,测量与原型(大约100直径≈2.5米)。

获得的结果与我们提出的模拟更接近与原型确定的值,但它预计少影响保护的距离:0.15米(大约6管直径)。

它可以观察到,从获得的数据原型有很高的可变性,可能由于参考电极的使用条件,生成的锌丝,湍流测量位置。对潜在的影响可以被估计为20直径(0.5米),这表明,通常9米长管,它的中心不是达成的阴极保护。

8。最后考虑

首先,建模提出了电化学势的分布在管。这个模型的分辨率进行了使用两种方法:基于商业软件的第一个和第二个使用一个特定的程序开发的工作小组。

其次,细胞实验是为了确定当前概要文件和潜力圆柱几何图形和电解液流条件。

开发程序获得的结果与实验结果相比是令人满意的。

因此,从技术的角度来看,这两种方法可以预测潜在的沿着管资料,改变边界条件,边势和流量条件下,无需费力在中试规模和昂贵的原型实现。

然而,阴极保护不超过20倍管道直径的,这一事实表明,必须使用其他方法生成一个有效的保护。

因为它是不可能保护扩展到整个管的长度,有必要实现其他技术解决方案。一个工业可能是腐蚀抑制剂的用量。特别是在开放的冷却系统的硫酸亚铁剂量是常用的24]。

关闭的话,我们建议结合阴极保护的影响,保留了附近的管板,添加硫酸亚铁的影响通过使用消耗品铁阳极(25]。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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