螺栓连接中碳钢与低合金钢电偶腐蚀的数值模拟

摘要

采用电化学方法研究了碳钢端板与低合金钢螺栓结合的螺栓接头在1 M盐酸溶液中的电偶腐蚀。利用Comsol Multiphysics软件对接头部件的腐蚀参数进行数值模拟，分析头螺栓与端板接触区域的电偶腐蚀行为。在本研究工作中，我们评估了钢端板作为阳极的腐蚀速率的变化，以确定钢结构中螺栓组件的使用寿命。三种材料(20MnCr5、42CrMo4和32CrMoV13)和三种螺栓(M12、M16和M20)在两种厚度的电解质1 M HCl (= 1毫米,= 20毫米)。结果表明，32CrMoV13材料阳极部分(端板)的腐蚀速率较高，且随着螺栓直径和电解液厚度的增大(Cr(M20) > Cr(M16) > Cr(M12)和Cr(M12))，阳极部分(端板)的腐蚀速率增大。= 20 mm)= 1毫米))。在螺栓头和端板之间的接触区域，腐蚀速率较高，如果我们离开这个接触区域，腐蚀速率就会降低。

1.介绍

电偶腐蚀可以简单地定义为在导电、腐蚀的环境中，一种金属与另一种金属接触而产生的腐蚀。腐蚀是由两种金属之间存在的电位差刺激的:更高贵的材料作为阴极，一些氧化物质被还原，而更活跃的金属，腐蚀，作为阳极。根据定义，阳极反应是某种形式的金属溶解;在大多数实际情况下，阴极反应要么是氧还原，要么是氢的析出，要么是两者的结合。已经讨论了影响电偶腐蚀的许多因素，以确定电偶腐蚀是否会在特定情况下发生以及发生的速率;在考虑电偶腐蚀理论时，重要的是要了解这些因素，包括电极电位、反应动力学、合金成分、保护膜特性、整体溶液环境、总几何形状和接头类型[1］．

过去有很多科学家对腐蚀感兴趣，以了解是什么导致了腐蚀，是什么限制或加速了腐蚀过程。进行了大量的研究;有些则放眼全球[2]，而有些则采取更集中的方法[3.］．在[2]研究了海水中常用的许多不同的电偶。该研究的重点是为经历不同时间的腐蚀环境的系统开发合理的模型。

Lacroix等人对镁和铝之间的电偶腐蚀进行了模拟。4], Deshpande [5- - - - - -7， Jia等[8和Trinh等人[9他们研究了镁合金在静态条件下与低碳钢接触时的腐蚀。Murer等人发表的论文[10- - - - - -12和史和凯利[13在这一背景下，也对这一主题提供了一个扩展的见解，特别是在非常重要的边界条件的选择。Sun等人的新研究[14，他应用了阎等人的数学方法。[15]，明确介绍一种可能的方法，建立一个有用的模型，以达到上述目的。以下研究和结果是基于他们所取得的进展。基本的电流密度计算被层增长方面修改，导致电极的电化学响应的时间依赖变化。

在Höchez [18，模拟了Mg和Al在自冲铆接接头几何形状上的电偶腐蚀。从最初的模型设置和相关的科学挑战开始，数学模型需要基本的假设。一如既往，在建模行动中，它们定义了模拟结果的质量和准确性。通过计算机模拟分析表明，可以研究影响腐蚀性能的参数，如反应产物影响的表面分数。

在约翰逊和艾伯特的著作中[19Xu等人[20.，研究了材料性质对低碳钢在偶联器中腐蚀速率的影响。这些文章表明，在电偶腐蚀过程中，材料的变化会改变低碳钢的腐蚀速率。钢合金中Cr的加入提高了钢的耐蚀性。结果表明，随着Cr含量的增加，低碳钢的腐蚀速率降低。

电偶系统中电位和电流分布的有限元分析(FEA)在文献中已有很长时间的研究[21- - - - - -27］．这类研究通常用于研究电解质几何结构的基本影响[26，28，29，电极动力学[25和唯一部分几何[21］．早期的建模尝试提供了一种分析解决方案[26，30.，用来研究在一个包含两种不同金属并被腐蚀溶液覆盖的电偶结周围的电偶电流和电位分布。这些理论预测后来也被实验测量的电势和电流密度所验证。最近，半解析和数值方法[29，31]是为了解决电偶中阳极和阴极上的电流密度分布和类似的电化学现象，如电沉积。由于界面曲率是决定电化学溶解速率的重要参数，连续介质法比点阵法更能模拟电偶腐蚀。

在我们的工作中，采用有限元方法对钢结构柱-梁螺栓组件的电偶腐蚀进行了参数化研究。本研究考虑了阴极“螺栓”的材料、电解液的厚度等因素。 ，螺栓头的尺寸，以及螺栓头和端板之间接触区域的距离，以便确定能导致阳极端板的最大腐蚀速率的参数。

2.材料和方法

2．1．螺栓连接及材料

测试了三种螺栓材料，预测了端板的腐蚀速率。因此，在螺栓连接中研究了三种类型的电偶连接。组件各部件的材料组成见表1．螺栓由三种具有较高腐蚀电位的低合金钢制成，端板金属为碳钢(S235JR)，表2．因此，在每个螺栓连接中，端板与螺栓头之间的接触区发生了电偶腐蚀。换句话说，端板作为阳极，螺栓成为阴极。

2．2.几何和建模

螺栓组件为柱-梁式，用于钢结构，图1．开发的模型是笛卡尔二维类型，它用于表示进入电偶腐蚀的元素的平面建模，图2．模型部分是螺栓头、端板和电解液之间的接触面积。阳极(端板)的宽度为= 26.5 mm，螺栓头的尺寸取决于螺栓的尺寸(见表)3.)．

2．3.研究参数

电偶腐蚀分析是参数化的，考虑了螺栓材料、螺栓尺寸、电解液厚度和浸泡时间对端板腐蚀速率的影响，表4和图3.．

螺栓使用了三种类型的低合金(20MnCr5, 42CrMo4，和32CrMoV13)，将代表阴极。对于螺栓尺寸，本研究采用了三种直径(M12, M16, M20);在电流分析过程中要考虑的尺寸是螺栓头的尺寸，因为它是与端板接触的部分。将在两种厚度的1 M HCl电解液(= 1毫米,= 20 mm)，适用于1个月、6个月、12个月。

3.方法与边界条件

3．1.电极电位分布分析

本文的分析是基于如图所示的由两个元素组成的电偶腐蚀模型2．该电偶由一个宽度为“”的阴极元件(螺栓)组成。在+中方向和高度"“在+方向;阳极(板)的宽度为在−中方向。这对夫妇被一种深度电解质覆盖"在+中方向。电解液被完美的绝缘体包围在 ， ,= +

阳极和阴极反应的各种电流与电极电位的关系被认为是受对数(Tafel)极化行为的激活控制。因此，腐蚀偶单位长度的净阴极电流密度在螺栓上的电极电位是 在哪里元素的自由腐蚀电位是多少 ， 自由腐蚀电流密度，和和分别为阳极反应和阴极反应的Tafel参数。同样，对于端板，腐蚀偶单位长度的净阳极电流密度以电极电位在端板上是 在哪里为端板自由腐蚀电位，自由腐蚀电流密度，和和分别为阳极反应和阴极反应的Tafel参数。

控制电解质中电位分布的方程变成拉普拉斯方程(恒定电导率): 电势控制方程必须采用基于有限元法的软件求解;这个方程必须有适当的边界条件。在任何电极-电解质界面，阳极和阴极过程同时发生，通过界面的电流密度是这两个过程中电子交换的结果。在电偶中，阴极过程在较贵重的金属(螺栓)中占主导地位，而阳极过程在较不贵重的金属(端板)中占主导地位。

3．2．边界条件

解决(3.)是基于图中所示的边界条件4．

为= 0电极电位的法向导数是由 在哪里为腐蚀电解液的电导率。

由于没有垂直于绝缘边界的电流， 拉普拉斯方程的数值解需要定义阳极、阴极和1 M HCl电解质中的电解液的电化学参数，其特征见表5［16］．这些参数是根据文献中已经进行的实验测试确定的[17]，并在表中引用6．

4.结果与讨论

4．1.电解液的潜力

一旦确定了电化学参数，确定了几何形状，确定了边界条件和控制方程，并找到了合适的网格，就求解了电偶腐蚀模型。通过拉普拉斯方程的解析，我们可以得到电极螺栓/端板表面的电解液电势。数据5，6,7给出了不同螺栓尺寸和不同材料下变形几何形状的电解液电势曲面图。可以看出，随着螺栓尺寸的增大，电解液的电势增大:(M20) >(M16) >(M12)。这些潜在值也取决于螺栓材料:(32 crmov13)> (42 crmo4) >(20 mncr5)。

电解液的电位也取决于电解液的厚度;随着电解液厚度的增加，螺栓厚度也随之增加，这适用于两个参数:螺栓尺寸和螺栓材料，（= 20 mm) >（= 1毫米)，图8，9,10．

4．2．腐蚀速率

腐蚀速率计算公式如下[32]： 在哪里为腐蚀速率(cm/yr)，腐蚀电流密度(A/cm²)，为摩尔质量(Fe) = 55.85 g/mol，铁的价是多少 ，法拉第常数是多少= 96500 A·s/mol是钢的密度吗 ．

表格7和数字11和12结果表明，腐蚀速率与螺栓尺寸、螺栓材料和电解液厚度有关。可以看出，随着螺栓尺寸的增大，端板的腐蚀速率增大:(M20) >(M16) >(M12)。这些腐蚀速率值也取决于螺栓材料:(32 crmov13) >(42 crmo4) >(20 mncr5)。

端板的腐蚀速率还取决于电解液的厚度;随着电解液厚度的增加，螺栓厚度也随之增加，这适用于两个参数:螺栓尺寸和螺栓材料， 20毫米)> 1毫米)。

5.结论

钢结构电液螺栓连接中螺栓的选择必须考虑螺栓尺寸和螺栓材料的影响。研究表明，随着螺栓尺寸的增大，腐蚀速率也随之增大。如果螺栓的钢合金发生变化，腐蚀速率也会发生变化。端板电偶腐蚀过程中腐蚀速率的增加导致螺栓装配寿命的降低。因此，在设计钢结构时，工程师/设计师必须对螺栓的选择表现出极大的兴趣，以确保长寿命。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突。

参考文献

1. 王志强，“电偶腐蚀的电化学理论”，国立中山大学化学研究所硕士论文电化学腐蚀， H. P. Hack, Ed.，第5-22页，美国测试和材料学会，费城，宾夕法尼亚州，美国，1988,ASTM STP 978。视图:谷歌学术搜索
2. H. P. Hack和J. R. Scully，“使用长期和短期极化曲线的电偶腐蚀预测”，腐蚀，第42卷，第2期2，第79-90页，1986。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. J. F. Yan, S. N. Pakalapati, T. V. Nguyen, R. E. White，“基于非线性极化曲线的边界元法的阴极保护数学建模”，电化学学会学报，第139卷，第139期第7页，1932-1936,1992。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. L. Lacroix, C. Blanc, N. Pébère, B. Tribollet, V. Vivier，“铝镁系统中电偶的局部化方法”，电化学学会学报第一百五十六卷第一百五十六期8、pp. C259-C265, 2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. K. B. Deshpande，“在盐水溶液中对镁合金(AE44)-低碳钢和AE44-铝合金(AA6063)电偶腐蚀的验证数值模型”，腐蚀科学号，第52卷。10, pp. 3514-3522, 2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. K. B. Deshpande，“电偶腐蚀的实验研究:SVET与浸泡技术的比较”，腐蚀科学号，第52卷。9，页2819-2826,2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. K. B. Deshpande，“微电偶腐蚀的数值模拟”，Electrochimica学报第56期4, pp. 1737-1745, 2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. Jia J. X.， Song G.， and A. Atrens，“镁与钢耦合电偶腐蚀的实验测量与计算机模拟”，先进工程材料，第9卷，第5期。1-2，页65-74,2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. D. Trinh, P. Dauphin Ducharme, U. Mengesha Tefashe, J. R. Kish, J. Mauzeroll，“边缘效应对镁合金/低碳钢电偶局部腐蚀速率的影响”，分析化学(第84卷)22, pp. 9999 - 9906, 2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 6 .王志强，王志强，王志强。铝合金微电偶腐蚀的数值模拟研究。腐蚀与防护学报，2008。
11. N. Murer, R. Oltra, B. Vuillemin, O. Néel，“铝合金中电流耦合的数值模拟:对局部探针技术应用的讨论”，腐蚀科学号，第52卷。1，页130-139,2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. N. Murer, N. A. Missert，和R. G. Buchheit，“铝在工程铜颗粒上的电偶腐蚀的有限元模型”，电化学学会学报第159卷第1期6、pp. C265-C276, 2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 史玉英，刘志强，刘志强，2012。
14. 孙伟，刘国栋，王磊，吴涛，刘玉玲，“腐蚀产物沉积对双金属腐蚀影响的任意拉格朗日-欧拉模型研究，”固体电化学学报，第十七卷，第二期3，第829-840页，2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. J. F. Yan, T. V. Nguyen, R. E. White, R. B. Griffin，“海水中阴极保护钢钙质沉积形成的数学模型”，电化学学会学报，第140卷，733页，1993年。视图:谷歌学术搜索
16. V. G. Artemov, a . a . Volkov, N. N. Sysoev，和a . a . Volkov，“HCl、NaOH和NaCl水溶液的电导率:水只是基质吗?”EPL (Europhysics字母)，第109卷，第2期。2、2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. Okba Belahssen。论文:《比较行为与摩擦学》nitrurés。
18. D. Höchez，“裸镁与铝偶联的腐蚀产物沉积层生长模拟”，电化学学会学报，第162卷，第162号1, pp. 1 - c11, 2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. K. E. Johnson和J. S. Abbott，“自然环境中低碳钢的双金属腐蚀效应”，英国腐蚀杂志，第9卷，第5期。3，页171-176,1974。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. 徐强，高琨，吕伟，庞兴，“Cr和Cu对低合金钢在模拟地下水中腐蚀行为的影响”，腐蚀科学，第102卷，114-124页，2016。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. J. Scully和H. P. Hack, ASTM STP 978电偶腐蚀，136,1988。
22. C.瓦格纳，“电解池中电流密度分布的理论分析”，电化学学会学报第98卷第1期3，页116-128,1951。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. F. J. Presuel-Moreno, H. Wang, M. A. Jakab, R. G. Kelly, J. R. Scully，“Al-Co-Ce金属涂层中活性缓蚀剂释放的计算模型”，电化学学会学报，第153卷，第153期11、Article ID 002611JES, pp. B486-B498, 2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. J. S. Lee, M. L. Reed，和R. G. Kelly，“结合严格控制的裂缝几何形状和裂缝腐蚀缩放因子研究的计算建模，”电化学学会学报号，第151卷。7, pp. B423-B433, 2004。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. E. Kennard和J. T. Waber，“电偶腐蚀的数学研究:具有不等极化参数的等共面阳极和阴极”，电化学学会学报，第117卷，第117号7，页880-885,1970。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. J. T. Waber和B. Fagan，“电偶腐蚀的数学研究IV.利用极化参数研究共面电极上电解液厚度对电位和电流分布的影响”电化学学会学报号，第103卷。1，页64-72,1956。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. 傅建伟，“技术注释:腐蚀单元的有限元分析”，腐蚀第38卷第2期5，页295-296,1982。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. J. T. Waber，“电偶腐蚀的数学研究VI.极薄膜的极限情况”，电化学学会学报号，第103卷。10，页567 - 570,1956。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. P. Doig和P. E. J. Flewitt，“半无限线性共面电极电偶腐蚀的有限差分数值分析”，电化学学会学报第126卷第1期第12页，第2057-2063页，1979。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. E. McCafferty，“具有不等极化参数的圆形腐蚀电池中电位和电流的分布”，电化学学会学报号，第124卷。第12页，1869-1878,1977。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. A. C. West, S. Mayer和J. Reid，“一个预测撞击形成的超级填充模型，”电化学和固态字母，第4卷，第4期。7，页C50-C53, 2001。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. n .佩雷斯电化学与腐蚀科学， Kluwer学术出版社，纽约，纽约，2004。视图:出版商的网站

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