腐蚀和防腐蚀分析的方法技术

将分析对象用分割面划分成大量多种类型的相邻区域，其中一个称为注意区域，而另一个则被称为非注意区域，向非注意区域界面的各单元引入初始电流密度或初始电势以进行确定每单元上电势和电流密度间关系的边界单元分析，采用所得到的结果作为注意区域的边界条件，来确定注意区域的电势分布和电流密度分布，类似地，采用注意区域中的结果作为非注意区域的边界条件，对非注意单元进行单元分析，以此连续分析区域中电势分布和电流密封分布。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种通过计算机分析预测金属腐蚀和防腐蚀的方法，更具体地说，涉及一种分析多种金属腐蚀和防腐蚀现象中的大电池腐蚀如双金属腐蚀(也称“原电池腐蚀”)和不均匀通气腐蚀和阴极防腐蚀的方法。本专利技术还涉及一种适用于如电镀系统、电池、电解槽等之体系的分析方法，在这些体系中，在电解液两端存在一个可产生电势场的大阳极和大阴极。在具有高导电性的溶液，如海水中，当不同金属一起使用时金属易于形成大电池腐蚀如导致双金属腐蚀，或者是易于形成不均匀流速腐蚀，即不均匀通气腐蚀，这是由于流速分布不均匀造成的。人们希望能预先精确地预计这些腐蚀，使得可采用一些适当的保护措施。基于积极地利用大电池中阴极腐蚀抑制现象的阴极防腐蚀已作为基本防腐蚀方法而被广泛地应用。这样就要求对一系列防腐蚀以及依赖于阳极材料的牺牲性阳极消耗速度、阳极的安装位置、作防腐蚀处理的装置的形状和材料、以及溶液情况包括导电性、流速等作出预测。用实验方法精确分析大电池腐蚀受到一定限制，这是因为电场的形状对大电池的行为有很大影响。具体而言，当进行双金属腐蚀实验逐一详细检查包括面积比、材料组合、和溶液导电性的多个因素的作用时，实验结果仅适用于实验中被溶液所占据的那部分三维形状区域。因为实际的装置和结构在形状上是十分复杂的，在大电池中的液体接界电阻不能被准确估计，并且实验结果也不能直接应用于实际情况。当装置形状改变时，实际上也不可能每次都针对待保护装置的特殊形状进行实验。出于这些原因，针对实际结构此前通常多根据经验公式来预计大电池腐蚀和阴极防腐蚀。已进行了很多对于实际结构的大电池腐蚀和阴极防腐蚀的更精确的和定量的分析的尝试。其中一种尝试是纯数学地解析控制电势分布的拉普拉斯方程以确定电势分布和电流密度分布。以此方法进行分析的对象仅局限于形状为扁平板状、圆筒状等结构相对简单的体系。在本领域中长期为人所熟知的分析电场的方法包括保角变换法和使用导电纸的方法。但这些方法仅用于处理二维场。随着近年来计算机技术的发展，已发展多种采用差分法、有限单元法、和边界单元法的数字化分析方法。差分法和有限单元法的缺点是计算所需时间非常长，这是由于需要将被处理对象划分为单元的缘故。根据边界单元法，因为仅需将分析对象的表面划分成单元，这样就有可能大大降低将分析对象划分成单元和计算所需的时间。边界单元法最适于分析其中重要的是包括表面电势和电流密度的物理性质的腐蚀问题，基于以上想法，本专利申请的专利技术者们已发展出了一种基于边界单元法的分析方法，用于预计大电池腐蚀和阴极防腐蚀问题。基本方程和边界条件由于包括一对阳极和阴极反应的电化学反应，金属在水溶液中发生腐蚀作用。例如，在中性盐的水溶液，如海水中，钢铁的腐蚀反应是按以下方程式(1)和(2)进行的(阴极反应) (1)(阴极反应)(2)在金属表面上，发生阳极反应的区域称为阳极，发生阴极反应的区域称为阴极。如果是铁在海水中腐蚀，阳极和阴极通常非常小并且混杂在一起，它们的位置不固定。因此，尽管有一些表面无规则性，腐蚀作用基本上均匀地在整个表面上进行。如果材料、表面状态、以及环境是不均匀的，那么阳极和阴极则位置固定，使腐蚀集中于某些区域(阳极)。前一种类型的腐蚀被称为微电池腐蚀，而后一种类型的腐蚀则被称为大电池腐蚀。经常导致海水泵严重损坏的腐蚀类型是包括双金属腐蚀和不均匀通气腐蚀的大电池腐蚀。在大电池中阴极是被防腐蚀的，因为在阴极中仅有一种阴极电流。阴极防腐蚀是积极应用腐蚀抑制现象的防腐蚀方法。每个大电池腐蚀和阴极防腐蚀体系被看作是其中包含位于电解液两端的阳极和阴极的电池。在电解液中的电势(φ)分布由下列拉普拉斯方程(3)支配2φ＝0(3)如附图中附图说明图1所示，假设一种电解液被界面Γ1、Γ2、Γ3a和Γ3c所包围。界面Γ1为电势φ设为φ0的界面，即电势恒定的界面。界面Γ2为电流密度q设为q0的界面，即电流密度恒定的界面。界面Γ3a和Γ3c各为阳极的表面和阴极的表面。各界面上的边界条件由以下方程式(4)-(7)给出在Γ1上φ＝φ0(4)在Γ2上q{≡k∂φ/∂n}=q0--(5)]]>在Γ3a上φ＝-fa(q) (6)在Γ3c上φ＝-fc(q) (7)其中k代表电解液的电导率， 为在外侧法线方向上的微分，fa(q)和fc(q)各为指示阳极和阴极极化特征的非线性函数，通过实验可确定这些非线性函数。通过在边界条件为(4)-(7)时解方程(3)，有可能确定在近表面上的电势分布和电流密度分布。用算式φ＝-E将电势φ和实际测量电极电势E相互联系。根据边界单元法的分析根据边界单元法的标准公式，从方程(3)可衍生出以下界面积分方程(8)ckφ＝∫rφ*qdΓ-∫rφq*d Γ (8)其中φ*代表三维拉普拉斯方程的基本解，q*=k∂φ/∂n,]]>Γ代表包围电解液的界面(＝Γ1+Γ2+Γ3a+Γ3c)，对光滑界面c＝1/2，而在角为ω的角度处c＝ω/2π。对数字化解上述界面积分方程，有必要去分立该界面积分方程。具体而言，将界面划分为多个单元，在各电极上电势φ和电流密度q用某一分立数值和某一插值函数逼近，只要满足以下联立代数方程即可{xjqj}={bjfj(qj)}---(9)]]>其中bj(j＝1，2，…，p)代表φ或q的已知单元的值，xj(j＝1，2，…，p)为相对bj的未知值，fj(qj)(j＝1，2，…，p)为指征极化特征的非线性函数，和为由界面Γ的几何形状确定的矩阵。由于上述方程为非线性的，需要重复性计算以解析这些方程。本专利申请的专利技术者们采用了Newton-Raphson法。轴对称区域的分析方法很多待分析的如管道和某些泵单元的实际装置包括轴对称区域，最好是能简单地分析这些轴对称区域。首先，以下两个方法被认为是可有效解决轴对称问题的(i)一种针对轴对称问题使用基本解的方法；和(ii)一种针对三维问题使用常规基本解并根据轴对称降低分立单元数的方法。前者使用满足轴对称条件的基本解的方法的问题在于，其引入了相对使用常规基本解方法更复杂的积分运算。本专利技术采用了根据轴对称降低分立单元数的方法。现将该方法描述如下。对于常规三维分析，需要将所有界面划分成单元，以分立界面积分方程(8)。由于轴对称，φ和q在圆周方向上具有相同值，故将界面积分方程(8)修正如下kcφ=∫ΓID(q∫02π.rφ*dθ-φ∫02πrq*dθ)dΓ---(10)]]>其中Γ1D代表在一维线上的范围。从方程(10)中仅通过分立Γ1D就能获得联立代数方程。因此，利用轴对称可极大地降低未知数的数量，而且预计可增加精确度。划分区域的方法为简便起见，考虑附图中图2显示的由两个区域组成的区域。如果用ΓB指示内界面，由于方程(9)满足每个区域，以下方程被满足对于区域I，{XIqIB}={本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对一个分析对象的腐蚀和防腐蚀的分析方法，其包括以下步骤： 用分割面将待分析对象划分成大量多种类型的相邻区域，其中相邻区域中的一个被称为用一界面作所述分割面的注意区域，而另一个则被称为用一界面作所述分割面的非注意区域； 向非注意区域的界面的各单元引入初始电流密度或初始电势，以进行确定所述每单元上电势和电流密度间关系的边界单元分析； 采用非注意区域界面的所述各单元中的电势和电流密度之间的关系作为注意区域的边界条件，以确定整个注意区域的电势分布和电流密度分布；然后 采用注意区域界面的所述各单元中电势和电流密度之间的关系作为非注意区域的边界条件，以对非注意单元进行单元分析，来确定在整个非注意区域上的电势分布和电流密度分布； 由此可对区域中电势分布和电流密度分布连续分析。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：宫坂松甫，高山博和，天谷贤治，青木繁，
申请(专利权)人：株式会社荏原制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]