不锈钢与碳钢间电偶腐蚀的数值模拟

《Corrosion and Materials Degradation》：Numerical Modeling of Galvanic Corrosion Between Stainless and Carbon Steels

　　

电偶腐蚀（galvanic corrosion）是一种电化学现象，源于两种不同金属在电解质环境中的电耦合，导致较不贵金属以加速速率劣化。该现象因高维护与更换成本对众多工业中混合金属装配的经济性构成重大挑战。研究中将不锈钢管与碳钢接头进行电偶耦合，二者浸没于氯化物溶液中以研究电偶相互作用。与电偶腐蚀相关的电化学过程采用有限元多物理场建模方法（COMSOL Multiphysics）进行模拟。模拟复现了金属–电解质界面电位与电流密度，以及耦合极化过程中观察到的碳钢相对于不锈钢的优先阳极溶解。数值结果与基于钢材电化学行为假设预测的结果一致。研究证实有限元模拟是建模电偶腐蚀及优化高侵蚀环境（如高氯环境）下金属组件装配设计与寿命的有效手段。数值结果与实验观察趋势及既往文献报道相符，可提供关于电偶腐蚀机制的定性与半定量认识，而非长期腐蚀行为的完整预测。

研究背景方面，基于钢材的工业结构与系统中，异种金属在导电环境下的电耦合引发的电偶腐蚀仍是重大威胁；电位差使较不贵金属作阳极被优先腐蚀，电解质组成（尤其Cl^?与S^2?含量）起关键作用。Cl^?促进局部腐蚀并提升碳钢溶解速率已成共识，而S^2?在酸化条件下的作用存在争议：部分研究称其通过与铁快速反应加速阳极溶解，另一部分则表明高浓度S^2?因生成保护性硫化亚铁（FeS）膜抑制腐蚀。在海上油气、废水管、地热及含H₂S的“酸性服役（sour service）”等Cl^?/S^2?共存环境中，碳钢接头与不锈钢部件耦合普遍，电偶腐蚀成为碳钢退化的重要机制；既有实验研究较多，但混合Cl^?/S^2?下电偶活性随时间演化的数值研究匮乏。304L不锈钢与1020碳钢因常用于管路与结构装配具工程意义，氯化物中1020钢作阳极、耦合304L后腐蚀加速已被证实，但S^2?经FeS膜降低阳极溶解的报道促使研究人员探究该机制。该研究由此开展，旨在用有限元方法（FEM）量化S^2?浓度与时程对304L/1020电偶在含氯环境中腐蚀行为的影响，成果发表于《Corrosion and Materials Degradation》。

关键技术方法上，研究人员采用COMSOL Multiphysics 5.1的Electrochemistry Module构建二维稳态有限元模型，阳极（1020碳钢）与阴极（304L不锈钢）取1:1表面积以隔离电解质组成效应；电解质电导恒定均匀，电极反应服从Tafel动力学（活化控制），求解Laplace方程获电位分布，边界条件依Dong等实验动电位极化数据设E_corr与i_corr（如0.01 M S^2?下1020钢?696 mV/SCE、1.48 μA·cm^?2，304L钢?530 mV/SCE、0.67 μA·cm^?2）；网格在三角形剖分下于钢界面加密以捕捉局域电流梯度；设两种电解质（0.1 M Cl^?+0.01 M S^2?与0.1 M Cl^?+0.05 M S^2?），各取5、10、15天三个浸没期作独立稳态解；不显式模拟传质与腐蚀产物层生长，FeS膜效应自文献实验推演而非内置计算。

研究结果部分，3.1节电解质电位显示：低硫（0.01 M S^2?）下5至15天阳极（1020）与阴极（304L）间电位梯度持续显著，15天略降但因无连续保护膜、Cl^?主导阳极溶解，电偶驱动力仍强；高硫（0.05 M S^2?）下5天梯度稍弱，10天分布均化、阳极电流集中性降低，15天近均匀且电流矢散弱，对应文献所述FeS膜成熟致钝化、电偶交互减弱。3.2节腐蚀速率显示：低硫组5天即高腐蚀率，10天续增，15天微稳（归因腐蚀产物局部堆积非真正钝化），整体维持高攻击性；高硫组5天与低硫组相近，10天始降，15天显著低于低硫组，相对降幅约46%，与Dong等实验45%降幅趋势一致，证高S^2?促FeS膜有效钝化。模型与Dong等实验在E_corr、i_corr、电位梯度形态及15天失重趋势上定性吻合，验证FEM可复现混合Cl^?/S^2?环境电偶主机制。

讨论部分指出，纯数值研究经与文献同耦合体系实验比对验证属常规做法；模型虽抓取到S^2?自0.01 M升至0.05 M时电偶电流与腐蚀率下降的核心现象，但本身未模拟FeS生成、传质与产物层，钝化解释依赖外部实验推演；低硫下持续高梯度证无保护膜，高硫下低电流均电位证电偶削弱，与文献FeS钝化报道一致。作者强调时程演化是自文献机制推断而非显式膜生长计算，2D定面积比与恒电导等简化会影响长时定量，后续须加入动态膜生长、传质及3D变面积比几何。

结论部分翻译：本研究用COMSOL Multiphysics数值考察304L不锈钢/1020碳钢耦合在含不同S^2?浓度氯化物溶液中的电偶腐蚀行为，证S^2?浓度对电偶强度具决定性。0.01 M S^2?下电解质电位梯度与腐蚀率居高，1020钢持续阳极溶解；升至0.05 M S^2?后电偶电流密度与腐蚀率渐降，归因碳钢表面FeS层形成。数值结果与文献实验定性相符，确认所提有限元模型能复现氯-硫环境电偶腐蚀主机制；尽管采用简化假设，模型仍为理解电偶交互及指导后续实验与数值研究提供可靠框架。