DE69827437T2

DE69827437T2 - Verfahren zur Analyse und zur Verhinderung von Korrosion

Info

Publication number: DE69827437T2
Application number: DE69827437T
Authority: DE
Inventors: Matsuho Yokohama-shi Miyasaka; Hirokazu Arakawa-ku Takayama; Kenji Nakahara-ku Amaya; Shigeru Yokohama-shi Aoki
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1998-07-16
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2018-07-17
Also published as: NO983240L; US6258252B1; CN1152254C; EP0893684A1; DE69827437D1; NO983240D0; CN1207498A; EP0893684B1; JPH1137967A; JP3335884B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, eine Computeranalyse zum Vorhersagen von Korrosion und Korrosionsverhinderung von Metallen herbeizuführen, und genauer gesagt bezieht sie sich auf ein Verfahren zum Analysieren von Makrozellkorrosion (macro cell corrosion), wie beispielsweise Bimetallkorrosion (auch als „galvanische Korrosion" bezeichnet) und Differenzbelüftungskorrosion und Kathodenkorrosionsverhinderung, unter verschiedenen Metallkorrosions- und Korrosionsverhinderungserscheinungen. Die vorliegende Erfindung befasst sich auch mit einer Analysenmethode, die auf ein System anwendbar ist, wie beispielsweise ein Plattierungsungssystem, eine Batterie, einen elektrolytischen Behälter etc., in dem eine Makroanode und eine Makrokathode in einem Elektrolyt vorhanden sind, die ein elektrisches Potentialfeld ausbilden.
Beschreibung des Standes der Technik
In Lösungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Meerwasser, sind Metalle anfällig für eine Makrozellkorrosion, wie beispielsweise Bimetallkorrosion, die verursacht wird, wenn unterschiedliche Metalle zusammen verwendet werden, oder Differenzströmungsgeschwindigkeitskorrosion, d.h. Differenzbelüftungskorrosion infolge von Unregelmäßigkeiten der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung. Es wurde gewünscht, derartige Korrosionen genau im Voraus vorherzusagen, so dass geeignete Verhinderungsmaßnahmen getroffen werden können. Kathodenkorrosionsverhinderung, die auf der positiven Verwendung einer Korrosionshemmungserscheinung an einer Kathode in einer Makrozelle basiert, findet weitverbreitet Verwendung als der grundlegendste Korrosionsverhinderungsprozess. Es gab eine Nachfrage nach der Voraussage eines Bereichs der Korrosionsverhinderung und der Verbrauchsrate einer Opferanode, und zwar abhängig von dem Anodenmaterial, der Installationsposition der Anode, der Form und den Materialien der Einrichtungen, die gegen Korrosion geschützt werden sollen, und den Lösungsbedingungen einschließlich elektrischer Leitfähigkeit, Strömungsgeschwindigkeit etc.
Experimentelle Ansätze zur Präzisionsanalyse der Makrozellkorrosion erleiden Einschränkungen, da die Feldkonfiguration einen großen Effekt auf das Verhalten der Makrozellen besitzt. Genauer gesagt, wenn ein Experiment durchgeführt wird zur Bimetallkorrosion, um im Detail die Wirkung verschiedener Faktoren, einschließlich des Flächenverhältnisses, der Kombination der Materialien und der elektrischen Leitfähigkeit der Lösung, zu beobachten, trifft das experimentelle Ergebnis nur auf die dreidimensionale Form eines Gebietes zu, die in dem Experiment von der Lösung eingenommen wird. Da die tatsächlichen Einrichtungen und Konstruktionen in ihrer Form ziemlich komplex sind, kann der Flüssigkeitsgrenzflächenwiderstand in einer Makrozelle nicht genau geschätzt werden, und das experimentelle Ergebnis kann nicht direkt auf die reale bzw. Ist-Situation angewandt werden. Es ist praktisch unmöglich, ein Experiment an der genauen Form einer Einrichtung, die gegen Korrosion geschützt werden soll, durchzuführen, und zwar jedes Mal, wenn sich die Form der Einrichtung ändert. Aus diesen Gründen war es bisher üblich, die Makrozellkorrosion und die Kathodenkorrosionsverhinderung für reale Konstruktionen zumeist gemäß empirischer Regeln vorherzusagen.
Viele Versuche wurden unternommen, um eine genauere und quantitative Analyse der Makrozellkorrosion und Kathodenkorrosionsverhinderung für reale Konstruktionen zu erreichen. Ein Versuch wurde unternommen, rein mathematisch eine Laplacesche Gleichung, die eine Spannungs- bzw. Potentialverteilung bestimmt, zur Bestimmung einer Potentialverteilung und einer Stromdichteverteilung zu lösen. Objekte, die durch dieses Verfahren analysiert werden sollen, sind auf relativ einfache Systeme in Form von flachen Platten, Zylindern usw. begrenzt. In der Technik lange bekannte Verfahren zum Analysieren elektrischer Feldprobleme umfassen konforme Abbildungs- bzw. Mappingverfahren und ein Verfahren, das elektrisch leitendes Papier verwendet. Diese Verfahren behandeln jedoch nur zweidimensionale Felder.
Mit der Entwicklung der Computertechnologie in den vergangenen Jahren wurden jedoch verschiedene Versuche unternommen, numerische Analysen anzuwenden, wobei eine Differenzmethode, ein Finite-Elemente-Verfahren und eine Grenzelement-Methode verwendet wurden. Die Differenzmethode und das Fenite-Elemente-Verfahren sind dahingehend nachteilig, dass die Zeit, die für die Berechnungen erforderlich ist, sehr lang ist, da ein Objekt, das bearbeitet werden soll, in Elemente aufgeteilt werden muss. Da gemäß der Grenzelement-Methode nur die Oberfläche eines zu behandelnden Objekts in Elemente aufgeteilt werden muss, ist es möglich, die Zeit, die erforderlich ist, um das Objekt in Elemente aufzuteilen und die Zeit, die für die Berechnungen erforderlich ist, stark zu reduzieren.
CORROSION, August 1991, Seiten 618-630 offenbart numerische Methoden zum Bestimmen der Potential- und Stromdichteverteilungen in Metall (Elektrode)/Elektrolytsystemen und insbesondere die Schwierigkeit, die durch die nicht-lineare Grenzbedingung an der Metall Elektrolyt Schnittstelle produziert wird, und zwar resultierend aus der Abhängigkeit der zu bestimmenden Stromdichte von dem elektrischen Potential der zu findenden Lösung. Diese Schwierigkeit wird gelöst durch In-Betracht-Ziehen der Abhängigkeit der Stromdichte von dem elektrochemischen Potential an der Grenze durch die Beziehung i = i (ϕ) und weiterhin durch Aktualisieren dieser Grenzbedingungen, dass sie mit der potentiellen Lösung übereinstimmt – diese Iterationen werden fortgesetzt bis die Veränderung in der Potentialverteilung infolge der Iteration geringer ist als eine spezifizierte Toleranz. Die Potential- und Stromdichteverteilungen werden für das Elektrolytvolumen und an der Metall (Behälter) Elektroden-Grenzfläche (Schnittstelle) bestimmt.
Basierend auf der Annahme, dass die Grenzelement-Methode am Geeignetsten ist zum Analysieren der Korrosionsprobleme, wo physikalische Größen einschließlich eines Potentials und einer Stromdichte auf einer Oberfläche wichtig sind, haben die Erfinder ein analytisches Verfahren entwickelt, basie rend auf der Grenzelementmethode zum Vorhersagen von Makrozellkorrosions- und Kathodenkorrosionsverhinderungsproblemen.
Basisgleichungen und Grenzbedingungen:
Die Korrosion eines Metalls in einer wässrigen Lösung entwickelt sich infolge elektrochemischer Reaktionen, welche ein Paar anodischer und kathodischer Reaktionen aufweisen. Zum Beispiel schreiten die Reaktionen, welche Eisen in einer wässrigen Lösung eines neutralen Salzes, wie beispielsweise Meerwasser, korrodieren, gemäß der folgenden Gleichungen (1) und (2) fort: Fe → Fe²⁺ + 2e^– (anodische Reaktion) (1) ½O₂ + H₂O + 2e^– → 2OH^– (kathodische Reaktion) (2)
Auf einer Metalloberfläche wird eine Fläche, wo eine anodische Reaktion auftritt, als Anode bezeichnet, und eine Fläche, wo eine kathodische Reaktion auftritt, als Kathode bezeichnet. Mit Bezug auf die Korrosion von Eisen in Meerwasser, sind Anoden und Kathoden gewöhnlich sehr klein und vermischt, und ihre Positionen sind nicht festgelegt. Daher schreitet die Korrosion im Wesentlichen gleichförmig über die gesamten Oberfläche fort, während sie einige Oberflächenunregelmäßigkeiten hervorbringt. Wenn das Material, der Oberflächenzustand und die Umgebung nicht einheitlich sind, dann sind die Anoden und Kathoden örtlich bestimmt, wobei sie zulassen, dass sich die Korrosion in gewissen Bereichen (Anoden) konzentriert. Der vorherige Korrosionstyp wird als eine Mikrozellkorrosion bezeichnet und letzterer Korrosionstyp als Makrozellkorrosion. Der Korrosionstyp, der oft für ausgedehnten Schaden an Meerwasserpumpen verantwortlich ist, ist die Makrozellkorrosion, welche Bimetallkorrosion und Differenzbelüftungskorrosion umfasst. Die Kathode in einer Makrozelle wird am Korrodieren gehemmt, weil in der Kathode nur ein Kathodenstrom fließt. Kathodenkorrosionsverhinderung ist ein Korrosionsverhinderungsverfahren, das solch ein Korrosionshemmungsphänomen positiv verwendet.
Jedes der Systeme der Makrozellkorrosion und der Kathodenkorrosionsverhinderung kann als eine Zelle angesehen werden, die eine in einem Elektrolyt angeordnete Anode und eine Kathode aufweist. Eine Spannungs- bzw. Potential-(Φ)-Verteilung in dem Elektrolyt wird von der folgenden Laplaceschen Gleichung (3) regiert: ∇2Φ = 0 (3)
Es wird angenommen, dass, wie in 1 der begleitenden Zeichnungen gezeigt, ein Elektrolyt von den Grenzen Γ₁, Γ₂, Γ_3a und Γ_3c umgeben ist. Die Grenze Γ₁ ist eine Grenze, bei der der Wert eines Potentials Φ auf Φ₀ gesetzt ist, d.h. eine Grenze, wo das Potential konstant ist. Die Grenze Γ₂ ist eine Grenze, bei der der Wert einer Stromdichte q auf q₀ gesetzt ist, d.h. eine Grenze, wo die Stromdichte konstant ist. Die Grenzen Γ_3a und Γ_3c sind die Oberfläche einer Anode bzw. die Oberfläche einer Kathode. Grenzbedingungen in den entsprechenden Grenzen sind durch die folgenden Gleichungen (4) – (7) gegeben: An Γ1: ϕ = ϕ0 (4) An Γ2: q{≡κ∂ϕ/∂n} = q0 (5) An Γ3a: ϕ = –fa(q) (6) An Γ3c: ϕ = –fc(q) (7)wobei κ die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyts repräsentiert, δ/δn eine Differenz in der Richtung einer nach außen gerichteten senkrechten Linie und f_a(q) und f_c(q) nicht-lineare Funktionen, die eine Anzeige für die Polarisationscharakteristiken der Anode bzw. der Kathode bilden, wobei die nicht-linearen Funktionen mittels Experiment bestimmt werden. Durch Lösen der Gleichung (3) unter den Grenzbedingungen (4) – (7) ist es möglich eine Potentialverteilung zu bestimmen und eine Stromdichteverteilung nahe der Oberfläche. Das Potential ϕ und ein tatsächlich gemessenes Elektrodenpotential E stehen zueinander in Beziehung durch ϕ = –E.
Analyse gemäß der Grenzelement-Methode:
Gemäß der normalen Formel der Grenzelementmethode ist die folgende Grenzintegrationsgleichung (8) von der Gleichung (3) abgeleitet:
wobei Φ* die fundamentale Lösung einer dreidimensionalen Laplaceschen Gleichung repräsentiert q* = κδϕ/δn,Γ repräsentiert eine Grenze (= Γ₁ + Γ₂ + Γ_3a + Γ_3c), die das Elektrolyt umgibt und c ist c = ½ für eine glatte Grenze und c = ω/2π an einem Scheitel- bzw. Winkelpunkt eines Winkels ω.
Zum numerischen Lösen der obigen Grenzintegrationsgleichung ist es nötig die Grenzintegrationsgleichung zu diskretisieren. Genau gesagt wird die Grenze in eine Anzahl von Elementen unterteilt und das Potential ϕ und die Stromdichte q werden durch einen diskreten Wert und eine Interpolationsfunktion an jedem Knoten approximiert, wobei die folgenden simultanen algebraischen Gleichungen geliefert werden:
wobei b_j (j = 1, 2, ... , p) den Wert einer bekannten Komponente von ϕ oder q repräsentiert, x_j (j = 1, 2, ... , p) eine unbekannte Menge entsprechend b_j, f_j (q_j) (j = 1, 2, ... , s) eine nicht-lineare Funktion, anzeigend für die Polarisationscharakteristiken, und [A] und [B] Matrices, die durch die geometrische Form der Grenze Γ bestimmt sind. Da die obigen Gleichungen nicht-linear sind, sind wiederholte Berechnungen nötig, um diese Gleichungen zu lösen.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung wenden die Newton-Raphson-Methode an.
Analytische Methode für achsensymmetrischen Bereich:
Viele zu analysierende reale Einrichtungen, wie beispielsweise Rohre und einige Pumpenkomponenten, umfassen achsensymmetrische Bereiche, und es ist wünschenswert solche achsensymmetrischen Bereiche auf einfache Art und Weise zu analysieren. Primär werden die beiden folgenden Prozesse als effektiv erachtet, die achsensymmetrischen Probleme zu lösen:

(i) ein Prozess, der eine elementare Lösung für ein achsensymmetrisches Problem verwendet; und
(ii) ein Prozess, der eine gewöhnliche elementare Lösung für ein dreidimensionales Problem verwendet und im Hinblick auf die Achsensymmetrie bei der Diskretisierung die Zahl der Elemente reduziert.

Der erstgenannte Prozess eine elementare Lösung zu verwenden, welche der Achsensymmetriebedingung genügt, ist in der Hinsicht problematisch, dass er mehr komplexe Integrationsberechnungen involviert als der Prozess, der eine gewöhnliche elementare Lösung verwendet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der letztere Prozess des Reduzierens der Anzahl der Elemente im Hinblick auf die Achsensymmetrie bei der Diskretisierung angewandt. Dieser Prozess wird nun unten beschrieben.
Für eine gewöhnliche dreidimensionale Analyse ist es nötig, alle Grenzen in Elemente aufzuteilen, um die Grenzintegrationsgleichung (8) zu diskretisieren. Da ϕ und q infolge der Achsensymmetrie den gleichen Wert in der Umfangsrichtung besitzen, kann die Grenzintegrationsgleichung (8) wie folgt modifiziert werden:
wobei Γ_1D einen Bereich auf einer eindimensionalen Linie repräsentiert. Aus Gleichung (10), könen die simultanen algebraischen Gleichungen durch Diskretisieren von nur Γ_1D erhalten werden. Daher ist es durch Verwendung der Achsensymmetrie möglich, die Anzahl der Unbekannten stark zu verringern und einen Anstieg in der Genauigkeit zu erwarten.
Prozess des Aufteilens eines Bereichs:
Der Kürze wegen wird eine aus zwei Bereichen gebildete Fläche, wie in 2 der begleitenden Zeichnungen gezeigt, betrachtet. Wenn eine Innengrenzebene als Γ_B bezeichnet wird, dann werden, da die Gleichungen (9) in jedem der Bereiche erfüllt werden, die folgenden Gleichungen erfüllt:
Wobei I, II Mengen relativ zu den entsprechenden Bereichen I, II repräsentieren, B eine Menge relativ zu der Innengrenzoberfläche Γ_B, {X^M} (M = I, II) einen Vektor mit einer Komponente, die eine Menge relativ zu einer Grenze anders als Γ_B von x_i und q_i, und {b_M} (M = I, II) ein Vektor mit einer Komponente, die eine bekannte Menge (oder eine Funktion, die anzeigend für eine Polarisationskurve ist) entsprechend zu X^M ist.
Insofern als das Potential und die Stromdichte in der Innengrenze kontinuierlich sind, werden die folgenden Gleichungen erfüllt: ϕIB = ϕIIB (13) qIB = –qIIB (14)
Indem [H^MB]{ϕ^MB} (M = I, II) von der rechten Seite zu der linken Seite in den Gleichungen (11), (12) umgestellt wird und durch Substituieren der Gleichun gen (13), (14) in den resultierenden Gleichungen, werden die folgenden Gleichungen erstellt:
Die Gleichungen können in der folgenden Gleichung (17) zusammengefasst werden:
Wie Gleichung (9) stellt Gleichung (17) eine nicht-lineare Gleichung dar. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Lösung der Gleichung (17) durch die Newton-Raphson-Methode bestimmt.
Die Erfinder haben sechs Programme für das Analysieren eines offenen Bereichs (wie beispielsweise eine äußere Schiffsoberfläche, die von einem sich endlos erstreckenden Elektrolyt umgeben ist) und eines geschlossenen Bereichs (wie beispielsweise eine innere Pumpenoberfläche, die ein Elektrolyt umgibt, das sich in einem begrenzten Raum erstreckt) in Bezug auf je zwei und dreidimensionale achsensymmetrische Strukturen zum Zweck des praktischen Lösens der Korrosions- und Korrosionsverhinderungsprobleme.
In einem realen System, können einige von sechs Bereichen, die zweidimensional (offene und geschlossene Bereiche), dreidimensional (offene und geschlossene Bereiche) und achsensymmetrisch (offene und geschlossene Be reiche) ausgebildet sein können, kontinuierlich existieren. 3 der begleitenden Zeichnungen zeigt ein spezielles Beispiel. In 3 besitzt eine Meerwasserpumpe 10 aus rostfreiem Stahl drei ringförmige Opferanoden 11a, 11b 11c aus Zn, die umfangsmäßig an einer Pumpeninnenfläche und vier prismatische Opferanoden 12 aus Zn, die an einer Pumpenaußenfläche an gleichmäßig beabstandeten Stellen angebracht sind. Die Pumpeninnen- und außenflächen kommunizieren durch Meerwasser miteinander, so dass die Pumpeninnenfläche elektrochemisch auf die Pumpenaußenfläche wirken sollte und die Pumpenaußenfläche elektrochemisch auf die Pumpeninnenfläche wirken sollte. Da das Meerwasser, das die Pumpenaußenfläche umgibt einen weiten Bereich einnimmt und eine Grenze, die in Elemente unterteilt werden soll, zu groß für den Bereich ist, der als eine geschlossener Bereich behandelt werden soll, ist es praktisch unmöglich, die Pumpenaußenfläche als einen dreidimensionalen geschlossenen Bereich wie die Pumpeninnenfläche zu modellieren und analysieren.
Aus diesem Grund wird die Pumpeninnenfläche als ein dreidimensionaler geschlossener Bereich analysiert und die Pumpenaußenfläche wird als ein offener Bereich analysiert. Eine Innenfläche einer Führungsummantelung ist in sieben Strömungsdurchlässe durch sieben schraubenförmige Führungssschaufeln bzw. -elemente aufgeteilt. Da dies Strömungsdurchlässe in ihrer Form symmetrisch sind, wird einer von ihnen herausgenommen und in dreidimensionale Elemente unterteilt. Angenommen, dass die prismatischen Anoden auf der Pumpenaußenfläche als netz- bzw. stegförmige Anoden betrachtet werden mit der gleichen Fläche, werden sie als achsensymmetrische Anoden behandelt und daher als achsensymmetrische Modelle in dem offenen Bereich.
4 der begleitenden Zeichnungen zeigt anhand eines Beispiels eine Vielzahl von Elementen, aufgeteilt aus der Pumpenaußenfläche für eine achsensymmetrische Analyse des offenen Bereichs. Insofern als die Pumpeninnen- und -außenflächen tatsächlich wie oben beschrieben elektrochemisch aufeinander einwirken, muss die Analyse solch eine elektrochemische Wirkung in Betracht ziehen. Weil jedoch diese Bereiche mit unterschiedlichen Analysierprogrammen bearbeitet werden, d.h. die Pumpenaußenfläche wird mit einem Programm für den dreidimensionalen geschlossenen Bereich bearbeitet und die Pumpeninnenfläche mit einem Programm für den achsensymmetrischen geschlossenen Bereich, ist es bis jetzt unmöglich gewesen die Pumpeninnen- und -außenflächen zu analysieren, während die gegenseitige elektrochemische Wirkung in Betracht gezogen wird. Der von den Erfindern entwickelte Bereichs-Teilungsprozess war in der Lage die Bereiche zu analysieren, die gemäß den gleichen Modellprinzipien entwickelt wurden.
Wenn der Prozess unterschiedliche Bereiche in einer verwandten Art und Weise zu analysieren auf eine Situation angewendet wird, bei der dreidimensionale und achsensymmetrische Bereiche kontinuierlich vorhanden sind, dann ist es notwendig, einen Bereich zu bestimmen, wo die achsensymmetrische Analyse anwendbar ist. Jedoch muss man sich auf Erfahrungen und Fachkönnen verlassen, um solch einen Bereich zu bestimmen, da es gegenwärtig kein Verfahren gibt zum quantitativen Bestimmen des Bereichs.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Analysieren der Korrosion und Korrosionsverhinderung in zwei oder mehr kontinuierlichen Bereichen eines oder unterschiedlicher Typen vorzusehen„ und zwar in Beziehung stehender Art und Weise, zwischen diesen Bereichen, die zweidimensional (offene und geschlossene Bereiche), dreidimensional (offene und geschlossene Bereiche) und achsensymmetrisch (offene und geschlossene Bereiche) modelliert sind.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Analysieren von Korrosion und Korrosionsverhinderung vorzusehen, und zwar in einer Situation, in der dreidimensionale und achsensymmetrische Bereiche kontinuierlich vorhanden sind, und zwar durch quantitatives Bestimmen eines Bereichs, wo die kontinuierliche Analyse beider Bereiche anwendbar ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen zum Analysieren von Korrosion und Korrosionsverhinderung eines Objekts, das die Schritte des Aufteilens des zu analysierenden Objekts in eine Vielzahl benachbarter Bereiche unterschiedlicher Typen durch eine Teilungsebene vorsieht, wobei auf einen der benachbarten Bereiche Bezug genommen wird als Beobachtungsbereich mit einer Grenze als Teilungsebene, und auf den anderen als Nichtbeobachtungsbereich mit einer Grenze als Teilungsebene, Auftragen einer Anfangsstromdichte oder eines Anfangspotentials auf jedes Element der Grenze des Nichtbeobachtungsbereichs, um eine Grenzelementanalyse zum Bestimmen der Beziehung zwischen einem Potential und einer Stromdichte in jedem Element, Bestimmen einer Potentialverteilung und einer Stromdichteverteilung in dem Beobachtungsbereich in seiner Gesamtheit, Verwenden der Beziehung zwischen dem Potential und der Stromdichte in jedem Element der Grenze des Nichtbeobachtungsbereichs als eine Grenzbedingung für den Beobachtungsbereich und Bewirken einer Elementanalyse auf dem Nichtbeobachtungsbereich, um eine Potentialverteilung und eine Stromdichteverteilung in dem Nichtbeobachtungsbereich in seiner Gesamtheit zu bestimmen, Verwenden der Beziehung zwischen dem Potential und der Stromdichte in jedem Element der Grenze des Beobachtungsbereichs als eine Grenzbedingung für den Nichtbeobachtungsbereich, wobei eine Potentialverteilung und eine Stromdichteverteilung über die Bereiche kontinuierlich analysiert werden kann.
Die Bereiche zahlreicher Typen können Bereiche umfassen, welche in zweidimensionalen, dreidimensionalen und achsensymmetrischen offenen und geschlossenen Räumen modelliert werden können.
Die Anfangsstromdichte oder das Anfangspotential, das jedem Element der Grenze des Nichtbeobachtungsbereichs aufgeprägt wird, kann gleichförmig sein.
Die Bereiche können zumindest zwei Nichtbeobachtungsbereiche umfassen, die fortlaufende zu einem Beobachtungsbereich vorhanden sind.
Die obigen und anderen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlich werden, in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, weiche bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiels darstellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das schematisch die Grenzbedingungen zeigt, um ein Potential oder eine Stromdichteverteilung zu bestimmen.
2 ist ein Diagramm, das schematisch einen Prozess der Aufteilung einer Fläche in zwei Bereiche darstellt.
3 ist einer Meerwasserpumpe, die hinsichtlich Korrosion und Korrosionsverhinderung analysiert werden soll.
4 ist ein Diagramm, das eine Vielzahl von Elementen zeigt, die aus einer Pumpenaußenfläche für eine achsensymmetrische Analyse eines offenen Bereiches auggeteilt wurde.
5 ist ein Diagramm, das schematisch eine Methode des Analysierens von Korrosion und Korrosionsverhinderung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, in welchem ein in 5 gezeigter Bereich in Elemente aufgeteilt ist.
7 ist ein Diagramm, das schematisch ein Verfahren zum Analysieren von Korrosion und Korrosionsverhinderung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
8A und 8B sind Ansichten, die die Art und Weise zeigen, in der ein zu analysierendes Objekt in Bereiche aufgeteilt wird.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
5 stellt schematisch eine Situation dar, in der zwei Bereiche kontinuierlich vorhanden sind. Einer der Bereiche wird als ein Beobachtungsbereich bezeichnet und der andere als ein Nichtbeobachtungsbereich. Die zwei Bereiche werden durch eine Teilungsebene, die als eine Grenze Γ_T, gezeigt von dem Beobachtungsbereich, und als eine Grenze Γ_N, gesehen von dem Nichtbeobachtungsbereich, bezeichnet wird.
Eine gleichförmige Stromdichte q wird auf jedes Element Γ_k der Grenze Γ_N des Nichtbeobachtungsbereichs aufgeprägt, und der Nichtbeobachtungsbereich wird gemäß einer Grenzelementmethode analysiert, um ein Potential ϕ_k in jedem Element Γ_k der Grenze Γ_N zu bestimmen. Eine gleichförmige Stromdichte q_a wird auf jedes Element Γ_k der Grenze Γ_N aufgeprägt und ein Potentialansprechverhalten ϕ_ak wird zu diesem Zeitpunkt bestimmt. Da die Gleichung ϕ_ak = f_k(q_a) zwischen der Stromdichte und dem Potential in jedem Element Γ_k der Grenze Γ_N auch auf die Grenze Γ_T, gesehen von dem Beobachtungsbereich, anwendbar ist, wird sie verwendet als Grenzbedingung für der Grenze Γ_T. Daher kann der Beobachtungsbereich unter Verwendung dieser Grenzbedingung analysiert werden, und zwar unter Berücksichtigung des Nichtbeobachtungsbereichs. Die obige Beziehung zwischen der Stromdichte und dem Potential wird als eine äquivalente Grenzbedingung bezeichnet. Wenn der Nichtbeobachtungsbereich analysiert wird, wobei wiederum eine Stromdichte oder ein Potential an der Grenze Γ_T verwendet wird, welches aus der Analyse des Beobachtungsbereichs erhalten wird, dann können die beiden kontinuierlichen Bereiche in ihrer Gesamtheit analysiert werden. Um den Nichtbeobachtungsbereich zu analysieren, kann ein gleichförmiges Potential eher als ein gleichförmiger Strom als ein Anfangszustand auf den Nichtbeobachtungsbereich aufgeprägt werden. Die Anfangsstromdichte oder Potential, die auf den Nichtbeobachtungsbereich aufgeprägt werden soll, muss nicht notwendigerweise gleichförmig sein, sondern kann von Element zu Element leicht unterschiedlich sein.
6 zeigt insbesondere ein Beispiel, in welchem ein achsensymmetrischer Bereich und ein Bereich, der dreidimensional dargestellt werden kann, kontinuierlich vorhanden sind. In diesem Beispiel wird es vorgezogen, dass ein Nichtbeobachtungsbereich, der eine Vielzahl von Malen mit unterschiedlichen Potentialen oder Stromdichten analysiert werden muss, ein achsensymmetrischer Bereich sein sollte, der eine kürzere Analysezeit erfordert. Die Beziehung zwischen einem Potential und einer Stromdichte aus den Elementen Γ_N1, Γ_N2, Γ_N3, die durch eine Analyse des achsensymmetrischen Bereichs erhalten wird, wird als eine Grenzbedingung für entsprechende Elemente Γ_A11 – Γ_A18, Γ_A21 – Γ_A28, Γ_A31 – Γ_A38 des dreidimensional modellierten Bereichs verwendet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Bereich, der achsensymmetrisch modelliert werden kann, d.h. ein Bereich, auf den achsensymmetrische Elemente quantitativ aufgetragen werden, bestimmt, wobei eine analytische Lösung der Laplaceschen Gleichung die Korrosionsprobleme bestimmt. Wie in 7 gezeigt, wird ein symmetrisches Glied einer komplex geformten Einrichtung extrahiert und das extrahierte Glied wird in ein Rohr modelliert mit einem Radius R an einer Teilungsebene A. Eine Stromdichteverteilung, ausgedrückt durch eine Deltafunktion, mit einer Intensität a wird auf das modellierte Rohr bei r = R auf einer Ebene z = 0 aufgeprägt und ein Potential ϕ in dem Rohr wird zu diesem Zeitpunkt analytisch bestimmt. Wenn angenommen wird, dass die Polarisationscharakteristiken in dem Rohr durch ϕ = – (ki + ϕ₀) (i stellt die Stromdichte dar) ausgedrückt wird, dann wird die analytische Lösung des Potentials in dem Rohr wie folgt gegeben:
Ein Beispiel der vorliegenden Erfindung wird unten beschrieben.
Ein analysiertes Objekt war eine Pumpe mit vertikaler Welle mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Länge von 6000 mm, wie in 8A gezeigt. Wie in 8A gezeigt, wurde die Pumpe in innere Teile 15, 16 und einen äußeren Teil 17 geteilt. Die inneren Teile umfassten ein Führungsgehäuse bzw. eine Führungsummantelung 15 von komplexer dreidimensionaler Form, zusammengesetzt aus einer komplexen Anordnung von Teilen und mit schraubförmigen Strömungsdurchlässen, und einem säulenförmigen Rohr (column pipe) 16, welches achsensymmetrisch modelliert werden kann. Um einen Bereich an den Innenteilen zu bestimmen, an denen achsensymmetrische Elemente anwendbar sind, wurden Berechnungen gemacht, wobei der erlaubte Fehler ε in der Gleichung (21) auf 0,02 gesetzt wurde. Daraus resultierend wurde der Bereich, auf den achsensymmetrische Elemente anwendbar waren, als 192 mm von dem oberen Ende der Führungsummantelung 15 beabstandet bestimmt. Daher war eine säulenförmige Rohrinnenfläche, die als ein achsensymmetrischer Bereich behandelt wurde, 200 mm oder mehr von dem oberen Ende der Führungsummantelung 15 beabstandet. Drei Bereiche, die unterteilt wurden, waren eine Pumpenaußenfläche, die als ein achsensymmetrischer offener Bereich, eine innere Führungsummantelungsfläche, die als ein dreidimensionaler geschlossener Bereich und eine Säulenrohrinnenfläche, die als ein achsensymmetrischer geschlossener Bereich behandelt wurden. Die innere Führungsummantelungsfläche wurde in sieben Strömungsdurchlässe durch sieben schraubenförmige Führungsschaufeln unterteilt. Da diese Strömungsdurchlässe eine symmetrische Form hatten, wurde einer von ihnen herausgenommen und in dreidimensionale Elemente unterteilt.
Um eine äquivalente Grenzbedingung für die Grenzebenen Γ_a, Γ_b zwischen der Pumpenaußenfläche, der säulenförmigen Rohrinnenfläche und der inneren Führungsummantelungsfläche zu determinieren, wurde eine Grenzelementanalyse an der Pumpenaußenfläche und der säulenförmigen Rohrinnenfläche durchgeführt. Genau gesagt wurde eine Analyse eines achsensymmetrischen offenen Bereichs an der Pumpenaußenfläche durchgeführt und eine Analyse eines achsensymmetrischen geschlossenen Bereichs wurde an der säulenförmigen Rohrinnenfläche durchgeführt. Eine Stromdichte im Bereich von – 2,0 bis 2,0 A/m² wurde in Inkrementen von 0,2 A/m² an jedes Element der Grenzebenen Γ_a, Γ_b angelegt. Durch Verwendung der determinierten äquivalenten Grenzbedingung, d.h. der Beziehung zwischen der Stromdichte und dem Potential als einer Grenzbedingung, wurde an der Führungsummantelung 15 eine Analyse eines dreidimensionalen geschlossenen Bereichs durchgeführt. Durch Verwendung einer erreichten Stromdichte an den Grenzebenen Γ_a, Γ_b als eine Grenzbedingung, wurden die Pumpenaußenfläche und die Säulenrohrinnenfläche wieder analysiert. Auf die Art und Weise wurde die gesamte Analyse vollendet. Die Potentialverteilung der inneren Führungsummantelungsoberfläche etc., welche als ein Resultat der Analyse erhalten wurde, wurde als sehr dicht an der tatsächlichen bzw. Ist-Potentialverteilung angesehen.
Bisher müssen, um eine Situation, in der zwei oder mehr von sechs Bereichen, die zweidimensional (offene oder geschlossene Bereiche), dreidimensional (offene oder geschlossene Bereiche) und achsensymmetrisch (offene oder geschlossene Bereiche) modelliert sind, kontinuierlich vorhanden sind, die Bereiche getrennt analysiert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch können alle Bereiche in einer in Bezug stehenden Art und Weise analysiert werden, so dass eine Potentialverteilung oder eine Stromdichteverteilung in Grenzen genau bestimmt werden können.
Zum Beispiel war es üblich Pumpeninnen- und -außenflächen einer Pumpe mit vertikale Welle separat zu analysieren, obwohl sie elektrochemisch aufeinander wirken, und folglich konnte die Pumpe nicht akkurat auf Korrosion und Korrosionsverhinderung analysiert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich solch innere und äußere Pumpenoberflächen in einer in Beziehung stehenden Art und Weise zu analysieren. Während die gesamte Pumpeninnenfläche bisher mit einem dreidimensionalen geschlossenen Bereichsmodell analysiert wurde, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich eine säulenförmigen Rohrinnenfläche von einfacher Konstruktion mit einem achsensymmetrischen Modell zu analysieren, indem es leicht in Elemente aufgeteilt werden kann.
In dem Fall, in dem ein dreidimensionaler Bereich und ein achsensymmetrischer Bereich kontinuierlich existieren, war es herkömmlicherweise nicht möglich, einen Bereich zu bestimmen, der achsensymmetrisch modelliert werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch kann solch ein Bereich quantitativ bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung ist in Verbindung mit einem Verfahren zum Analysieren von Korrosion und Korrosionsverhinderung von Metallen beschreiben worden. Jedoch können die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auch auf das Plattieren bzw. Beschichten von Metallen, das Konstruieren von Batterien und elektrolytischer Behälter etc. angewandt werden.
Obwohl gewisse bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gezeigt wurden und im Detail beschrieben wurden, sollte klar sein, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen gemacht werden können ohne vom Ziel der Ansprüche abzuweichen.

Claims

Ein Verfahren zum Analysieren, der Korrosion und Korrosionsverhinderung eines Objektes, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: Aufteilen eines zu analysierenden Objektes in eine Vielzahl von benachbarten Bereichen mehrerer Arten oder Typen durch eine Teilungsebene, wobei eine der benachbarten Bereiche als ein Beobachtungsbereich bezeichnet wird, und zwar mit einer Grenze als Teilungsebene und wobei der andere Bereich als ein Nichtbeobachtungsbereich bezeichnet wird, und zwar mit einer Grenze als Teilungsebene; Aufprägen einer Anfangsstromdichte oder eines Anfangspotentials auf jedes Element der Grenze des Nichtbeobachtungsbereichs, um eine Grenzelementanalyse zu bewirken, und zwar zur Bestimmung einer Beziehung zwischen einer Spannung bzw. einem Potential und einer Stromdichte in jedem erwähnten Element; Bestimmung einer Potentialverteilung und einer Stromdichteverteilung in dem Beobachtungsbereich in seiner Gesamtheit, und zwar unter Verwendung der Beziehung zwischen dem Potential und der Stromdichte in jedem Element der Grenze des Nichtbeobachtungsbereichs als eine Grenzbedingung für den Beobachtungsbereich; und Bewirken einer Elementanalyse auf oder in dem Nichtbeobachtungsbereich zur Bestimmung einer Potentialverteilung und einer Stromdichteverteilung in dem Nichtbeobachtungsbereich in seiner Gesamtheit, und zwar unter Verwendung der Beziehung zwischen dem Potential und der Stromdichte in jedem Element der Grenze des Beobachtungsbereichs als eine Grenzbedingung für den Nichtbeobachtungsbereich; wodurch eine Potentialverteilung und Stromdichteverteilung über die Bereiche kontinuierlich analysiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bereiche der mehreren Arten oder Typen Bereiche umfassen, die in zweidimensionale, dreidimensionale und achsensymmetrisch offene oder geschlossene Räume modelliert werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anfangsstromdichte oder das Anfangspotential aufgeprägt auf jedes Element der Grenze der Nichtbeobachtungszone gleichförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bereiche mindestens zwei Nichtbeobachtungsbereiche aufweisen, die fortlaufend zu den einem Beobachtungsbereich vorhanden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner die folgenden Schritte vorgesehen sind: Extraktion einer Kandidatenzone, die achsensymmetrisch ist; Modellieren der extrahierten Zone in ein Rohr mit einem Radius R an der Teilungsebene A; Aufprägen einer Stromdichteverteilung, ausgedrückt durch eine Deltafunktion und mit einer Intensität a auf das modellierte Rohr, wobei r = R auf einer Ebene z = 0 ist; Analytische Bestimmung eines Potentials ϕ in dem Rohr; und Bestimmung einer Position z wo die Größe der Änderung des Potentials ϕ kleiner ist als ein zulässiger Wert um eine Zone oder Region zu bestimmen, die achsensymmetrisch modelliert werden kann.