Modeling of Galvanic Corrosion - in Presence of External Direct and Alternating Currents

Abstract

Det har blitt observert økte korrosjonsrater på skip koblet til landstrøm. En mulig forklaring er dannelsen av en galvanisk kobling mellom defekter i malingsbelegget på skipsskroget (karbonstål) og jordingsanlegget på land (kobber) i sjøvann. Ettersom store skip typisk er beskyttet av et ICCP-anlegg, vil ytre strømmer kunne påvirke koblingen mellom stål og kobber. I nærvær av kraftsystemer og høyspentlinjer på land vil det i tillegg kunne oppstå interferens, slik at AC blir tilført stål-kobber koblingen. Dette vil kunne føre til AC-assistert galvanisk korrosjon på skroget, noe som er temaet i denne oppgaven.

En modell har blitt utviklet i COMSOL Multiphysics for å undersøke AC korrosjon på en stål-kobber kobling ved å løse Nernst-Planck likningen i to dimensjoner ved hjelp av FEM. To ulike inerte anoder ble undersøkt: platina (for å validere modellen eksperimentelt) og MMO anode (typisk for ICCP-anlegg). Modelleringen ble gjennomført på en enkel 2D geometri, og det ble brukt en strømfordeling som tar høyde for kontinuerlige endringer i sjøvannet. Laboratoriearbeid ble gjennomført for å innhente data for bruk i modellen, slik som utviklingsstrømtettheter og Tafel-helninger. Resultatene fra modellen ble innhentet ved hjelp av parametersveip, der kapasitansen (til det elektriske dobbeltlaget), frekvensen, og arealforholdet mellom stål og kobber ble variert, i tillegg til å variere størrelsen på AC og DC som ble påført systemet. Innledningsvis ble henholdsvis kapasitansen, frekvensen og arealforholdet satt lik 0.1 F/m^2, 50 Hz og 1.

Resultatene fra modellen viste at både potensialet og korrosjonsraten til stålet økte når AC ble påført stål-kobber koblingen. Det ble funnet at en AC_rms på 20 mA sendt til den katodisk beskyttede koblingen medførte at stålet ble tilstrekkelig beskytta. Dette tilsvarte en AC strømtetthet på 12.5 A/m^2. Å øke AC_rms til 50 mA (31.25 A/m^2) var derimot ikke akseptabelt, ettersom dette medførte en korrosjonsrate på omtrent 4 mm/år. De vesentlig høye korrosjonsratene ved høy AC ble forklart ved at oppløsningsreaksjonen i modellen var noe forenklet, samt at modellen manglet relevante kjemiske reaksjoner (slik som dannelse av korrosjonsprodukter og presipitater).

Det ble funnet at særlig kapasitansen til det elektriske dobbeltlaget påvirket korrosjonsraten på karbonstålet. En økende kapasitans medførte at stålet ble bedre beskyttet mot korrosjon. Ved en kapasitansverdi på 0.2 F/m^2 ble det funnet at stålet var beskyttet ved 50 mA AC_rms. Ytterligere økning av kapasitansen, opp til 0.7 F/m^2, medførte at stålet ble beskyttet helt opp til en AC_rms på 200 mA (125 A/m^2). Den kraftige innflytelsen kapasitansen hadde på beskyttelsen av stålet ble bekreftet ved hjelp av litteratur, samt forklart ved at kapasitansens lagringskapasitet økte. Korrosjonsraten til stål (ved høy AC) økte dersom kobber ble isolert fra systemet, ettersom AC strømtettheten på stålet økte siden totalarealet ble halvert.

Field observations have shown that the corrosion rates of ships connected to onshore power increases. One possible explanation is the formation of a galvanic couple between the coating defects in the ship's hull (carbon steel) and the ground electrode (copper) in seawater. Since large ships and cruise-liners are usually protected by an impressed current cathodic protection (ICCP) system, the steel-copper couple is supplied with external currents to avoid corrosion. Because of the presence of electric power systems and high-voltage AC power transmission lines near the docked ship, alternating currents (AC) can interfere with both the ICCP system and the steel-copper couple. This results in the risk of AC-assisted galvanic corrosion, which is the subject of this thesis.

A model was developed in COMSOL Multiphysics to study AC corrosion on a steel-copper couple by solving the Nernst-Planck equation in two dimensions (2D) using the finite element method (FEM). Two different inert anodes were investigated: platinum (for use in validation experiments) and a mixed metal oxide (MMO) anode (typical for ICCP systems). Modeling was performed on a simple 2D geometry, and a current distribution that accounts for continuous changes in a water-based electrolyte was utilized. Supplemental laboratory work were performed to obtain relevant parameters that were used as inputs to the model, such as exchange current densities and Tafel slopes. When gathering the model results, parametric sweeps were performed by varying the double layer capacitance, frequency, and steel/copper area ratio, in addition to varying the AC and DC magnitudes. Initially, the double layer capacitance, frequency, and steel/copper area ratio were set to 0.1 F/m^2 at each electrode, 50 Hz and 1, respectively.

The computational results revealed that by applying AC to a galvanic couple of steel and copper, both the potential and the corrosion rate of the steel generally increased. It was found that application of a current AC_rms = 20 mA to the cathodically protected steel-copper pair was acceptable, corresponding to an AC current density of 12.5 A/m^2. However, it was found that an AC of 50 mA (31.25 A/m^2) was unacceptable, resulting in a corrosion rate of about 4 mm/year. The considerably higher corrosion rates at elevated AC levels were attributed to oversimplified dissolution reactions and a lack of chemical reactions (e.g., formation of corrosion products and precipitates) in the modeling.

In particular, the double layer capacitance significantly affected the corrosion of carbon steel. It was found that increasing the double layer capacitance also increased the protection of carbon steel. At a capacitance value of 0.2 F/m^2, the steel was protected from corrosion at an AC_rms = 50 mA. Further increasing the double layer capacitance, up to 0.7 F/m^2, showed that the steel was protected at an AC_rms = 200 mA (125 A/m^2). The strong influence of the double layer capacitance on the protection of carbon steel was supported by the literature and explained by increased capacitive charge storage induced by AC. The steel corrosion rate at high ACs increased when the copper was isolated from the system, as the AC current density on the steel increased because of the halving of the total surface area.