JP6607233B2 - Metal corrosion prediction method, steel structure design method, and corrosion prediction program - Google Patents
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Description
本発明は、広く産業分野で使用されている金属材料の腐食を数値解析によって予測する方法に関する。本発明は、具体的には、構造物の品質および性能寿命を予測するために、数値解析(数値シミュレーション)を用いて腐食媒体である電解質溶液中の電位分布や電流密度分布を計算して、金属の耐食性を予測する腐食評価に関連する技術である。 The present invention relates to a method for predicting corrosion of a metal material widely used in the industrial field by numerical analysis. Specifically, in order to predict the quality and performance life of a structure, the present invention calculates a potential distribution and a current density distribution in an electrolytic solution that is a corrosive medium using numerical analysis (numerical simulation). It is a technology related to corrosion evaluation that predicts the corrosion resistance of metals.
従来、金属材料の耐食性評価は、腐食促進試験や大気暴露試験、あるいは電気化学測定によって行われる。例えば鉄鋼材料の耐食性を評価する場合、塩水噴霧試験(SST:Salt Spray Test)や、これに湿潤や乾燥の雰囲気条件を組み合わせる複合サイクル試験(CCT:Combined Cyclic corrosion Test)により、試験片や実部品の腐食を促進して短期間で耐食性の優劣を判断することが行われる。一方、このような腐食促進試験が、実際に鉄鋼材料が使用される環境に比べて厳しい腐食環境であることから、実使用環境における腐食形態や種類の異なる鉄鋼材料の耐食性の序列を再現しない場合がある。そのため、試験片を屋外や屋内に設置して、実使用に近い環境の中で腐食させることで、耐食性を評価する大気暴露試験も広く行われている。しかし、暴露試験は耐食性の優劣を判断するまでに長期間を有するため、耐食性の早期判断が求められる耐食材料の開発には適していない。 Conventionally, the corrosion resistance of metal materials is evaluated by a corrosion acceleration test, an atmospheric exposure test, or an electrochemical measurement. For example, when evaluating the corrosion resistance of steel materials, test specimens and actual parts can be obtained by a salt spray test (SST) or a combined cycle test (CCT: Combined Cyclic corrosion Test) that combines wet and dry atmosphere conditions. The corrosion resistance is promoted to determine the superiority or inferiority of the corrosion resistance in a short time. On the other hand, since such a corrosion acceleration test is a severe corrosive environment compared to the environment where the steel material is actually used, it does not reproduce the order of the corrosion resistance of steel materials with different corrosion forms and types in the actual use environment There is. Therefore, an atmospheric exposure test for evaluating corrosion resistance by installing a test piece outdoors or indoors and corroding it in an environment close to actual use is also widely performed. However, since the exposure test has a long period of time until it is judged whether the corrosion resistance is superior or inferior, it is not suitable for the development of corrosion resistant materials that require early judgment of corrosion resistance.
これに対して、近年のコンピュータ技術の発展と計算高速化に伴い、コンピューターシミュレーションにより腐食現象を予測する試みが活発に行われている。数値解析により金属の腐食を予測することができれば、実験では解析困難な腐食原因や腐食機構の解析や、金属の耐食性を短時間で評価することができる可能性がある。 On the other hand, along with the recent development of computer technology and faster calculation, attempts to predict the corrosion phenomenon by computer simulation have been actively made. If corrosion of a metal can be predicted by numerical analysis, there is a possibility that it is possible to analyze the cause of corrosion and the corrosion mechanism, which are difficult to analyze by experiments, and to evaluate the corrosion resistance of the metal in a short time.
特許文献1および特許文献2は、腐食媒体内にある金属を電気的に接続された複数の解析セグメントからなる連続体とみなして、当該金属の分極特性を決定する、腐食環境の数値解析方法を開示する。この方法は、モデル中の腐食媒体をラプラス方程式に従うラプラス場とみなして数値解析を行い、対象構造物である金属の電位分布および電流の流出入を計算することで、腐食に対する駆動力や腐食速度を推定する方法である。
また、非特許文献1では、海水ポンプの腐食を境界要素法により解析する技術が報告されている。ここでは、ポンプの材料である鋳鉄(FC200)の分極曲線を境界条件としてラプラス方程式を解くことで、腐食媒体である海水中の電位分布および電流密度分布を求め、鋳鉄と海水との界面の電位および電流密度から鋳鉄の腐食を予測するモデルを提案している。ここで水溶液中の電気伝導度は実験から求めた値を用いている。
In
非特許文献2では、コンクリート中の鉄筋の腐食をシミュレーションしている。コンクリート中の塩化物や酸素などの腐食因子の物質移動を予測し、さらに、Tafel式により腐食電流密度を求めて鉄筋の腐食を予測している。このモデルでは、コンクリートを細孔とみなして溶液と同様に均一な媒体として扱うことで、拡散方程式を用いて物質移動の計算を行っている。 Non-Patent Document 2 simulates corrosion of reinforcing bars in concrete. The mass transfer of corrosion factors such as chloride and oxygen in concrete is predicted, and further, the corrosion current density is obtained by the Tafel equation to predict the corrosion of reinforcing bars. In this model, the mass transfer is calculated using the diffusion equation by treating the concrete as pores and treating it as a uniform medium like a solution.
非特許文献3では、亜鉛めっきと下地鋼板の薄水膜下での異種金属接触腐食において、物質移動と化学反応を考慮した数値計算を行い、亜鉛および鋼の腐食を予測している。このモデルでは、亜鉛や鋼の腐食生成物の形成やその分布を微小時間毎に計算しており、境界条件として与えたアノード反応から計算される溶出金属イオンと物質移動の計算による金属イオン以外の化学種との反応を、金属酸化物や水酸化物の沈殿反応の平衡定数を用いる平衡計算により予測しており、これにより種々の腐食生成物の分布と量を予測している。 Non-Patent Document 3 predicts corrosion of zinc and steel by performing numerical calculation in consideration of mass transfer and chemical reaction in contact corrosion of dissimilar metals under a thin water film of galvanizing and underlying steel sheet. In this model, the formation and distribution of corrosion products of zinc and steel are calculated every minute, and the dissolved metal ions calculated from the anode reaction given as the boundary condition and the metal ions other than metal ions calculated by mass transfer are calculated. Reactions with chemical species are predicted by equilibrium calculations using equilibrium constants for precipitation reactions of metal oxides and hydroxides, thereby predicting the distribution and amount of various corrosion products.
腐食現象のモデル化や数値解析方法には、様々な手法が考えられる。このうち広く実施されているのが、腐食媒体である電解質溶液を仮定した領域において、腐食速度に相当する電流密度や腐食反応の駆動力となる電位の分布を、物質輸送の理論式やラプラス方程式を解くことにより求める方法である。金属の腐食は、電解質溶液と金属の界面における電流の流出入や電位差によって評価される。このような方程式の解法としては、電解質溶液領域を要素化する連続体モデルとして、差分法や有限要素法などが用いられている。電解質溶液中における金属表面の電位と電流密度との関係である金属の分極特性を境界条件として与え、各要素内の電位および電流の分布、要素内や境界における物質の収支を計算する。 Various methods are conceivable for modeling corrosion phenomena and numerical analysis methods. Of these, widely used are areas where the electrolyte solution, which is a corrosive medium, is assumed. Is obtained by solving Metal corrosion is evaluated by the flow of current and the potential difference at the interface between the electrolyte solution and the metal. As a method for solving such an equation, a difference method, a finite element method, or the like is used as a continuum model for converting an electrolyte solution region into an element. The polarization characteristics of the metal, which is the relationship between the potential of the metal surface in the electrolyte solution and the current density, are given as boundary conditions, and the distribution of the potential and current in each element and the material balance in and within the element are calculated.
このような計算を行う上で、電解質溶液中の電気伝導度は、多くの場合一定として計算される。あるいは、電解質溶液全体や各要素に溶解している化学種の濃度から電気伝導度を計算する場合もある。 In performing such calculations, the electrical conductivity in the electrolyte solution is often calculated as constant. Alternatively, the electrical conductivity may be calculated from the concentration of chemical species dissolved in the entire electrolyte solution or each element.
しかし、実際の腐食現象では、腐食は単に金属の溶解(イオン化)として進行するばかりでなく、金属の酸化物や水酸化物が生成する、いわゆる「さび」あるいは「腐食生成物」の形成を伴う。以降、溶解した金属の析出物(酸化物、水酸化物等)を腐食生成物と呼ぶ。腐食生成物は金属の腐食速度に大きな影響を及ぼす。例えば、電解質溶液中で活性な亜鉛が、大気環境において優れた耐食性を発揮するのは、亜鉛の腐食生成物が表面を覆うことで金属亜鉛の腐食速度を減少させるためである。 However, in the actual corrosion phenomenon, the corrosion not only proceeds as a dissolution (ionization) of the metal, but also involves the formation of so-called “rust” or “corrosion products” that form metal oxides and hydroxides. . Hereinafter, dissolved metal deposits (oxides, hydroxides, etc.) are referred to as corrosion products. Corrosion products have a large effect on the corrosion rate of metals. For example, the reason why zinc active in the electrolyte solution exhibits excellent corrosion resistance in the air environment is that the corrosion rate of metallic zinc is reduced by covering the surface with the corrosion product of zinc.
特許文献1および特許文献2では、モデル中の腐食媒体をラプラス方程式に従うラプラス場とみなして解析しており、媒質として土壌を例にして電気的物性値を比抵抗5000Ω・cmとして与えている。これらの発明において媒質が水溶液の場合には、水溶液の電気伝導度が与えられれば、水溶液中における腐食分極特性を評価することができる。しかし、ここで与えられている電気的物性値は、腐食環境のみから与えられる条件であり、腐食に伴う腐食生成物形成の影響は考慮されていない。
In
非特許文献1および非特許文献2においても、腐食媒体を海水およびコンクリートとして、それぞれの電気伝導度を与え、ラプラス方程式や物質輸送の式を解いている。しかし、腐食生成物の形成を予測することや、それに伴う腐食媒体や腐食への影響は計算に考慮されていない。
Also in
非特許文献3は、水溶液中の亜鉛と鋼の異種金属接触腐食において、物質輸送を考慮して電位分布および電流密度分布を計算している。この文献では、腐食媒体である水溶液中におけるさまざまな種類の化学種の濃度と酸化物や水酸化物の沈殿反応の平衡定数を用いて計算を行うことで、酸化物や水酸化物の生成量と分布を予測している。しかし、腐食生成物形成による金属の水溶液との界面における電気化学特性の変化は考慮されておらず、腐食生成物存在下での金属の腐食速度を正確に見積もることはできなかった。 Non-Patent Document 3 calculates the potential distribution and current density distribution in consideration of mass transport in the dissimilar metal contact corrosion of zinc and steel in an aqueous solution. In this document, the amounts of oxides and hydroxides produced are calculated using the concentrations of various chemical species in the aqueous solution that is a corrosive medium and the equilibrium constants for the precipitation reaction of oxides and hydroxides. And predict the distribution. However, the change in electrochemical properties at the interface of the metal with the aqueous solution due to the formation of the corrosion product was not considered, and the corrosion rate of the metal in the presence of the corrosion product could not be estimated accurately.
このように従来技術では、金属の腐食生成物が金属表面に堆積することによる腐食速度への影響を数値計算において考慮しておらず、金属の腐食を数値解析によって高精度に予測することができていなかった。 As described above, in the prior art, the influence on the corrosion rate due to the deposition of metal corrosion products on the metal surface is not considered in the numerical calculation, and the metal corrosion can be predicted with high accuracy by numerical analysis. It wasn't.
そこで本発明は、上記課題に鑑み、電解質溶液と接触した金属の腐食を数値解析によってより高精度に予測することが可能な、数値解析による金属の腐食予測方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for predicting corrosion of a metal by numerical analysis, which can predict corrosion of a metal in contact with an electrolyte solution with higher accuracy by numerical analysis.
上記課題を解決するべく本発明者らは、金属の腐食生成物が金属表面に堆積することによる腐食速度への影響を数値計算において考慮することに着目した。
その結果、金属表面上の電解質溶液、すなわち電解質溶液と金属との界面近傍に位置する電解質溶液の電気伝導度を、電解質溶液の溶質濃度から計算される電気伝導度を下回る値に設定する、特には、腐食によって生成する腐食生成物の量に応じて、電解質溶液と金属との界面近傍に位置する電解質溶液の電気伝導度を適正な値に補正することにより、金属の腐食の際に金属の表面に堆積する腐食生成物が腐食速度に及ぼす影響を模擬することが可能となり、実際に腐食生成物の形成を伴う場合の電位分布や電流密度分布を適切に予測することができるということに想到し、本発明を完成するに至った。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have paid attention to the consideration of the influence on the corrosion rate caused by the deposition of metal corrosion products on the metal surface in the numerical calculation.
As a result, the electric conductivity of the electrolyte solution on the metal surface, that is, the electrolyte solution located near the interface between the electrolyte solution and the metal is set to a value lower than the electric conductivity calculated from the solute concentration of the electrolyte solution, Depending on the amount of corrosion products produced by corrosion, the electrical conductivity of the electrolyte solution located in the vicinity of the interface between the electrolyte solution and the metal is corrected to an appropriate value, so that when the metal is corroded, It is possible to simulate the effect of corrosion products deposited on the surface on the corrosion rate, and it is possible to appropriately predict the potential distribution and current density distribution when corrosion products are actually formed. Thus, the present invention has been completed.
上記知見に基づき完成された本発明の要旨構成は以下のとおりである。
1.電解質溶液と接触した金属の腐食を数値解析によって予測する方法であって、
金属と電解質溶液とが接触した系の計算モデルを作成する工程と、
上記計算モデルにより、所定時刻での上記電解質溶液および上記金属の電位分布を数値計算により求める工程と、
を有し、
上記数値計算を行うにあたり、上記計算モデルにおける電解質溶液と金属との界面近傍に位置する電解質溶液の電気伝導度を、上記電解質溶液の溶質濃度から計算される電気伝導度を下回る値とすることにより、金属の腐食の際に金属の表面に堆積する腐食生成物が腐食速度に及ぼす影響を模擬して、上記電解質溶液および上記金属の電位分布を計算する、
ことを特徴とする金属の腐食予測方法。
The gist configuration of the present invention completed based on the above findings is as follows.
1. A method for predicting corrosion of a metal in contact with an electrolyte solution by numerical analysis,
Creating a calculation model of a system in which a metal and an electrolyte solution are in contact;
A step of calculating the potential distribution of the electrolyte solution and the metal at a predetermined time by numerical calculation using the calculation model;
Have
In performing the numerical calculation, the electric conductivity of the electrolyte solution located in the vicinity of the interface between the electrolyte solution and the metal in the calculation model is set to a value lower than the electric conductivity calculated from the solute concentration of the electrolyte solution. Calculating the potential distribution of the electrolyte solution and the metal by simulating the effect of corrosion products deposited on the surface of the metal during the corrosion of the metal on the corrosion rate;
A method for predicting corrosion of a metal.
2.前記計算モデルの電解質溶液および金属をそれぞれ複数のセルに分割し、
前記計算モデルにおいて電解質溶液と金属との界面近傍に位置する電解質溶液のセルjの電気伝導度をσj、該セルjの体積をV0j、該セルjにおいて腐食生成物が占める体積をVcj、前記電解質溶液の溶質濃度から計算される電気伝導度をσ0としたとき、σ0、σj、V0jおよびVcjが、次式の関係を満足することを特徴とする前記1に記載の金属の腐食予測方法。
σj=α×σ0×(1-Vcj/V0j)
ただし、0.10 ≦α≦ 5.00 である。
2. Dividing the electrolyte solution and metal of the calculation model into a plurality of cells,
In the calculation model, the electric conductivity of the cell j of the electrolyte solution located in the vicinity of the interface between the electrolyte solution and the metal is σ j , the volume of the cell j is V 0j , and the volume occupied by the corrosion product in the cell j is V cj (1), wherein σ 0 , σ j , V 0j and V cj satisfy the relationship of the following equation, where σ 0 is an electrical conductivity calculated from the solute concentration of the electrolyte solution: Prediction method for metal corrosion.
σ j = α × σ 0 × (1-V cj / V 0j )
However, 0.10 ≦ α ≦ 5.00.
3.前記金属が亜鉛、鉄、アルミ、銅およびニッケルから選択される1種以上の金属、または該金属を主成分とする合金であることを特徴とする前記1または2に記載の金属の腐食予測方法。 3. 3. The method for predicting corrosion of a metal according to 1 or 2, wherein the metal is one or more metals selected from zinc, iron, aluminum, copper and nickel, or an alloy containing the metal as a main component. .
4.前記腐食の形態が、二種の金属が接触し、金属間の電位差によって一方の金属の腐食が加速される異種金属接触腐食であることを特徴とする前記1〜3のいずれか一項に記載の金属の腐食予測方法。 4). 4. The form of corrosion is dissimilar metal contact corrosion in which two kinds of metals come into contact with each other and the corrosion of one metal is accelerated by a potential difference between the metals. Prediction method for metal corrosion.
5.前記1〜4のいずれか一項の数値解析による金属の腐食予測方法によって、耐食性を予測して、材料を選定することを特徴とする鋼構造物の設計方法。 5. A method for designing a steel structure, wherein the material is selected by predicting corrosion resistance by the method of predicting corrosion of a metal by the numerical analysis according to any one of 1 to 4 above.
6.前記1〜4のいずれか一項の数値解析による金属の腐食予測方法によって、耐食性を予測して、防錆性能を設計することを特徴とする鋼構造物の設計方法。
6). A method for designing a steel structure, wherein the corrosion resistance is predicted by the method for predicting corrosion of a metal by the numerical analysis according to any one of the
7.コンピュータに、前記1〜4のいずれか一項の数値解析による金属の腐食予測方法を実行させる腐食予測プログラム。 7. A corrosion prediction program for causing a computer to execute the metal corrosion prediction method according to the numerical analysis according to any one of 1 to 4 above.
本発明の数値解析による金属の腐食予測方法によれば、金属の腐食生成物が金属表面に堆積することによる腐食速度への影響を考慮した数値計算を行うので、電解質溶液と接触した金属の腐食を数値解析によってより高精度に予測することが可能となる。 According to the metal corrosion prediction method of the present invention by numerical analysis, numerical calculation is performed in consideration of the influence on the corrosion rate due to the deposition of metal corrosion products on the metal surface. Can be predicted with higher accuracy by numerical analysis.
本発明は、電解質溶液と接触した金属の腐食を数値解析によって予測する方法である。その一実施形態を、図1〜3を参照して説明する。 The present invention is a method for predicting corrosion of a metal in contact with an electrolyte solution by numerical analysis. One embodiment thereof will be described with reference to FIGS.
図1は、本発明の一実施形態による、数値解析による金属の腐食予測方法のフローチャートである。図2は、このような数値解析を適用するための、金属と電解質溶液とが接触した系の計算モデル図であり、2つの金属A、Bが接触し電気的に短絡した状態の上に電解質溶液が存在する異種金属接触腐食の一例を示している。
図2に示す計算モデルでは、金属と、この金属に接触している電解質溶液の薄膜を、これらの断面において2次元の格子状の領域(以下、「セル」という。)に区切り、境界要素法や有限要素法などを用いて各セル中の電位、電流密度、化学種の濃度などを計算して、腐食量や化合物の沈殿反応を予測する。
以下、計算手順の典型的な例を説明する。
FIG. 1 is a flowchart of a metal corrosion prediction method by numerical analysis according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a calculation model diagram of a system in which a metal and an electrolyte solution are in contact with each other in order to apply such numerical analysis. The electrolyte is formed on a state where two metals A and B are in contact with each other and are electrically short-circuited. 2 shows an example of dissimilar metal contact corrosion in the presence of a solution.
In the calculation model shown in FIG. 2, the metal and the electrolyte solution thin film in contact with the metal are divided into two-dimensional lattice-like regions (hereinafter referred to as “cells”) in these cross sections, and the boundary element method is used. The potential, current density, concentration of chemical species, etc. in each cell are calculated using the finite element method and the like, and the amount of corrosion and the precipitation reaction of the compound are predicted.
Hereinafter, a typical example of the calculation procedure will be described.
まず、ステップS1において、金属と腐食媒体となる電解質溶液の形状を設定し、電解質溶液中の化学種の初期濃度と物性値を設定する。物性値は、化学種の物質輸送を計算するために用いる拡散係数や、イオンの電荷などである。 First, in step S1, the shape of the electrolyte solution that becomes the metal and the corrosive medium is set, and the initial concentration and physical property value of the chemical species in the electrolyte solution are set. The physical property value is a diffusion coefficient used for calculating mass transport of chemical species, an ion charge, or the like.
次に、ステップS2において、数値解析に用いる境界条件を設定する。ここで、金属と電解質溶液との界面における境界条件としては、電解質溶液中における金属表面の電位Eと電流密度iの関数となる分極曲線を設定する。また、電解質溶液の気相との界面、および電解質溶液の端部では、電流の流出入がないという条件を境界条件として設定する。 Next, in step S2, boundary conditions used for numerical analysis are set. Here, as a boundary condition at the interface between the metal and the electrolyte solution, a polarization curve that is a function of the potential E of the metal surface in the electrolyte solution and the current density i is set. In addition, a condition that no current flows in and out is set as a boundary condition at the interface of the electrolyte solution with the gas phase and at the end of the electrolyte solution.
次に、ステップS3において、ある時刻tでの電解質溶液および金属の電位分布および電流密度分布を数値計算により求める。
すなわち、ステップS2で設定した境界条件を用いて、(1)式に示すラプラス方程式を解く。
また、イオンの易動度ukの値は、式(3)に示すNernst-Einsteinの関係を用いて、イオン種kの拡散係数Dkから求められる。
さらに、得られた電位を、式(4)に代入することで、電流密度Iの分布が得られる。
That is, the Laplace equation shown in the equation (1) is solved using the boundary condition set in step S2.
In addition, the value of the ion mobility u k can be obtained from the diffusion coefficient D k of the ion species k using the Nernst-Einstein relationship shown in Equation (3).
Furthermore, the distribution of the current density I is obtained by substituting the obtained potential into the equation (4).
次に、ステップS4において、式(1)から得られた電位を、式(5)に示すNernst-Planckの式に代入し、各セルにおける各イオンの濃度変化量を求める。
なお、ここでは、電流密度および電位分布を計算するステップS3と、化学種の化学反応の平衡計算により、腐食生成物の生成の化学反応を考えるステップS5とが分かれているため、rkは腐食反応によるイオンの生成量のみを考慮している。
そして、腐食反応によるイオンの生成量、すなわち金属の腐食量は、金属と水溶液の界面における電流密度を用いて、式(6)に示すFaradayの法則により計算される。
Here, the step S3 of calculating the current density and potential distribution by equilibrium calculations species of chemical reactions, since the step S5 to consider the chemical reaction of the formation of corrosion products are separated, r k corrosion Only the amount of ions produced by the reaction is considered.
The amount of ions generated by the corrosion reaction, that is, the amount of corrosion of the metal is calculated according to Faraday's law shown in Equation (6) using the current density at the interface between the metal and the aqueous solution.
また、実際の計算に際しては、種々の時刻において、ステップS3を行うことにより、電解質溶液中の金属との界面近傍における電流密度が求まっているので、式(6)を用いて微小時間毎に腐食量を求めて、これを積算することにより、所定時間経過後の金属表面の腐食量の分布を得ることができる。 In actual calculation, the current density in the vicinity of the interface with the metal in the electrolyte solution is obtained by performing Step S3 at various times. Therefore, the corrosion is performed every minute using Equation (6). The distribution of the corrosion amount on the metal surface after the lapse of a predetermined time can be obtained by obtaining the amount and integrating the amounts.
なお、式(5)による物質輸送を計算すると、各セルにおいて電荷の総和がゼロになるという電気的中性条件が満たされない場合がある。その場合、各イオンの易動度の大きさに応じてイオンを移動させるなどの操作を行い、電気的中性条件を満たすようにする。 Note that when the mass transport according to the equation (5) is calculated, the electrical neutral condition that the sum of electric charges becomes zero in each cell may not be satisfied. In that case, an operation such as moving ions according to the mobility of each ion is performed so as to satisfy the electrical neutral condition.
次に、ステップS5において、腐食生成物が生成する反応計算を行う。具体的には、上記の計算結果に基づき化学平衡計算を行えばよいが、反応速度定数が分かる場合には、反応速度式に基づいた計算を行ってもよい。 Next, in step S5, a reaction calculation for generating a corrosion product is performed. Specifically, the chemical equilibrium calculation may be performed based on the above calculation result, but if the reaction rate constant is known, the calculation based on the reaction rate equation may be performed.
ステップS6では、上記で数値計算を行った時刻tが、予め設定した時刻tsetを超えているか否かを判定する。設定時刻tsetを超えていない場合には、Δtを加えてステップS3に戻り、新たな時刻tでの電解質溶液中の電位分布および電流密度分布の計算を行う。数値計算を行った時刻tが設定時刻tsetを超えた場合には、ステップS7に進む。 In step S6, it is determined whether or not the time t at which the numerical calculation is performed exceeds a preset time t set . If the set time t set has not been exceeded, Δt is added and the process returns to step S3 to calculate the potential distribution and current density distribution in the electrolyte solution at the new time t. When the time t when the numerical calculation is performed exceeds the set time t set , the process proceeds to step S7.
最後に、ステップS7において、各種計算結果を出力して、本方法を終了とする。 Finally, in step S7, various calculation results are output, and the present method ends.
ここで、上記で数値計算によって求めた電位分布、電流密度分布、および腐食量は、その時刻までに形成した腐食生成物の影響を強く受ける。腐食生成物は、酸化物や水酸化物など絶縁体や半導体の電気的性質を有するものが多く、金属や電解質溶液に比べて電気伝導度が極めて低い。このような物質が電解質溶液中に生成・堆積することで、電解質溶液中の電位分布や電流密度分布が変化する。その結果として、その時間以降の腐食反応や腐食生成物の形成も変化する。 Here, the potential distribution, the current density distribution, and the corrosion amount obtained by the numerical calculation above are strongly influenced by the corrosion products formed up to that time. Many corrosion products have electrical properties of insulators and semiconductors, such as oxides and hydroxides, and have extremely low electrical conductivity compared to metals and electrolyte solutions. When such a substance is generated and deposited in the electrolyte solution, the potential distribution and current density distribution in the electrolyte solution change. As a result, the corrosion reaction and the formation of corrosion products after that time also change.
そこで本発明では、このような腐食現象に生成した腐食生成物が及ぼす影響を模擬した数値解析による金属の腐食予測方法を提供する。 Therefore, the present invention provides a method for predicting corrosion of a metal by numerical analysis simulating the effect of a corrosion product generated on such a corrosion phenomenon.
図3に、金属腐食生成物の形成を説明する図を示す。ここで、金属Aが腐食により金属イオンA+を溶液中に生成する場合、時間経過とともにA+の濃度が高くなり、やがて酸化物あるいは水酸化物の溶解度積との関係から、酸化物AOあるいは水酸化物A(OH)を形成するとする。先に述べたように、腐食生成物の多くは、絶縁体あるいは半導体であり、腐食前の金属に比べると電気化学的に反応不活性である。よって、腐食生成物が堆積していない金属と電解質溶液との界面と、腐食生成物が堆積した金属と電解質溶液との界面とでは、その腐食反応性が異なる。 FIG. 3 is a diagram illustrating the formation of metal corrosion products. Here, when the metal A generates metal ions A + in the solution due to corrosion, the concentration of A + increases with time, and the oxide AO or Suppose that hydroxide A (OH) is formed. As described above, most of the corrosion products are insulators or semiconductors, and are electrochemically inactive as compared to the metal before corrosion. Therefore, the corrosion reactivity differs between the interface between the metal where the corrosion product is not deposited and the electrolyte solution, and the interface between the metal where the corrosion product is deposited and the electrolyte solution.
そこで、本発明では、上記のステップS3の数値計算を行うにあたり、計算モデルにおける電解質溶液と金属との界面近傍に位置する電解質溶液の電気伝導度を、上記電解質溶液の溶質濃度、すなわち(2)式から計算される電気伝導度を下回る値とし、これにより、金属の腐食の際に金属の表面に堆積する腐食生成物が腐食速度に及ぼす影響を模擬して、電解質溶液および金属の電位分布や電流密度分布を計算する。その結果、実際に観察される腐食現象に近い電位分布や電流密度分布を得ることが可能となる。 Therefore, in the present invention, when performing the numerical calculation in step S3, the electric conductivity of the electrolyte solution located in the vicinity of the interface between the electrolyte solution and the metal in the calculation model is expressed as the solute concentration of the electrolyte solution, that is, (2). The value is less than the electrical conductivity calculated from the equation, and this simulates the effect of corrosion products deposited on the surface of the metal during the corrosion of the metal on the corrosion rate. Calculate the current density distribution. As a result, it is possible to obtain a potential distribution and current density distribution close to the actually observed corrosion phenomenon.
ここで、電解質溶液と金属との界面近傍に位置する電解質溶液とは、金属と電解質溶液とが接触した系において、少なくとも電解質溶液と金属との界面から[電解質溶液の厚さ(mm)の1/1000(隙間腐食の場合には、隙間高さ(mm)の1/1000)]までの領域に存在する電解質溶液を示す。なお、本発明の数値解析による金属の腐食予測方法を行なうにあたっては、少なくとも上記の領域に存在する電解質溶液の電気伝導度を、電解質溶液の溶質濃度から計算される電気伝導度を下回る値に設定すればよいが、このような設定を行う領域は、電解質溶液と金属との界面から[電解質溶液の厚さ(mm)の1/2(隙間腐食の場合には、隙間高さ(mm)の1/2)]までの領域とすることが好ましい。
なお、界面近傍以外の電解質溶液については、界面近傍と同様の電気伝導度の設定を行なってもよいし、溶質濃度から計算される電気伝導度をそのまま使用してもよい。
Here, the electrolyte solution located in the vicinity of the interface between the electrolyte solution and the metal means that at least from the interface between the electrolyte solution and the metal in the system in which the metal and the electrolyte solution are in contact, the thickness of the electrolyte solution (mm) is 1 / 1000 (in the case of crevice corrosion, 1/1000 of the gap height (mm))] indicates the electrolyte solution existing in the region. When performing the metal corrosion prediction method by numerical analysis of the present invention, at least the electric conductivity of the electrolyte solution existing in the above region is set to a value lower than the electric conductivity calculated from the solute concentration of the electrolyte solution. However, the region where such a setting is performed is from the interface between the electrolyte solution and the metal [1/2 of the electrolyte solution thickness (mm) (in the case of crevice corrosion, the gap height (mm) 1/2)] is preferable.
For the electrolyte solution other than the vicinity of the interface, the same electrical conductivity as that in the vicinity of the interface may be set, or the electrical conductivity calculated from the solute concentration may be used as it is.
また、本実施形態では、電解質溶液と金属との界面近傍に位置する電解質溶液のセルjの電気伝導度をσj、該セルjの体積をV0j、該セルjにおいて腐食生成物が占める体積をVcj、電解質溶液の溶質濃度から計算される電気伝導度をσ0としたとき、σ0、σj、V0jおよびVcjについて、次式の関係を満足させることで、電解質溶液と金属との界面近傍に位置する電解質溶液の電気伝導度を設定している。
σj=α×σ0×(1-Vcj/V0j)
ただし、0.10 ≦α≦ 5.00である。
In this embodiment, the electric conductivity of the cell j of the electrolyte solution located in the vicinity of the interface between the electrolyte solution and the metal is σ j , the volume of the cell j is V 0j , and the volume occupied by the corrosion product in the cell j the V cj, when the electrical conductivity is calculated from the solute concentration of the electrolyte solution was a σ 0, σ 0, σ j , the V 0j and V cj, by satisfying the relation of the following equation, the electrolyte solution and the metal The electric conductivity of the electrolyte solution located in the vicinity of the interface is set.
σ j = α × σ 0 × (1-V cj / V 0j )
However, 0.10 ≦ α ≦ 5.00.
ここで、αは腐食生成物の形態や電気的性質に依存する因子である。αを0.10未満とした場合は、電解質溶液と金属との界面近傍に位置する電解質溶液の電気伝導度が過度に小さくなり、腐食生成物による下地金属の腐食抑制効果が大きい想定となる。実際には腐食生成物が物理的に破壊・損傷されるために、腐食速度がそこまで小さく抑制されることはなく、実際の腐食現象と数値計算による乖離が大きくなる。一方、αが5.00を超えると、腐食生成物による下地金属の腐食抑制効果が小さい想定となり、腐食生成物堆積による腐食抑制効果が模擬されない。この観点から、より好適なαの範囲は0.30以上2.00以下である。
なお、αは時刻tによらず一定としてもよいが、腐食開始時点からの時間の経過とともに、腐食生成物の生成量は変化するため、腐食生成物の生成量に応じて変化させることが好ましい。
すなわち、
0≦Vcj/V0j≦0.2の場合、1.00≦α≦5.00
0.2<Vcj/V0j≦0.5の場合、0.50≦α≦2.00
0.5<Vcj/V0j≦1.0の場合、0.10≦α≦1.00
とすることが好ましい。
Here, α is a factor depending on the form and electrical properties of the corrosion product. When α is less than 0.10, the electrical conductivity of the electrolyte solution located in the vicinity of the interface between the electrolyte solution and the metal becomes excessively small, and it is assumed that the corrosion suppression effect of the base metal by the corrosion product is large. Actually, since the corrosion product is physically destroyed and damaged, the corrosion rate is not so small and the difference between the actual corrosion phenomenon and the numerical calculation becomes large. On the other hand, when α exceeds 5.00, it is assumed that the corrosion inhibitory effect of the base metal by the corrosion product is small, and the corrosion inhibitory effect by the corrosion product accumulation is not simulated. From this viewpoint, a more preferable range of α is 0.30 or more and 2.00 or less.
Α may be constant regardless of the time t. However, since the amount of corrosion products changes with the passage of time from the start of corrosion, it is preferable to change according to the amount of corrosion products generated. .
That is,
When 0 ≦ Vcj / V0j ≦ 0.2, 1.00 ≦ α ≦ 5.00
When 0.2 <V cj / V 0j ≦ 0.5, 0.50 ≦ α ≦ 2.00
If 0.5 <V cj / V 0j ≦ 1.0, 0.10 ≦ α ≦ 1.00
It is preferable that
また、Vcj/V0jは以下のようにして計算する。
すなわち、まず、セルj内において、数値計算から生成が予測される時刻tでの腐食生成物(酸化物、水酸化物など)の総量(gまたはmol)を求め、この値を、これらの腐食生成物の密度で除することでVcjを求める。例えば、腐食生成物の質量を用いる場合には、Vcj=m/dにより計算する。ここで、Vcjはセルjにおいて腐食生成物が占める体積(cm3)、mは腐食生成物の生成質量(g)、dは腐食生成物の密度(g/cm3)を表す。なお、腐食生成物が多数の成分からなる場合は、全ての成分について計算しても良いが、腐食生成物の主成分となっている酸化物や水酸化物のみを用いて計算してもよい。そして、このVcjを、セルjの体積:V0j(元々は水溶液のみが占めていた初期のセルjの体積)で除することにより、Vcj/V0jを計算する。
なお、二次元モデルの場合には、セルの体積およびセルにおいて腐食生成物が占める体積を、それぞれ面積と読み替えてもよい。
V cj / V 0j is calculated as follows.
That is, first, in the cell j, the total amount (g or mol) of corrosion products (oxides, hydroxides, etc.) at the time t predicted to be generated by numerical calculation is obtained, and this value is determined based on these corrosions. V cj is determined by dividing by the density of the product. For example, when the mass of the corrosion product is used, the calculation is performed by V cj = m / d. Here, V cj is the volume (cm 3 ) occupied by the corrosion product in cell j, m is the mass (g) of the corrosion product, and d is the density (g / cm 3 ) of the corrosion product. In addition, when a corrosion product consists of many components, you may calculate about all the components, but you may calculate using only the oxide and hydroxide which are the main components of a corrosion product. . Then, V cj / V 0j is calculated by dividing this V cj by the volume of the cell j: V 0j (the volume of the initial cell j originally occupied only by the aqueous solution).
In the case of the two-dimensional model, the volume of the cell and the volume occupied by the corrosion product in the cell may be read as the area.
さらに、αは、実際の腐食現象に近い数値計算を行うために、腐食生成物の混合比と電解質溶液の導電率の関係を直線近似した比例定数として、実験により求めてもよい。
例えば、腐食生成物に相当する純度の高い酸化物や水酸化物を準備できる場合、腐食生成物の成分ごとに上記比例定数を求め、次式によりαを求めればよい。
α=Σ(αm×Vm/Vc)
ここで、αmは腐食生成物成分mのαの値、Vmは腐食生成物成分mの体積、Vcは全ての腐食生成物成分の体積の総和である。
Furthermore, in order to perform a numerical calculation close to an actual corrosion phenomenon, α may be obtained by experiment as a proportionality constant that approximates the relationship between the mixing ratio of the corrosion products and the conductivity of the electrolyte solution.
For example, when a highly pure oxide or hydroxide corresponding to the corrosion product can be prepared, the proportional constant is obtained for each component of the corrosion product, and α is obtained by the following equation.
α = Σ (α m × V m / Vc)
Here, α m is the value of α of the corrosion product component m, V m is the volume of the corrosion product component m, and Vc is the sum of the volumes of all the corrosion product components.
加えて、σ0は電解質溶液の初期の溶質濃度から(2)式により計算される電気伝導度を用い、時間によらず一定としてもよい。また、時間ごとの電解質溶液中の溶質濃度から計算される電気伝導度を用いてもよい。 In addition, σ 0 may be constant regardless of time by using the electric conductivity calculated by the equation (2) from the initial solute concentration of the electrolyte solution. Moreover, you may use the electrical conductivity calculated from the solute density | concentration in the electrolyte solution for every time.
なお、上記以外の条件、例えば、計算モデルにおける電解質溶液および金属をそれぞれ複数のセルに分割する際の条件(セルの大きさや形状など)は特に限定されず、常法に従えばよい。 In addition, conditions other than the above, for example, conditions (such as cell size and shape) when the electrolyte solution and the metal in the calculation model are each divided into a plurality of cells are not particularly limited, and may be in accordance with an ordinary method.
本発明の数値解析による金属の腐食予測方法を適用する金属は、特に限定されないが、亜鉛、鉄、アルミ、銅、およびニッケルから選択される一種以上の金属、又は該金属を主成分とする合金を好適に適用できる。また、本発明の数値解析による金属の腐食予測方法を、図2に示したような異種金属接触腐食に適用すると特に有効である。この場合、金属Aと電解質溶液との界面では、金属Aの分極曲線を境界条件とし、金属Bと電解質溶液との界面では、金属Bの分極曲線を境界条件とする。異種金属接触腐食の例としては、亜鉛又は亜鉛めっきと、鉄又は鋼との組み合わせが挙げられる。 The metal to which the metal corrosion prediction method according to the present invention is applied is not particularly limited, but one or more metals selected from zinc, iron, aluminum, copper, and nickel, or alloys containing the metal as a main component Can be suitably applied. In addition, the metal corrosion prediction method according to the numerical analysis of the present invention is particularly effective when applied to dissimilar metal contact corrosion as shown in FIG. In this case, the polarization curve of metal A is the boundary condition at the interface between metal A and the electrolyte solution, and the polarization curve of metal B is the boundary condition at the interface between metal B and the electrolyte solution. As an example of dissimilar metal contact corrosion, the combination of zinc or galvanizing and iron or steel is mentioned.
腐食生成物の金属表面への堆積は、電解質溶液中よりも大気環境で明瞭であり、その影響も大きい。従って、金属の大気腐食を予測するために、金属表面上の電解質溶液の厚さが10mm未満である数値計算に好適である。 The deposition of the corrosion product on the metal surface is more obvious in the atmospheric environment than in the electrolyte solution, and its influence is greater. Therefore, it is suitable for numerical calculation in which the thickness of the electrolyte solution on the metal surface is less than 10 mm in order to predict atmospheric corrosion of the metal.
鋼構造物の設計において、上記説明した数値解析による金属の腐食予測方法によって、耐食性を予測して、材料を選定することを特徴とする。また、鉄鋼材料の設計方法において、上記説明した数値解析による金属の腐食予測方法によって耐食性を予測して、防錆性能を設計することを特徴とする。 In designing a steel structure, the material is selected by predicting the corrosion resistance by the above-described metal corrosion prediction method by numerical analysis. Moreover, in the design method of a steel material, corrosion resistance is predicted by the metal corrosion prediction method by the numerical analysis explained above, and the rust prevention performance is designed.
また、本発明の目的は、前述した実施形態の各工程を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成される。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムおよびプログラムコードを記憶した記憶媒体は、本発明を構成することになる。 In addition, an object of the present invention is to supply a storage medium storing software program codes for realizing the steps of the above-described embodiment to a system or apparatus, and the computer of the system or apparatus (or CPU or MPU) stores the storage medium. It is also achieved by reading and executing the program code stored on the medium. In this case, the program code itself read from the storage medium realizes the functions of the above-described embodiment, and the storage medium storing the program and the program code constitutes the present invention.
ここでプログラムコードを記憶する記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ROM、RAM、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、CD−ROM、CD−R、DVD、光ディスク、光磁気ディスク、MOなどが考えられる。また、LAN(ローカル・エリア・ネットワーク)やWAN(ワイド・エリア・ネットワーク)などのコンピュータネットワークを、プログラムコードを供給するために用いることができる。 Examples of the storage medium for storing the program code include a flexible disk, hard disk, ROM, RAM, magnetic tape, nonvolatile memory card, CD-ROM, CD-R, DVD, optical disk, magneto-optical disk, MO, and the like. Can be considered. Also, a computer network such as a LAN (Local Area Network) or a WAN (Wide Area Network) can be used to supply the program code.
実施例1
種々の厚さとなる0.6mol/L、1.2mol/Lおよび2.0mol/Lの濃度のNaCl水溶液で表面を覆われた互いに接触した亜鉛と鉄の異種金属接触腐食を、上記の実施形態に基づく数値計算により予測した。
図4に本実施例で用いた形状のモデル図を示す。図中の領域ΩはNaCl水溶液が占める領域であり、この溶液中における考慮する化学種の初期濃度および拡散係数を表1のように設定した。
Example 1
The dissimilar metal contact corrosion of zinc and iron in contact with each other covered with NaCl aqueous solutions having various thicknesses of 0.6 mol / L, 1.2 mol / L and 2.0 mol / L is described above. Predicted by numerical calculation based on.
FIG. 4 shows a model diagram of the shape used in this example. The region Ω in the figure is a region occupied by the NaCl aqueous solution, and the initial concentration and diffusion coefficient of the chemical species to be considered in this solution are set as shown in Table 1.
また、図4の領域Ωでは、式(5)の物質輸送の式が成り立つと仮定し、それぞれの化学種について水溶液中の濃度勾配による拡散、電荷による泳動を考慮した。なお、ここでは対流の影響は無視することとした。
式(5)を解くための境界条件として、境界1には各濃度のNaCl水溶液中で測定した亜鉛のアノード分極曲線を、境界2には各濃度のNaCl水溶液中で測定した鉄のカソード分極曲線を用いた。
その他の境界には、電流の流出入がない(∂Ф/∂n=0:ここでnは単位ベクトルを示す)という条件を境界条件として用いた。
Further, in the region Ω of FIG. 4, it is assumed that the equation of mass transport of Equation (5) holds, and diffusion due to a concentration gradient in an aqueous solution and migration due to electric charge are considered for each chemical species. Here, the influence of convection was ignored.
As boundary conditions for solving the equation (5), the anodic polarization curve of zinc measured in each concentration of NaCl aqueous solution is shown in
The other boundary has a condition that there is no current inflow / outflow (∂ / : n = 0: where n represents a unit vector) as the boundary condition.
この条件のもと、時間:0から時間:60分まで逐次計算を行い、電位および電流の分布を計算するとともに、その時間での化学種の濃度および反応生成物の濃度分布を計算した。
なお、当該異種金属接触腐食の計算では、亜鉛および鉄上では金属が溶解するアノード反応と、酸素が還元するカソード反応が生じているとした。亜鉛のアノード反応、鉄のアノード反応および亜鉛と鉄上の酸素の還元反応は、それぞれ式(7)、式(8)、式(9)で表わされる。
Zn → Zn2+ + 2e- ・・・・(7)
Fe → Fe2+ + 2e- ・・・・(8)
2H2O + O2 + 4e- → 4OH- ・・・・(9)
Under these conditions, the calculation was performed sequentially from time: 0 to time: 60 minutes to calculate the distribution of potential and current, and the concentration distribution of chemical species and reaction product concentration at that time.
In the calculation of the different metal contact corrosion, it was assumed that an anode reaction in which metal was dissolved and a cathode reaction in which oxygen was reduced occurred on zinc and iron. The anodic reaction of zinc, the anodic reaction of iron, and the reduction reaction of oxygen on zinc and iron are represented by formula (7), formula (8), and formula (9), respectively.
Zn → Zn 2+ + 2e − (7)
Fe → Fe 2+ + 2e - ···· (8)
2H 2 O + O 2 + 4e − → 4OH − (9)
この反応式に基づき、亜鉛と水溶液との界面における電流密度から、Znの溶解量を計算し、これを計算時間に対して積算することで60分後の亜鉛の腐食量を求めた。また、腐食反応により生成したイオンおよび水溶液中の存在していたイオンが反応し、腐食生成物を形成する。このときの溶液内での酸化物、水酸化物(腐食生成物)の形成量を、化学平衡計算により求めた。考慮した化学反応と平衡定数を表2に示す。 Based on this reaction formula, the dissolution amount of Zn was calculated from the current density at the interface between zinc and an aqueous solution, and this was integrated with respect to the calculation time to determine the corrosion amount of zinc after 60 minutes. In addition, ions generated by the corrosion reaction and ions present in the aqueous solution react to form a corrosion product. The amounts of oxides and hydroxides (corrosion products) formed in the solution at this time were determined by chemical equilibrium calculation. Table 2 shows the chemical reactions and equilibrium constants considered.
これらの数値計算結果の妥当性を評価するために、数値計算と同じ条件で腐食実験を行った。図5に、腐食実験に用いた10mm×10mm×5mmtの亜鉛と鉄(いずれも純度99.999%)を互いに接触させて固定した試験片の模式図を示す。この試験片の表面に数値計算した条件と同じ濃度、同じ厚さのNaCl水溶液を形成させた。金属表面上にできるだけ均一に溶液を広げるために、はじめは5倍に希釈したNaCl水溶液を最終的な体積の5倍量表面に滴下して均一に広げた後、すみやかに室温、相対湿度をRH98%(0.6mol/L相当)、RH93%(1.2mol/L相当)、RH85%(2.0mol/L相当)に設定した恒温恒湿槽に試験片を入れ、所定濃度と厚さのNaCl水溶液の膜を試験片上に形成した。5倍希釈の溶液を用いることにより少量の溶液量によるはじきを抑制した。そして、恒温恒湿槽に試験片を入れた後、水を蒸発させて目的の1/5のNaCl水溶液の厚さまで極力均一に減少させた。
In order to evaluate the validity of these numerical calculation results, corrosion experiments were performed under the same conditions as the numerical calculation. FIG. 5 shows a schematic diagram of a test piece in which 10 mm × 10 mm × 5 mmt zinc and iron (both purities 99.999%) used in the corrosion experiment are fixed in contact with each other. A NaCl aqueous solution having the same concentration and the same thickness as the numerically calculated conditions was formed on the surface of the test piece. In order to spread the solution as uniformly as possible on the metal surface, first, an aqueous NaCl solution diluted to 5 times is dropped on the surface of the
恒温恒湿槽に試験片を60分入れたまま腐食させた後、走査型ケルビンプローブを用いて表面の電位分布を測定した。測定環境の条件は、腐食状態を変化させないように相対湿度室温で、相対湿度を98%、93%または85%に維持したままとした。測定終了後、すみやかに試験片を洗浄し、乾燥させた後、図5のA−A´に示す試験片中央部を長手方向に切断して、腐食状態を断面から走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、亜鉛の腐食量を厚さから求めた。 After the test piece was corroded for 60 minutes in a constant temperature and humidity chamber, the surface potential distribution was measured using a scanning Kelvin probe. The measurement environment was maintained at a relative humidity of room temperature and a relative humidity of 98%, 93% or 85% so as not to change the corrosion state. After completion of the measurement, the test piece was immediately washed and dried, and then the central part of the test piece shown in A-A ′ in FIG. 5 was cut in the longitudinal direction to show the corrosion state from the cross section by a scanning electron microscope (SEM). The amount of zinc corrosion was determined from the thickness.
表3に、計算と実験に用いたNaCl水溶液の条件、計算に用いた腐食生成物の影響を考慮するためのパラメーター、計算と実験の結果の比較を示す。計算においては、電解質溶液と金属との界面近傍に位置する電解質溶液を、電解質溶液と金属との界面から[電解質溶液の厚さ(mm)の1/100]までの領域に存在する電解質溶液とした。また、界面近傍以外の電解質溶液については、溶質濃度から計算される電気伝導度を使用した。
なお、電位分布は、試験片長手方向1mmおきに全20点を比較した結果、計算結果がすべて実験結果に対して±30mVの範囲内となった場合を◎(特に精度が高い)、◎には該当しないものの計算結果がすべて実験結果に対して±50mVの範囲内となった場合を○(精度が高い)、計算結果が一部でも実験結果に対して±50mVの範囲外となる場合を×(精度が低い)として評価した。
また、腐食量分布は、20点すべての測定点において、(計算の腐食量)/(実験の腐食量)=0.75〜1.25である場合を◎(特に精度が高い)、◎には該当しないものの(計算の腐食量)/(実験の腐食量)=0.5〜1.5である場合を○(精度が高い)、(計算の腐食量)/(実験の腐食量)が一部の測定点でも0.5〜1.5の範囲を外れる場合を×(精度が低い)として評価した。
Table 3 shows the conditions of the NaCl aqueous solution used in the calculations and experiments, the parameters for considering the influence of the corrosion products used in the calculations, and a comparison of the results of the calculations and the experiments. In the calculation, an electrolyte solution located in the vicinity of the interface between the electrolyte solution and the metal is separated from the interface between the electrolyte solution and the metal with an electrolyte solution existing in a region from 1/100 of the thickness (mm) of the electrolyte solution. did. For the electrolyte solution other than the vicinity of the interface, the electrical conductivity calculated from the solute concentration was used.
In addition, as for the potential distribution, when all 20 points were compared every 1 mm in the longitudinal direction of the test piece, the calculation results were all within ± 30 mV of the experimental result. Although not applicable, ○ when the calculation results are all within the range of ± 50 mV relative to the experimental results (high accuracy), and even when some of the calculation results are outside the range of ± 50 mV relative to the experimental results Evaluation was made as x (low accuracy).
Corrosion amount distribution is ◎ (particularly high accuracy) and ◎ when (calculated corrosion amount) / (experimental corrosion amount) = 0.75 to 1.25 at all 20 measurement points. Is not applicable, but (calculation amount) / (experimental corrosion amount) = 0.5 to 1.5 (high accuracy), (calculation amount) / (experimental corrosion amount) is The case where it was outside the range of 0.5 to 1.5 even at some measurement points was evaluated as x (low accuracy).
発明例ではいずれも、異なる溶液濃度、溶液の厚さに対して高い精度で電位および腐食量の分布が予測できた。また、腐食生成物の影響を考慮するパラメーターであるαを適切な範囲に設定したNo.1〜7では、特に高い精度で電位および腐食量の分布が予測できた。
一方、腐食生成物の形成による電解液溶液の電気伝導度の低下、すなわち腐食生成物の堆積による腐食速度の低下を考慮していない比較例では、電位および腐食量の分布の計算結果とも精度が低く、実験結果とは一致しなかった。
In all the inventive examples, the distribution of potential and corrosion amount could be predicted with high accuracy for different solution concentrations and solution thicknesses. In addition, α, which is a parameter that takes into account the influence of corrosion products, is set to an appropriate range. In 1 to 7, the distribution of potential and corrosion amount could be predicted with particularly high accuracy.
On the other hand, in the comparative example in which the decrease in the electrical conductivity of the electrolyte solution due to the formation of the corrosion product, that is, the decrease in the corrosion rate due to the deposition of the corrosion product is not taken into account, the calculation result of the distribution of the potential and the corrosion amount is accurate It was low and did not agree with the experimental results.
実施例2
鉄鋼材料の隙間腐食を、上記の実施形態に基づく数値計算により予測した。濃度が0.1mol/L、0.6mol/Lまたは2.0mol/LのNaCl水溶液中に長さ20mm、隙間高さdの隙間を有する鋼が浸漬した状態を仮定した。図6に本実施例で用いた形状のモデル図を示す。なお、数値計算モデルでは、隙間内の内壁部分のみが腐食し、隙間の外部は腐食しないと仮定した。
ここで、図6の隙間内の領域Ωでは、式(5)の物質輸送の式が成り立つとし、式(5)を解くための境界条件として、隙間内の鋼と溶液の境界A−BおよびC−Dでは、当該鋼材について、0.6mol/LのNaCl水溶液中で測定した電位と電流密度の関係から求めたアノード分極曲線を、その他は絶縁体と仮定した境界条件を用いて、電位および電流密度分布、ならびに水溶液中の化学種の濃度計算を行った。
なお、隙間の入り口の溶液濃度は、バルク水溶液の溶液濃度と等しいとした。なお、このモデルではカソード反応は隙間外部の金属表面で起きていると仮定し、アノード反応のみを考慮した。
Example 2
The crevice corrosion of the steel material was predicted by numerical calculation based on the above embodiment. It was assumed that a steel having a gap having a length of 20 mm and a gap height d was immersed in an NaCl aqueous solution having a concentration of 0.1 mol / L, 0.6 mol / L, or 2.0 mol / L. FIG. 6 shows a model diagram of the shape used in this example. In the numerical calculation model, it was assumed that only the inner wall portion in the gap corroded and the outside of the gap did not corrode.
Here, in the region Ω in the gap of FIG. 6, it is assumed that the equation of mass transport of Equation (5) is established, and as a boundary condition for solving Equation (5), the boundary AB between the steel and the solution in the gap and In CD, the anodic polarization curve obtained from the relationship between the electric potential and the electric potential measured in a 0.6 mol / L NaCl aqueous solution was used for the steel material, and the electric potential and Current density distribution and concentration of chemical species in aqueous solution were calculated.
The solution concentration at the entrance of the gap was assumed to be equal to the solution concentration of the bulk aqueous solution. In this model, it was assumed that the cathode reaction occurred on the metal surface outside the gap, and only the anode reaction was considered.
試験片の表面を自然浸漬状態(自然電位、0.59V vs SCE)と活性溶解の状態(0.50V vs SCE)の2条件で計算を行い、アノード反応によりFe2+イオンが、Fradayの法則に従って隙間内の溶液に供給されるものと仮定した。
また、図6中の隙間内の水溶液の領域ΩはNaCl水溶液として、この溶液中において考慮する化学種の初期濃度および拡散係数を表4のように設定した。
Surface natural immersion state (self potential, 0.59 V vs SCE) specimens performs the computation in two conditions of the active dissolved state (0.50 V vs SCE), the Fe 2+ ions by the anode reaction, the law of Fraday It was assumed that the solution was supplied to the solution in the gap.
The region Ω of the aqueous solution in the gap in FIG. 6 was a NaCl aqueous solution, and the initial concentration and diffusion coefficient of the chemical species considered in this solution were set as shown in Table 4.
そして、式(5)の物質輸送の式を、与えられた分極曲線を境界条件として解くことで、時間:0から時間:336時間まで逐次計算を行い、電位および電流の分布を計算するとともに、その時間での化学種の濃度および反応生成物の濃度分布を計算した。表5に平衡計算で考慮した平衡反応を示す。
なお、本実施例では腐食生成物として水酸化鉄Fe(OH)2のみを考慮した。
Then, by solving the mass transport equation of equation (5) using the given polarization curve as a boundary condition, the calculation is performed sequentially from time: 0 to time: 336 hours to calculate the potential and current distribution, The concentration of the chemical species and the concentration distribution of the reaction product at that time were calculated. Table 5 shows the equilibrium reaction considered in the equilibrium calculation.
In this example, only iron hydroxide Fe (OH) 2 was considered as a corrosion product.
隙間内部の腐食による減肉(腐食量)を、従来の腐食生成物の影響を考慮せずに得られた電気伝導度を用いてFaradayの法則によって計算する場合と、腐食生成物の影響を考慮し、電解質溶液と金属との界面近傍に位置する電解質溶液の電気伝導度の補正を行って計算する場合とを、比較した。 Considering the thinning (corrosion amount) due to corrosion inside the crevice using Faraday's law using the electrical conductivity obtained without considering the influence of conventional corrosion products, and considering the influence of corrosion products Then, the calculation was performed by correcting the electrical conductivity of the electrolyte solution located in the vicinity of the interface between the electrolyte solution and the metal.
また、上記、数値計算の妥当性を検証するための鋼の腐食試験を行った。鋼には、AISI1020鋼相当のフェライト−パーライト組織を有する化学組成C:0.20mass%、Mn:0.40mass%、S:0.005mass%、P:0.005mass%のモデル鋼を用いた。この鋼材の表面を、SiCペーパーを用いて#1000まで研磨し、絶縁性のスペーサーを介して研磨面同士を重ねることで隙間を形成した。作製した隙間試験片を様々な濃度のNaCl水溶液に浸漬し、336時間浸漬した後、試料を分解して隙間内の腐食を調査した。試験片を樹脂に埋め込み、隙間の幅方向中央部を断面からSEM観察することで、隙間内の鋼表面の腐食による侵食深さの分布を隙間の入り口より2mm間隔で、全長20mmにわたり測定した。
本実施例における数値計算と腐食試験の結果の比較を表6に示す。計算においては、電解質溶液と金属との界面近傍に位置する電解質溶液を、電解質溶液と金属との界面から[隙間高さ(mm)の1/100]までの領域に存在する電解質溶液とした。また、界面近傍以外の電解質溶液については、溶質濃度から計算される電気伝導度を使用した。
ここで、腐食量分布は、すべての測定点において、(計算の腐食量)/(実験の腐食量)=0.75〜1.25である場合を◎(特に精度が高い)、◎には該当しないものの(計算の腐食量)/(実験の腐食量)=0.5〜1.5である場合を○(精度が高い)、(計算の腐食量)/(実験の腐食量)が、一部の測定点でも0.5〜1.5の範囲を外れる場合を×(精度が低い)として評価した。
Moreover, the corrosion test of the steel for verifying the validity of the above numerical calculation was performed. As the steel, model steel having a chemical composition C: 0.20 mass%, Mn: 0.40 mass%, S: 0.005 mass%, and P: 0.005 mass% having a ferrite-pearlite structure equivalent to AISI 1020 steel was used. The surface of this steel material was polished to # 1000 using SiC paper, and a gap was formed by overlapping the polished surfaces with an insulating spacer interposed therebetween. The prepared gap test piece was immersed in various concentrations of NaCl aqueous solution, immersed for 336 hours, and then the sample was disassembled to investigate corrosion in the gap. The test piece was embedded in the resin, and the central part in the width direction of the gap was observed by SEM from the cross section, whereby the distribution of the erosion depth due to the corrosion of the steel surface in the gap was measured over the entire length of 20 mm at intervals of 2 mm from the entrance of the gap.
Table 6 shows a comparison between the results of the numerical calculation and the corrosion test in this example. In the calculation, the electrolyte solution located in the vicinity of the interface between the electrolyte solution and the metal was an electrolyte solution existing in the region from the interface between the electrolyte solution and the metal to [1/100 of the gap height (mm)]. For the electrolyte solution other than the vicinity of the interface, the electrical conductivity calculated from the solute concentration was used.
Here, the distribution of the corrosion amount indicates that (calculation corrosion amount) / (experimental corrosion amount) = 0.75 to 1.25 at all measurement points. Although not applicable, (calculation corrosion amount) / (experimental corrosion amount) = 0.5 to 1.5 (high accuracy), (calculation corrosion amount) / (experimental corrosion amount) The case where it was outside the range of 0.5 to 1.5 even at some measurement points was evaluated as x (low accuracy).
発明例ではいずれも、試験片の表面が自然浸漬状態および活性溶解の状態のいずれであっても、試験片の隙間形状や溶液濃度によらず、高い精度で腐食量の分布が予測できた。また、腐食生成物の影響を考慮するパラメーターであるαを適切な範囲に設定したNo.1〜7では、特に高い精度で腐食量の分布が予測できた。
一方、腐食生成物の堆積による腐食速度の低下を考慮しない比較例では、腐食量の分布の計算結果の精度が低く、実験結果とは一致しなかった。
In any of the inventive examples, the distribution of the corrosion amount could be predicted with high accuracy regardless of the gap shape or the solution concentration of the test piece, regardless of whether the surface of the test piece was in a naturally immersed state or an active dissolution state. In addition, α, which is a parameter that takes into account the influence of corrosion products, is set to an appropriate range. In 1 to 7, the distribution of the corrosion amount could be predicted with particularly high accuracy.
On the other hand, in the comparative example in which the decrease in the corrosion rate due to the accumulation of the corrosion product is not taken into account, the accuracy of the calculation result of the distribution of the corrosion amount is low and does not match the experimental result.
本発明の数値解析による金属の腐食予測方法によれば、電解質溶液と接触した金属の腐食を数値解析によってより高精度に予測することが可能となる。そのため、金属構造体や製品の設計、材料や構造体の腐食による品質劣化評価、および耐食材料の開発を最適かつ高精度に実施することができ、産業上極めて有益な技術である。 According to the method for predicting corrosion of a metal by numerical analysis of the present invention, it is possible to predict corrosion of a metal in contact with an electrolyte solution with higher accuracy by numerical analysis. Therefore, the design of metal structures and products, the evaluation of quality deterioration due to corrosion of materials and structures, and the development of corrosion-resistant materials can be carried out optimally and with high accuracy, and this is an extremely useful technology in the industry.
Claims (6)
金属と電解質溶液とが接触した系の計算モデルを作成する工程と、
上記計算モデルにより、所定時刻での上記電解質溶液および上記金属の電位分布を数値計算により求める工程と、
を有し、
上記数値計算を行うにあたり、上記計算モデルにおける電解質溶液と金属との界面近傍に位置する電解質溶液の電気伝導度を、上記電解質溶液の溶質濃度から計算される電気伝導度を下回る値とすることにより、金属の腐食の際に金属の表面に堆積する腐食生成物が腐食速度に及ぼす影響を模擬して、上記電解質溶液および上記金属の電位分布を計算し、
前記計算モデルの電解質溶液および金属をそれぞれ複数のセルに分割し、
前記計算モデルにおいて電解質溶液と金属との界面近傍に位置する電解質溶液のセルjの電気伝導度をσ j 、該セルjの体積をV 0j 、該セルjにおいて腐食生成物が占める体積をV cj 、前記電解質溶液の溶質濃度から計算される電気伝導度をσ 0 としたとき、σ 0 、σ j 、V 0j およびV cj が、次式の関係を満足することを特徴とする金属の腐食予測方法。
σ j =α×σ 0 ×(1-V cj /V 0j )
ただし、0.10 ≦α≦ 5.00 である。 A method for predicting corrosion of a metal in contact with an electrolyte solution by numerical analysis,
Creating a calculation model of a system in which a metal and an electrolyte solution are in contact;
A step of calculating the potential distribution of the electrolyte solution and the metal at a predetermined time by numerical calculation using the calculation model;
Have
In performing the numerical calculation, the electric conductivity of the electrolyte solution located in the vicinity of the interface between the electrolyte solution and the metal in the calculation model is set to a value lower than the electric conductivity calculated from the solute concentration of the electrolyte solution. Simulating the effect of corrosion products deposited on the surface of the metal during the corrosion of the metal on the corrosion rate, calculating the potential distribution of the electrolyte solution and the metal ,
Dividing the electrolyte solution and metal of the calculation model into a plurality of cells,
In the calculation model, the electric conductivity of the cell j of the electrolyte solution located in the vicinity of the interface between the electrolyte solution and the metal is σ j , the volume of the cell j is V 0j , and the volume occupied by the corrosion product in the cell j is V cj And σ 0 , σ j , V 0j and V cj satisfy the relationship of the following equation, where σ 0 is the electrical conductivity calculated from the solute concentration of the electrolyte solution : Method.
σ j = α × σ 0 × (1-V cj / V 0j )
However, 0.10 ≦ α ≦ 5.00.
The corrosion prediction program which makes a computer perform the corrosion prediction method of the metal by the numerical analysis of any one of Claims 1-3 .
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