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作者与机构及发表信息
本文的主要作者包括Fan Yang、Yanqi Zhong、Shaohua Xing（通讯作者）、Xiangqian Zhu、Fan Zhang和Ye Zhu（通讯作者）。研究由山东大学化学与化工学院、洛阳船舶材料研究所海洋腐蚀与防护国家重点实验室以及山东大学机械工程学院合作完成。该研究于2024年1月29日在线发表在《Electrochimica Acta》期刊上。

学术背景
本研究属于电化学腐蚀防护领域，重点关注外加电流阴极保护（Impressed Current Cathodic Protection, ICCP）技术在链状结构中的应用。随着海洋工程的发展，深海资源的开发对系泊链的安全性和耐腐蚀性提出了更高要求。然而，系泊链由于其特殊的弯曲圆柱形结构和复杂的服役环境（如风浪、海水腐蚀等），传统的防腐方法（如涂层或牺牲阳极阴极保护）难以满足需求。ICCP技术因其保护周期长、环保性强且可调节电流的优点，被广泛应用于船体、管道等刚性结构中，但在柔性链状结构中的应用却鲜有报道。这是由于链环之间的接触面积小，导致电阻大、导电性差，从而限制了ICCP的应用。本研究旨在通过实验与COMSOL仿真相结合的方式，探索提高链状结构导电性的方法，并验证ICCP在系泊链腐蚀防护中的可行性。

研究流程
本研究分为六个主要部分，涵盖了从样品制备到数据分析的完整流程：

1. 样品制备与试剂选择
   研究使用了三种样品：Sample 1为五节链环组成的钢链，用于腐蚀失重测试；Sample 2为42节链环组成的1米长钢链，用于表面电位测量；Sample 3为经过切割和封装处理的单个链环，用于电化学测试。所有样品均由20Mn2A钢制成，其化学成分详见表1。辅助阳极为钌铱钛混合金属氧化物（Mixed Metal Oxide, MMO）。模拟海水溶液由氯化钠、氯化镁、硫酸镁和氯化钙配制而成，pH值为6.92。

2. 链样导电性改进
   为了满足ICCP对导电性的要求，研究通过直径0.5毫米、长度50毫米的纯铜导线将相邻链环连接起来，连接位置位于每个链环中间（距离端部21毫米）。改进后的样品分别称为Sample 1E和Sample 2E。

3. 实验电路与电位测量
   实验装置包括一个恒电位仪（ITECH IT6720）、MMO辅助阳极、Ag/AgCl参比电极和多用电表。链结构和辅助阳极均浸入模拟海水中形成ICCP系统。电位测量点沿链结构分布，分别为0米、0.135米、0.256米、0.364米、0.460米、0.593米、0.741米、0.872米和1米。

4. 腐蚀失重测试
   测试分为两组：一组为未经导电性改进的Sample 1，另一组为改进后的Sample 1E。样品在模拟海水中分别浸泡10天、30天、60天和90天后，通过失重法计算腐蚀速率。

5. 电化学测试
   使用CHI 660E电化学工作站进行极化曲线测试。样品在模拟海水中浸泡不同时间后，记录开路电位和极化曲线，扫描速率为0.005 V/s。

6. 数值模拟
   使用COMSOL Multiphysics 5.5软件进行数值模拟，计算链结构在不同导电性和辅助阳极距离下的电位分布。通过有限元算法分析二次电流分布场，获得表面电位和电流密度信息。

主要结果
1. 导电性对电位分布的影响
对于未经导电性改进的Sample 2，仅零点电位随施加电流变化显著，其余测量点电位基本保持在-0.55 V至-0.65 V之间，未达到保护范围。而改进后的Sample 2E各测量点电位均匀分布，差异小于12 mV，当电流增加到0.2 A时，所有测量点电位均低于-0.85 V，进入保护范围。这表明自然物理接触无法满足ICCP的要求，而导电性改进显著提高了链结构的导电性。

1. 腐蚀速率分析
   Sample 1的腐蚀严重且快速，腐蚀产物不均匀分布，90天后出现松散的暗黄色腐蚀层。而Sample 1E表面覆盖了一层白色碳酸钙沉积膜，有效抑制了腐蚀。失重法结果显示，Sample 1E的90天腐蚀速率仅为0.00305 g/m²·h，比Sample 1降低了94.8%。

2. 极化曲线分析
   极化曲线显示，Sample 3的腐蚀电位（Ecorr）在30天时达到最低值-0.889 V，随后逐渐回升。腐蚀电流密度（Icorr）在60天时达到最大值，与极化曲线变化一致。这些数据为数值模拟提供了边界条件。

3. 关键导电性模拟
   模拟结果表明，链结构的电位衰减随导电性增加显著减缓。当导电性从0.01 S/m提高到1 S/m时，电位衰减迅速下降。研究还确定了关键导电性与链径的关系公式：σc = 0.015d² + 0.65d + 10.49。

4. 辅助阳极距离的影响
   辅助阳极距离对链结构电位分布有显著影响。随着距离增加，电位向正方向移动，但单个链环的最大电位差小于25 mV，整体分布对称。

结论与意义
本研究表明，通过导电性改进，ICCP技术可以成功应用于链状结构的腐蚀防护。研究不仅验证了ICCP在模拟海水中的有效性，还提供了关键导电性与链径的定量关系公式，为系泊链的设计和优化提供了理论依据。此外，研究发现辅助阳极距离对电位分布的影响规律，为ICCP系统的优化提供了参考。

研究亮点
1. 首次通过实验与数值模拟结合的方式验证了ICCP在链状结构中的可行性。
2. 提出了提高链结构导电性的方法，并证明其有效性。
3. 确定了关键导电性与链径的定量关系公式，具有重要的理论价值。
4. 发现了辅助阳极距离对电位分布的影响规律，为实际应用提供了指导。

其他有价值内容
研究还探讨了腐蚀时间对极化曲线和电位分布的影响，揭示了ICCP系统中电位与电流的动态关系。这些发现为进一步研究柔性结构的腐蚀防护奠定了基础。