张国庆;钱思成;张有慧;郑志建;杨朝晖;陆文萍;孙天翔
【摘 要】目的 研究三种不同成分Al-Zn-In系铝合金牺牲阳极在常规海水环境中的电化学性能.方法 使用牺牲阳极电流效率测试和表面形貌观察等方法.结果 三种不同成分铝合金牺牲阳极的电流效率均超过了90％,其中成分3的阳极表面溶解最均匀,呈现均匀溶解形貌,并且未见明显的腐蚀坑和晶间腐蚀现象.结论 Al-Zn-In系铝合金牺牲阳极中,加入一定量的In、Zn和适量的Si,可以提高牺牲阳极的电化学性能,三种不同成分Al-Zn-In系铝合金牺牲阳极中,成分3牺牲阳极具有最优异的电化学性能. 【期刊名称】《装备环境工程》
【年(卷),期】2019(016)008
【总页数】6页(P1-6)
【关键词】铝合金牺牲阳极;电化学性能;电流效率;腐蚀
虚拟传真【作 者】手套编织机张国庆;钱思成;张有慧;郑志建;杨朝晖;陆文萍;孙天翔
【作者单位】海洋石油工程股份有限公司,天津 300450;海洋石油工程股份有限公司,天津 300450;海洋石油工程(青岛)有限公司,山东 青岛 266520;青岛钢研纳克检测防护技术有限公司,山东 青岛 266071;青岛钢研纳克检测防护技术有限公司,山东 青岛 266071;青岛钢研纳克检测防护技术有限公司,山东 青岛 266071;青岛钢研纳克检测防护技术有限公司,山东 青岛 266071翻转立方体
【正文语种】中 文
【中图分类】TG174
在海洋工程领域，牺牲阳极的阴极保护法具有简单可靠经济有效对环境污染少防腐蚀效果好免维护等优点，因而得到了广泛的推广和应用[1-4]。目前比较常用的牺牲阳极材料包括锌合金镁合金铝合金和铁合金[5-6]。其中，铝合金牺牲阳极具有较大的理论电容量和较高的电流效率，而且成本低廉施工方便，常用于海洋工程中的钢结构设施的腐蚀防护[7-11]。铝合金牺牲阳极中，不同合金元素含量会对牺牲阳极的性能产生一定影响。研究表明[12-1
5]：In元素含量对阳极电化学性能影响最大，其次是TiMg，影响最小的是Zn。添加适量的In 元素可以使铝合金牺牲阳极的工作电位适中，避免阴极区的析氢自腐蚀；而添加少量的Si 元素和Ti 元素可以提高材料的耐蚀性。因此，对Al-Zn-In 系铝合金牺牲阳极进行系统性研究十分有必要。本试验测试了常规海水环境中三种不同合金成分Al-Zn-In 系铝合金牺牲阳极的电化学性能，分析其电化学效率和溶解形貌，为铝合金牺牲阳极在实际工程中的应用提供实验和数据支持。 1 实验
1.1 实验准备
实验选用三种不同成分Al-Zn-In 系铝合金牺牲阳极材料（Al-Zn-In-Si-Fe-Cu），主要成分见表1。车加工至直径为10 mm高50 mm 的阳极试样，在试样的一端钻一个直径约3 mm 的孔，并攻丝，用于连接导电棒，另一端砸钢号。先用蒸馏水清洗，然后用无水乙醇清洗，并放到烘箱内，在(105±2)℃下烘烤30 min 后取出，放入干燥器内。阳极试样冷却至室温后，进行第一次称量，然后重复烘烤称量程序，并取两次最接近的称量结果的平均值为阳极试样质量。铜电量计的阴极铜片和牺牲阳极试样采用相同的方法处理，进行清洗烘
干后称量。
试样制备完成后进行标记，拍照记录试样的原始形貌。拍照完成后安装导电棒，留出14 cm2 的工作面积。阳极试样两端非工作面和连接铜棒的浸水部分，采用绝缘胶带和热熔胶进行密封。
表1 Al-Zn-In 系铝合金牺牲阳极主要成分%Zn In Si Fe Cu Al成分1 5.23 0.018 5 0.109 0.030 5 0.001 75 94.610 25成分2 3.83 0.018 5 0.029 5 0.033 0.001 55 96.087 45成分3 5.215 0.047 5 0.138 0.034 0.001 60 94.563 90
1.2 测试仪器和设备
试验在常规海水环境中进行，测试介质为取自小麦岛洁净的天然海水，盐度大于3%。海水中溶解氧质量浓度为6.8 mg/L，温度为23 ℃。
其他测试仪器和设备包括恒流电源铜电量计饱和甘汞电极电流表电子天平万用表多参数水质分析仪辅助阳极等。
1.3 牺牲阳极电化学测试
牺牲阳极电化学性能试验参照 GB/T 17848—1999 进行。试验结束后，计算阳极电容量电流效率各阶段发出电流。并根据阳极各阶段电位作出极化曲线的对比图。对阳极进行拍照，记录阳极表面形貌，并和试验前进行对比，分析阳极的表面溶解规律。
2 结果与分析
2.1 电化学性能
i型钢2.1.1 成分1
变径套首先通过电容量的计算公式，结合试样1 牺牲阳极中各元素的百分含量，计算得出成分1 牺牲阳极的理论电容量为2867.48 Ah/kg。表2 和表3 分别表示试验前后成分1 牺牲阳极和铜电量计的质量，并通过公式计算出成分1 牺牲阳极的平均实际电容量，见表4。通过每天测量电位，计算得出成分1 牺牲阳极电位的周期性变化，见表5 和图2。
表2 成分1 牺牲阳极试验前后质量 g试样编号 试验前 试验后 质量损失1A 12.375 11.500 0.875 1B 12.308 11.351 0.957 1C 10.668 9.765 0.903
表3 铜电量计试验前后质量 g铜 试验前 试验后 质量增量A/B/C 79.241 82.151 2.910
从测试及计算结果可知，成分1 牺牲阳极开路电位约为-1134 mV，三个平行样的平行性能好，平均电化学容量约为2696.629 Ah/kg，电化学效率约为9 4.04 2%。牺牲阳极工作电位范围约为-1 0 97～-1042 mV。从电位变化曲线看，牺牲阳极极化电位随电流大小调整而变化，三个平行样的变化趋势一致。
表4 成分1 牺牲阳极实际电容量计算-1-1试样 铜电容量/(Ah·kg-1) 铜质量增量/g 试样质量损失/g 1A 843.658 2.910 0.875 1B 843.658 2.910 0.957 1C 843.658 2.910 0.903 实际电容量/(Ah·kg) 平均电容量/(Ah·kg)2805.766 2565.356 2718.766 2696.629
表5 成分1 牺牲阳极电位表电位/mV 阶段 温度/℃ 电流/mA 1 号阳极 2 号阳极 3 号阳极开路 25 -1163 -1165 -1162 Day1 25 21 -1079 -1081 -1077 Day2 25 5.6 -1094 -1096 -1101 Day3 25 56 -1032 -1039 -1044 Day4 25 21 -1074 -1080 -1079
图2 成分1 牺牲阳极电位-时间曲线
2.1.2 成分2
首先通过电容量的计算公式，结合成分2 牺牲阳极中各元素的百分含量，计算得出成分2
牺牲阳极的理论电容量为2897.03 Ah/kg。表6 显示试验前后成分2 牺牲阳极的质量，并通过公式计算出成分2 牺牲阳极的平均实际电容量（见表7）。通过每天测量电位，计算得出成分2 牺牲阳极电位的周期性变化，如表8 和图3 所示。
表6 成分2 牺牲阳极试验前后质量 g成分2 试验前 试验后 质量损失2A 12.445 11.512 0.933 2B 11.846 10.911 0.935 2C 11.810 10.900 0.910
从测试及计算结果可知，成分 2 牺牲阳极的开路电位约为-1138 mV，三个平行样的平行性能较好，平均电化学容量约为2651.638 Ah/kg，电化学效率为 91.530%。牺牲阳极工作电位范围为-1091～-1021 mV。从电位变化曲线看，牺牲阳极极化电位随电流大小调整而变化，三个平行样的变化趋势一致。
表7 成分2 牺牲阳极实际电容量计算成分 铜电容量/(Ah·kg-1) 铜质量增量/g 试样质量损失/g 实际电容量/(Ah·kg-1) 平均电容量/(Ah·kg-1)2A 843.658 2.910 0.933 2631.346 2B 843.658 2.910 0.935 2625.717 2C 843.658 2.910 0.910 2697.852 2651.638
表8 成分2 牺牲阳极电位电位/mV 阶段 温度/℃ 电流/mA 1 号阳极 2 号阳极 3 号阳极开路 2
5 -1193 -1190 -1191 Day1 25 21 -1071 -1073 -1075 Day2 25 5.6 -1088 -1092 -1094 Day3 25 56 -1017 -1021 -1025 Day4 25 21 -1071 -1072 -1076
图3 成分2 牺牲阳极电位-时间曲线
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2.1.3 成分3
首先通过电容量的计算公式，结合成分3 牺牲阳极中各元素的百分含量，计算得出成分3 牺牲阳极的理论电容量为2867.34 Ah/kg。表9 显示试验前后成分3 牺牲阳极的质量，并通过公式计算出成分3 牺牲阳极的平均实际电容量（见表10）。通过每天测量电位，计算得出成分3 牺牲阳极电位的周期性变化，见表11 和图4。
表9 成分3 牺牲阳极试验前后质量 g成分3 试验前 试验后 质量损失3A 12.065 11.142 0.923 3B 11.042 10.108 0.934 3C 11.988 11.112 0.876
表10 成分3 牺牲阳极实际电容量计算成分 铜电容量/(Ah·kg-1)铜质量增量/g试样质量损失/g实际电容量/(Ah·kg-1)平均电容量/(Ah·kg-1)3A 843.658 2.910 0.923 2659.854 3B 843.658 2.910 0.934 2628.529 3C 843.658 2.910 0.876 2802.564 2696.982
表11 成分3 牺牲阳极电位表电位/mV 阶段 温度/℃ 电流/mA 1 号阳极 2 号阳极 3 号阳极开路 25 -1187 -1188 -1185 Day1 25 21 -1079 -1075 -1081 Day2 25 5.6 -1092 -1087 -1089 Day3 25 56 -1034 -1040 -1030 Day4 25 21 -1077 -1082 -1068
从测试及计算结果可知，成分3 牺牲阳极开路电位约为-1174 mV，三个平行样的平行性能好，平均电化学容量约为 2696.982 Ah/kg，电化学效率约为94.059%。牺牲阳极的工作电位范围为-1089～-1037 mV。从电位变化曲线看，牺牲阳极的极化电位随电流大小调整而变化，三个平行样的变化趋势一致。
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