第54卷.第5期•2021年5月S9分离器用新型铝基牺牲阳极的研制 奚运涛、陈文浩、刘锐2，贺建国3，胥珊娜1
(1.西安石油大学材料科学与工程学院，陕西西安710065; 2.长庆油田公司油气工艺研究院低渗透
油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安710018; 3.长庆油田分公司机械制造总厂，陕西西安710201)
[摘要]针对油气田分离器用铝基牺牲阳极出现的电流效率低和局部掉块问题，采用正交试验法，依据国家标 准加入不同含量的Zn,In，Mg和T i等合金，开展合金元素含量对阳极电流效率及溶解性能影响规律研究，研制新 型高效铝基牺牲阳极。结果表明：Mg和Z n对电流效率的影响较大，I n和T i影响较小，各元素含量的变化对电流 效率的影响趋势不同。Mg含量是影响阳极腐蚀均匀性的主要因素，Mg在铝合金阳极中会形成第二相，导致表面 局部电位发生变化，进而形成微电池，加速局部腐蚀；而T i具有细化晶粒的作用；若Mg和Ti 2种元素搭配不当，会 导致局部偏析，发生掉块问题。正交试验极差法分析可知，阳极的最优配方为0.5%Mg-4%Zn-0.035%In-0.045% Ti，能够显著提高阳极的电流效率，改善试样溶解的均勾性。 [关键词]分离器；铝基牺牲阳极；电流效率；溶解性能
[中图分类号]TG174.41 [文献标识码]A[文章编号]U X M-1560(2021)05-0089-05
Development of a New Type of Aluminum - Based Sacrificial Anode for Separator
XI Y un-tao1, CHEN W en-hao1, LIU Rui2, HE Jian-guo1, XU Shan-na1
(1. School of Material Science and Engineering，X i’an Shiyou University, X i’an 710065, China;
2. National Engineering Lab for Exploration and Development of Low-Permeability Oil & Gas Fields, Oil & Gas Technology Research Institute, Changqing Oilfield Company, X i'an710018, China；
3.Machinery Manufacturing Plant, Changqing Oilfield Company, X i'an 710201, China)
Abstract：The aluminum alloy sacrificial anode used in oil and gas field separators has the problems of low current efficiency and local block loss during the service. According to the national standard, Z n, In, Mg and Ti with different contents were added in the alloy and the influences of alloying element contents on anode current efficiency and dissolution performance were studied by means of orthogonal experiment method to develop a new kind of high efficiency sacrificial anode. Results showed that the effect of Mg and Zn on the current efficiency was greater than that of In and T i, and the influence trend of the change of each element content on the current efficiency was different. Mg content was the main factor influencing anode corrosion uniformity, which formed a second phase in
the aluminum alloy anode, leading to changes in the local surface potential, and then forming a local micro - battery, eventually, the local corrosion of the anode surface was accelerated. Ti element played a role in the grain refinement. If the two contents of Mg and Ti were not properly matched, it would cause serious local segregation, causing the anode falling - block problem. Based on the range analysis of orthogonal test, the optimal combination of sacrificial anode formulation was 0.5 %M g-4%Zn-0.035 %In-0.045 %Ti, which could significantly increase the current efficiency of the sacrificial anode and improve the dissolution uniformity of the sample.
Key w ords：separator；sacrificial anode；current efficiency；solubility
0前言
分离器是油气田地面系统的一种重要设备，主要 作用是对输送的介质进行三相分离，去除其中的游离 水和杂质。分离出来的游离水和杂质被暂存于分离器 下部的积液包内，具有很强的腐蚀性[|]。因此，分离器内 壁常采用铝基牺牲阳极进行腐蚀防护。铝基牺牲阳极具有密度小、电容量大、价格低廉等优点，但必须通过合金 化来消除其氧化膜的影响，保证腐蚀电流的持续供应[2]。
因环保和电流效率等原因，目前油气田在用的铝 基牺牲阳极主要为Al-Zn-I n系合金，它是通过添加Zn 和In等合金元素来破坏表面的钝化膜，从而保证腐蚀 持续进行[3_6]。但是，近年来，随着产出液的不
断增加，腐蚀性不断增强，部分油气田出现了 Al-Zn-I n系铝合
[收稿日期]2020- 11 -23
[基金项目]中国石油科技创新基金研究项目（20180-5007-02丨6)；陕西省教育厅科研计划项目资助（丨8]1«)604)；陕西省重点 学科专项资金资助项目（YS37020203)；西安石油大学青年科技创新基金项目（0105/290088272)
奚运涛（ 1978-)，博士，副教授，主要从事油气田腐蚀与防护研究,E-m ail:
[通信作者]
Vol.54 N o.5 May 2021 90
金的电流效率下降和局部掉块的问题，导致使用寿命 显著降低，分离器内壁得不到有效保护，给生产带来较 大的安全隐患[k m]。
为解决上述问题，本工作在Al-Zn-In三元合金的基 础上，采用正交试验法和电化学分析法，系统研究了各合 金元素对电流效率和腐蚀均匀性的影响规律；通过添加 合金元素改善了材料的均匀溶解性和电流效率，研制了 适用于油气田分离器积液包工况的铝基牺牲阳极，同时 为油气田工况下牺牲阳极配方研究提供数据参考。
1试验
依据GB/T4948 - 2002铝-锌-铟系合金牺牲阳极 标准中化学成分设计要求，选取合金种类较多的A21 种类，固定Si,F e和C u的含量，以A1-0.05%Si-0.075% Fe -0.0075%Cu为基础，利用正交试验方法添加了不同 含量的Zn,In，Mg,T i合金的牺牲阳极共计9种。编号分 别为卜9号，牺牲阳极材料成分设计见表1和表2。为了避免杂质的影响，所选的合金纯度均在99.99%以上。
表1 L,(34)因素水平表
水平
试验因素（合金元素含量）
w(Z n)/°/〇w(I n)/%w{M g)/%w(T i)/%
1 4.00.0200.50.010
2 5.50.035 1.00.045
37.00.050 1.50.080
表2 A卜Z n-I n-M g-T i系牺牲阳极成分正交试验
编号w(Z n)/%w(I n)/%w(M g)/%«;(T i)/°/〇
1 4.00.0200.50.010
2 4.00.035 1.00.045
3 4.00.050 1.50.080
4 5.50.020 1.00.080
5 5.50.035 1.50.010
6 5.50.0500.50.045
77.00.020 1.50.045
87.00.0350.50.080
97.00.050 1.00.010
采用精度为0.1 mg的BS210S分析天平称量炉料，每组质量1 300 g。用丙酮对合金进行清洗，与磨具一 起放人烘干箱，温度105 烘30 min，去除其中水分，避免熔炼时产生气孔等缺陷。采用ZGJL0.01 -4C-4型中频感应熔炼炉进行熔炼，温度780 t，熔炼时炉中通 人A r进行保护，避免合金元素氧化，并用石墨棒搅拌 均勻。静置脱气，待温度降至760尤时，完成浇铸，冷 却10 min后关闭Ar。将浇铸好的阳极铸锭加工成小28 mmx l6 mm的圆柱试样，每组3个平行试样，试样经丙酮除油清洗，烘干称重。试样预留工作面积14 cm2，其 余部分用703胶涂封。
依据GB/T 17848-1999牺牲阳极电化学性能加速 试验方法对阳极试样的电流效率进行评价，采用PS-268A型电化学测试仪调节电流密度，采用不锈钢圆筒 作为辅助阴极，采用饱和甘汞电极（SCE)作为参比电 极，内外工作面总面积840 cm2，试验介质为人造海水，工作温度25丈。阳极试样浸没在腐蚀溶液中3 h后测 量其初始开路电位，根据腐蚀动力学原理判断腐蚀倾向。每天测量并记录试样的工作电位，试验周期240 h。
试验结束后，取出试样，清洗表面腐蚀产物，干燥 称重，计算阳极试样的实际电容量和电流效率。利用 正交试验法分析各合金元素对电流效率和腐蚀均勻性 的影响规律。利用Axi〇V e rt-405\l金相显微镜观察阳 极试样截面和溶解形貌，对比阳极溶解的均匀性。
2结采与讨论
2.1电化学性能测试
表3为牺牲阳极试样开路电位和电流效率测试结 果。由表3可以看出，9种试样的开路电位均较低，在 -1.181.09V之间，远低于20钢的开路电位（约-0.6 V)。根据腐蚀动力学，在相同腐蚀工况下低电位的金 属会优先发生腐蚀，因此可以起到牺牲阳极的作用N°]。
防盗
表3牺牲阳极试样开路电位和电流效率测试结果
样品
编号
£(开路)/V
理论电容量/
(A.h.k g-1)
表面积/
c m2
失重/g7；(电流）/% 1-1.116 6 2 834.3814.240 1.112 389.86
2-1.118 9 2 881.0714.2800.958 690.02
3-1.170 7 2 876.2214.270 1.105 978.16
4-1.130 6 2 848.3914.540 1.075 381.16
5-1.134 9 2 845.4914.310 1.083 276.59
6-1.107 2 2 836.6514.540 1.079 381.20
7-1.095 5 2 857.4114.225 1.130 276.98
8-1.094 5 2 819.5414.270 1.021 386.33
9-1.090 2 2 897.3614.370 1.132 279.52由表3还可以看出，在9组阳极试样中，1，2,8号组的电流效率高于85%，达到了 GB/T4948-2002标准 中规定的1型要求；仅第2号组阳极试样的电流效率 高于90%，达到了 2型要求。
2.2正交试验极差法分析
采用正交试验分析法[u]，对同一因素、不同水平下 的电流效率平均值作阁，可得不同因素水平对阳极试 样电流效率的影响规律，见表4和图1。
正交试验水平
不同因素水平对电流效率的影响
根据各元素变化趋势，由图1可以看出，Mg 元素 对电流效率的影响最大，随着Mg 元素增加，电流效率 呈单调下降趋势，当Mg 元素含量达到0.5%时电流效 率最优；其次Z n 对电流效率的影响也较大，随着Z n 含 量增加，电流效率先下降后升高，当Z n 含量达到4.0% 时电流效率最优;I n 和Ti 2种元素添加量的变化对电 流效率的影响较小，随着2种元素的增加，电流效率呈 现先升高后减小的趋势，2种元素的最佳添加含量分别 为0.035 %和 0.045%。
ca3660因此，通过正交试验极差法分析可知，影响电流效 率的顺序是：M g >Zn >In>Ti ，最优组合是Zn , In 2 Mg , Ti 2, 阳极配方的最优组合为0.5 % M g - 4%Zn - 0.035 %In - 0.045 %Ti ，可以看出9组试样中，第2组试样最为接近。 2.3宏观形貌和金相组织
图2为牺牲阳极试样电化学试验完成后的表面形
貌。图3为阳极试样电化学试验完成后清洗试样的表 面金相形貌。
(a ) 1号(b ) 2^-(c ) 3号
(d ) 4^j -
*) 5 *.J -
(f ) 6 v
(g ) 7^* (h ) 8r ^ ( i ) 9^*
图2电化学试验后阳极的溶解表面形貌（清洗后）
第54卷•第5期• 2021年5月
91
表4
正交试验结果极差分析表
编号
Z n
In
M g
Ti
258.04248.00257.39245.97238.95252.94250.70248.20242.83
238.88231.73245.65灸丨86.0182.6785.8081.99灸2
微型拉曼光谱仪
79.6584.3183.5782.7380.94
79.6377.2481.88极差尺
6.36
4.68
8.56
0.85
6
543 210987 88888887770/0/
(键
#S r
a
m Vol.54 N o.5 May 2021
(g) 7号 （h) 8号 （i) 9号
图3阳极试样金相组织形貌
由图2可以看出，3号、5号、7号和9号试样的表 面腐蚀严重，均匀性较差。分析可知，以上4种阳极试 样的Mg含量均较高，由此可知，Mg含量是影响阳极试 样表面腐蚀均勻性的主要因素。由图2还可以看出，3 号、4号、7号和8号试样表面有局部掉块现象，分析可 知，这4种阳极试样的T i含量均较高，说明T i含量过 高对有一定影响[12]。
结合图3阳极试样金相组织形貌可以看出，3号、4 号、5号、7号、8号和9号6种阳极试样组织中均有第 二相析出（黑团块状），且部分试样分布很不均匀[〜。这主要是由于Mg元素在铝合金阳极中会形成 一定类型的第二相，导致表面局部电位发生变化，进而 形成微电池，加速阳极表面的局部腐蚀il4]。而T i元素 具有细化晶粒的作用，2种元素搭配不当，会导致局部偏析严重，发生掉块问题[15]。
由图2b可以看出，该试样腐蚀均匀，没有明显的
凹坑或孔洞。结合图3分析可知，该试样也存在第二
对接扣件
相析出，但分布比较均匀，且第二相较小，未发展成团
块状，使得该试样的电流效率最高。
3结论
(1) 9组阳极试样的开路电位均较低，在-1.18 -1.09 V之间，远低于20钢的开路电位。丨号、2号和8
号的电流效率高于85%,2号组试样的电流效率高于 90 %〇
(2) 正交试验极差法分析表明，阳极的最优配方0.5 %Mg-4%Zn-0.035 %In-0.045 %Ti。
(3) Mg和Z n元素对电流效率的影响较大,I n和
Ti
元素影响较小，各元素含量的变化对电流效率的影响
趋势不同。
(4) Mg含量是影响阳极溶解均匀性的主要因素，Mg在铝合金阳极中会形成第二相，加速局部腐蚀;Ti
元素具有细化晶粒的作用，若与Mg合金搭配不当，会
导致局部偏析，易发生掉块问题。
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第54卷•第5期• 2021年5月m
j
j
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j根据《国家标准化管理委员会关于2020年全国j专业标准化技术委员会考核评估结果的通知》（国标|委发函〔2021〕7号），在有110个标准化技术委员会参|与的考核评估中，全国金属与非金属覆盖层标准化技i术委员会（以下简称覆盖层标委会）等11个技术委员j会的考核评估结果为一级。近日，国标委又下发了+《国家标准化管理委员会关于表扬全国电压电流等级|和频率标准化技术委员会等11个技术委员会的通+报》（国标委发函〔2021〕9号），对包括覆盖层标委会j在内参与2020年技术委员会考核评估中考评结果为+—级的I I个技术委员会予以通报表扬。
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覆盖层标委会秘书处承担单位为武汉材料保护| 研究所有限公司。此次考核获评一级标委会，是在国i 家标准化管理委员会、中国机械工业联合会等上级单1位领导下，武汉材料保护研究所有限公司以及行业相i 关单位的大力支持和推动下，通过全体标委会委员及i 相关专家的共同努力所取得的结果，属于覆盖层领域i 全体标准化工作者的集体荣誉。
覆盖层标委会将再接再厉，不断完善管理，提升t 我国覆盖层标准化水平，以实施标准化促进覆盖层领i 域健康有序发展为使命，为早日实现我国覆盖层领域i 的强国梦做出更大的贡献！+
全国金属与非金属覆盖层标准化技术委员会 被国家标准化管理委员会评为一级标委会
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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