[发明专利]适用于低温海水环境的高效铝合金牺牲阳极及其制备工艺

说明书

 

技术领域

本发明属于腐蚀与防护领域，涉及一种在低温海水环境中金属结构物和设备的阴极保护用高效铝合金牺牲阳极。

 

背景技术

海洋中的低温环境主要包含两大区域：一是高纬度的表层海水，在冬季里海水温度低于5℃，甚至出现结冰；二是深海海域，海水温度随海水深度的增加而发生变化，例如：墨西哥湾海水表层温度为室温，当海水深度增加到610米时海水温度降低到5℃。在挪威海域，大西洋和太平洋，甚至热带海域例如巴西与西太平洋，在深海区域海水温度几乎都是相同的低温。

由于海洋中蕴含着丰富的石油天然气资源和矿石资源，现在世界各国都在加大对海洋开发和利用，开发海洋必然涉及到海洋工程装备的开发和保护，而海洋环境是最为苛刻的腐蚀环境，在该环境下金属结构物和设备会遭受严重的腐蚀破坏，导致服役寿命大大降低。目前近海的海洋平台和海底管线大多都采用牺牲阳极进行阴极保护，但目前国内海洋环境中牺牲阳极主要采用Al-Zn-In、Al-Zn-In-Cd和Al-Zn-In-Mg-Ti，此类阳极在近海海域常温环境中电化学性能稳定，电容量在2450～2600A·h/Kg，溶解均匀，腐蚀产物容易脱落。但在低温海水环境下，Al-Zn-In牺牲阳极电流效率为87%, 工作电位正移到-1.0V，溶解不均匀，不适宜在低温条件下使用；Al-Zn-In-Cd牺牲阳极在低温条件下的电流效率为84%，工作电位正移到-1.0V，腐蚀产物不脱落，溶解不均匀，不适宜在低温条件下使用； Al-Zn-In-Mg-Ti牺牲阳极在低温下电流效率为90%，工作电位负于-1.05V，但该阳极经过为期7个月的实海实验后，阳极表面产生大量腐蚀产物附着，产生严重的晶间腐蚀并且伴随有晶粒脱落现象发生，不能正常使用。另有专利200810249621.8公开了一种适合于深海环境中的铝合金牺牲阳极，其组分为Al-Zn-In-Mg-Ti-Ga-Mn，该阳极在低温环境中的工作电位为-1.05～-1.10V，电流效率90%，但此牺牲阳极添加元素较多，熔炼工艺复杂，成本高，不利于工业化生产。

总之，现有牺牲阳极存在着两个不足：一是电化学性能不高，电位过正，电流效率低；二是熔炼工艺复杂，成本高。本发明克服以上不足，研制了适用于低温海水环境中的高效Al-Zn-In-Sn-Bi五元铝合金牺牲阳极，目前该阳极尚未见文献报道。

 

发明内容

鉴于适用于低温海水环境的牺牲阳极材料较少，且效率在90%左右，本发明的目的是进一步提高阳极的电化学性能，采用常规的熔铸方法配制一种新型的高效的铝合金牺牲阳极材料，使其在海水温度0～5℃范围内，工作电位符合阴极保护设计要求，腐蚀产物容易脱落，溶解均匀，电容量≥2700 A·h/Kg，电流效率≥95%。该阳极材料可以广泛应用于低温海水环境中，为海洋工程结构物和设备提供长期有效的阴极保护。

本发明的技术方案是：一种适用于低温海水环境的高效铝合金牺牲阳极，以铝为原材料，通过添加锌、铟、锡、铋合金元素消除杂质元素对牺牲阳极电化学性能的影响，其各组成的含量的配比为：Zn 3.2-5.8%，In 0.005-0.01%，Sn 0.016-0.02%，Bi 0.01-0.2%，余量为Al，其中Al中含有杂质元素Fe≤0.10%，Si≤0.1%，Cu≤0.005%。

一种制备适用于低温海水环境的高效铝合金牺牲阳极的工艺，其特征在于，该制备工艺采用熔铸法，熔炼前先将铝锭和锌锭预热到100℃，以去除铝锭和锌锭中的水分；然后将铝锭置入高温加热炉加热，加热至670～700℃，使铝锭刚过完全熔化，以目视无固体铝锭为准，再按照配方比例加入锌锭。继续加热，待铝液和锌液的混合液温度升到720-750℃时，停止加热；用小坩埚舀取铝液和锌液的混合液，按照配方比例将铟锭、锡锭和铋锭用铝箔包裹好加入小坩埚，搅拌使之溶解，再倒入高温加热炉中，使其充分熔融并用石墨棒搅拌均匀。再浇铸到模具中，冷却后即为适合于低温海水环境的高效铝合金牺牲阳极。

 

本发明的优点是：在0～5℃海水温度范围内，开路电位负于-1.10V（相对于SCE），工作电位稳定在-1.05～-1.1V(相对于SCE)，腐蚀产物容易脱落，腐蚀形貌均匀溶解，电容量≥2700 A·h/Kg，电流效率≥95%。

 

具体实施方式