[发明专利]一种碳化物活性位点设计的铝基牺牲阳极材料及制备方法

说明书

本发明提供一种一种碳化物活性位点设计的铝基牺牲阳极材料及制备方法，将工业纯铝加热熔融状态；对熔融后的工业纯铝熔体进行氩气保护；将碳粉喷吹至熔融的铝熔体中，碳粉含量控制在0.1wt％‑1wt％范围；将碳粉伴随氩气喷吹到工业纯铝熔体中保温1h，让碳粉在氩气搅拌的条件下与铝熔体充分完成反应：4Al+3C→Al₄C₃，降低真空度至大气压并降温至700℃后加入合金块至完全熔融并保温5分钟；利用氩气搅拌铝基阳极合金材料熔体，使合金成分充分混合；进行新型活性铝基阳极材料的浇铸，完成材料的制备。本发明有效提高阳极材料的均匀活性溶解性能，从而为高温、高压环境下服役的钢质油管、套管和深海、极地海洋工程装备提供有效的腐蚀防护。

技术领域

本发明涉及一种铝基牺牲阳极材料及制备方法，尤其涉及一种碳化物活性位点设计的铝基牺牲阳极材料及制备方法。

背景技术

目前，铝基合金作为牺牲阳极材料相对于常规的镁合金、锌合金因其具有电容量大、驱动电位低、阳极溶解性能优异的自身特点，体现出电流效率高、服役寿命长的显著优势，在船舶海洋工程装备建造中得到广泛应用。因此，铝合金牺牲阳极材料优良的电化学特性具有很强的工程化应用前景，但是局部腐蚀问题一直是铝基牺牲阳极材料在应用过程中一直尚未解决的难题。由于油气田特殊的材料服役工况环境，尚未有成熟的井下牺牲阳极材料取得显著的保护效果的公开报道。在海洋环境中相关研究者们经过多年研究不断改进铝合金牺牲阳极材料配方，加入高活化合金元素，如Zn、In、Sn和Mg等元素，构成了多元铝基合金，通过多元合金化思路改善铝基阳极的的溶解性能，这种合金设计在深海同样面临溶解性能差、放电性能效率低的问题，保护效率不到65％。目前牺牲阳极阴极保护技术在井下管柱的材料腐蚀防护研究尚处于探索阶段，海洋工况牺牲阳极“溶解-再沉积”材料设计理论尚不能完全适用，井下牺牲阳极材料的设计理论尚没有建立起来。传统的铝基牺牲阳极在西北油田在高温、高矿化度、强腐蚀性的油水介质的塔河工区油井实际现场应用情况来看服役效果尚不太理想，阳极材料表面发生钝化、严重的局部腐蚀，溶解性能劣化导致电流效率下降，使得油井油、套管得不到有效保护，不能完全满足现场对油管保护的标准，这就对铝合金牺牲阳极的溶解性能提出更高的要求。

西北油田在长期开采过程中，随着综合含水量的上升、介质环境复杂，井下油管面临严重的腐蚀问题。在井下高温、强腐蚀性介质条件下，油管长期不动管柱存在较高的腐蚀风险。油管的腐蚀引发的管柱穿孔、断裂、密封面腐蚀损伤的现场问题严重影响了油田正常安全生产，从而带来频繁的修井负担，带来严重的经济损失。由于西北油田井深普遍超过5000m，在顺北产区井深甚至高达8000m以上，大面积采用注水、注气驱油方式导致油管面临强烈的氧腐蚀，传统的Zn牺牲阳极在西北油田井下温度超过120℃的高温环境中存在发生钝化和电位反转的现象，铝基阳极材料存在局部腐蚀溶解性能差的问题影响其对油管的有效保护。井下油管服役过程中安全性作为第一考虑因素，牺牲阳极作为一种被动的保护技术有其结构简单、成本可控、无附带风险的优点，管柱发生腐蚀的同时启动牺牲阳极工作放电，提供电流保护钢质油管不被腐蚀。为了保证井下管柱服役安全，亟需开展油井油管井下高性能牺牲阳极材料的研发，通过牺牲阳极材料碳成分活性位点设计、材料冶炼、腐蚀电化学行为研究，完成耐温满足160℃以上超深井的油管牺牲阳极材料，为井下油管的腐蚀防护工作的开展提供一个兼具经济性与防护性能的新型铝基阳极材料，为油田的安全、持续、稳定开发提供重要的技术支撑。同时，也可延长井下管柱的安全服役寿命，将材料腐蚀对井下管柱安全造成的影响降到最低，从而降低油田生产经济成本。因此，通过开展科学的成分设计改造传统高性能铝基牺牲阳极材料，最大程度发挥牺牲阳极作为一种低成本、高可靠的材料防护技术的优势，大幅提升牺牲阳极的溶解和放电性能是一件极具科学价值和工程意义的工作。

发明内容

本发明的目的是为了解决在西部超深、高温油井和深海、极地极端材料服役工况中普遍存在的牺牲阳极材料功能劣化的问题，而提供一种一种含碳活性位点设计的铝基牺牲阳极材料及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：