一種適用于熱海泥環境的鋅合金犧牲陽極的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鋅合金犧牲陽極，尤其是涉及一種適用于熱海泥環境的鋅合金犧 牲陽極，屬于海洋裝備防腐領域。
【背景技術】
[0002] 隨著海洋石油工業的發展，海底輸油管線的里程迅速增加，為保證這些海底管線 的安全有效運行，目前大多采用涂層加犧牲陽極保護的方法。但是在海水中具有良好性能 的陽極材料在海泥中往往效果不佳，特別是在溫度較高的環境中（50~80°C)陽極的性能 會急劇下降。在海底輸油管線的保護中，由于海洋原油在運輸過程中需要加熱來降低原油 的粘度，導致了海底輸油管道周圍的海水和海泥溫度較高，陽極失效的情況經常發生。這不 僅增加了維修費用，同時增加了采油成本，影響油氣的正常生產，更嚴重是一旦管道腐蝕漏 油，將導致嚴重的海洋污染。并且不同海域海泥在成分和特質上差異較大，在某一個海域海 泥中性能較好的犧牲陽極在另一個海區的海泥中未必也有良好的電化學性能。因此，開發 出一種在我國四大海區海泥具有良好性能的犧牲陽極材料，用于海底輸油管線的陰極保護 是海洋石油工業迫切需求。
[0003] 傳統的犧牲陽極在這種熱海泥工況環境下性能都急劇下降。如普通的Zn-Al-Cd 陽極在常溫海泥（<50°C)的工況下，其電容量為580~750 A · h/kg，效率在70~90%，該 陽極在高溫下使用時，會發生晶間腐蝕，電流效率大幅降低，電位正移，甚至電位變得比鋼 鐵還正，不僅不能保護鋼鐵設施，反而加速其腐蝕，在高溫海泥環境下不能使用。傳統的鋁 合金犧牲陽極在高溫條件下表面容易鈍化，形成一層腐蝕產物硬殼，發生電流量急劇下降， 起不到應用的保護作用。
[0004] 中國專利CN102234808B報道了一種適用于渤海海泥的鋁合金犧牲陽極，該陽極 組分為鋅 2. 0 ~5. 5%，銦 0· 01 ~0· 05%，錫 0· 01 ~0· 08%，鎂 4 ~8%，鑭 0· 12 ~0· 32%， 錒0.12~0.32%，鈰0.03~0.04%，余量為鋁。該陽極含有鑭、錒、鈰等高熔點稀土金屬， 其熔點分別為鑭熔點920°C，錒熔點1323°C，鈰熔點795°C，這就要求此種鋁合金犧牲陽極 在熔煉時的溫度至少要高于1323°C，否則就無法使這些稀土合金元素充分熔化，進而發揮 其合金化作用，消除雜質對陽極性能影響，同時該陽極含有合金元素種類過多，不利于工業 生產。報道的該陽極使用環境僅限于渤海灣海泥，且陽極的效率在50°C海泥中為70%，其陽 極的效率不高。
【發明內容】
[0005] 鑒于現有的犧牲陽極材料能夠適用于熱海泥環境的很少，且只有鋁合金犧牲陽極 的報道，其陽極效率僅有70%，未見有適應于熱海泥環境的鋅合金犧牲陽極報道。
[0006] 本發明的目的在于公開一種適用于我國海區熱海泥環境中，用于海底輸油管道或 者海泥環境下的金屬構筑物的陰極保護的犧牲陽極材料，其電化學性能滿足相關陰極保護 設計規范要求。
[0007] 為了達到上述目的，本發明公開了一種適用于熱海泥環境鋅合金犧牲陽極，以鋅 為原材料，通過添加鋁、鎂、銦、鎵合金元素消除雜質元素對犧牲陽極電化學性能的影響，其 各組成質量分數為：Al 0· 1-0. 4%，Mg 0· 1-0. 8%，In 0· 005-0. 03%，Ga 0· 01-0. 02%，其中雜 質元素 Fe 彡 0· 003%，Pb 彡 0· 006%，Cu 彡 0· 002%，Cd 彡 0· 002%，余量為 Zn。
[0008] 本發明的Zn-Al-Mg-In-Ga鋅合金犧牲陽極的制備工藝采用恪鑄法，其中錯、鎂元 素以鋅鋁合金、鋅鎂合金的方式添加。鋅鋁合金中鋁的質量分數為5%~15%，其熔化溫度為 420 °C~450 °C，鋅鎂合金中鎂的質量分數為40%~50%，其熔化溫度為400 °C~430 °C。而 鋁的熔點為660°C，鎂的熔點為649°C，鎂的燃點是500°C，以合金的方式添加大大降低合金 的熔煉溫度，同時降低鎂的燃燒損耗。
[0009] 熔煉工藝：熔煉前先將鋅錠、鋅鋁合金、鋅鎂合金預熱到100°c，以去除材料中的 水分。然后將熔煉爐加熱至430-450°C，使鋅錠完全熔化，在按照配方比例加入鋅鎂合金， 在鋅液上方覆蓋石墨層，以隔絕空氣，同時人工使用石墨棒攪拌，攪拌時間不低于3分鐘， 或者采用永磁攪拌，順時針和逆時針攪拌各3~5分鐘。待鋅液溫度升到460-480°C時， 在按照配方比例加入鋅鋁合金，攪拌方式同上。待鋅液溫度升到530-550°C時，停止加熱。 用小坩堝圉取鋅液，按照配方比例將銦錠和鎵錠，用鋅箔包裹好加入小坩堝，攪拌使之溶 解，再倒入熔煉爐，攪拌方式同上，使其充分熔融并攪拌均勻，再澆鑄到模具中，冷卻后即為 Zn-Al-Mg-In-Ga鋅合金犧牲陽極。
[0010] 本發明的Zn-Al-Mg-In-Ga鋅合金犧牲陽極，滿足DNV RP-B401標準中規定鋅陽 極在海泥的電容量達到700 A · h/kg，工作電位負于-0.95V(v. s.Ag/AgCl參比電極）要 求。本發明的鋅合金犧牲陽極的電化學性能優異：在50~80°C熱海泥環境中，開路電位負 于-I. 00V(相對于Ag/AgCl參比電極)，工作電位穩定在-1. 00~-I. 06V(相對于Ag/AgCl參 比電極），腐蝕產物容易脫落，腐蝕形貌均勻溶解，電容量彡780 A*h/Kg，電流效率彡94%， 用于熱海泥環境中金屬構筑物的陰極保護。本發明的鋅合金犧牲陽極制備工藝中采用鋅鎂 合金和鋅鋁合金的方式添加鎂、鋁元素，大大降低了陽極的熔煉溫度，解決了鎂燃燒損耗的 問題，節約能源、降低了生產成本。
【具體實施方式】
[0011] 實施例1 鋅合金犧牲陽極配方為(質量分數）:A1 0.15%，Mg 0.52%，In 0.028%，Ga 0.012%，其中 雜質元素 Fe 0· 0015%，Pb 0· 0038%，Cu 0· 0008%，Cd 0· 0015%，余量為 Zn。
[0012] 熔煉前先將鋅錠、鋅鋁合金、鋅鎂合金預熱到100°C，以去除材料中的水分。然后將 熔煉爐加熱至450°C，使鋅錠完全熔化，在按照配方比例加入鋅鎂合金(其中鎂的質量分數 為46%)，在鋅液上方覆蓋石墨層，以隔絕空氣，同時人工使用石墨棒攪拌，攪拌時間5分鐘。 待鋅液溫度升到480°C時，在按照配方比例加入鋅鋁合金(其中鋁的質量分數為12%)，攪拌 方式同上。待鋅液溫度升到530°C時，停止加熱。用小坩堝S取鋅液，按照配方比例將銦錠 和鎵錠，用鋅箔包裹好加入小坩堝，攪拌使之溶解，再倒入熔煉爐中，攪拌方式同上，使其充 分熔融并攪拌均勻，再澆鑄到模具中，冷卻后即為Zn-Al-Mg-In-Ga鋅合金犧牲陽極。
[0013] 實施例2 鋅合金犧