雙層鋁合金複合犧牲陽極的製作方法

2023-08-01 18:08:21 2

專利名稱：雙層鋁合金複合犧牲陽極的製作方法
技術領域：
本發明涉及複合犧牲陽極的改進技術，具體為一種雙層鋁合金複合犧牲陽極，適用於海港、碼頭以及海洋平臺等大型海洋鋼結構的陰極保護。
背景技術：
在進行陰極保護設計時，保護電流密度是非常重要的參數，不同時期鋼結構所需的保護電流密度相差很大。一般來說，鋼結構剛下水時，即極化初期階段，所需保護電流密度較大，初期過後，鋼結構所需保護電流密度將大大降低。實際海洋工程設計中初期所需保護電流密度設計值一般為平均保護電流密度設計值的兩倍。雖然極化初期這段時間相對於整個鋼結構的使用壽命來說非常短，但是它對於鋼結構的使用壽命和防腐效果的影響是非常顯著的，因此，實際海洋鋼結構防腐工程設計中必須對這一問題高度重視，才能確保防護效果，保證鋼結構的正常使用。
傳統的犧牲陽極材料，如鋁基陽極和鋅基陽極由於驅動電位有限，難以在初期提供足夠大的保護電流，必須依靠增大陽極數量來彌補，而初期極化階段過後，所需保護電流密度大大降低，針對這一情況有的設計者提出在犧牲陽極和被保護鋼結構體組成的迴路中串聯電阻來達到調節初期極化後保護電流密度的目的。這樣做的弊端在於有大量的犧牲陽極材料在極化初期後並沒有發揮保護作用，而是被串連的電阻消耗掉了。大型海洋鋼結構，例如一座大型海洋平臺的犧牲陽極用量動輒幾十噸甚至上百噸，所以這種浪費是非常驚人的。另一方面，平臺置身廣闊的海水中，無時無刻不受到海水的侵蝕，因此，在設計時對平臺的荷載有著嚴格的要求，而過多使用犧牲陽極造成了平臺載荷增加，影響了平臺的穩定性，成為潛在的安全隱患。
複合犧牲陽極是近年來發展起來的一種新技術，與傳統的犧牲陽極材料(海洋環境中常用的為鋁基犧牲陽極和鋅基犧牲陽極)相比，它在解決海洋環境中大型鋼結構的陰極保護中具有明顯的優勢。複合犧牲陽極，顧名思義，就是由兩種或兩種以上不同的犧牲陽極材料結合在一起製成的犧牲陽極。目前，海洋環境中使用的複合犧牲陽極其外層為鎂合金，驅動電位較大，可在極化初期提供較大的保護電流使鋼鐵結構快速極化，達到保護狀態。待外層鎂陽極全部溶解消耗後，驅動電位較低但電流效率高的內層鋁合金陽極開始工作，使保護電流密度調整到較低的水平，從而維持鋼結構的長期、穩定極化，實現防腐保護的目的。經過實驗室模擬試驗以及在平臺上的實際安裝測試，證實此複合犧牲陽極具有保護效果好、使用壽命長和大幅度節約陽極材料等優點。
然而，眾所周知，鎂合金陽極在生產和使用方面存在如下缺點1、鎂合金易燃，因此在熔煉和澆鑄過程中須分別採用熔鹽和硫粉進行保護，生產和製造工藝比較複雜，且汙染環境，不利於操作人員的健康。
2.鎂合金陽極的電容量小、電流效率低，並且市場價格也高於鋁基陽極，因此從使用成本上看，鎂合金陽極也沒有優勢可言。
鑑於此，有必要從外層材料的選擇上對複合犧牲陽極進行改進。

發明內容
本發明提供一種雙層鋁合金複合犧牲陽極，在總結複合犧牲陽極現有技術的基礎上，選用了鋁合金陽極作為複合陽極的外層，充分利用了兩種鋁陽極的特點，具有保護效果好、使用壽命長、節省陽極材料等優點。
本發明的技術方案是一種雙層鋁合金複合犧牲陽極，由內外兩種不同的鋁基犧牲陽極材料複合而成，本發明犧牲陽極的外層鋁合金成分為(按重量百分比計)鋅2.5～3.5％，鎵0.05～0.20％，銦0.01～0.05％，錫0.01～0.03％，鉍0.005～0.05％，餘量為鋁；本發明中內層鋁陽極的成分為(按重量百分比計)鋅2.5～7.0％，銦0.018～0.05％，鎘0～0.02％，錫0～0.075％，鎂0～1.5％，矽0～0.15％，鈦0～0.08％，餘量為鋁。
按重量百分比計，本發明複合犧牲陽極較佳的外層成分為鋅3.0％，鎵0.10％，銦0.022％，錫0.012％，鉍0.01％，餘量為鋁；較佳的內層成分為鋅4.0％，鎂1.0％，銦0.022％，錫0.02％，鈦0.02％，餘量為鋁。
與現有技術相比，本發明具有如下優點1、本發明內外兩層均為鋁合金，但成分、性能和作用不同。
2、外層鋁合金犧牲陽極在天然海水中的工作電位為-1.40--1.45V左右，接近於普通鎂合金犧牲陽極的工作電位(-1.45--1.55V)。
3、內外層都採用同一基體材料—鋁合金，使生產和製造工藝更加簡單，且與外層選用鎂合金相比更有利於節約成本。
4、本發明充分利用了兩種鋁陽極的優點保護初期利用外層鋁陽極提供較大的保護電流，使鋼結構迅速極化，快速生成表面沉積層，使之後保持穩定極化所需電流密度大大降低；外層消耗後，內層鋁陽極可在較小的保護電流下對鋼結構進行保護，充分發揮內層陽極電流效率高、使用壽命長的特點，因此具有保護效果好、使用壽命長、節省陽極材料等優點，特別適用於海洋中大型鋼結構設施的防腐保護。


圖1為本發明雙層鋁合金複合犧牲陽極結構示意圖。圖中1-外層鋁合金犧牲陽極；2-內層鋁合金犧牲陽極；3-鐵芯。
具體實施例方式
實施例1根據GB/T17848-1999規定對複合犧牲陽極樣品的外層鋁陽極和內層鋁陽極分別進行了電化學性能測試。其中外層成分為(按重量百分比計)鋅3.0％，鎵0.10％，銦0.022％，錫0.012％，鉍0.01％，餘量為鋁；內層成分為(按重量百分比計)鋅4.0％，鎂1.0％，銦0.022％，錫0.02％，鈦0.02％，餘量為鋁。測試結果為外層鋁陽極工作電位為-1.40--1.45V，電流效率為50％左右；內層鋁陽極電位工作電位為-1.08--1.10V，電流效率為90％左右。本發明複合犧牲陽極由內外兩種不同的鋁基犧牲陽極材料複合而成，內外層通過熱澆鑄的方法緊密結合。使用本實施例對某海洋平臺進行陰極保護設計，設計參數如下平臺表面積10000m2設計壽命20年海水電阻率ρ＝20Ω.cm初期保護電流密度值130mA/m2平均保護電流密度值65mA/m2通過模擬試驗來確定初期極化的時間為兩個月。
複合犧牲陽極採用截面為梯形的柱狀結構，其大小尺寸為2300×(220+240)×230mm(柱體長度2300mm；梯形截面上底220mm，下底240mm，高230mm)，其中外層鋁合金陽極的包覆厚度為5mm，中間鐵芯半徑為3mm。通過計算，133塊上述規格的複合犧牲陽極，可在極化初期的兩個月內使鋼結構表面達到130mA/m2的初期保護電流密度。外層完全消耗後，內層鋁合金陽極可以使鋼結構表面的保護電流密度自動降低至65mA/m2的平均保護電流密度。
若採用傳統鋁基犧牲陽極進行設計，如鋁-鋅-銦系犧牲陽極，其工作電位為-1.10V，電流效率90％，大小尺寸同樣為2300×(220+240)×230mm，中間鐵芯半徑為3mm。為達到初期保護電流密度130mA/m2，則須安裝234塊鋁基陽極才能滿足要求，而按照平均保護電流密度65mA/m2計算，平臺20年的設計壽命內，只需要133塊上述規格的犧牲陽極就可達到保護目的，這意味著近一半的陽極在極化初期過後並未發揮作用，而是被串聯電阻白白消耗掉了，因此，陽極材料的浪費非常嚴重。
由此可見，採用本發明可使海洋鋼結構陰極保護工程中傳統鋁基陽極材料的用量大大降低，可達40％左右，應用前景非常廣闊。
實施例2按重量百分比計，所述犧牲陽極的外層鋁合金成分為鋅3.5％，鎵0.18％，銦0.022％，錫0.01％，鉍0.03％，餘量為鋁；所述犧牲陽極的內層鋁合金成分為鋅3.0％，銦0.02％，鎘0.02％，錫0.015％，鎂0.80％，矽0.08％，鈦0.04％，餘量為鋁。
實施例3按重量百分比計，所述犧牲陽極的外層鋁合金成分為鋅2.5％，鎵0.06％，銦0.045％，錫0.03％，鉍0.01％，餘量為鋁；所述犧牲陽極的內層鋁合金成分為鋅5.5％，銦0.04％，鎘0.01％，矽0.05％，餘量為鋁。
通過上述試驗表明，本發明充分利用了兩種鋁陽極的特點，具有保護效果好、使用壽命長、節省陽極材料等優點。
權利要求
1.一種雙層鋁合金複合犧牲陽極，其特徵在於由內外兩種不同的鋁基犧牲陽極材料複合而成，按重量百分比計，所述犧牲陽極的外層鋁合金成分為鋅2.5～3.5％，鎵0.05～0.20％，銦0.01～0.05％，錫0.01～0.03％，鉍0.005～0.05％，餘量為鋁；所述犧牲陽極的內層鋁合金成分為鋅2.5～7.0％，銦0.018～0.05％，鎘0～0.02％，錫0～0.075％，鎂0～1.5％，矽0～0.15％，鈦0～0.08％，餘量為鋁。
2.按照權利要求1所述的雙層鋁合金複合犧牲陽極，其特徵在於按重量百分比計，所述複合犧牲陽極成分，外層為鋅3.0％，鎵0.10％，銦0.022％，錫0.012％，鉍0.01％，餘量為鋁。內層成分為鋅4.0％，鎂1.0％，銦0.022％，錫0.02％，鈦0.02％，餘量為鋁。
全文摘要
本發明涉及一種雙層鋁合金複合犧牲陽極，由內外兩種不同的鋁基犧牲陽極材料複合而成，按重量百分比計，外層鋁合金陽極的成分為鋅2.5～3.5％，鎵0.05～0.20％，銦0.01～0.05％，錫0.01～0.03％，鉍0.005～0.05％，餘量為鋁；內層鋁合金陽極的成分為鋅2.5～7.0％，銦0.018～0.05％，鎘0～0.02％，錫0～0.075％，鎂0～1.5％，矽0～0.15％，鈦0～0.08％，餘量為鋁。本發明充分利用了兩種鋁陽極的優點保護初期利用外層鋁陽極提供較大的保護電流，使鋼結構迅速極化，快速生成表面沉積層，使之後保持穩定極化所需電流密度大大降低；外層消耗後，內層鋁陽極可在較小的保護電流下對鋼結構進行保護，充分發揮內層陽極電流效率高、使用壽命長的特點，因此具有保護效果好、使用壽命長、節省陽極材料等優點，特別適用於海洋中大型鋼結構設施的防腐保護。
文檔編號C23F13/14GK101033552SQ20061004599
公開日2007年9月12日 申請日期2006年3月8日 優先權日2006年3月8日
發明者孫虎元, 張克, 孫立娟, 張經磊 申請人:中國科學院海洋研究所