温度和pH对Al-Zn牺牲阳极在某生产水中电化学腐蚀性能的影响

温度和pH对Al-Zn牺牲阳极在某生产水中电化学腐蚀性能

的影响

肖泽润;游革新;刘均泉

【摘要】测试了Al-Zn牺牲阳极在某生产水不同条件下的开路电位、极化曲线和循环伏安曲线,并结合牺牲阳极表面腐蚀形貌进行了分析.结果表明,随生产水温度升高,牺牲阳极开路电位负移,自腐蚀倾向增大,在所测温度范围内牺牲阳极腐蚀回路的腐蚀速率均受阳极控制,且在48℃时腐蚀电流密度(Jcorr)要比常温下大一个数量级,而当温度为42℃和48℃时,均易产生晶间腐蚀;随生产水pH升高,牺牲阳极开路电位先正移后负移,该腐蚀回路的腐蚀速率由原来的阳极控制变成阴极控制或混合控制,且其大小先减后增.

【期刊名称】《腐蚀与防护》

【年(卷),期】2015(036)009

【总页数】5页(P836-839,845)

【关键词】温度;pH;腐蚀速率;电化学;晶间腐蚀

【作者】肖泽润;游革新;刘均泉

【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院,广州610640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广州610640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广州610640【正文语种】中文

【中图分类】TG174

随着能源不断消耗，石油的开采量不断增加，各大油田生产污水也与日俱增，特别是在远海油田。石油的远海运输和污水处理都在船舶上完成，严重地腐蚀船舶钢材，造成巨大的经济损失［1-3］。尽管世界各国都在采用涂层加牺牲阳极保护的措施［4-6］，但由于油田污水成分复杂多变，因此在一般环境中性能较好的牺牲阳极也会严重恶化［7-9］。中海油某水舱的腐蚀就是一个例子，该水舱污水温度高，离子成分复杂，故在此服役的牺牲阳极必须要能够承受高温、离子成分复杂的考验，才能达到高效保护阴极的效果。

目前在用的牺牲阳极材料为铝基阳极。铝基阳极因其具有理论电容量大、对钢铁的驱动电位适中、资源丰富、在含Cl-的环境中应用性能较好的优点，在远洋采油、海上平台等应用较广泛［10-12］。前人在牺牲阳极材料上已做了深入的研究

［13-18］。但由于该污水温度为48℃，且离子成分极其复杂，因此本工作在船

舱表面涂层较好且牺牲阳极设计合理的前提下，探讨污水温度、pH对铝基牺牲阳极本质腐蚀速率的影响，从中探索温度和pH与牺牲阳极消耗速度的规律，为进一步解决该水舱铝基牺牲阳极消耗过快提供技术支持。

1.1 试验材料

本试验所用阳极为某生产水舱正在使用的牺牲阳极AD1，其成分（质量分数/%）为Al 95.09，Zn 4.91。试验溶液为该生产水舱中的油田污水，其离子组成见表1。

1.2 牺牲阳极的电化学性能试验

用AUTOLAB PGSTAT30电化学工作站分别测试阳极在不同温度（23℃、28℃、35℃、42℃、48℃）和不同pH（6.0、7.0、8.0、8.5、9.0）的生产水溶液中的

开路电位、极化曲线和循环伏安曲线［19-20］。所用的工作电极为φ7 mm的圆形端面，试验前已经用环氧树脂涂封非工作面，晾干后打磨待用；对电极为MO，对电极和工作电极的工作面积比为5∶1；参比电极为饱和甘汞电极（SCE）。文

中电位若无特指，均相对对于SCE。溶液温度通过水浴锅实时检测控制；pH通过

pH缓冲溶液配制［21］，配制的溶液量比试验用量大10倍且均匀搅拌后静置48 h，以尽量减少因缓冲溶液的加入对试验溶液成分的影响。

在开路电位测试前，首先接通电路并将电极在待测溶液中浸泡30 min，然后在1 V电位下去极化2 min后测试开路电位50 min。极化曲线测试的扫描速率为

0.001 V/s，扫描范围为正负0.3 V（相对于电极开路电位）。循环伏安曲线测试的扫描速率为0.002 V/s，由-1.2 V开始往正方向扫，到达-0.8 V后回扫。

1.3 阳极试样的溶解形态分析试验

根据GB13298-1991《金属显微组织检验方法》，对试验后的阳极试样进行金相分析。腐蚀后的试样经过酒精清洗后，采用DMM-400C型金相显微镜放大500倍进行显微组织观察。

2.1 生产水温度对牺牲阳极电化学性能的影响

为探索温度对牺牲阳极电化学性能的影响，分别测试阳极试样AD1在23℃、28℃、35℃、42℃、48℃的pH为6.9的生产水中的开路电位、极化曲线和循环伏安曲线，结果见图1～图3。

在电解液中与阴极连接时牺牲阳极的电位称为开路电位，为对阴极达到完全保护，必须将被保护的阴极极化到表面上最活泼的阳极点平衡电位。因此，牺牲阳极的电位应比这一平衡电位还要负；但若工作电位过负，低于最低保护电位，则极易在被保护结构的表面发生析氢反应，产生过保护，破坏阴极表面的保护措施（涂层）。从图1不同温度下的开路电位来看，随着时间的变化，电位趋向稳定，不同温度下稳定开路电位值不一样，介质温度越高，开路电位越负，牺牲阳极的自腐蚀倾向越大。还可发现42℃、48℃下开路电位不仅低且相对较难稳定，这可能是该温度下，阳极表面易发生自我钝化、或晶间腐蚀和点蚀组成的混合腐蚀导致的。

由极化曲线可得到试样在腐蚀过程中的腐蚀电位和腐蚀电流密度，并可以计算出极化率，通过极化率能够得出电极反应过程进行的难易程度，同时它也能反应阳极材

料在腐蚀过程的溶解状况。不同温度下牺牲阳极的极化曲线如图2（图中数据选取电位为-1.3～-0.9 V）所示。表2为根据极化曲线拟合得到腐蚀电化学参数，Tafel斜率ba和bc，ba代表阳极极化率，bc代表阴极极化率。由图2和表2可知，随着温度升高，ba不断增大，阳极失电子速率加快，这可能是温度升高加剧

了溶液的分子运动，离子失电子加快。但在试验整个温度区间内，ba均小于对应

的bc，整个回路腐蚀速率由阳极控制（回路由速率慢的节奏控制），即阳极失电

子速率决定整个回路的腐蚀速率。所以在静态溶液中温度越高牺牲阳极的腐蚀速率越快。

图3是牺牲阳极在不同温度下的循环伏安曲线，箭头方向代表扫描方向。由图3

可知，随着外加电压增大，牺牲阳极逐步活化。在相同条件下的循环扫描结果表明，42℃时的电流密度明显大于更低温度的电流密度，表明此时活性更强；而48℃时的电流密度相对于42℃反而减小，但曲线环面积增大，这可能是48℃时其出现局部钝化现象，同时溶解存在“溶解与沉积”的竞争过程，此时沉积速率大于溶解速率。

2.2 生产水pH对牺牲阳极电化学性能的影响

为探索pH对牺牲阳极电化学性能的影响，分别测试了其在pH=6.0、7.0、8.0、8.5、9.0的温度为23℃的生产水中的开路电位、极化曲线，结果见图4，图5。pH通过缓冲溶液配制，溶液中腐蚀离子无明显的变化。

由图4可知，牺牲阳极在不同pH的生产水中具有不同的开路电位，随着pH由6.0逐渐增加，开路电位逐渐正移，在pH为8.0时，开路电位达到最大值，为-1.06 V。当溶液pH超过8.0继续增加，其开路电位迅速负移，在9.0时开路电位降至最低，为-1.36 V，且不稳定。此时，牺牲阳极的自腐蚀倾向达到最大。这有

可能是阳极材料是铝基材料的原因，Al作为两性金属，在酸性（pH较低）和碱性（pH较高）溶液中均会发生溶蚀，而在中性（pH 6～8）条件下的溶蚀作用则要