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铝合金 腐蚀 侵蚀 速率 研究 钻研

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题目：铝合金腐蚀速率的研究1.设计（论文）进展状况（1）腐蚀速率的测定方法质量损失法是一种简单而直接的腐蚀测量方法。它要求在腐蚀试验后全部清除腐蚀产物后再称量试样的终态质量，因此根据试验前后样品质量计算得出的质量损失直接表示了由于腐蚀而损失的金属量，不需要按腐蚀产物的化学组成进行换算。质量损失法并不要求腐蚀产物牢固地附着在材料表面上，也无需考虑腐蚀产物的可溶性。这些优点使质量损失法得到广泛的应用。（2）前期已进行的工作 1）试验样品的加工。试验所需部分样品已加工好，具体尺寸如下：编号 长 /mm 宽/mm 厚 /mm 表面积 /cm2 质量/g1 53 24 9.8 40.532 34.15152 49.5 23 9.5 36.545 29.90243 53 24 9.5 40.07 33.18494 51 24 9 37.98 28.99945 51.4 23 9.5 37.78 28.22316 52 22.4 9.2 36.986 28.49087 50.4 24 8.2 32.458 28.66508 54 24 8 38.40 29.31619 52 24 8.5 37.88 30.26042）腐蚀溶液的配置腐蚀溶液根据腐蚀环境而定，腐蚀环境为稠油污水环境。腐蚀溶液成分如下：成分 含量，g/lCaCl2 1.7842MgCl26H2O 26.4087Na2So4 0.3257NaHCo3 0.7358NaCl 47.5756KCl 0.50222.存在问题及解决措施本次试验的问题在于试验周期的确定，根据标准 JB/T 79011999 确定试验周期，常用试验周期为 48h168h，根据预测的腐蚀速率的大小来判断是否需要更换溶液，一般情况下 168h 以内不需要更换腐蚀溶液。3.后期工作安排根据前期所制定的试验步骤，进行试验，试验过程中严格按照相关标准进行指导教师签字：年 月 日题目：铝合金腐蚀速率的研究铝合金腐蚀速率的研究摘要为了预防水、土壤、石油管道等环境中钢构的腐蚀采用牺牲阳极保护法，牺牲阳极保护是用于储罐防腐蚀的一种有效的技术措施，针对油田稠油污水对储罐的腐蚀性问题，开发新型的铝基牺牲阳极材料，铝基阳极比重小、电流效率高、发生电量大、对钢铁驱动电位适中、来源丰富,是一种迅速发展起来的新型牺牲阳极材料。本次试验主要对九种不同材料的浸润腐蚀的腐蚀速率的研究，通过质量损失法和腐蚀后形貌分析来表征九种牺牲阳极材料的腐蚀速率。关键词：牺牲阳极材料；新型铝基阳极；质量损失法；形貌分析；腐蚀速率Research on thecorrosionrate of aluminum alloyAbstractIn order toprevent water, soil, oil pipelines and other environmental corrosion in steel sacrificial anode protection laws, sacrificial anode protection is an effective technical measures for tank corrosion, corrosion of tanks for heavy oil wastewater question, the development of new aluminum sacrificial anode material, a small proportion of aluminum anodes, high current efficiency, the occurrence of large capacity, moderate steel drive potential, a rich source of new sacrificial anode material is a rapidly developed. This test is mainly the corrosion rate of infiltration of nine different materials corrosion studies by mass loss method and the corrosion morphology analysis to characterize the corrosion rate of nine sacrificial anode material.Key words:sacrificial anodematerials;new aluminumbased anode;mass loss method;morphology analysis;corrosion rate目 录1 绪论1 1.1研究背景与意义1 1.2 铝合金的腐蚀2 1.2.1 金属腐蚀的电化学的基础2 1.2.2 铝合金腐蚀的主要类型3 1.3腐蚀速率的研究方法6 1.3.1质量法6 1.3.2失厚测量与孔蚀深度测量6 1.3.3气体容量法7 1.3.4电阻法7 1.3.5极化曲线测量7 1.4课题目的与意义72 实验部分11 2.1试验材料11 2.1.1试验材料的加工与工艺11 2.1.2试验用的腐蚀溶液根据稠油污水试样配置11 2.2试验方法及表征手段12 2.2.1质量损失法12 2.2.2表征手段14 2.3试验结果15 2.3.1质量损失记录结果15 2.3.2腐蚀后形貌163 结果讨论17 3.1腐蚀后形貌讨论17 3.2腐蚀速率讨论174 结论19参考文献20III 1 绪论1.1研究背景与意义地球中的铝资源十分丰富，铝的矿藏储量约占地壳构成物质的十分之一。世界铝产量从1956年开始超过铜产量，一直位居有色金属之首。当前铝的产量和用量仅次于钢铁，成为人类应用的第二大金属。由于纯铝的强度较低，其用途受到一定的限制，所以工业上更多采用铝合金。铝合金是以铝为基体金属元素，并由合金元素所组成的工程合金。按照主要合金元素分类，铝合金主要包括：铝硅系、铝铜系、铝锰系、铝镁系、铝锌系、铝镁硅系等。由于铝合金中加入了不同的合金元素，其强化效果、耐蚀性以及铸造、压力加工与热处理工艺性能都不同。根据合金成分和加工工艺性能的特点，铝合金可以分为变形铝合金和铸造铝合金两大类1。铝合金具有强度高、密度小、导电导热性强、力学性能优异、可加工性好等优点而广泛应用于化学工业、航空航天工业、汽车制造业、食品工业、电子、仪器仪表业以及海洋船舶工业等领域2-3。但是铝合金与其他金属一样也面临着严重的腐蚀问题。金属与周围介质接触的时候，由于发生化学、电化学和物理作用而引起的变质和破坏叫做金属的腐蚀4-5。腐蚀是一个在周围的环境影响下，如：大气、水、海水、不同的溶液、有机环境等，缓慢的、渐进的或迅速破坏金属的外观、表面或其力学性能6-10。材料腐蚀问题遍及国民经济的各个领域，从日常生活到工农业生产，从顶尖科学技术到国防工业的发展，凡是使用材料的地方都不同程度地存在着腐蚀问题。腐蚀带来巨大的经济损失，造成许多灾难性的事故不但消耗大量宝贵的资源与能源，还对环境产生污染，其危害触目惊心。据世界上主要工业国家的调查统计，材料腐蚀带来的经济损失约占国民生产总值的1.8%-4.2%，1975年美国国家标准局向国会提交特别报告“美国金属腐蚀的经济影响”。该报告指出这一年美国由于金属腐蚀造成的经济损失约为700亿美元，为当年国民生产总值的4.2%是当年水灾、火灾、地震、飓风等自然灾害损失（125亿美元）的5倍多。这一调查结果引起世界各国的震惊，产生了极大的影响。我国早在1981年由国家科委腐蚀科学学科组组织对全国10家化工企业的腐蚀损失进行可调查。结果表明，1980年这些企业由于腐蚀造成的经济损失约为当年生产总值的3.9%，这个数字与许多国家进行的全面腐蚀损失调查的结果大体相当。2002年中国工程院的调查结果表明，我国腐蚀损失达到4979.2亿元。由腐蚀引起的灾难性事故屡见不鲜，甚至造成重大的人身伤亡，损失极为惨重。例如，1966年某天然气井的套管发生硫化物应力腐蚀开裂，造成井喷和特大爆炸，人员伤亡，日产百万立方米的高产气井报废。1971年某天然气管线发生腐蚀断裂，产生爆炸，直接经济损失达7000万元。1997年某化工厂18亿乙烯原料储罐由于硫化物腐蚀引起大火，停产半年，直接经济损失达2亿多元，间接损失巨大。1985年日本的一架播音747客机，由于应力腐蚀断裂而坠毁死亡500余人。据已有的统计数据，每年由于腐蚀可使10%-20%的金属损失掉。2003年世界的钢产量达到9.625亿吨，中国的钢产量高达2.2亿吨，美国的钢产量为0.914亿吨。按下限计算，世界每年腐蚀掉的钢大于美国的钢产量；中国一年就有2200万吨钢被腐蚀掉，相当于腐蚀掉一个大型钢铁企业的年产量。因此，从节约能源与资源出发，解决腐蚀问题已迫在眉睫。腐蚀造成的经济损失并非不可避免。通过普及腐蚀与防护知识，推广应用相近的防腐技术。腐蚀造成的经济损失可减少30%-40%。铝合金新鲜表面暴露在大气中，立刻会形成一层很薄的氧化膜，这层氧化膜一旦被破坏，会很快重新生成。室温下，一天当中铝合金表面氧化膜自然形成的极限厚度大约为2-3nm，氧化膜对于保护铝合金免受腐蚀具有一定的作用11。我们用肉眼或多或少的可以看到在铝的基体上会发生不同类型的腐蚀，比如均匀（最普遍的）腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀等12-15。腐蚀的主要类型一般取决于金属本身的性能和使用以及存在的环境。但是没有任何一种腐蚀对于铝或者其合金来说是特定的。合金中金属元素对合金的腐蚀有重要影响，在确保合金应用性能的前提下，对铝合金腐蚀速率的研究对于改善铝合金防腐及拓展铝合金应用性有重要的意义。1.2 铝合金的腐蚀1.2.1 金属腐蚀的电化学的基础“腐蚀”这一术语起源于拉丁文corrodere，意即“损坏”、“腐烂”16。金属与周围介质接触的时候，由于发生化学、电化学和物理作用而引起的变质和破坏叫做金属的腐蚀17-18。腐蚀是一个在周围的环境影响下，如：大气、水、海水、不同的溶液、有机环境等，缓慢的、渐进的或迅速破坏金属的外观、表面或其力学性能19-23。“腐蚀”在过去，常常用“氧化”来代替现在我们所用的“腐蚀”。然而，前者是恰当的词,因为腐蚀电化学反应既是金属氧化，往往意味着其转变为氧化物。金属的腐蚀是金属或合金和水溶液之间的电化学反应引起的24。进而根据一个复杂的电化学过程，这个过程是与原子的物质结构相关的。物质是由基本的带电粒子组成，即离子与电子，还有中性粒子，即分子和原子。在金属中，带电原子是由可以在金属中可以移动的自由电子组成。在水溶液中，经常发现以下物种：阳离子和阴离子；中性粒子，例如水和不同未解离的化合物。在金属与水之间的界面,在传输电荷导致电化学反应，如图1.1所示：图1.1 在金属与溶液界面间的电化学反应金属原子被氧化，形成Mn+离子进入到水相中。这导致一个自由的金属电子从溶液进入金属。而产生的阳极氧化电流ia流动方向是由金属到溶液。水相溶液中的离子或分子减少，这意味着它们将从金属中吸引离子并转移到另一个化学物种中。这导致一个自由的金属电子从金属进入到溶液中，产生的阴极电流ik流动方向是由溶液到金属。在金属和溶液界面相互反应的电子不能进入到溶液中。1.2.2 铝合金腐蚀的主要类型我们用肉眼或多或少的可以看到在铝的基体上会发生不同类型的腐蚀，比如均匀（最普遍的）腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀等25-28。腐蚀的主要类型一般取决于金属本身的性能和使用以及存在的环境。但是没有任何一种腐蚀对于铝或者其合金来说是特定的。a. 均匀腐蚀这一类型的腐蚀表现在铝的表面形成微观上有序、直径较小的凹坑，结果造成铝的整个表面形成均匀且持续的厚度的减小。对于铝来说，这种腐蚀方式在强酸性和强碱性介质中尤其明显，在这些介质中铝的自然氧化膜的溶解速度较大。氧化膜的溶解速度大于其形成的速度，然而，这两种速度的比例会随着时间而变化。例如，在氢氧化钠溶液中，40天或者80天的测试实验发现溶解速度低于20 天的测试。这种溶解速度随着介质酸碱性而变化，可以从每年几微米到每小时几微米而变化。适当的阻化剂可以降低腐蚀的速率。例如，硅化钠可以显著降低铝在碱性介质中的溶解速率。均匀腐蚀的速率可以通过测量质量损失而简单的计算出来，或者也可以通过析氢的量计算29-30。这是计算铝在腐蚀介质中腐蚀速率的有效的参数。b. 点腐蚀这种局部腐蚀形式是以其形成过程与在腐蚀的时候在金属表面形成不规则的腐蚀凹坑而定义的31。腐蚀的凹坑直径依赖于诸如金属性质、介质条件以及维护条件等相关参数。在接近中性的介质环境中铝容易形成孔腐蚀，中性介质包括几乎所有的自然环境中，比如表面的水分、海水以及潮湿的空气32-35。与其他的金属不同，因为铝的腐蚀产物呈现为白色的絮状的Al(OH)3附着在铝的表面上，而这些附着物的大小要大于腐蚀的凹坑，因而铝的腐蚀是肉眼可见的36。当铝暴露于水、海水、雨水、或者潮湿的空气中的情况下，会发生点腐蚀。实验证明37，点腐蚀发生在材料暴露于腐蚀介质中的第一周。点蚀现象困扰着铝制仪器的使用者们，而且也给那些必须解释这么复杂的腐蚀现象的那些腐蚀研究专家们带来了困惑，他们必须预测出仪器的使用寿命。点腐蚀是一个非常复杂的现象，即便现在也没有完全掌握其腐蚀机制。尽管在80余年的时间里出现了大量的关于铝的点蚀机理的研究和著作，但是铝点蚀的机理还是没有被完全研究明白。现在已经搞清楚的是发生点腐蚀以及腐蚀加速的条件和如何降低腐蚀。因此，对于现在的大部分设备来讲，将其置于潮湿的环境中几十年后，设备的废弃也是由于其陈旧过时而非发生了严重的点腐蚀。c. 穿晶腐蚀和晶间腐蚀对于金属来说，在晶粒水平，腐蚀的发生有两种方式38-39：（1）任意方向的扩展：腐蚀不受所有的冶金成分因素影响，这种腐蚀是没用选择性的。由于这种腐蚀在晶粒间生长，因此称作穿晶腐蚀或者跨晶腐蚀。（2）选择性腐蚀：腐蚀发生自晶粒的间隙。与穿晶腐蚀不同，这种形式的晶间腐蚀只消耗少量的金属，因此对于这种腐蚀来说，质量损失并不是一个评估这种腐蚀的有效参数。这种腐蚀是肉眼无法看到的，因而要借助显微镜，例如，在放大倍数在 50 倍时即可观察。当深入到金属的大部分的时候，晶间腐蚀会带来金属机械性能的降低，尤其是对于金属延伸的结构，而且容易造成零件的断裂。晶间腐蚀是由点腐蚀引发的。腐蚀在晶间的扩散深度与腐蚀点的直径之间没有联系。这说明晶间腐蚀也是发生于微小的表面点蚀坑。d. 剥落腐蚀剥落腐蚀是沿着旋转或者挤压方向发生的一种选择性腐蚀。在这些挤压面，有些不明显的金属薄片，但是被腐蚀产物逐步推动，腐蚀的发生与从书里撕裂纸张一样，因此称为“剥落腐蚀”。金属会发生膨胀，使剥落腐蚀呈现的极为明显。这种腐蚀一般是晶间的，在2000到5000种合金中沿着晶格的方向有剥落腐蚀。也可以在不包含铜的7000种合金（不易发生晶间腐蚀）中发现这种腐蚀40。在类似结构的金属间化合物例如Al6Mn, Al12CrMn,AlFeMn等结构中发生剥落腐蚀，在固态溶液中作为阴极，在其中Fe和Mn作为阳极而被消耗殆尽。e. 应力腐蚀在雨季的时候，在印度的英国士兵很少外出，而且将武器和弹药储存起来。在季末的时候，当他们重新拿起武器，士兵们发现由黄铜制成的弹药筒由于断裂而出现的与以往不同的外观。因为这个问题被联系到季节问题上，而且在干燥的季节从来没有发生，英国的腐蚀学家们创造了“季节断裂”的说法来解释这种腐蚀。直到1921年，才有一个可以解释这种现象的理论：弹药筒的深拉带来了较高的残余应力；马尿的分解产生的氨导致了黄铜的腐蚀环境的形成。直到20世纪初，发生了由于铆钉断裂而形成的钢铁蒸发器的爆炸。腐蚀学家在铆钉的底部发现了不寻常的氢氧化钠的存在。直到1927年，关于这种消耗带来的造成了世界上许多重大的事故的应力腐蚀才有了一个解释。当英国的腐蚀学家提出了“应力腐蚀”许久之后。在法国，直到20世纪70年代，“拉应力腐蚀”的概念被提出，这种说法给拉应力腐蚀的产生根源提出了一个模糊的解释，机械的或者电学上的。现在，“应力腐蚀”的概念更加被接受。这种腐蚀与机械压力（弯曲、拉伸）以及腐蚀环境是相关的。这些参数的单独存在不会对腐蚀带来这么明显的影响，或者根本不会带来影响。铝的合金的应力腐蚀的在1922 年被罗顿提出，他说明了晶间腐蚀和应力腐蚀间的关系。高机械强度的 2000、7000系列合金以及高镁（7%）5000 系列合金易于受到应力腐蚀41。为了降低应力腐蚀对铝合金力学性能的影响，一般采取以下方法进行改善：设计更为合理的零件，减少应力集中；在腐蚀介质中加入一些缓蚀剂；制备保护膜隔绝铝合金与腐蚀介质的接触。1.3腐蚀速率的研究方法1.3.1质量法材料的质量会因腐蚀作用发生系统的变化，这就是质量法评定材料腐蚀速度和耐腐蚀性的理论基础，质量法是以单位时间内，单位面积上由腐蚀引起的材料质量变化来评价腐蚀的。质量法简单而直观，既适用于实验室，又适用于现场试验，是最基本的腐蚀定量评定方法。质量法又可分为质量增加法和质量减少法两种。a. 质量增加法当腐蚀产物牢固地附着在试样上，在试验条件下不挥发或几乎不溶于溶液介质，也不为外部物质所玷污，这时用质量增加法评定腐蚀破坏程度是合理的，钛、钴等耐腐蚀金属的腐蚀、金属的高温氧化就是应用这种方法的典型例子。质量增加法适用于评定全面腐蚀和晶间腐蚀，但不能用于评定其他类型的局部腐蚀。质量增加法所或得的数据具有间接性，即数据中包括腐蚀产物的质量，要知道被腐蚀金属的量，还需根据腐蚀产物的化学组成进行换算。有时腐蚀产物的相组成相当复杂，精确的分拆往往有困难。多价金属还可能生成不同价态的腐蚀产物，也增加了换算难度。这些都限制了质量增加法的应用范围。b. 质量损失法质量损失法是一种简单而直接的腐蚀测量方法。它要求在腐蚀试验后全部清除腐蚀产物后再称量试样的终态质量，因此根据试验前后样品质量计算得出的质量损失直接表示了由于腐蚀而损失的金属量，不需要按腐蚀产物的化学组成进行换算。质量损失法并不要求腐蚀产物牢固地附着在材料表面上，也无需考虑腐蚀产物的可溶性。这些优点使质量损失法得到广泛的应用。1.3.2失厚测量与孔蚀深度测量对于设备和大型试样等不便于使用质量法或为了了解局部腐蚀情况，可以测量腐蚀失厚或孔蚀深度。a. 失厚测量测量腐蚀前后或腐蚀过程某两时刻的试件厚度，可直接得到腐蚀所造成的厚度损失，单位时间内的腐蚀厚度即为侵蚀率，常以mm/a表示。但对于不均匀腐蚀来说，这种方法是很不准确的。可以用一些计量工具和仪器装置直接测量试件厚度，如测量内外径的卡钳，测量平面厚度的卡尺、螺旋测微器，带标度的双筒显微镜、测量试件截面的金相显微镜等。由于腐蚀引起的厚度变化常常导致许多其他性质的变化，根据这些性质变化发展出许多无损测厚的方法，如涡流法、超声波法、射线照相法和电阻法等。b. 孔蚀深度测量孔蚀的危害很大，但孔蚀的测量和表征却比较困难。为了表征孔蚀的严重程度，通常应综合评定孔蚀密度、孔蚀直径和孔蚀深度。其中前两项指标表征孔蚀范围，而后一项指标则表征孔蚀强度。相比之下，后者具有更重要的实际意义。为此，经常测量面积为1dm2的试件10个最深的孔蚀深度，并取其最大孔蚀深度和平均孔蚀深度来表征孔蚀严重程度。也可以用孔蚀系数表征孔蚀。1.3.3气体容量法对于析氢或吸氧腐蚀过程，可通过一定时间内的析氢或耗氧量来计算金属的腐蚀速度，这种方法为容量法。容量法测量装置简单可靠，测量灵敏度较质量法高。由于不必像质量损失法那样清除腐蚀产物，所以可以跟踪腐蚀过程，测得腐蚀量与时间之间的连续关系曲线。用容量法测定金属腐蚀速度要求析氢或吸氧量与金属溶解的量之间存在确定的化学计量比关系。1.3.4电阻法电阻法是一种电化学方法。对于一定形状，尺寸和组织结构的材料，当其遭受腐蚀后，由电阻变化可给出许多腐蚀信息，如了解晶间腐蚀或析氢腐蚀的状态，腐蚀导致的材料厚度变化，金属腐蚀的速度等。电阻法测定腐蚀导致材料厚度变化和腐蚀速度，是根据金属试样由于腐蚀作用使横截面积减小，从而导致电阻增大的原理。通过测量腐蚀过程中金属电阻的变化而求出金属的腐蚀量和腐蚀速度。1.3.5极化曲线测量通常把表示电极电位与极化电流（或极化电流密度）之间关系的曲线称为极化曲线。极化曲线能够在有关腐蚀机理、腐蚀速率和特定材料在指定环境中的腐蚀敏感性等方面提供大量有用的信息。1.4课题目的与意义目前石油运输管道采用的材料主要是碳化无缝钢管、直缝电阻焊钢管、螺焊缝钢管三种，它们都是比较特殊的金属材料，有着严格的规格42。铺设石油管道主要有两种方式：埋地和架空，但无论是哪种铺设方式，金属管道都会和周围的介质在一定的环境、温度下发生反应，从而腐蚀石油运输管道。其中腐蚀的方式主要有三种：化学腐蚀、电化学腐蚀和微生物腐蚀。化学腐蚀主要是指两种或多种物质间发生化学作用而产生的腐蚀。首先，当金属管道长期裸露在空气中，就会跟空气中的氧气、二氧化硫等物质发生反应，在金属表面形成一层氧化物、硫化物等，金属管道在高温、潮湿的环境下容易发生反应，而且还会造成脱碳现象的发生，影响金属管道运输的安全。其次，管道运输的石油中还有多种有机物和酸性物质，容易对金属管道的内层产生腐蚀，破坏金属管道。电化学腐蚀主要是指当金属在电解质溶液中发生反应而产生的腐蚀。当金属管道在湖泊、河流、海洋以及含水分较多的空气等介质中时，介质中的各种氯化钠等电解质溶液就会在管道表面形成一层极薄的水膜，金属就会和这层水膜发生电化学反应，金属就会变成金属离子进入水膜形成金属的氢氧化物，这样金属性质就会被改变，管道也会很快被一层层腐蚀。微生物腐蚀主要是指由于细菌和真菌的存在和活动产生的腐蚀。管道外部的腐蚀沉积有27%和微生物腐蚀有关。当金属管道处在埋地情况时，土壤中的硫酸盐还原菌、金属还原菌等就会对金属管道的表面产生一定的腐蚀。这些细菌往往增加局部腐蚀的可能性，形成点蚀和缝隙腐蚀。管道外部形成的腐蚀沉积对管道的破坏较为严重，成为管道更换的重要原因。 石油管道工程的防腐技术主要采用涂层防腐和阴极保护以及其它辅助技术相结合的方法来防治石油运输管道的腐蚀。涂层防腐主要指石油管道外壁的防腐涂层和内壁的减阻涂层。任何涂层防腐在涂层前都需要对管道表面做一定的脱脂和除锈处理，然后才可进行涂层，这样能够增加涂层的使用寿命。涂层的主要作用是物理阻隔，将金属管道与外界环境分离，但难免会有针孔的存在，一旦涂层上具有针孔或破损，就会形成大阴极（覆盖部分）小阳极（针孔或破损）的腐蚀电池，使得腐蚀集中在针孔或破损处，这就加速了管道的点蚀速度；再者，单独使用阴极保护技术费用较大，效果不明显，因而就需要阴极保护技术配合涂层提高管道防腐的效果。阴极保护技术是通过向被腐蚀金属管道表面施加一个外加电流，使金属管道成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。阴极保护技术有两种：牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。牺牲阳极阴极保护：牺牲阳极阴极保护技术是采用电位比所要保护的管道金属还要负的金属或合金（如锌合金、镁合金等）与所要保护的管道金属电性连接在一起，依靠电位比较负的金属不断腐蚀所产生的电流来保护管道金属。它投资费用比较少，施工简单，不需要特殊维护，利用率高，但适用范围比较小。外加电流阴极保护技术：外加电流阴极保护技术是采用在回路中加入一个直流电，借助辅助阳极，将直流电通向被保护的管道金属，进而使被保护金属变成阴极，从而达到被保护的目的。它适用范围比较广，对环境的要求比较低，对金属管道保护的时间比较长。 牺牲阳极法阴极保护具有以下优点43：不需要外部电源；对邻近金属构筑物无干扰或很小；电流输出虽不能控制，但有自动调节倾向，且覆盖层不易损坏；保护电流分布均匀，利用率高。牺牲阳极材料必须满足的条件：有足够负且稳定的电位，不仅是开路电位，更是闭路电位；金属电解后的产物不能够具有明显的腐蚀效果，且产物必须保证无毒害作用，对环境不构成威胁；电流效率应该很高，单位质量的金属或合金能够产生较大量的电流，以满足原电池的反应要求；电解反应时，作为阳极的金属或合金的极化率必须小，电解应均匀，电解产物应十分容易脱落，以确保原电池的正负极能够正常进行氧化还原反应；材料应该具有比较大的电容；作为代消耗材料，金属或者合金的选用应该具有经济效益，材料的来源应该比较广泛，并且价格比较便宜。 牺牲阳极法的保护效果与阳极材料本身的性能有着直接的关系，目前常用的保护钢铁设备的牺牲阳极材料有铝基合金、锌基合金和镁基合金三大类。牺牲阳极的性能主要由材料的化学成分和组织结构决定。铝基阳极比重小、电流效率高、发生电量大、对钢铁驱动电位适中、来源丰富，是一种迅速发展起来的新型牺牲阳极材料.锌基阳极比重大、发生电量小、对钢铁的驱动电位不高，且在高温条件下易于极化，一般用于电阻率较低的环境。镁基阳极电流效率低、对钢铁驱动电位大(易于过保护)，常用于电阻率较高的土壤环境44。 镁基牺牲阳极有纯镁、Mg-Mn系合金和Mg-Al-Zn-Mn系合金等三类，其共同的特点是密度小、理论电容量大、电位负、极化率低，对钢铁的驱动电位大（0.6V），适用于电阻率较高的土壤和淡水中金属构件的保护，但不足之处是它的电流效率不高，通常低于50%，其中性能较好和获得广泛应用的主要是Mg-6Al-3Zn-Mn合金。 目前已经开发的锌基牺牲阳极材料种类较多，有纯Zn系、Zn-Al系和Zn-Al-X系、ZnSn系、Zn-Hg系等45。在阴极保护工程中，早期使用的都是纯Zn阳极，近年来，一些锌基合金牺牲阳极已开始得到广泛应用。锌基牺牲阳极自腐蚀速率小，电流效率高，使用寿命长，具有自动调节电流的特性，使用时没有过保护的危险。主要适用于海水、盐水及低电阻率（60）中使用。 目前使用最广泛的铝合金牺牲阳极材料46有Al-Zn-Hg系，Al-Zn-Sn系、AI-Zn-In系合金。 铝的原料来源广，制造工艺简单，是牺牲阳极品种中的后起之秀。铝的理论电容量是2980Ah/kg，是镁的1.35倍，锌的3.6倍；铝合金阳极具有电容量大、寿命长、质量轻、易安装等特点，在海水和含有氯离子的介质中性能良好，可广泛用于海洋环境中钢铁设施（如海上钻井平台、海底管道等）的保护，在海水环境中有取代锌合金阳极的趋势。2 实验部分2.1试验材料本次试验研究的是作为石油管道的保护材料的铝基牺牲阳极材料的腐蚀速率。2.1.1试验材料的加工与工艺根据试样成份配比以每个试样1500克进行配料，配料如表2.1所示：表2.1配料配比编号/质量Ga/gSn/gIn-Sn-Bi/gAl/g145304.51420.5245457.51402.53456010.51384.5460307.51402.55604510.51384.5660604.51375.57753010.51384.5875454.51375.5975607.51357.5根据合金状态图选择比液相线高80-100摄氏度的温度作为熔炼温度，所以该合金的熔炼温度为760摄氏度。先将铝放入电阻炉中加热使其融化，待铝加热至760摄氏度时把其它（Ga,In-Sn-Bi,Sn)合金元素加入铝液中，搅拌，保温十分钟，待溶液温度降至720摄氏度时进行浇铸。把铝基牺牲阳极材料合金熔铸成块状材料。2.1.2试验用的腐蚀溶液根据稠油污水试样配置原油罐内底板的腐蚀主要来自原油中含有的污水，其水质随开采地区开采周期的不同而不同所含有的腐蚀性成分相差较大，本试验根据某稠油污水区开采出的污水样的成分的数据分析进行配料稠油污水成分配比如下表2.2所示：表2.2 稠油污水配比分析项目稠油污水氯离子，mg/l39483.47碳酸氢根，mg/l534.36钙离子，mg/l642.96镁离子，mg/l3122.21钠钾离子，mg/l19274.85硫酸根，mg/l220.20矿化度，mg/l63015.37根据稠油污水成分配比计算出腐蚀溶液成分如下表2.3所示：表2.3 腐蚀溶液成分成分含量，g/lCaCl21.7842MgCl26H2O26.4087Na2So40.3257NaHCo30.7358NaCl47.5756KCl0.5022试验用药品详细信息如下表2.4所示：表2.4 实验药品CaCl2分析纯汕头市西陇化工厂MgCl26H2O分析纯天津市天力化学试剂有限公司Na2SO4分析纯天津市天力化学试剂有限公司NaHCO3分析纯天津市天力化学试剂有限公司NaCl分析纯天津市化学试剂三厂KCl分析纯天津市百世化工有限公司2.2试验方法及表征手段2.2.1质量损失法对于铝合金构件，因为腐蚀试验过后表面形成盐沉积物并且由于生成的腐蚀产物时间较短，容易去除，所以本次试验的常规腐蚀试验的腐蚀速率的测量采用质量损失法，腐蚀试验后腐蚀产物的去除具体做法参照标准GB/T16545-1996去除腐蚀产物的化学和电解清洗方法中规定的铝合金材料的清洗标准进行。铝及铝合金用硝酸（HNo3=1.42g/ml）在室温下浸泡1-5分钟，此方法用于新形成的沉积物和疏松的腐蚀产物，可以避免造成过多的去除金属基体反应。对加工好的试样进行前处理，将试样表面残屑除尽，用无水乙醇清洗除油，然后再用蒸馏水冲洗，滤纸吸干后，用吹风机吹干，用游标卡尺测量试样的长、宽、厚，用于计算试样暴露表面积。干燥后试样用电子天平称重精确到0.0001g，放置于烧杯中，溶液为稠油污水溶液，每隔24h取出试样，用毛刷去除试样表面腐蚀产物并用蒸馏水冲洗。然后将其浸泡在硝酸（HNO3=1.42g/ml）中1-5分钟取出用蒸馏水冲洗后用毛刷除去表面残留物，再用蒸馏水冲洗后用吹风机吹干后，用电子天平称重并记录。质量损失法试验样品数据如下表2.5所示：表2.5 实验样品的质量损失编号长/mm宽/mm厚/mm表面积/cm2质量/g153249.840.53234.1515249.5239.536.54529.9024353249.540.0733.184945124937.9828.9994551.4239.537.7828.223165222.49.236.98628.4908750.4248.232.45828.665085424838.4029.3161952248.537.8830.2604腐蚀方法采用全浸润腐蚀方法如下图2.1所示：图2.1 全浸润试验图根据国家标准JB/T 7901-1999腐蚀溶液的量应不少于试样实际表面积的20倍,所以每组试样溶液量定为800ml采用悬挂法将试样悬挂于烧杯中，每组试样距液面高度保持一致。2.2.2表征手段a. 通过对铝合金试样腐蚀过程中和腐蚀前后形貌变化观察表征。b. 通过腐蚀速率直接表征，腐蚀速率的计算公式如下：R=Km/（ATD） R腐蚀速率；A试样初始面积，cm2；K常数（数值见后文）；T试验周期，h；m腐蚀试验中试样的质量损失，g；D试验材料的密度，g/cm3。当T、A、m和D使用上述规定的单位时，可利用下列相应K值计算出以不同单位表示的腐蚀速率：表2.6 腐蚀速率单位换算表所需要的腐蚀速率的单位 式中的常数K密耳/年（mpy）3.45106时/年（ipy）3.45103时/月（ipm）2.87102毫米/年（/y）8.76104微米/年（m/y）8.76107皮米/秒（pm/s） 2.78106克/米2天（g/m2h）1.00104D毫克/分米2天（mdd）2.40106D微克/米秒（g/m2s）2.78106D如果需要，还可以利用这些常数将腐蚀速度从一种单位变成另一种单位，为了将用单位x表示的腐蚀速度变成用单位y表示的腐蚀速度，只需将其乘以Ky/Kx即可，例如：15mpy=15（2.78106）/（3.45106） pm/s2.3试验结果2.3.1质量损失记录结果质量损失数据记录表如下表：表2.7 24h内失重数据试样时间/h失重值/g失重值/g失重值/g平均值/g速率/mdd1240.00290.00280.00300.002971.54842240.01300.01350.01250.013035.57263240.13200.13230.13200.1321329.674240.08350.08410.08380.0838220.6425240.00730.00770.00720.007419.58716240.06100.06120.06100.0611165.19767240.07120.07090.07090.0710218.74428240.12940.12940.12970.1294336.97919240.01370.01390.01380.013836.4308表2.8 48h内失重数据试样时间/h失重值/g失重值/g失重值/g平均值/g速率/mdd1480.00590.00590.00590.00597.27812480.08870.08880.08890.0888121.49403480.13350.13330.13340.1334166.45874480.18260.18290.18260.1827240.52135480.04220.04190.04190.042055.58506480.07700.07740.07720.0772104.36387480.09050.09080.09080.0907139.71908480.17210.17210.17210.1721224.08859480.08590.08610.08570.0859113.3844表2.9 72h内失重数据试样时间/h失重值/g失重值/g失重值/g平均值/g速率/mdd1720.02200.02210.02250.022218.25722720.18140.18120.18130.1813165.36693720.13360.13380.18920.1339111.38844720.22370.22380.22390.2238196.41915720.09020.09010.09030.090279.58356720.09710.09720.09730.097287.60077720.11850.11850.11850.1185121.69578720.19480.19490.19500.1949169.18409720.14160.14140.14150.1415124.51602.3.2腐蚀后形貌 腐蚀后形貌如图： 图2.2 腐蚀后形貌3 结果讨论3.1腐蚀后形貌讨论通过对腐蚀后形貌的分析确定腐蚀类型，由图2.2可以看得出九组试样都发生了不同程度的腐蚀，试验过程中1号试样腐蚀后产物容易清除且腐蚀不均匀，表面出现少量凹坑，腐蚀类型为点腐蚀；2号试样腐蚀后产物不易清除且腐蚀较均匀，腐蚀类型为均匀腐蚀；3号试样腐蚀后产物不易清除且腐蚀不均匀，表面出现少量凹坑，腐蚀类型为点腐蚀；4号试样腐蚀产物较难清除且表面凹坑较均匀，腐蚀类型为均匀腐蚀；5号试样腐蚀后产物不易清除且腐蚀均匀，腐蚀类型为均匀腐蚀；6号试样腐蚀后产物较难清除且腐蚀均匀，腐蚀类型为均匀腐蚀；7号试样腐蚀后产物不易清除且腐蚀均匀，腐蚀类型为均匀腐蚀；8号试样腐蚀后产物不易清除且腐蚀不均匀，表面出现少量凹坑，腐蚀类型为点腐蚀；9号试样腐蚀后产物不易清除且表面凹坑较均匀，腐蚀类型为均匀腐蚀；3.2腐蚀速率讨论根据失重数据利用制图软件制图可得： 铝合金试样在腐蚀溶液中失重量与时间的关系如下图3.1所示：图3.1铝合金试样在溶液中失重曲线铝合金试样在腐蚀溶液中腐蚀速率与时间关系如下图3.2所示：图3.2铝合金在腐蚀溶液中的腐蚀速率曲线由图3.1可以看出九组试样质量都由于腐蚀而损失，其中质量损失最多的是4号试样，质量损失最少的是1号试样，得出1号试样的耐腐蚀性较好于其他试样。 由图3.2可以看出反应初期腐蚀速率最大的是8号试样最小的是5号试样，反应72h后腐蚀速率最大的是4号试样最小的是1号试样，1号试样腐蚀速率在反应初期较大24h后速率变小72h后速率略微增大，但腐蚀速率仍是远远小于其他试样；2号，5号和9号试样腐蚀速率从反应开始一直在增大9号和5号试样在第2周期的腐蚀速率的增加较2号试样较少，2号试样在周期内腐蚀速率持续增大；3号，7号，8号和6号试样在周期内腐蚀速率持续在减小；4号试样腐蚀速率第一个周期内增加，在第2周期内减小，72h后腐蚀速率最大，但4号腐蚀速率减小，2号腐蚀速率增大，故2号和4号腐蚀性能较好于其他试样，2号较4号腐蚀性能更佳。 4 结论 4 结论（1）形貌分析得出九组试样的腐蚀类型：1号试样、3号试样、8号试样腐蚀类型为点腐蚀，2号试样、4号试样、5号试样、6号试样、7号试样、9号试样腐蚀类型为均匀腐蚀。（2）试验周期内质量损失最多的的是4号试样，质量损失最少的是1号试样，1号试样耐蚀性较好。（3）腐蚀速率较高的2、4、8号试样中2号试样腐蚀性能较好。（4）2号试样在周期内持续增加的腐蚀速率决定其可以作为适用于油田储罐污水的牺牲阳极材料。参考文献1 林刚,林慧国,赵玉涛,铝合金应用手册,北京:机械工业出版社,2006,1-4,630.2 潘复生,张丁非.铝合金及应用M.北京: 化学工业出版社, 2006: 1-23.3 Pietschmann J. Filiform corrosion of organically coated aluminiummM.Part 1,Aluminium, 1993, 69. 10191023, 10811084.4 白新德.材料腐蚀与控制M.北京:清华大学出版社,2005:1-5.5 曹楚南.腐蚀电化学原理M. 北京: 化学工业出版社,2008:27-119.6 彭文才,侯健,郭为民等.温度和溶解氧对5083铝合金海水腐蚀性的影J.装备环工程.2010,7(3):22-26.7 A.Aballe.M.Bethencourt,F.Botana et.Influence of the Degree of Polishing of Alloy AA5083 on Its Behavior Against Localised Alkaline CorrosionJ. Corrosion Science,2004,46(8):1909-1920.8 B.Zaid,D.Saidi,A.Benzaid. Effects of pH and Chloride Concentration on PittingCorrosio-n of AA6061 Aluminum AlloyJ. Corrosion Science,2008,50(7):1841-1847.9 Alavi A,Cottis R A.The determination of pH,potential and chloride concentration incorr-oding creviceson 304 stainlesssteel and 7475 aluminium alloyJ.CorrosionScience.1987,27(5):443-451 10 Birbilis N,Buehheit R G.Investigation and discussion of characteristics forintermetall- ic -phases common to aluminum alloys as a function of solutionpHJ. Journal of the Electrochemical society,2008,115(30):117-12611 张正,宋诗哲,墨淑芬,0.1mol/L NaCl溶液中不同剥蚀程度LY12CZ合金的EIS特征,金属学报,2004.40（7）:754-75812 邵敏华,林昌健.Al合金点腐蚀及研究方法J. 腐蚀科学与防护技术.2002,14(3):147-151.13 Tabrzi M.R., Lyon S.B., Thompson G.E., Ferguson J., The long term corrosion of aluminium in alkaline mediaJ, Corrosion Science, 1991, 32:733-742.14 A. Aballe, M.Bethencourt, F. J. Botana, et al. Localized Alkaline Corrosion of Alloy AA5083 in Neutral 3.5% NaCl SolutionJ. Corrosion Science.2001,43: 16571674.15 顾书英.聚合物膜应用于铝及铝合金防腐蚀的研究现状及发展J.材料保护,2000,33(4):41-42.16 白新德.材料腐蚀与控制M.北京:清华大学出版社,2005:1-5.17 曹楚南.腐蚀电化学原理M.北京:化学工业出版社,2008:27-119.18 未知.金属的腐蚀与防护J. 表面工程资讯.2008,5:46-47.19 彭文才,侯健,郭为民等.温度和溶解氧对5083铝合金海水腐蚀性的影J. 装备环境工程. 2010,7(3):22-26.20 A.Aballe.M.Bethencourt,F.Botana et.Influence of the Degree of Polishing of Alloy AA5083 on Its Behavior Against Localised Alkaline CorrosionJ. Corrosion Science 2004, 46(8): 19 09-1920.21 B.Zaid,D.Saidi,A.Benzaid. Effects of pH and Chloride Concentration on Pitting Corrosion of AA6061 Aluminum AlloyJ. Corrosion Science,2008,50(7):1841-1847.22 Alavi A,Cottis R A.The determination of pH,potential and chloride concentration incur-roding crevices on 304 stainless steel and 7475 aluminium alloyJ.Corrosion Scienc-e.1987,27(5):443-451.23 Birbilis N,Buehheit R G.Investigation and discussion of characteristics for intermetallic phases common to aluminum alloys as a function of solution pHJ. Journal of the Electrochemical society,2008,115(30):117-126.24 G.S.Frankel ,L.Stockert , F.Hunkeler , etal. Metastable pitting of stainle-ss-steelJ.Corr-osion, 987:43:429-3625 邵敏华,林昌健. Al合金点腐蚀及研究方法J. 腐蚀科学与防护技术.2002,14(3):147-151.26Tabrzi M.R., Lyon S.B., Thompson G.E., Ferguson J