干濕交替條件下犧牲陽極再活化性能試驗

方志剛，劉 斌，王 濤

(海軍裝備研究院，北京100161)

0 引言

犧牲陽極陰極保護對海洋環(huán)境鋼鐵結(jié)構(gòu)的防腐蝕起到了積極的作用。但在某些特殊的應用領(lǐng)域如高溫、干濕交替、油污水等環(huán)境中尚不夠成熟和完善。以往艦船的陰極保護較多采用三元鋅合金 (Zn-Al-Cd)犧牲陽極，近10多年來鋁合金犧牲陽極逐漸得到應用。相對鋅合金犧牲陽極而言，鋁合金犧牲陽極由于具有電位負、電容量大、陽極活化溶解性能良好、重量輕等優(yōu)點在海洋工程中得到了廣泛的應用，在海洋工程陰極保護中有取代鋅合金陽極的趨勢。但是，經(jīng)?？吹皆跐撏蠈咏ㄖ^(qū)域、各型船舶的壓載水艙的犧牲陽極使用效果不佳，如表面結(jié)殼、消耗不均勻、被保護對象得不到有效保護等問題［1］，因此，陽極的再活化性能需要進行系統(tǒng)研究和驗證。

本研究的主要目的是，針對干濕交替特殊腐蝕工況條件，選擇國內(nèi)外海洋環(huán)境使用廣泛的陽極材料:三元鋅合金陽極Zn-Al-Cd、普通鋁合金陽極Al-Zn-In-Cd和Al-Zn-In-Mg-Ti高效鋁合金犧牲陽極材料、新型的Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn高活化鋁合金犧牲陽極，通過實驗室模擬試驗裝置和電化學測試系統(tǒng)，進行這4種陽極在不同周期的極化曲線測量和比較，在不同工作周期后的再活化性能測量和比較，比較它們之間的耐干濕交替環(huán)境性能，優(yōu)選出干濕交替環(huán)境條件下最為推薦使用的犧牲陽極，為裝備和海洋工程的防腐蝕設(shè)計提供依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗所用4種犧牲陽極材料分為以下3類:

1)Zn-Al-Cd三元鋅合金陽極，是目前上層建筑陰極保護選用的陽極材料。

2)Al-Zn-In-Cd鋁合金犧牲陽極，是海洋工程中陰極保護經(jīng)常采用的普通犧牲陽極材料。

3)Al-Zn-In-Mg-Ti高效鋁合金犧牲陽極、Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn高活化鋁合金犧牲陽極，在海洋工程的陰極保護中已逐漸大量推廣應用。

1.2 試驗介質(zhì)及條件

實驗室干濕交替條件下陽極性能試驗在全浸腐蝕試驗裝置進行，全浸腐蝕并按一定的周期取出在空氣中暴露，腐蝕介質(zhì)為取自青島海濱的潔凈天然海水。

1.3 試驗方法

將犧牲陽極在干濕交替條件下進行自放電試驗，模擬陽極工作狀態(tài)，在不同試驗周期對陽極進行電化學性能測試，通過測定其在海水中恒電位極化曲線和陽極極化曲線，評價其活化性能。干濕交替工作周期同前，試驗中采用的陽極形狀為片狀，陽極正對陰極的一面中心暴露1 cm2的陽極工作表面，其余陽極表面用環(huán)氧膩子涂封。每個圓形鋼制陰極筒周圍均勻布置14個陽極，陽極與陰極的面積比為1∶60。陽極與鋼制陰極筒間電性連接，不同種陽極材料間采用不同陰極筒進行試驗。試驗過程中定期從樣品中取出經(jīng)間浸條件下自放電的犧牲陽極，進行各種電化學試驗，同時補充新的試驗樣品以保持陰陽極面積比。

采用動電位曲線測量技術(shù)，測試經(jīng)不同干濕交替周期后陽極的極化曲線，評價其電化學性能的變化規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 犧牲陽極不同間浸周期的極化曲線

由準穩(wěn)態(tài)陽極極化曲線可以確定犧牲陽極的極化性能，一般要求犧牲陽極應具有較低的極化率和較大的陽極電流。圖1給出了試驗選定的4種陽極在不同干濕交替自放電工作周期后的極化曲線。

圖1(a)示出普通三元鋅陽極在不同工作周期后的極化曲線。隨著工作周期的延長，鋅陽極的開路電位正移，極化率也逐漸顯著增大，從15個周期開始就出現(xiàn)顯著的變化。試驗周期內(nèi)陽極溶解電流則降低近2個數(shù)量級，陽極工作段大大縮短。結(jié)合陽極工作過程中的形貌觀察可知，鋅陽極在干濕交替的工作環(huán)境下，腐蝕產(chǎn)物容易在陽極表面結(jié)殼，使得陽極“窒息”，不能發(fā)揮保護作用，因此鋅陽極不適合應用于干濕交替的工作環(huán)境中。

圖1(b)是普通鋁陽極Al-Zn-In-Cd在海水介質(zhì)中經(jīng)過不同干濕交替自放電工作周期后的極化曲線。從圖中可以看出，30個周期內(nèi)陽極的極化曲線幾乎重合，其開路電位和極化率非常接近，均具有較負的開路電位和較小的極化率，表明陽極性能尚未出現(xiàn)惡化。但其第45個工作周期后，陽極的極化率顯著增大，這一現(xiàn)象與陽極在長期且頻繁的干濕交替的環(huán)境下工作，腐蝕產(chǎn)物在表面包覆結(jié)殼有關(guān);在60個工作周期后陽極開路電位急劇正移，也與產(chǎn)物的附著結(jié)殼有關(guān)，陽極的電化學性能大大降低。

圖1(c)是Al-Zn-In-Mg-Ti陽極在海水介質(zhì)中經(jīng)過不同干濕交替工作周期后的極化曲線。由圖中可以看出，經(jīng)7個和15個工作周期后，陽極試樣的極化曲線幾乎完全重合，隨著工作周期的延長，由于表面腐蝕產(chǎn)物的增多，其電化學性能有所降低，表現(xiàn)在開路電位正移，但仍低于-1.0VSCE。圖中結(jié)果顯示，60個工作周期后的開路電位相對于45個工作周期的更負，原因和實驗中該陽極在海水介質(zhì)中隨浸泡時間變化，表面腐蝕產(chǎn)物的附著和溶解脫落，陽極表面活化仍可以隨機性發(fā)生有關(guān)。不同周期陽極的開路電位和極化率變化情況表明，該陽極在間浸環(huán)境中相對前2種陽極具有良好的電化學性能［2］。

圖1(d)是Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn陽極在海水介質(zhì)中經(jīng)過不同干濕交替工作周期后的極化曲線。從圖中可看到，7個工作周期后，陽極仍具有負于-1.10 V開路電位，且其極化率很小，表明該陽極輸出電流的能力較好。在15～30個工作周期后，陽極極化率略有增大，到45，60周期時極化率比前期又有進一步增加。其開路電位則變化不大，工作電流密度雖然比初期略有降低，但可以滿足使用要求。從不同周期極化曲線變化規(guī)律看，該陽極在間浸海水中具有良好的電化學性能，可以滿足間浸環(huán)境中陰極保護使用要求。

2.2 不同陽極的極化性能對比

圖1 陽極不同工作時間后的極化曲線Fig.1 Evolution of the polarization curves by sacrificial anodes after different wet-dry cycles

圖2 不同陽極間浸環(huán)境自放電不同工作周期后的極化曲線Fig.2 Evolution of the polarization curves by sacrificial anodes after different wet-dry cycles and self-discharge

圖2(a)～圖2(d)是不同陽極在相同干濕交替周期下工作后極化性能的對比圖。4種犧牲陽極材料在7個工作周期后的極化性能相近，表明在較短的時間內(nèi)，4種犧牲陽極材料均可在干濕交替的環(huán)境下工作，但隨著工作周期的延長，Zn-Al-Cd陽極的性能逐漸惡化，主要表現(xiàn)在其開路電位大幅正移，極化率明顯增大;其余3種陽極的性能相對較好，在30個工作周期后仍保持較負的開路電位和較小的極化率，表明這3種陽極此時均可以作為干濕交替環(huán)境中的犧牲陽極材料。但隨著間浸周期的延長，Zn-Al-Cd和Al-Zn-In-Cd陽極的開路電位正移至近-1.0VSCE，Zn-Al-Cd陽極的極化率增大;Al-Zn-In-Mg-Ti陽極出現(xiàn)開路電位正移和極化率增加的現(xiàn)象，但其電化學性能相對前二者而言仍可以作為犧牲陽極在間浸環(huán)境中使用［3-4］。Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn在各個試驗周期內(nèi)相對其他3種陽極，具有最好的電化學性能［5］。

2.3 犧牲陽極在不同工作時間后的再活化性能

在干濕交替的環(huán)境下，陽極表面容易生成腐蝕產(chǎn)物膜，嚴重的可結(jié)成硬殼，使陽極窒息，失去發(fā)生電流能力。因此在該種工況條件下，陽極的再活化能力極為重要，要求陽極入水后能夠迅速發(fā)出電流，起到保護作用。

利用恒電位階躍法測定陽極的再活化性能。圖3給出了試驗的4種陽極在不同間浸自放電工作周期后的放電曲線。

圖3(a)顯示Zn-Al-Cd陽極在7個工作周期時陽極屬于持續(xù)活化型陽極，之后轉(zhuǎn)為鈍化型，表明鋅陽極的活性顯著惡化，到30個工作周期后已嚴重降低，僅能達到0.1 mA/cm2。

圖3(b)顯示Al-Zn-In-Cd陽極試樣在15個工作周期之內(nèi)屬于持續(xù)活化型陽極，其中電流迅速下降的過程為電極表面雙電層的放電所致，其后在陽極電位的作用下，陽極表面逐漸被活化，電流增高。

圖3(c)顯示Al-Zn-In-Mg-Ti陽極隨著工作周期的延長，陽極的放電能力逐漸減弱，但在30個工作周期內(nèi)均屬于持續(xù)活化型陽極，之后的放電曲線變化趨勢平緩，呈現(xiàn)出“鈍化”的現(xiàn)象。

圖3(d)顯示Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn陽極在不同間浸工作周期時均屬于持續(xù)活化型陽極，在30個工作周期時發(fā)生電流有很大的變化，比其他幾個周期增加明顯，原因可能是表面產(chǎn)物由于某種原因脫落造成［5］。

圖3 四種犧牲陽極不同間浸工作周期后的放電曲線Fig.3 Evolution of the self-discharge curves by sacrificial anodes after different wet-dry cycles

2.4 不同陽極的再活化性能對比

圖4(a)～圖4(d)給出的是4種陽極在不同間浸自放電周期后的恒電流極化曲線對比。通過比較可以看出，Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn陽極的放電能力明顯優(yōu)于其他陽極，其再活化性能最好，是適合于干濕交替的工作環(huán)境的犧牲陽極材料。

圖4 四種犧牲陽極間浸自放電不同周期后的恒電位極化曲線Fig.4 Evolution of the potentiostatic polarization curves by sacrificial anodes after different wet-dry cycles and self-discharge

3 結(jié)語

通過干濕交替條件下陽極自放電試驗測量了4種陽極的不同工作周期的極化曲線和再活化性能。對比試驗結(jié)果表明，Zn-Al-Cd陽極在干濕交替條件下的電化學性能降低幅度最大，Al-Zn-In-Cd次之，這2種犧牲陽極在干濕交替條件下使用起保護作用難以保證;Al-Zn-In-Mg-Ti相對前二者具有更好的再活化性能。從再活化性能看，Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn是4種陽極中最適合作為干濕交替條件下陰極保護用犧牲陽極類型，是在潛艇上層建筑區(qū)域和壓載水艙等部位推薦使用的犧牲陽極。

［1］黃燕濱，劉學斌，丁華東，等.海洋環(huán)境Al-Zn-In-Mg-Ti犧牲陽極腐蝕防護研究［J］.裝備環(huán)境工程，2010，7(5):46-48.HUANG Yan-bin，LIU Xue-bin，DING Hua-dong.Research on corrision protection of Al-Zn-In-Mg-Ti sacrificial anode materialsin sea environment［J］.Equipment Environmental Engineering，2010，7(5):46-48.

［2］孔小東，丁振斌，朱梅五.含Mg鋁合金犧牲陽極的電流效率及影響因素［J］.中國腐蝕與防護學報，2010，30(1):6-10.KONG Xiao-dong，DING Zhen-bin，ZHU Mei-wu.Efficiency and effecting factors Mg containing Al alloy sacrificial anodes［J］.Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection，2010，30(1):6-10.

［3］李威力，閆永貴，陳光，等.Al-Zn-In系犧牲陽極低溫電化學性能研究［J］.腐蝕科學與防護技術(shù)，2009，21(2):122-124.LI Wei-li，YAN Yong-gui，CHEN Guang，et al.Electrochemical behavior of Al-Zn-In sacrificial anode in low temperature environment［J］.Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection.

［4］袁傳軍，梁成浩，安小雯.Ga對Al-Zn-In合金犧牲陽極電化學性能影響［J］.大連理工大學學報，2004，44(4):502-505.YUAN Chuan-jun，LIANG Cheng-hao，AN Xiao-wen.Effects of Ga on electochemical properties of Al-Zn-In sacrificial anodes［J］.Journal of Dalian University of Technology，2004，44(4):502-55.

［5］馬力，曾紅杰，閆永貴.Ga含量對Al-Ga犧牲陽極電化學性能的影響［J］.腐蝕科學與防護技術(shù)，2009，21(2):125-127.MA Li，ZENG Hong-jie，YAN Yong-gui.Effects of Ga content on electrochemical properties of Al-Ga sacrificial anodes［J］.Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection，2009，21(2):125-127.