一种深海环境用铝合金牺牲阳极及其制造方法与流程

1.本发明涉及腐蚀与防护技术领域，特别涉及一种深海环境用铝合金牺牲阳极及其制造方法。


背景技术：

2.铝合金牺牲阳极阴极保护系统具有电容量大、免维护、可靠性高等优点，广泛运用于海水环境中金属结构物的防腐蚀。随着海洋能源的开采逐步向深海区域发展，深海工程中金属结构物的安装和使用对阴极保护提出了新的需求。由于深海环境的海水温度低、海水中溶解氧浓度随着水深变化等原因，适用于常规海水环境的牺牲阳极往往难以适用于深海环境，主要存在阳极无法有效活化、工作电位不足、腐蚀形貌不均匀以及电容量低等技术问题。上述问题在实际工程中则导致阴极保护系统提前失效、金属结构物腐蚀。
3.相较于常规海洋工程，深海工程中单位规模的金属结构物安装成本更高，维修、维护和置换等工作难度更大，若发生严重腐蚀将导致提前失效，不仅会造成严重的经济损失还将会伴随严重的海洋环境污染以及安全问题，因此深海工程中金属结构物的防腐蚀对降低深海工程的运营成本十分重要。适用于深海环境的铝合金牺牲阳极是保障深海阴极保护系统的有效性和金属结构物防腐蚀效果的关键材料。
4.当前的牺牲阳极制造技术主要是基于常见的牺牲阳极配方，如：bs en 12496、dnv-rp-b401、iso 15589-2等标准或者项目技术规范中提到的铝合金阳极材料配方表，采用配方表中各合金元素中位值进行配方计算和阳极生产；但对浇铸工艺的关注较少。牺牲阳极材料作为一种合金材料，其使用性能取决于其金属组织，而金属组织由化学成分和制造工艺共同决定，仅研究化学成分不考虑制造工艺并不能得到性能优良且稳定的牺牲阳极产品。


技术实现要素：

5.本发明为了解决现有的牺牲阳极在深海环境中适用时的不适用性问题，提供了一种深海环境用铝合金牺牲阳极及其制造方法。
6.第一方面，本技术提供了一种深海环境用铝合金牺牲阳极，是采用以下技术方案得以实现的。
7.一种深海环境用铝合金牺牲阳极，所述铝合金牺牲阳极的化学成分包括铝、锌、铟和硅，所述锌的质量分数为4.95～5.35％，铟的质量分数为0.017～0.018％，硅的质量分数为0.08～0.09％，余量为铝。
8.进一步的，所述铝合金牺牲阳极所用原材料为铝含量≥99.8％且铁含量≤0.09％的铝、锌含量≥99.99％的锌、铟含量≥99.99％的铟、fe含量≤0.3％的铝硅合金。
9.第二方面，本技术提供了一种深海环境用铝合金牺牲阳极的制造方法，是采用以下技术方案得以实现的。
10.一种深海环境用铝合金牺牲阳极的制造方法，包括以下步骤：
11.s1.根据原材料的实际化学成分，按照al-zn(4.95～5.35)-in(0.017～0.018)-si(0.08～0.09)计算每种原材料的添加量，并对原材料进行裁切和称量；
12.s2.设置炉温720℃～730℃，按照铝、铝硅合金、锌、铟依次投入原材料，使原材料完全融化；
13.s3.维持熔体温度720℃～730℃，静置10min～15min脱气，并去除浮渣；
14.s4.加热铸铁模具至350～400℃；
15.s5.维持熔体温度在720℃～730℃，再次搅拌熔体10min～15min(搅拌速度为60r/min～80r/min)，静置5min～10min后开始浇铸；
16.s6.将合金留存在恒温模具中5～30min后取出在空气孔冷却至室温。
17.进一步的，步骤s2中，在原材料投加过程中，一种原材料完全熔化后加入下一种原材料，并充分搅拌不低于5min；重复该步骤至所有原材料加入完成。
18.进一步的，在阳极浇铸前、浇铸过程中和浇铸后的模具温度均控制在350～400℃。
19.进一步的，步骤s5中，搅拌速度为60r/min～80r/min。
20.本技术具有以下有益效果。
21.本发明通过控制模具温度来控制多元合金熔体的降温速度，进而对合金材料中的晶粒尺寸实现控制；通过控制凝固后的合金在恒温模具中的保存时间，促进合金材料中zn元素参与合金化，以及in元素在合金组织中均匀偏析，从而提高合金材料在深海条件下的反应活性，使得阳极能够活化、电化学反应能够开始并得以维持。本发明制备得到的铝合牺牲阳极可在深海环境中有效活化并持续发生电化学作用，工作电位≤-1.05v(相对于ag/agcl/海水参比电极)，电化学容量≥2500ah/kg，腐蚀产物易脱落，溶解形貌均匀，适用于深海环境中金属结构物的阴极保护，可减少深海工程的维护成本。
具体实施方式
22.以下结合实施例对本专利申请进行进一步的说明。
23.实施例1
24.根据铝硅合金的组成，按照al-zn(5.15)-in(0.0175)-si(0.085)计算每种原材料的添加量，并完成原材料的裁切和称量以备用；
25.设置炉温725℃，按照铝、铝硅合金、锌、铟依次投入原材料；前一种原材料完全熔化后加入第二种原材料，并充分搅拌7min；重复该步骤至所有原材料加入完成；
26.维持熔体温度725℃，静置10min脱气，并去除浮渣；
27.再次搅拌10min，静置5min后开始浇铸；
28.加热铸铁模具至350℃；
29.将合金留存在恒温模具中5min后取出自空气孔冷却至室温。
30.所得阳极的电化学性能按照dnv-rp-b401 section 9测试方法模拟深海环境进行检测，所记录电位为相对于ag/agcl/海水参比电极的电位，结果如下：
[0031][0032]
实施例2
[0033]
根据铝硅合金的组成，按照al-zn(5.15)-in(0.0175)-si(0.085)计算每种原材料的添加量，并完成原材料的裁切和称量以备用；
[0034]
设置炉温725℃，按照铝、铝硅合金、锌、铟依次投入原材料；前一种原材料完全熔化后加入第二种原材料，并充分搅拌7min；重复该步骤至所有原材料加入完成；
[0035]
维持熔体温度725℃，静置10min脱气，并去除浮渣；
[0036]
再次搅拌10min，静置5min后开始浇铸；
[0037]
加热铸铁模具至350℃；
[0038]
将合金留存在恒温模具中30min后取出自空气孔冷却至室温。
[0039]
所得阳极的电化学性能按照dnv-rp-b401 section 9测试方法模拟深海环境进行检测，所记录电位为相对于ag/agcl/海水参比电极的电位，结果如下：
[0040][0041]
实施例3
[0042]
根据铝硅合金的组成，按照al-zn(5.15)-in(0.0175)-si(0.085)计算每种原材料的添加量，并完成原材料的裁切和称量以备用；
[0043]
设置炉温725℃，按照铝、铝硅合金、锌、铟依次投入原材料；前一种原材料完全熔化后加入第二种原材料，并充分搅拌7min；重复该步骤至所有原材料加入完成；
[0044]
维持熔体温度725℃，静置10min脱气，并去除浮渣；
[0045]
再次搅拌10min，静置5min后开始浇铸；
[0046]
加热铸铁模具至400℃；
[0047]
将合金留存在恒温模具中5min后取出自空气孔冷却至室温。
[0048]
所得阳极的电化学性能按照dnv-rp-b401 section 9测试方法模拟深海环境进行检测，所记录电位为相对于ag/agcl/海水参比电极的电位，结果如下：
[0049][0050][0051]
实施例4
[0052]
根据铝硅合金的组成，按照al-zn(5.15)-in(0.0175)-si(0.085)计算每种原材料的添加量，并完成原材料的裁切和称量以备用；
[0053]
设置炉温725℃，按照铝、铝硅合金、锌、铟依次投入原材料；前一种原材料完全熔化后加入第二种原材料，并充分搅拌7min；重复该步骤至所有原材料加入完成；
[0054]
维持熔体温度725℃，静置10min脱气，并去除浮渣；
[0055]
再次搅拌10min，静置5min后开始浇铸；
[0056]
加热铸铁模具至400℃；
[0057]
将合金留存在恒温模具中30min后取出自空气孔冷却至室温。
[0058]
所得阳极的电化学性能按照dnv-rp-b401 section 9测试方法模拟深海环境进行检测，所记录电位为相对于ag/agcl/海水参比电极的电位，结果如下：
[0059][0060]
本技术实施例1-4所得阳极按照dnv-rp-b401section 9所指定的电化学性能检测方法模拟深海环境条件进行检测：在模拟500～1000米水深的海洋环境(海水盐度35
‰±
0.5
‰
，温度4℃
±
0.5℃，氧浓度2.7mg/l
±
0.5mg/l)的电化学性能测试中，相对于ag/agcl/
海水参比电极的工作电位为-1090mv至-1080mv，电化学容量为2764ah/kg至2798ah/kg，腐蚀产物容易脱落，阳极腐蚀形貌均匀。
[0061]
在模拟大于1500米水深的海洋环境(海水盐度35
‰±
0.5
‰
，温度4℃
±
0.5℃，氧浓度5.6mg/l
±
0.5mg/l)的电化学性能测试中，相对于ag/agcl/海水参比电极的工作电位为-1094mv至-1068mv，电化学容量为2675ah/kg至2709ah/kg，腐蚀产物容易脱落，阳极溶解形貌均匀。
[0062]
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种深海环境用铝合金牺牲阳极，其特征在于：所述铝合金牺牲阳极的化学成分包括铝、锌、铟和硅，所述锌的质量分数为4.95～5.35％，铟的质量分数为0.017～0.018％，硅的质量分数为0.08～0.09％，余量为铝。2.根据权利要求1所述的一种深海环境用铝合金牺牲阳极，其特征在于：所述铝合金牺牲阳极所用原材料为铝含量≥99.8％且铁含量≤0.09％的铝、锌含量≥99.99％的锌、铟含量≥99.99％的铟、fe含量≤0.3％的铝硅合金。3.一种权利要求1或2所述深海环境用铝合金牺牲阳极的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：s1.根据原材料的实际化学成分，按照al-zn(4.95～5.35)-in(0.017～0.018)-si(0.08～0.09)计算每种原材料的添加量，并对原材料进行裁切和称量；s2.设置炉温720℃～730℃，按照铝、铝硅合金、锌、铟依次投入原材料，使原材料完全融化；s3.维持熔体温度720℃～730℃，静置10min～15min脱气，并去除浮渣；s4.加热铸铁模具至350～400℃；s5.维持熔体温度在720℃～730℃，再次搅拌熔体10min～15min，静置5min～10min后开始浇铸；s6.将合金留存在恒温模具中5～30min后取出在空气孔冷却至室温。4.根据权利要求3所述的一种深海环境用铝合金牺牲阳极的制造方法，其特征在于：步骤s2中，在原材料投加过程中，一种原材料完全熔化后加入下一种原材料，并充分搅拌不低于5min；重复该步骤至所有原材料加入完成。5.根据权利要求3所述的一种深海环境用铝合金牺牲阳极的制造方法，其特征在于：在阳极浇铸前、浇铸过程中和浇铸后的模具温度均控制在350～400℃。6.根据权利要求3所述的一种深海环境用铝合金牺牲阳极的制造方法，其特征在于：步骤s5中，搅拌速度为60r/min～80r/min。

技术总结
本发明公开了一种深海环境用铝合金牺牲阳极及其制造方法，所述制造方法步骤如下：按照Al-Zn(4.95～5.35)-In(0.017～0.018)-Si(0.08～0.09)称取原材料；设置炉温720℃～730℃，按照铝、铝硅合金、锌、铟依次投入原材料，使原材料完全融化；维持熔体温度720℃～730℃，静置10min脱气并去除浮渣；加热铸铁模具至350～400℃；再次搅拌熔体10min，静置5min后开始浇铸；将合金留存在恒温模具中5～30min后取出自空气孔冷却至室温。本申请通过控制模具温度以及模具内保温时长以确保获得预期的金属组织和电化学性能，通过性能测试证明所得阳极对深海环境的适用性。深海环境的适用性。


技术研发人员：贺海龙 刘新宇 刘康 蔡永桥 韩宁 董晓雨 熊刚 马俊 许彪 王冠
受保护的技术使用者：中海油能源发展装备技术有限公司 中海油能源发展装备技术有限公司加工制造分公司
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/18