水下耐壓鋁合金殼體犧牲陽極防護優化設計

劉彥強

【摘要】針對水下耐壓鋁合金殼體的犧牲陽極防護設計，本文首先對傳統鎂陽極防護的失效原因進行了分析，然后介紹了一種新型六元鋁合金犧牲陽極。經電化學性能評價、理論計算和仿真分析，結果表明，采用相同結構尺寸和安裝方式時，鋁陽極相對鎂陽極具有更高的設計壽命，防腐性能優良，可推廣應用到水下耐壓鋁合金殼體的防腐設計中。

【關鍵詞】鎂陽極;六元鋁合金;設計壽命;防腐設計

1.引言

水下耐壓殼體服役期間所處的海洋環境極其復雜，表面沉積物、海生物附著、海水的流速和溫度以及海水的天然電解質作用，使得其可能遭受嚴重的腐蝕和污損。海水腐蝕會嚴重降低水下耐壓殼體的結構強度甚至發生滲漏，導致耐壓殼體的戰備使命夭折于服役期間。

陰極防護是防止金屬電化學腐蝕最有效的方法之一。它通過對被保護的金屬施加一定的陰極電流，使其產生陰極極化，當金屬的電位負于某一電位值時，腐蝕的陽極溶解過程就會得到有效的抑制。根據提供陰極電流的方式不同，陰極防護又分為犧牲陽極法和外加電流法兩種。犧牲陽極法是將一種電位更負的金屬或合金與被保護金屬結構物電性連接，通過電負性金屬或合金的不斷消耗溶解，向被保護物提供保護電流，使金屬結構物得到保護。

在水下耐壓鋁合金殼體的防腐設計中，除采用在外表面涂覆防腐涂層的方法外，還需進行犧牲陽極防護設計。本文首先對采用傳統鎂陽極防護的失效原因進行了分析，然后提出一種新型六元鋁合金犧牲陽極材料，并首次應用到水下耐壓鋁合金殼體的防腐設計中，經電化學性能評價、理論計算和仿真分析，該材料防腐性能優良，可滿足鋁合金殼體服役期間的耐腐蝕要求。

2.鋁合金殼體犧牲陽極防護設計

2.1 犧牲陽極防護機理

犧牲陽極由電位較負的金屬材料制成，當它與被保護的構件連接時，自身發生優先腐蝕，從而抑制了構件的腐蝕，故稱為犧牲陽極。犧牲陽極應有足夠負的穩定電位，以保持足夠大的驅動電壓，同時有較大的理論發生電量，還要有高而穩定的電流效率。犧牲陽極必須溶解均勻，表面不結殼，保證能長期發出電流。常用犧牲陽極材料有鋁、鎂和鋅等幾種。

犧牲陽極保護結構件利用的是電偶腐蝕原理，如圖1所示。圖中所示為等面積的陰陽極相互偶接時的電位極化情況。被保護金屬1電位負移，其腐蝕速度可由該金屬極化曲線的陽極塔菲爾區外推獲得。當電位負移到一定程度時，腐蝕完全被抑制。而陽極的溶解速度（發出電流）可由金屬1和金屬2的極化曲線相交點獲得。被保護金屬能負移到什么電位，則取決于該部位的輸入保護電流密度。

圖1 電偶腐蝕原理

2.2 犧牲陽極結構設計

對于外形有較高要求的水下耐壓鋁合金殼體（材料為5A06），犧牲陽極不宜直接外露在殼體表面，可用來安裝犧牲陽極的空間也很有限。本設計中將犧牲陽極安裝于殼體上的孔座內，如圖2所示，犧牲陽極呈環形，首先用螺釘固定于連板上，然后將連板安裝于孔座內，通過連板將犧牲陽極與孔座連通。外部用整流蓋整形，這樣犧牲陽極溶解后不會影響殼體的流體外形。

圖2 犧牲陽極及安裝結構示意圖

在傳統犧牲陽極設計中，材料通常選用鎂陽極（AZ62M），但在使用中經常會發生防護失效問題，導致鋁合金殼體不能得到有效的耐腐蝕防護。以下首先對鎂陽極的失效原因進行分析，然后提出一種新型鋁陽極材料用于鋁合金殼體的防腐設計。

3.傳統鎂陽極防護失效分析

3.1 鎂陽極電化學性能評價

鎂陽極（AZ62M）的開路電位和工作電位如圖3所示。相對于飽和甘汞電極（SCE），鎂陽極的開路電位在-1.50～-1.60V之間，符合標準要求;工作電位在-1.35～-1.40V之間，略低于標準要求的-1.45～-1.50V;實際電容量為1200A·h，電流效率為54.3%，略低于標準要求。鎂陽極的溶解形貌均勻（圖4），無點蝕，不存在氣孔和夾雜，符合標準要求。圖5所示為鎂陽極在海水中浸泡1d時的動電位極化曲線圖。可以看出，鎂陽極的自腐蝕電位較負，極化率較低;輸出電流1mA/cm2時，電位偏移不足50mV。

綜上所述，鎂合金（AZ62M）犧牲陽極溶解形貌和極化性能較好，但電化學性能和電流效率略低于標準要求。

圖3 鎂陽極工作電位和開路電位

圖4 鎂陽極溶解形貌

圖5 鎂陽極動電位極化曲線

3.2 鎂陽極設計壽命計算

（1）由于環狀陽極接近鐲形陽極，其接水電阻按下式計算：

（1）

為陽極接水電阻，為海水電阻率（25.0Ω·cm），為陽極暴露于水的面積，約84cm2。計算得接水電阻約0.9Ω。

（2）陽極輸出電流：

（2）

鎂陽極的驅動電位取0.5V，計算得輸出電流為556mA（當鎂陽極和5A06殼體間未施加任何電阻時）。

（3）陽極使用壽命：

（3）

其中，Y為壽命，n為陽極個數，m為陽極質量，Q為陽極實際電容量，約為1220A·h，K為陽極利用系數，取0.7，Im取陽極輸出電流的0.6～0.8。計算得陽極使用壽命約0.3年。

綜上計算可知，鎂陽極設計使用壽命不足。根據式（1）、（2）和（3），若在現有結構尺寸不變的情況下，可考慮以下兩種方式改進設計。

（1）增大接水電阻。根據陽極極化特征和鋁合金殼體需要保護的面積，可算得所需要的保護電流約30mA，若串接一個30～50Ω的電阻，經式（3）算得陽極的壽命約0.91年，可滿足壽命要求。從圖2可知，現有陽極安裝結構中不便于串接電阻。

（2）減小暴露面積。考慮溶解情況和實際的安裝情況，對陽極上下兩面進行封閉，留側面發出電流，算得接水電阻1.14Ω，發生電流If為438mA，發生電流仍然較大，壽命無法保證，因此這種方式并不合適。

4.新型鋁陽極防護優化設計

純鋁本身不能作為犧牲陽極，因為純鋁在環境中非常容易形成鈍化膜。鈍化膜的形成，阻礙了鋁的進一步溶解的趨勢。實用的犧牲陽極，則必須在熔煉時添加活性元素以活化表面，并且加入其他合金元素控制陽極的發生電流和工作電位。目前最常用的鋁合金犧牲陽極均為Al-Zn-In系犧牲陽極。

4.1 鋁陽極電化學性能評價

六元鋁合金犧牲陽極，是以Al-Zn-In系合金為基礎，采用合金化控制技術，通過多種合金元素協同活化作用，以及復雜配方體系的優化，研制出的高活化Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn六元鋁合金犧牲陽極。其中各元素所起作用分別為：Zn：破壞Al表面鈍化膜;In：提供活性位點;Mg：細化晶粒;Ga：降低電位，促進再活化;Mn：消除鐵雜質影響。該犧牲陽極具有工作電位穩定，發生電流量大，電流效率高，活化性能好等優點，非常適合各種海洋環境中構件的防護。

對于鋁合金，通常開路電位負移100mV即可滿足陰極防護要求，但是由于仍受點蝕影響，則會適當的使電位再負一些。同時，由于鋁是兩性金屬，當電位負移到一定值時，陰極區的堿性明顯升高，此時反而會加速鋁的破壞，發生過保護。此外，電位小于-1.1V時，氫的析出會使鋁合金遭受氫脆的風險。因此，通常鋁的最負保護電位為-1.1V。目前國際上通用的鋁合金保護電位為-0.85～-1.1V。在這個保護區間范圍內，采用鎂合金犧牲陽極是不合適的，因為鎂合金犧牲陽極的工作電位約-1.4V左右，很容易將鋁的電位極化到-1.3V以下，存在很大的堿性腐蝕和氫脆風險。另外，在海水環境中，鎂陽極的壽命較短，實際電容量為1200 A·h/kg。

六元鋁陽極的工作電位-1.05～-1.10V，通常能將鋁合金的保護電位極化到-0.95～-1.05V之間，這是比較理想的保護區間范圍，且不存在過保護的風險。

圖6 鎂陽極發生電流情況

4.2 鋁陽極設計壽命計算

保持陽極結構尺寸和安裝方式不變（如圖2），采用六元鋁合金材料進行犧牲陽極設計計算。鋁陽極實際電容量2600A·h，利用效率K為0.85，按所需極化電位-0.90～1.05V，驅動電位取0.15V，發生電流約150mA，由式（3）算得鋁陽極的使用壽命約1.1年，可滿足使用要求。

5.鋁合金殼體防腐性能仿真分析

采用邊界元法分別對鎂陽極和鋁陽極電位分布進行仿真計算。鎂陽極電位分布如圖6所示。采用鎂陽極進行防護時，電位非常負，基本上在-1.5V以下，非常容易造成堿性腐蝕。

如圖7所示，采用鋁犧牲陽極防護時，電位分布非常均勻，且電位分布區間均在-1.015V以內，更適合對鋁合金進行陰極防護。

圖7 鋁陽極發生電流情況

6.結束語

在實際應用中，水下耐壓鋁合金殼體的防腐設計一般是表層涂覆防腐涂料和安裝犧牲陽極組合使用，以取得更佳的防腐效果。本文介紹的六元鋁合金犧牲陽極相對傳統鎂陽極（AZ62M）具有更高的實際電容量和更高的設計壽命，防腐性能優良。以該材料設計的犧牲陽極已在某水下航行體的服役期試驗中得到成功應用，有效解決了鋁合金結構件在海水中服役期間的腐蝕問題，可為行業內耐壓鋁合金殼體防腐設計提供參考。

參考文獻

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