張一晗，楊美桐,2，張海兵，馬力，李禎，段體崗

Al-Zn-Sn-Ce犧牲陽極干濕交替環(huán)境電化學(xué)性能研究

張一晗1，楊美桐1,2，張海兵1，馬力1，李禎1，段體崗1

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237 2.遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

為滿足高強(qiáng)鋼裝備的陰極保護(hù)要求，開展新型干濕交替環(huán)境犧牲陽極電化學(xué)性能測試，評價(jià)材料的陰極保護(hù)效果。采用高溫熔煉方法，制備Al-Zn-Sn-Ce低電位犧牲陽極試樣，進(jìn)行不同浸水率下（干濕態(tài)環(huán)境時(shí)間比為1:1、3:1和7:1）的干濕交替環(huán)境犧牲陽極電化學(xué)性能試驗(yàn)、電化學(xué)表征測試及腐蝕微觀形貌表征，通過對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)和材料形貌表征結(jié)果，綜合分析鋁合金犧牲陽極在干濕交替環(huán)境下的電化學(xué)性能，探究干濕交替環(huán)境因素對陽極溶解行為的影響。Al-Zn-Sn-Ce犧牲陽極在多種試驗(yàn)環(huán)境下的工作電位為?0.70～?0.81 V（vs. SCE），符合高強(qiáng)鋼陰極保護(hù)電位需求，陽極表面溶解形貌相對均勻，表面陰陽極電化學(xué)微區(qū)分布均勻。隨著干濕態(tài)試驗(yàn)環(huán)境時(shí)間比的增加，陽極工作電位出現(xiàn)正移，干態(tài)環(huán)境下表面腐蝕產(chǎn)物的沉積和結(jié)殼導(dǎo)致陽極活化溶解能力下降，而干濕態(tài)環(huán)境時(shí)間比最大時(shí)，陽極自腐蝕反應(yīng)得到一定的抑制，陽極電流效率均保持在75%以上。隨著干濕態(tài)試驗(yàn)環(huán)境時(shí)間比的增加，犧牲陽極在干濕交替試驗(yàn)環(huán)境中的工作電位出現(xiàn)正移。由于干態(tài)環(huán)境下表面腐蝕產(chǎn)物的沉積和結(jié)殼，導(dǎo)致陽極活化溶解能力下降，但自腐蝕反應(yīng)得到抑制。Al-0.7Zn-0.1Sn-0.1Ce低電位犧牲陽極在復(fù)雜干濕交替環(huán)境中表現(xiàn)出良好的陰極保護(hù)性能。

干濕交替環(huán)境；水下裝備；犧牲陽極；電化學(xué)

隨著我國海洋資源的不斷開發(fā)和海洋工程裝備的研究發(fā)展，受輕量化需求和低成本等因素的推動，高強(qiáng)鋼材料在大型船舶和海洋工程設(shè)施上的應(yīng)用量和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。如海洋石油981平臺已大量使用690 MPa級高強(qiáng)鋼，自升式平臺樁腿、懸臂梁等部件普遍采用690 MPa級以上的高強(qiáng)鋼。由于高強(qiáng)鋼材料普遍具有氫脆敏感性，且強(qiáng)度級別越高，氫脆敏感性越明顯，采用常規(guī)的鋁合金犧牲陽極材料進(jìn)行陰極保護(hù)時(shí)，較負(fù)的保護(hù)電位可能引發(fā)高強(qiáng)鋼表面發(fā)生析氫反應(yīng)，產(chǎn)生的氫擴(kuò)散至材料內(nèi)部后，將誘發(fā)氫致開裂等嚴(yán)重問題，威脅海洋工程裝備服役安全[2-6]。DNV等國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦屈服強(qiáng)度大于550 MPa的高強(qiáng)鋼應(yīng)采用?0.77～?0.83 V（vs. Ag/AgCl）范圍內(nèi)的合理陰極保護(hù)電位，而目前普遍使用的鋁合金犧牲陽極工作電位一般在?1.0 V（vs. Ag/AgCl）以下，無法滿足高強(qiáng)鋼陰極保護(hù)的需求。因此，需要針對高強(qiáng)鋼材料的陰極保護(hù)開發(fā)工作電位相對較正的低電位犧牲陽極材料[7-11]。

此外，海洋環(huán)境工程裝備的局部環(huán)境特征也對犧牲陽極材料提出了新的要求，如平臺樁腿、壓載水艙等結(jié)構(gòu)部位在服役過程中會頻繁經(jīng)歷干濕交替變化，犧牲陽極材料面臨更為復(fù)雜的服役環(huán)境變化情況。研究表明，干濕交替環(huán)境對犧牲陽極的性能會產(chǎn)生顯著影響，在全浸海水環(huán)境中，陽極表面的活化溶解會形成腐蝕產(chǎn)物，陽極離開水面進(jìn)入空氣干態(tài)環(huán)境中時(shí)，腐蝕產(chǎn)物將脫水氧化，形成穩(wěn)定的氧化物附著層[12-13]。同時(shí)，殘留的鈣鎂離子易與空氣中的CO2反應(yīng)形成碳酸鹽，與腐蝕產(chǎn)物混合，經(jīng)過干態(tài)環(huán)境中干燥脫水后，在陽極表面形成硬質(zhì)結(jié)殼層。該結(jié)殼層重新浸入海水后也難以溶解，從而阻隔陽極基體與海水介質(zhì)的接觸，抑制了陽極的進(jìn)一步持續(xù)溶解。陽極表面結(jié)殼還將導(dǎo)致陽極電位正移，陽極與被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物之間的電位差減小，保護(hù)體系的驅(qū)動電位降低，輸出電流大幅度下降，從而使?fàn)奚枠O的服役性能進(jìn)一步降低，引發(fā)裝備腐蝕防護(hù)失效的安全問題。因而，高強(qiáng)鋼裝備構(gòu)件用犧牲陽極材料在滿足電位要求的同時(shí)，還需具備良好的交變環(huán)境適應(yīng)性，研制適用于干濕交變環(huán)境的犧牲陽極材料成為高強(qiáng)鋼裝備腐蝕防護(hù)領(lǐng)域的重中之重[14-17]。

本文針對高強(qiáng)鋼材料干濕交替環(huán)境陰極保護(hù)需求，基于前期Al-Zn-Sn-Ce鋁合金犧牲陽極研究成果，通過對陽極進(jìn)行干濕交替環(huán)境電化學(xué)性能試驗(yàn)等表征測試，綜合評價(jià)陽極的工作性能。依據(jù)材料微觀形貌表征結(jié)果，探究環(huán)境因素對陽極溶解行為的影響，最終得到低電位犧牲陽極材料在多種干濕交替環(huán)境下的工作性能參數(shù)及變化規(guī)律，為海洋工程裝備的安全服役提供可靠保障。

1 試驗(yàn)

1.1 材料及其成分

試驗(yàn)對象為Al-0.7Zn-0.1Sn-0.1Ce低電位犧牲陽極，熔煉犧牲陽極所用金屬和合金均為高純度原料，采用自然澆鑄成形方法制備。使用ICAP7400型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定犧牲陽極的實(shí)際元素含量，具體合金元素成分及實(shí)際含量見表1。

表1 Al-Zn-Sn-Ce低電位犧牲陽極成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

Tab.1 Composition of Al-Zn-Sn-Ce low-potential sacrificial anode (mass fraction, %)

1.2 干濕交替環(huán)境電化學(xué)性能試驗(yàn)

參考GB/T 17848電化學(xué)性能評價(jià)試驗(yàn)要求，將Al-0.7Zn-0.1Sn-0.1Ce犧牲陽極材料切割加工為16 mm×48 mm規(guī)格的圓柱形陽極試樣。試驗(yàn)前，用無水乙醇對試驗(yàn)試樣表面進(jìn)行清洗，去除犧牲陽極試樣表面異物及金屬碎屑，將試樣完全烘干后進(jìn)行稱量。用防水絕緣膠帶將陽極試樣封裝完好，試樣表面留取14 cm2的工作面積。

電化學(xué)性能試驗(yàn)采用316L不銹鋼筒作為陰極，陰極工作面積為840 cm2，選用恒電流試驗(yàn)法評價(jià)犧牲陽極材料的性能。在模擬服役環(huán)境中施加恒定電流測定犧牲陽極電化學(xué)性能，試驗(yàn)環(huán)境分別為干濕態(tài)時(shí)間比為1:1、3:1和7:1的干濕交替環(huán)境（A、B和C環(huán)境），具體參數(shù)見表2。試樣濕態(tài)浸水單次時(shí)間均為1 d，共進(jìn)行5次干濕態(tài)循環(huán)周期，試驗(yàn)時(shí)間為10、20、40 d，在濕態(tài)浸水期間，電流密度數(shù)值為1 mA/cm2。試驗(yàn)介質(zhì)為青島海域的新鮮海水，溫度為(20±2.0) ℃。單次循環(huán)周期內(nèi)，初期和末期使用飽和甘汞參比電極分別記錄陽極工作電位。試驗(yàn)結(jié)束后，清洗干燥陽極試樣，進(jìn)行稱量，計(jì)算犧牲陽極實(shí)際電容量和電流效率。

表2 干濕交替環(huán)境試驗(yàn)參數(shù)

Tab.2 Test parameters of alternating dry and wet environment

1.3 電化學(xué)測試

采用完成干濕交替環(huán)境犧牲陽極電化學(xué)性能試驗(yàn)后的圓柱形犧牲陽極試樣，試樣表面積為1 cm2，試驗(yàn)前用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝。電化學(xué)阻抗譜測試使用PARSTAT 2273電化學(xué)工作站進(jìn)行測試，參比電極采用飽和甘汞電極，輔助電極選用鉑電極。測試時(shí)，首先將試樣置于常規(guī)海水中進(jìn)行浸泡活化1 h，期間收集電位變化數(shù)據(jù)，待陽極開路電位穩(wěn)定后，進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜測試，測試頻率區(qū)間為10?2～105Hz，激勵(lì)信號幅值為10 mV。

動電位極化曲線測試使用PARSTAT 2273電化學(xué)工作站對試樣表面施加極化電流，其他測試條件與電化學(xué)阻抗譜相同，極化電位掃描范圍為?0.1（vs. OCP）～?0.6 V（vs. SCE），掃描速度為0.167 mV/s，掃描步進(jìn)為1 mV。

1.4 微觀形貌表征

采用Versa SCANSKP測試模塊進(jìn)行掃描開爾文探針測試（SKP）獲取陽極表面微區(qū)電位分布情況，測試試樣選用完成電化學(xué)性能試驗(yàn)后的陽極樣品，測定表面電位分布差異情況。對試驗(yàn)后的Al-Zn-Sn-Ce低電位犧牲陽極進(jìn)行酸洗處理，并使用去離子水及無水乙醇清洗干燥后進(jìn)行其他表征測試。

使用KH-8700三維視頻圖像系統(tǒng)采集犧牲陽極溶解表面局部形貌，并通過3D模型系統(tǒng)建立三維圖像模型模擬試樣表面微觀溶解形貌。使用ZEISS ULTRA 55場發(fā)射掃描電鏡（SEM）觀察試驗(yàn)后陽極表面的微觀尺度腐蝕形貌。

2 結(jié)果和討論

2.1 電化學(xué)性能

不同干濕交替環(huán)境下，犧牲陽極在電化學(xué)性能試驗(yàn)中的工作電位變化情況如圖1所示。采集每次干濕態(tài)交替循環(huán)周期前后的電位數(shù)值，并進(jìn)行趨勢分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，在干濕交替環(huán)境下，犧牲陽極的工作電位基本呈現(xiàn)緩慢正移趨勢。隨著干濕態(tài)時(shí)間比的增加，完整試驗(yàn)周期下陽極的工作電位平均值不斷提高，工作電位變化范圍為?0.71～?0.80 V（vs. SCE，下同）。在干濕態(tài)時(shí)間比為7:1時(shí)，陽極工作電位在試驗(yàn)周期結(jié)束時(shí)達(dá)到?0.70 V，較初始活化溶解狀態(tài)工作電位正移約0.1 V。在試驗(yàn)后半周期，電位保持穩(wěn)定浮動狀態(tài)，說明犧牲陽極在長時(shí)間干態(tài)環(huán)境下，極化水平的變化幅度較小，腐蝕產(chǎn)物層維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 犧牲陽極工作電位變化曲線

不同干濕交替環(huán)境下，犧牲陽極的電化學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。通過分析犧牲陽極電容量與電流效率數(shù)據(jù)可以得到，當(dāng)陽極試樣試驗(yàn)環(huán)境由干濕態(tài)時(shí)間比1:1增加至3:1時(shí)，陽極電流效率有明顯增加。當(dāng)干濕態(tài)時(shí)間比增加至7:1時(shí)，電流效率數(shù)值變化不明顯，說明干態(tài)環(huán)境時(shí)間較短時(shí)，陽極受到環(huán)境因素的影響較大。此時(shí)，陽極表面未形成穩(wěn)定腐蝕產(chǎn)物沉積層，易引發(fā)自腐蝕反應(yīng)程度變化。隨著干態(tài)環(huán)境時(shí)間的延長，陽極表面穩(wěn)定更新的氧化膜與腐蝕產(chǎn)物層抑制了自腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，電流效率得到提高。但由于表面形成腐蝕產(chǎn)物層會使陽極工作電位產(chǎn)生變化，不利于陽極進(jìn)一步活化溶解。

表3 犧牲陽極電化學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Electrochemical performance test results of sacrificial anode

犧牲陽極溶解腐蝕形貌如圖2所示。由溶解形貌變化情況可以發(fā)現(xiàn)，隨著干態(tài)環(huán)境周期時(shí)間的增加，陽極試樣表面分布的較深蝕坑逐漸消失，蝕坑深度不斷減小，陽極晶界腐蝕現(xiàn)象得到一定緩解。當(dāng)干濕態(tài)時(shí)間比增加至7:1時(shí)，陽極表面出現(xiàn)部分局部腐蝕形貌，說明陽極腐蝕產(chǎn)物的堆積影響了活化基體的溶解，表面活性點(diǎn)不斷減少[18-19]。

2.2 電化學(xué)測試曲線

不同干濕交替環(huán)境下的犧牲陽極電化學(xué)阻抗譜Nyquist圖如圖3a所示。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，阻抗譜中高頻區(qū)的容抗弧半徑受到試驗(yàn)環(huán)境干濕態(tài)時(shí)間比的顯著影響，相比干濕態(tài)時(shí)間比為1:1時(shí)，陽極在干濕態(tài)時(shí)間比為3:1和7:1試驗(yàn)環(huán)境中，測定的容抗弧半徑約為前者的4～5倍。其反映的是鋁陽極表面溶解反應(yīng)的電化學(xué)過程，可見干濕態(tài)時(shí)間比數(shù)值較高時(shí)，陽極活化反應(yīng)受到抑制。在低頻區(qū)域出現(xiàn)的感抗弧特征則說明，在陽極表面可能出現(xiàn)了腐蝕產(chǎn)物的附著。隨著干態(tài)環(huán)境時(shí)間的增加，陽極溶解阻力表現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢。隨著陽極表面腐蝕產(chǎn)物的附著量和結(jié)殼程度不斷增大，活性離子運(yùn)動過程受到進(jìn)一步阻礙。當(dāng)干態(tài)環(huán)境時(shí)間延長后，陽極表面腐蝕產(chǎn)物的溶解脫落得到緩解，陽極活性金屬離子運(yùn)動過程得以提升[20-23]。

圖3 犧牲陽極常規(guī)電化學(xué)測試

犧牲陽極在不同干濕交替環(huán)境下的陽極極化曲線如圖3b所示。在多種試驗(yàn)環(huán)境中，陽極的自腐蝕電位隨干態(tài)時(shí)間的增加逐漸正移至?0.77 V左右，且曲線線型較平滑，未出現(xiàn)明顯鈍化現(xiàn)象。在干濕態(tài)時(shí)間比為3:1和7:1試驗(yàn)環(huán)境中，犧牲陽極表現(xiàn)出相近的自腐蝕電位。在相同極化電位下，陽極電流密度隨著干態(tài)時(shí)間的增加而增大，可以推斷出干態(tài)環(huán)境中陽極表面堆積的腐蝕產(chǎn)物在形成穩(wěn)定沉積層后更易脫落分解，陽極基體與海水介質(zhì)接觸面積增加，促進(jìn)了陽極表面的活化溶解[24]。通過表4中的陽極極化曲線擬合結(jié)果也可以發(fā)現(xiàn)，陽極自腐蝕電流密度處于10?6A/cm2數(shù)量級。隨著干濕態(tài)時(shí)間比增加，陽極自腐蝕電流密度呈先增大、后減小的趨勢，陽極自腐蝕過程受到表面腐蝕產(chǎn)物的影響，自腐蝕反應(yīng)程度在干濕態(tài)時(shí)間比最大時(shí)出現(xiàn)下降，陽極電流效率得到一定提升。同時(shí)，隨著干態(tài)時(shí)間的增加，陽極極化率呈降低趨勢，在干濕態(tài)時(shí)間比為7:1時(shí)達(dá)到54.794 mV，陽極活化溶解進(jìn)程得到明顯促進(jìn)，表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。

表4 動電位極化曲線擬合結(jié)果

Tab.4 Fitting results of potentiodynamic polarization curve

2.3 微觀溶解形貌

酸洗處理后，犧牲陽極表面溶解形貌的三維視頻圖像如圖4所示。可以觀察到，在干濕交替環(huán)境中，犧牲陽極表面的高度差約為1 000 μm，表面相對光滑，無突出物，但存在明顯蝕坑。隨著干態(tài)時(shí)間的增加，陽極試樣表面高度差不斷增加，說明在干濕交替環(huán)境中，陽極活化溶解過程受到的影響較小，陽極消耗量保持穩(wěn)定。隨著表面腐蝕產(chǎn)物沉積成為穩(wěn)定殼層，陽極溶解阻力不斷增大，陽極出現(xiàn)局部腐蝕現(xiàn)象，造成表面蝕坑的深度增大。

圖4 不同干濕態(tài)時(shí)間比下犧牲陽極活化溶解表面三維圖像

犧牲陽極表面的腐蝕微觀形貌如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，犧牲陽極在完整周期干濕交替環(huán)境試驗(yàn)后，表面均勻分布有各類蝕坑，蝕坑深度差異較大。在干濕態(tài)時(shí)間比為1:1和3:1時(shí)，陽極表面蝕坑深度較淺，蝕坑數(shù)量較多，陽極活化點(diǎn)位數(shù)量較多。當(dāng)干態(tài)環(huán)境時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，陽極表面出現(xiàn)較大蝕坑和明顯裂紋形貌。這是由于陽極工作環(huán)境導(dǎo)致陽極活性下降，工作電位較正引發(fā)活性下降，陽極出現(xiàn)局部腐蝕現(xiàn)象，陽極表面出現(xiàn)機(jī)械疏松結(jié)構(gòu)，合金內(nèi)部結(jié)合力減弱，造成基體開裂。

圖5 不同干濕態(tài)時(shí)間比下犧牲陽極溶解表面微觀形貌

犧牲陽極電化學(xué)性能試驗(yàn)前后，試樣表面微區(qū)的電位分布情況如圖6a所示?？梢杂^察到，未進(jìn)行干濕交替環(huán)境犧牲陽極電化學(xué)性能試驗(yàn)前，陽極表面電位的分布較為均勻，電位范圍為?0.6～?0.9 V，電位數(shù)值區(qū)間較負(fù)，陽極活性良好。在經(jīng)歷干濕交替環(huán)境后，陽極表面的電位分布表明，電位出現(xiàn)0.3 V左右的正移（如圖6b所示），且存在明顯陽極相，這些分布不均的陰陽極區(qū)域?qū)е玛枠O出現(xiàn)不同程度的局部腐蝕現(xiàn)象。隨著干態(tài)環(huán)境時(shí)間的增加，陽極表面腐蝕產(chǎn)物的附著量和結(jié)殼程度不斷增大，活性基體的暴露受到阻礙，陽極出現(xiàn)產(chǎn)物覆蓋的蝕坑，電位差達(dá)到約0.4 V，導(dǎo)致陽極自腐蝕反應(yīng)受到影響。當(dāng)干態(tài)環(huán)境時(shí)間繼續(xù)延長后，可見陰陽極區(qū)域電位差異得到緩解，這是由于溶解活化過程趨于穩(wěn)定，陽極極化程度得到緩解[25]。

圖6 犧牲陽極微區(qū)電位分布

3 結(jié)論

1）通過控制合金元素含量制備了Al-0.7Zn- 0.1Sn-0.1Ce低電位犧牲陽極。在多種干濕交替環(huán)境中進(jìn)行電化學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)，其工作電位為?0.70～?0.81 V（vs.SCE），基本符合高強(qiáng)鋼陰極保護(hù)電位需求，陽極表面溶解形貌相對均勻。

2）隨著干濕態(tài)試驗(yàn)環(huán)境時(shí)間比的增加，犧牲陽極在干濕交替試驗(yàn)環(huán)境中的工作電位出現(xiàn)正移。可以發(fā)現(xiàn)，陽極在干態(tài)環(huán)境下，表面腐蝕產(chǎn)物的沉積和結(jié)殼導(dǎo)致活化溶解能力下降，而干濕態(tài)環(huán)境時(shí)間比最大時(shí)，陽極自腐蝕反應(yīng)得到一定抑制，陽極電流效率達(dá)到80.27%，陽極極化率略高于50%，極化程度較低，陽極活化溶解過程得到穩(wěn)定維持，適用于進(jìn)行干濕交替環(huán)境中水下裝備高強(qiáng)鋼材料的陰極保護(hù)。

[1] 陳峯, 王凱, 江澤新, 等. 船用高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 精密成形工程, 2020, 12(4): 65-75.CHEN Feng, WANG Kai, JIANG Ze-xin, et al. Research Status and Prospects of Marine High Strength Steel Welding Technology[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2020, 12(4): 65-75.

[2] FERNANDEZ J. Retraction Statement: Stress Corrosion Cracking of High Strength Stainless Steels for Use as Strand in Prestressed Marine Environment Concrete Construction[J]. Materials and Corrosion, 2016, 67(8): 888.

[3] 張萬友, 王鑫焱, 郗麗娟, 等. 陰極保護(hù)技術(shù)中犧牲陽極材料的研究進(jìn)展[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 2013, 25(5): 420-424. ZHANG Wan-you, WANG Xin-yan, XI Li-juan, et al. Research Progress of Sacrificial Anode Materials in Cathodic Protection Technology[J]. Corrosion Science and Protection Technology, 2013, 25(5): 420-424.

[4] 孫明先, 馬力, 張海兵, 等. 鋁合金犧牲陽極材料的研究進(jìn)展[J]. 裝備環(huán)境工程, 2018, 15(3): 9-13. SUN Ming-xian, MA Li, ZHANG Hai-bing, et al. Research Progress in Aluminum Alloy Sacrificial Anode Materials[J]. Equipment Environmental Engineering, 2018, 15(3): 9-13.

[5] 孫海靜, 覃明, 李琳. 深海低溶解氧環(huán)境下Al-Zn-In-Mg-Ti犧牲陽極性能研究[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2020, 40(6): 508-516. SUN Hai-jing, QIN Ming, LI Lin. Performance of Al-Zn-in-Mg-Ti Sacrificial Anode in Simulated Low Dissolved Oxygen Deep Water Environment[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2020, 40(6): 508-516.

[6] BILLINGHAM J, SHARP J V, SPURRIER J, et al. Review of the Performance of High Strength Steels Used Offshore[M]. Sulffolk UK: Health and Safety Executive, 2003.

[7] 高心心, 郭建章, 張海兵. 1000MPa級高強(qiáng)鋼焊接件的氫脆敏感性研究[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2017, 31(6): 93-97. GAO Xin-xin, GUO Jian-zhang, ZHANG Hai-bing. Hydrogen Embrittlement Susceptibility of 1000MPa Grade High Strength Steel Weldment[J]. Materials Review, 2017, 31(6): 93-97.

[8] 徐宏妍, 李延斌. 鋁基犧牲陽極在海水中的活化行為[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2008, 28(3): 186-192. XU Hong-yan, LI Yan-bin. Activation Behavior of Aluminum Sacrificial Anodes in Sea Water[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2008, 28(3): 186-192.

[9] 李威力, 閆永貴, 陳光, 等. 合金元素對鋁基犧牲陽極性能的影響[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2012, 32(2): 127-132. LI Wei-li, YAN Yong-gui, CHEN Guang, et al. Effect of Alloy Elements on Electrochemical Performance of Aluminum Sacrificial Anode[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2012, 32(2): 127-132.

[10] 宋曰海, 郭忠誠, 樊愛民, 等. 犧牲陽極材料的研究現(xiàn)狀[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 2004, 16(1): 24-28. SONG Yue-hai, GUO Zhong-cheng, FAN Ai-min, et al. Current State of Research on Sacrificial Anode Materials[J]. Corrosion Science and Technology Protection, 2004, 16(1): 24-28.

[11] GURRAPPA I, KARNIK J A. Effect on tin-activated aluminum-alloy anodes of the addition of bismuth[J]. Corros Prev Control, 1994, 41: 117-121.

[12] REDING J T, NEWPORT J J. The Influence of Alloying Elements on Aluminum Anodes in Sea Water[J]. Corrosion Engineering Digest, 1967, 16(2): 68-70.

[13] 馬力, 曾紅杰, 閆永貴, 等. Ga含量對Al-Ga犧牲陽極電化學(xué)性能的影響[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 2009, 21(2): 125-127. MA Li, ZENG Hong-jie, YAN Yong-gui, et al. Effects of Ga Content on Electrochemical Properties of Al-Ga Sacrificial Anodes[J]. Corrosion Science and Protection Technology, 2009, 21(2): 125-127.

[14] PAUTASSO J P, LE GUYADER H, DEBOUT V. Low Voltage Cathodic Protection for High Strength Steels: Part 1—Definition of a New Aluminum Galvanic Andoe Material[C]//Corrosion 1998. San Diego: [s. n.], 1996.

[15] 潘大偉, 高心心, 馬力, 等. 模擬深海環(huán)境中高強(qiáng)鋼的陰極保護(hù)準(zhǔn)則[J]. 腐蝕與防護(hù), 2016, 37(3): 225-229. PAN Da-wei, GAO Xin-xin, MA Li, et al. Cathodic Protection Criteria of High Strength Steel in Simulated Deep-Sea Environment[J]. Corrosion & Protection, 2016, 37(3): 225-229.

[16] NACE Standard RP0176—2003, Standard Recommended Practice in Corrosion Control of Steel Fixed Offshore Structures Associated with Petroleum Production[S].

[17] Recommended Practice DNV-RP-B401, Cathodic Protection Design[S].

[18] 馬景靈, 文九巴, 盧現(xiàn)穩(wěn), 等. 鋁合金陽極腐蝕過程的電化學(xué)阻抗譜研究[J]. 腐蝕與防護(hù), 2009, 30(6): 373-376. MA Jing-ling, WEN Jiu-ba, LU Xian-wen, et al. Electrochemical Impedance Spectroscopy of Aluminum Alloy Anode during Corrosion Process[J]. Corrosion & Protection, 2009, 30(6): 373-376.

[19] 馬景靈, 文九巴. Al-Mg-Sn-Si-In鋁合金在不同溶液中的腐蝕與電化學(xué)性能研究[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 2015, 27(5): 425-430. MA Jing-ling, WEN Jiu-ba. Corrosion and Electrochemical Performance of Al-Mg-Sn-SiIn Alloy in Different Solutions[J]. Corrosion Science and Protection Technology, 2015, 27(5): 425-430.

[20] 王佳, 曹楚南, 林海潮. 孔蝕發(fā)展期的電極阻抗頻譜特征[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 1989, 9(4): 271-279. WANG Jia, CAO Chu-nan, LIN Hai-chao. Features of Ac Impedance of Pitting Corroded Electrodes during Pits Propagation[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 1989, 9(4): 271-279.

[21] 李威力. 新型深海鋁合金犧牲陽極研制及性能研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2012. LI Wei-li. Development and Performance Study of a New Sacrificial Anode for Deep-Sea Aluminum Alloy[D].Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2012.

[22] 李威力, 閆永貴, 陳光, 等. Al-Zn-In系犧牲陽極低溫電化學(xué)性能研究[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 2009, 21(2): 122-124. LI Wei-li, YAN Yong-gui, CHEN Guang, et al. Electrochemical Behavior of Al-Zn-Ln Sacrificial Anode in Low Temperature Environment[J]. Corrosion Science and Protection Technology, 2009, 21(2): 122-124.

[23] 王海濤, 許實(shí), 王輝, 等. Al-Zn-In-Mg陽極低溫海水環(huán)境電化學(xué)性能研究[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 2018, 30(4): 413-418. WANG Hai-tao, XU Shi, WANG Hui, et al. Electrochemical Performance of Al-Zn-in-Mg Sacrificial Anode in Cold Seawater[J]. Corrosion Science and Protection Technology, 2018, 30(4): 413-418.

[24] 黃燕濱, 宋高偉, 劉學(xué)斌, 等. A1-Zn-In-Mg-Ga-Mn犧牲陽極腐蝕防護(hù)行為研究[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2012, 32(1): 44-47. HUANG Yan-bin, SONG Gao-wei, LIU Xue-bin, et al. Corrosion Protection of Al-Zn-in-Mg-Ga-Mn Aluminous Sacrificial Anode[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2012, 32(1): 44-47.

[25] REBOUL M C, GIMENEZ P, RAMEAU J J. A Proposed Activation Mechanism for Al Anodes[J]. Corrosion, 1984, 40(7): 366-371.

Electrochemical Performance of Al-Zn-Sn-Ce Sacrificial Anode in Alternating Dry and Wet Environment

ZHANG Yi-han1, YANG Mei-tong1,2, ZHANG Hai-bing1, MA Li1, LI Zhen1, DUAN Ti-gang1

(1. State Key Laboratory for Marine Corrosion and Protection, Luoyang Ship Material Research Institute, Shandong Qingdao 266237, China; 2. School of Mechanical Engineering, Liaoning Petrochemical University, Liaoning Fushun 113001, China)

The work aims to carry out the electrochemical performance test of the new sacrificial anode in alternating dry and wet environment to evaluate the cathodic protection effect of the material, so as to meet the cathodic protection requirements of high-strength steel equipment. Al-Zn-Sn-Ce low-potential sacrificial anode samples were prepared by high-temperature smelting method and subject to electrochemical performance test, electrochemical characterization test and corrosion micro-morphology characterization of sacrificial anode in alternating dry and wet environments at different water immersion rates (the time ratio of dry and wet conditions was 1:1, 3:1, and 7:1). By comparing the test data and material morphology characterization results, the electrochemical performance of aluminum alloy sacrificial anode in the alternating dry and wet environment was comprehensively analyzed, and the effect of alternating dry and wet environment factors on the anodic dissolution behavior was explored. The working potential of Al-Zn-Sn-Ce sacrificial anode in various test environments was ?0.70～?0.81 V (vs.SCE), which met the requirements of high-strength steel cathodic protection potential. The dissolution morphology of anode surface was relatively uniform, and the electrochemical micro-regions of anode and cathode on the surface were evenly distributed. With the increasing time ratio of dry and wet test environment, the working potential of the anode shifted positively and the deposition and crusting of the surface corrosion products in the dry environment led to a decrease in the anodic activation and dissolving ability. The corrosion reaction was suppressed to a certain extent, and the anode current efficiency was maintained above 75%. With the increase of the time ratio of the dry and wet test environment, the working potential of the sacrificial anode in the alternating dry and wet test environment shifts positively. The self-corrosion reaction is inhibited, and the Al-0.7Zn-0.1Sn-0.1Ce low-potential sacrificial anode exhibits good cathodic protection performance in a complex alternating wet and dry environment.

alternating dry and wet environment; underwater equipment; sacrificial anode; electrochemical

2022-08-15；

2022-09-28

ZHANG Yi-han (1995-), Male, Master.

張海兵（1983—），男，碩士。

ZHANG Hai-bing (1983-), Male, Master.

張一晗, 楊美桐, 張海兵, 等. Al-Zn-Sn-Ce犧牲陽極干濕交替環(huán)境電化學(xué)性能研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(6): 075-082.

TG172

A

1672-9242(2023)06-0075-08

10.7643/ issn.1672-9242.2023.06.010

2022–08–15；

2022–09–28

張一晗（1995—），男，碩士。

ZHANG Yi-han, YANG Mei-tong, ZHANG Hai-bing, et al.Electrochemical Performance of Al-Zn-Sn-Ce Sacrificial Anode in Alternating Dry and Wet Environment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(6): 075-082.

責(zé)任編輯：劉世忠