CN102605376A

CN102605376A - 一种牺牲阳极材料

Info

Publication number: CN102605376A
Application number: CN201110140455XA
Authority: CN
Inventors: 陈秀玲; 刘贵昌; 党丽旻; 曹亮; 关建庆; 王立达; 常丽芳; 安思彤
Original assignee: Dalian University of Technology; China Petroleum and Chemical Corp; Oil Production Technology Research Institute of Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Co Ltd
Current assignee: Dalian University of Technology; China Petroleum and Chemical Corp; Oil Production Technology Research Institute of Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Co Ltd
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: CN102605376B

Abstract

本发明涉及一种牺牲阳极材料，属于金属腐蚀与防护技术领域，所述的牺牲阳极材料的成分配比为：Zn4~7(wt)%；In0.04~0.06(wt)%；Sn0.06~0.08(wt)%；Mg0.9~1.1(wt)%；Ce0.09~0.11(wt)%；Ga0.015~0.019(wt)%；余量为铝，通过镁、锡、铈、镓元素的掺入，本发明牺牲阳极材料的电化学性能和表面溶解情况得到明显改善，在高温环空保护液中具有良好的化学活性，其电流效率大于83%，开路电位分布在-0.995~-1.052V（SCE）之间，工作电位在-0.98~-1.055V（SCE），达到保护电位的合理范围、腐蚀产物对环境无污染等特性。

Description

一种牺牲阳极材料

技术领域

本发明涉及一种牺牲阳极材料，属于金属腐蚀与防护技术领域，尤其是涉及一种油气田开采过程中，使组合套管的钢铁构件在高温状态下的环空保护液中免遭腐蚀而使用的铝合金牺牲阳极材料。

背景技术

目前，在我国高含硫气田的开采中，生产环境十分恶劣，不仅高温、高压、高流速，而且硫化氢、二氧化碳等腐蚀问题也越来越严重，由于腐蚀原因引起的事故时有发生，不仅造成财产损失、环境污染、而且可能引发重大安全事故，并威胁到国家能源战略安全。

油管是油田开采设备中最重要的元器件之一，其腐蚀问题由来已久，牺牲阳极保护器是井筒管柱防腐保护普遍采用的措施之一，其防腐的有效性毋庸置疑。目前，可选用的牺牲阳极主要包括镁基、锌基和铝基合金牺牲阳极。相比之下，铝基合金牺牲阳极在高温环空保护液中具有更好的电化学性能和物理性能，因此在此环境中多选用铝合金牺牲阳极。现有的铝合金牺牲阳极材料有Al-Zn-Hg系，Al-Zn-Sn系，Al-Zn-In系。但实际应用中，Al-Zn-Hg系阳极含有少量汞，毒性较大，存在环境污染的问题，目前国内外已经禁用；Al-Zn-Sn系电流效率较低，仅50%左右，且长时间使用，电化学性能将进一步降低，因此实用性不强；相比之下，Al-Zn-In系合金属于广泛应用的阳极材料，在海水及海泥中性能综合都较好。

专利200710189863.8公开了一种对工作在水环境或水环境中钢铁构件实施保护的高性能新型Al-Zn-In系牺牲阳极材料；专利200810249621.8公开了一种适合在深海环境下阴极保护的铝合金牺牲阳极。但以上牺牲阳极材料应用于高温环空保护液时，主要存在以下问题：由于介质的腐蚀性强、工作温度高，牺牲阳极电流效率低，消耗快，腐蚀产物不能均匀脱落等。因此，通过高温腐蚀介质下高效牺牲阳极的研制，开发针对油田特殊腐蚀环境下使用的牺牲阳极产品，以减缓环空保护液对套管的腐蚀，延长管材使用寿命，形成一套高含硫气田和气井环空保护技术，实现特殊介质中结构物的全面保护。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有牺牲阳极材料存在的不能适应高温状态下的环空保护液中使用的缺陷，提供一种牺牲阳极材料。

本发明的牺牲阳极材料是以铝为主要材料，添加有锌（Zn），铟（In），镁（Mg），锡（Sn），铈（Ce），镓（Ga）。

所述的牺牲阳极材料的成分配比为：

Zn 4~7(wt)%；

In 0.04~0.06(wt)%；

Sn 0.06~0.08(wt)%；

Mg 0.9~1.1(wt)%；

Ce 0.09~0.11(wt)%；

Ga 0.015~0.019(wt)%；

余量为铝。

本发明在Al-Zn-In系合金可控地掺入锡，镓，铈元素提高铝阳极的电化学性能并改善其溶解效果。锡元素可溶于铝形成固溶体，同时锡具有较高的析氢过电位有效的抑制合金发生析氢腐蚀。此外，锡还能降低铝表面钝化膜电阻，代替钝化膜中铝，破坏氧化膜的致密性，从而促进活化；镓元素与铝同族,能与铝形成Al2Ga合金相，对铝能起到较好的活化作用，加入镓元素能使阳极电位负移程度增加，改善阳极极化性能和耐孔蚀性能，但当镓含量超过0.020%时，阳极的电流效率降低，孔蚀加剧而造成腐蚀不均匀。稀土元素铈半径较大，均匀分布在铝基阳极中，填补合金晶核新相表面缺陷，生成能阻碍晶粒继续生长的膜，使晶粒细化并改善阳极溶解情况，提高阳极电流效率。同时铈元素使表面面腐蚀溶解均匀，增加铝阳极话化溶解能力，使铝阳极高温性能提高，铈对铸造铝合金有长效的变质效果和除气净化铝熔体效果。通过镁、锡、铈、镓元素的掺入，牺牲阳极材料的电化学性能和表面溶解情况得到明显改善，在高温环空保护液中具有良好的化学活性，其电流效率大于83%，开路电位分布在-0.995~ -1.052V（SCE）之间，工作电位在-0.98~ -1.055V（SCE），达到保护电位的合理范围、腐蚀产物对环境无污染等特性。

具体实施方式

实施例1

Al-Zn-In系牺牲阳极材料各成分质量百分比为：Zn 5%，In 0.05%，Sn 0.07%，Mg 1%，Ce 0.1%，Ga 0.017%，余量为铝，杂质含量<0.15%。

用高纯铝锭在电阻坩埚炉于720℃下熔化，把预热的锌锭、铟粒、镁锭、锡粒、铈块、镓块按比例加入铝液中，并且迅速用石墨罩将掺杂元素块压入液面下，然后用石墨棒轻微搅动铝液，最后浇注于石墨模铸中成型后形成新型牺牲阳极。对本发明的新型铝合金阳极材料，参照GB/T4948-2002中规定的牺牲阳极电化学性能试验方法，介质为80℃的环空保护液进行试验。试验结果为：开路电位为-1.069V（SCE），工作电位为-0.946~-0.989V（SCE），电流效率为84.03%，电容量为2414.36 A·h/kg，表面无附着，且腐蚀产物容易脱落。具体电化学性能见表2：

实施例2、实施例3、实施例4、实施例5的制备方法与实施例1相同，其具体成分见表1，具体电化学性能见表2。实施例1、实施例2、实施例3和实施例4是参照GB/T4948-2002中规定的牺牲阳极电化学性能试验方法，在介质为80℃的环空保护液进行试验的结果。实施例5是依照GB/T4948-2002中规定的牺牲阳极电化学性能试验方法，在介质为常温海水进行试验的结果。

表1 Al-Zn-In系牺牲阳极材料的成份

表2 Al-Zn-In系牺牲阳极材料的电化学性能

由表2可知，本发明的Al-Zn-In系牺牲阳极材料在高温环空保护液中具有良好的化学活性，在该介质中电流效率大于83%，开路电位分布在-0.995~-1.052V（SCE）之间，工作电位在-0.98~-1.055V（SCE），达到保护电位的合理范围，可有效减缓组合套管的钢铁构件在高温状态下的环空保护液中腐蚀速率，腐蚀产物容易脱落，使牺牲阳极材料起到保护本体的作用。

Claims

1.一种牺牲阳极材料，由以下组分组成：以铝为主要成分，还添加有锌Zn、铟In、镁Mg，锡Sn、铈Ce、镓Ga。

2.根据权利要求1所述的一种牺牲阳极材料，其特征是：各组分的重量百分含量如下：Zn 4~7%，In 0.04~0.06%，Sn 0.06~0.08%，Mg 0.9~1.1%，Ce 0.09~0.11%，Ga 0.015~0.019%，余量为铝。