水下耐压铝合金壳体牺牲阳极防护优化设计

刘彦强

【摘要】针对水下耐压铝合金壳体的牺牲阳极防护设计，本文首先对传统镁阳极防护的失效原因进行了分析，然后介绍了一种新型六元铝合金牺牲阳极。经电化学性能评价、理论计算和仿真分析，结果表明，采用相同结构尺寸和安装方式时，铝阳极相对镁阳极具有更高的设计寿命，防腐性能优良，可推广应用到水下耐压铝合金壳体的防腐设计中。

【关键词】镁阳极;六元铝合金;设计寿命;防腐设计

1.引言

水下耐压壳体服役期间所处的海洋环境极其复杂，表面沉积物、海生物附着、海水的流速和温度以及海水的天然电解质作用，使得其可能遭受严重的腐蚀和污损。海水腐蚀会严重降低水下耐压壳体的结构强度甚至发生渗漏，导致耐压壳体的战备使命夭折于服役期间。

阴极防护是防止金属电化学腐蚀最有效的方法之一。它通过对被保护的金属施加一定的阴极电流，使其产生阴极极化，当金属的电位负于某一电位值时，腐蚀的阳极溶解过程就会得到有效的抑制。根据提供阴极电流的方式不同，阴极防护又分为牺牲阳极法和外加电流法两种。牺牲阳极法是将一种电位更负的金属或合金与被保护金属结构物电性连接，通过电负性金属或合金的不断消耗溶解，向被保护物提供保护电流，使金属结构物得到保护。

在水下耐压铝合金壳体的防腐设计中，除采用在外表面涂覆防腐涂层的方法外，还需进行牺牲阳极防护设计。本文首先对采用传统镁阳极防护的失效原因进行了分析，然后提出一种新型六元铝合金牺牲阳极材料，并首次应用到水下耐压铝合金壳体的防腐设计中，经电化学性能评价、理论计算和仿真分析，该材料防腐性能优良，可满足铝合金壳体服役期间的耐腐蚀要求。

2.铝合金壳体牺牲阳极防护设计

2.1 牺牲阳极防护机理

牺牲阳极由电位较负的金属材料制成，当它与被保护的构件连接时，自身发生优先腐蚀，从而抑制了构件的腐蚀，故称为牺牲阳极。牺牲阳极应有足够负的稳定电位，以保持足够大的驱动电压，同时有较大的理论发生电量，还要有高而稳定的电流效率。牺牲阳极必须溶解均匀，表面不结壳，保证能长期发出电流。常用牺牲阳极材料有铝、镁和锌等几种。

牺牲阳极保护结构件利用的是电偶腐蚀原理，如图1所示。图中所示为等面积的阴阳极相互偶接时的电位极化情况。被保护金属1电位负移，其腐蚀速度可由该金属极化曲线的阳极塔菲尔区外推获得。当电位负移到一定程度时，腐蚀完全被抑制。而阳极的溶解速度（发出电流）可由金属1和金属2的极化曲线相交点获得。被保护金属能负移到什么电位，则取决于该部位的输入保护电流密度。

图1 电偶腐蚀原理

2.2 牺牲阳极结构设计

對于外形有较高要求的水下耐压铝合金壳体（材料为5A06），牺牲阳极不宜直接外露在壳体表面，可用来安装牺牲阳极的空间也很有限。本设计中将牺牲阳极安装于壳体上的孔座内，如图2所示，牺牲阳极呈环形，首先用螺钉固定于连板上，然后将连板安装于孔座内，通过连板将牺牲阳极与孔座连通。外部用整流盖整形，这样牺牲阳极溶解后不会影响壳体的流体外形。

图2 牺牲阳极及安装结构示意图

在传统牺牲阳极设计中，材料通常选用镁阳极（AZ62M），但在使用中经常会发生防护失效问题，导致铝合金壳体不能得到有效的耐腐蚀防护。以下首先对镁阳极的失效原因进行分析，然后提出一种新型铝阳极材料用于铝合金壳体的防腐设计。

3.传统镁阳极防护失效分析

3.1 镁阳极电化学性能评价

镁阳极（AZ62M）的开路电位和工作电位如图3所示。相对于饱和甘汞电极（SCE），镁阳极的开路电位在-1.50～-1.60V之间，符合标准要求;工作电位在-1.35～-1.40V之间，略低于标准要求的-1.45～-1.50V;实际电容量为1200A·h，电流效率为54.3%，略低于标准要求。镁阳极的溶解形貌均匀（图4），无点蚀，不存在气孔和夹杂，符合标准要求。图5所示为镁阳极在海水中浸泡1d时的动电位极化曲线图。可以看出，镁阳极的自腐蚀电位较负，极化率较低;输出电流1mA/cm2时，电位偏移不足50mV。

综上所述，镁合金（AZ62M）牺牲阳极溶解形貌和极化性能较好，但电化学性能和电流效率略低于标准要求。

图3 镁阳极工作电位和开路电位

图4 镁阳极溶解形貌

图5 镁阳极动电位极化曲线

3.2 镁阳极设计寿命计算

（1）由于环状阳极接近镯形阳极，其接水电阻按下式计算：

（1）

为阳极接水电阻，为海水电阻率（25.0Ω·cm），为阳极暴露于水的面积，约84cm2。计算得接水电阻约0.9Ω。

（2）阳极输出电流：

（2）

镁阳极的驱动电位取0.5V，计算得输出电流为556mA（当镁阳极和5A06壳体间未施加任何电阻时）。

（3）阳极使用寿命：

（3）

其中，Y为寿命，n为阳极个数，m为阳极质量，Q为阳极实际电容量，约为1220A·h，K为阳极利用系数，取0.7，Im取阳极输出电流的0.6～0.8。计算得阳极使用寿命约0.3年。

综上计算可知，镁阳极设计使用寿命不足。根据式（1）、（2）和（3），若在现有结构尺寸不变的情况下，可考虑以下两种方式改进设计。

（1）增大接水电阻。根据阳极极化特征和铝合金壳体需要保护的面积，可算得所需要的保护电流约30mA，若串接一个30～50Ω的电阻，经式（3）算得阳极的寿命约0.91年，可满足寿命要求。从图2可知，现有阳极安装结构中不便于串接电阻。

（2）减小暴露面积。考虑溶解情况和实际的安装情况，对阳极上下两面进行封闭，留侧面发出电流，算得接水电阻1.14Ω，发生电流If为438mA，发生电流仍然较大，寿命无法保证，因此这种方式并不合适。

4.新型铝阳极防护优化设计

纯铝本身不能作为牺牲阳极，因为纯铝在环境中非常容易形成钝化膜。钝化膜的形成，阻碍了铝的进一步溶解的趋势。实用的牺牲阳极，则必须在熔炼时添加活性元素以活化表面，并且加入其他合金元素控制阳极的发生电流和工作电位。目前最常用的铝合金牺牲阳极均为Al-Zn-In系牺牲阳极。

4.1 铝阳极电化学性能评价

六元铝合金牺牲阳极，是以Al-Zn-In系合金为基础，采用合金化控制技术，通过多种合金元素协同活化作用，以及复杂配方体系的优化，研制出的高活化Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn六元铝合金牺牲阳极。其中各元素所起作用分别为：Zn：破坏Al表面钝化膜;In：提供活性位点;Mg：细化晶粒;Ga：降低电位，促进再活化;Mn：消除铁杂质影响。该牺牲阳极具有工作电位稳定，发生电流量大，电流效率高，活化性能好等优点，非常适合各种海洋环境中构件的防护。

对于铝合金，通常开路电位负移100mV即可满足阴极防护要求，但是由于仍受点蚀影响，则会适当的使电位再负一些。同时，由于铝是两性金属，当电位负移到一定值时，阴极区的碱性明显升高，此时反而会加速铝的破坏，发生过保护。此外，电位小于-1.1V时，氢的析出会使铝合金遭受氢脆的风险。因此，通常铝的最负保护电位为-1.1V。目前国际上通用的铝合金保护电位为-0.85～-1.1V。在这个保护区间范围内，采用镁合金牺牲阳极是不合适的，因为镁合金牺牲阳极的工作电位约-1.4V左右，很容易将铝的电位极化到-1.3V以下，存在很大的碱性腐蚀和氢脆风险。另外，在海水环境中，镁阳极的寿命较短，实际电容量为1200 A·h/kg。

六元铝阳极的工作电位-1.05～-1.10V，通常能将铝合金的保护电位极化到-0.95～-1.05V之间，这是比较理想的保护区间范围，且不存在过保护的风险。

图6 镁阳极发生电流情况

4.2 铝阳极设计寿命计算

保持阳极结构尺寸和安装方式不变（如图2），采用六元铝合金材料进行牺牲阳极设计计算。铝阳极实际电容量2600A·h，利用效率K为0.85，按所需极化电位-0.90～1.05V，驱动电位取0.15V，发生电流约150mA，由式（3）算得铝阳极的使用寿命约1.1年，可满足使用要求。

5.铝合金壳体防腐性能仿真分析

采用边界元法分别对镁阳极和铝阳极电位分布进行仿真计算。镁阳极电位分布如图6所示。采用镁阳极进行防护时，电位非常负，基本上在-1.5V以下，非常容易造成碱性腐蚀。

如图7所示，采用铝牺牲阳极防护时，电位分布非常均匀，且电位分布区间均在-1.015V以内，更适合对铝合金进行阴极防护。

图7 铝阳极发生电流情况

6.结束语

在实际应用中，水下耐压铝合金壳体的防腐设计一般是表层涂覆防腐涂料和安装牺牲阳极组合使用，以取得更佳的防腐效果。本文介绍的六元铝合金牺牲阳极相对传统镁阳极（AZ62M）具有更高的实际电容量和更高的设计寿命，防腐性能优良。以该材料设计的牺牲阳极已在某水下航行体的服役期试验中得到成功应用，有效解决了铝合金结构件在海水中服役期间的腐蚀問题，可为行业内耐压铝合金壳体防腐设计提供参考。

参考文献

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