专利名称：双层铝合金复合牺牲阳极的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合牺牲阳极的改进技术，具体为一种双层铝合金复合牺牲阳极，适用于海港、码头以及海洋平台等大型海洋钢结构的阴极保护。
背景技术：
在进行阴极保护设计时，保护电流密度是非常重要的参数，不同时期钢结构所需的保护电流密度相差很大。一般来说，钢结构刚下水时，即极化初期阶段，所需保护电流密度较大，初期过后，钢结构所需保护电流密度将大大降低。实际海洋工程设计中初期所需保护电流密度设计值一般为平均保护电流密度设计值的两倍。虽然极化初期这段时间相对于整个钢结构的使用寿命来说非常短，但是它对于钢结构的使用寿命和防腐效果的影响是非常显著的，因此，实际海洋钢结构防腐工程设计中必须对这一问题高度重视，才能确保防护效果，保证钢结构的正常使用。
传统的牺牲阳极材料，如铝基阳极和锌基阳极由于驱动电位有限，难以在初期提供足够大的保护电流，必须依靠增大阳极数量来弥补，而初期极化阶段过后，所需保护电流密度大大降低，针对这一情况有的设计者提出在牺牲阳极和被保护钢结构体组成的回路中串联电阻来达到调节初期极化后保护电流密度的目的。这样做的弊端在于有大量的牺牲阳极材料在极化初期后并没有发挥保护作用，而是被串连的电阻消耗掉了。大型海洋钢结构，例如一座大型海洋平台的牺牲阳极用量动辄几十吨甚至上百吨，所以这种浪费是非常惊人的。另一方面，平台置身广阔的海水中，无时无刻不受到海水的侵蚀，因此，在设计时对平台的荷载有着严格的要求，而过多使用牺牲阳极造成了平台载荷增加，影响了平台的稳定性，成为潜在的安全隐患。
复合牺牲阳极是近年来发展起来的一种新技术，与传统的牺牲阳极材料(海洋环境中常用的为铝基牺牲阳极和锌基牺牲阳极)相比，它在解决海洋环境中大型钢结构的阴极保护中具有明显的优势。复合牺牲阳极，顾名思义，就是由两种或两种以上不同的牺牲阳极材料结合在一起制成的牺牲阳极。目前，海洋环境中使用的复合牺牲阳极其外层为镁合金，驱动电位较大，可在极化初期提供较大的保护电流使钢铁结构快速极化，达到保护状态。待外层镁阳极全部溶解消耗后，驱动电位较低但电流效率高的内层铝合金阳极开始工作，使保护电流密度调整到较低的水平，从而维持钢结构的长期、稳定极化，实现防腐保护的目的。经过实验室模拟试验以及在平台上的实际安装测试，证实此复合牺牲阳极具有保护效果好、使用寿命长和大幅度节约阳极材料等优点。
然而，众所周知，镁合金阳极在生产和使用方面存在如下缺点1、镁合金易燃，因此在熔炼和浇铸过程中须分别采用熔盐和硫粉进行保护，生产和制造工艺比较复杂，且污染环境，不利于操作人员的健康。
2.镁合金阳极的电容量小、电流效率低，并且市场价格也高于铝基阳极，因此从使用成本上看，镁合金阳极也没有优势可言。
鉴于此，有必要从外层材料的选择上对复合牺牲阳极进行改进。
发明内容
本发明提供一种双层铝合金复合牺牲阳极，在总结复合牺牲阳极现有技术的基础上，选用了铝合金阳极作为复合阳极的外层，充分利用了两种铝阳极的特点，具有保护效果好、使用寿命长、节省阳极材料等优点。
本发明的技术方案是一种双层铝合金复合牺牲阳极，由内外两种不同的铝基牺牲阳极材料复合而成，本发明牺牲阳极的外层铝合金成分为(按重量百分比计)锌2.5～3.5％，镓0.05～0.20％，铟0.01～0.05％，锡0.01～0.03％，铋0.005～0.05％，余量为铝；本发明中内层铝阳极的成分为(按重量百分比计)锌2.5～7.0％，铟0.018～0.05％，镉0～0.02％，锡0～0.075％，镁0～1.5％，硅0～0.15％，钛0～0.08％，余量为铝。
按重量百分比计，本发明复合牺牲阳极较佳的外层成分为锌3.0％，镓0.10％，铟0.022％，锡0.012％，铋0.01％，余量为铝；较佳的内层成分为锌4.0％，镁1.0％，铟0.022％，锡0.02％，钛0.02％，余量为铝。
与现有技术相比，本发明具有如下优点1、本发明内外两层均为铝合金，但成分、性能和作用不同。
2、外层铝合金牺牲阳极在天然海水中的工作电位为-1.40--1.45V左右，接近于普通镁合金牺牲阳极的工作电位(-1.45--1.55V)。
3、内外层都采用同一基体材料—铝合金，使生产和制造工艺更加简单，且与外层选用镁合金相比更有利于节约成本。
4、本发明充分利用了两种铝阳极的优点保护初期利用外层铝阳极提供较大的保护电流，使钢结构迅速极化，快速生成表面沉积层，使之后保持稳定极化所需电流密度大大降低；外层消耗后，内层铝阳极可在较小的保护电流下对钢结构进行保护，充分发挥内层阳极电流效率高、使用寿命长的特点，因此具有保护效果好、使用寿命长、节省阳极材料等优点，特别适用于海洋中大型钢结构设施的防腐保护。
图1为本发明双层铝合金复合牺牲阳极结构示意图。图中1-外层铝合金牺牲阳极；2-内层铝合金牺牲阳极；3-铁芯。
具体实施例方式
实施例1根据GB/T17848-1999规定对复合牺牲阳极样品的外层铝阳极和内层铝阳极分别进行了电化学性能测试。其中外层成分为(按重量百分比计)锌3.0％，镓0.10％，铟0.022％，锡0.012％，铋0.01％，余量为铝；内层成分为(按重量百分比计)锌4.0％，镁1.0％，铟0.022％，锡0.02％，钛0.02％，余量为铝。测试结果为外层铝阳极工作电位为-1.40--1.45V，电流效率为50％左右；内层铝阳极电位工作电位为-1.08--1.10V，电流效率为90％左右。本发明复合牺牲阳极由内外两种不同的铝基牺牲阳极材料复合而成，内外层通过热浇铸的方法紧密结合。使用本实施例对某海洋平台进行阴极保护设计，设计参数如下平台表面积10000m2设计寿命20年海水电阻率ρ＝20Ω.cm初期保护电流密度值130mA/m2平均保护电流密度值65mA/m2通过模拟试验来确定初期极化的时间为两个月。
复合牺牲阳极采用截面为梯形的柱状结构，其大小尺寸为2300×(220+240)×230mm(柱体长度2300mm；梯形截面上底220mm，下底240mm，高230mm)，其中外层铝合金阳极的包覆厚度为5mm，中间铁芯半径为3mm。通过计算，133块上述规格的复合牺牲阳极，可在极化初期的两个月内使钢结构表面达到130mA/m2的初期保护电流密度。外层完全消耗后，内层铝合金阳极可以使钢结构表面的保护电流密度自动降低至65mA/m2的平均保护电流密度。
若采用传统铝基牺牲阳极进行设计，如铝-锌-铟系牺牲阳极，其工作电位为-1.10V，电流效率90％，大小尺寸同样为2300×(220+240)×230mm，中间铁芯半径为3mm。为达到初期保护电流密度130mA/m2，则须安装234块铝基阳极才能满足要求，而按照平均保护电流密度65mA/m2计算，平台20年的设计寿命内，只需要133块上述规格的牺牲阳极就可达到保护目的，这意味着近一半的阳极在极化初期过后并未发挥作用，而是被串联电阻白白消耗掉了，因此，阳极材料的浪费非常严重。
由此可见，采用本发明可使海洋钢结构阴极保护工程中传统铝基阳极材料的用量大大降低，可达40％左右，应用前景非常广阔。
实施例2按重量百分比计，所述牺牲阳极的外层铝合金成分为锌3.5％，镓0.18％，铟0.022％，锡0.01％，铋0.03％，余量为铝；所述牺牲阳极的内层铝合金成分为锌3.0％，铟0.02％，镉0.02％，锡0.015％，镁0.80％，硅0.08％，钛0.04％，余量为铝。
实施例3按重量百分比计，所述牺牲阳极的外层铝合金成分为锌2.5％，镓0.06％，铟0.045％，锡0.03％，铋0.01％，余量为铝；所述牺牲阳极的内层铝合金成分为锌5.5％，铟0.04％，镉0.01％，硅0.05％，余量为铝。
通过上述试验表明，本发明充分利用了两种铝阳极的特点，具有保护效果好、使用寿命长、节省阳极材料等优点。
权利要求
1.一种双层铝合金复合牺牲阳极，其特征在于由内外两种不同的铝基牺牲阳极材料复合而成，按重量百分比计，所述牺牲阳极的外层铝合金成分为锌2.5～3.5％，镓0.05～0.20％，铟0.01～0.05％，锡0.01～0.03％，铋0.005～0.05％，余量为铝；所述牺牲阳极的内层铝合金成分为锌2.5～7.0％，铟0.018～0.05％，镉0～0.02％，锡0～0.075％，镁0～1.5％，硅0～0.15％，钛0～0.08％，余量为铝。
2.按照权利要求1所述的双层铝合金复合牺牲阳极，其特征在于按重量百分比计，所述复合牺牲阳极成分，外层为锌3.0％，镓0.10％，铟0.022％，锡0.012％，铋0.01％，余量为铝。内层成分为锌4.0％，镁1.0％，铟0.022％，锡0.02％，钛0.02％，余量为铝。
全文摘要
本发明涉及一种双层铝合金复合牺牲阳极，由内外两种不同的铝基牺牲阳极材料复合而成，按重量百分比计，外层铝合金阳极的成分为锌2.5～3.5％，镓0.05～0.20％，铟0.01～0.05％，锡0.01～0.03％，铋0.005～0.05％，余量为铝；内层铝合金阳极的成分为锌2.5～7.0％，铟0.018～0.05％，镉0～0.02％，锡0～0.075％，镁0～1.5％，硅0～0.15％，钛0～0.08％，余量为铝。本发明充分利用了两种铝阳极的优点保护初期利用外层铝阳极提供较大的保护电流，使钢结构迅速极化，快速生成表面沉积层，使之后保持稳定极化所需电流密度大大降低；外层消耗后，内层铝阳极可在较小的保护电流下对钢结构进行保护，充分发挥内层阳极电流效率高、使用寿命长的特点，因此具有保护效果好、使用寿命长、节省阳极材料等优点，特别适用于海洋中大型钢结构设施的防腐保护。
文档编号C23F13/14GK101033552SQ20061004599
公开日2007年9月12日 申请日期2006年3月8日 优先权日2006年3月8日
发明者孙虎元, 张克, 孙立娟, 张经磊 申请人:中国科学院海洋研究所