犧牲陽極保護法是利用電化學原理，由活潑金屬(鋅、鋁等)在海水介質中與被保護材料構成電性連接，自身作為陽極被加速腐蝕，使被保護材料成為陰極而得到保護。鎂犧牲陽極比其他犧牲陽極密度小、電容量大、電位負、極化率低，對鋼鐵的驅動電壓大，特別適用于電阻率較高的土壤和淡水中金屬構件的保護。

　中國船舶重工集團公司第七二五研究所張文毓指出，犧牲陽極保護作為一種經濟有效的金屬防腐方法，在經濟建設中越來越發揮著重要的作用, 市場上對犧牲陽極材料的需求也在穩定增長中。她認為：“鎂犧牲陽極在我國起步晚，多數企業采用美國等發達國家20世紀四五十年代的技術，缺乏創新，工藝落后，造成鎂陽極的電化學質量不穩定，缺乏市場競爭力。這就需要開發新型的鎂陽極種類，提高陽極的鑄造擠壓工藝水平。”
 

鎂犧牲陽極
 

　　目前常用的鎂犧牲陽極材料的基本成分已大體確定并標準化。但進一步開發高效、耐用、經濟和環保型的鎂犧牲陽極材料則成為今后發展的方向。相應地對優質犧牲陽極的需求會越來越多，這就要求有關的鎂犧牲陽極材料生產企業重視生產過程的質量控制，不斷改進和優化生產工藝，擴充犧牲陽極產品品種規格，開發新產品, 以滿足不同情況下陰極保護對鎂犧牲陽極的多樣化要求，使我國真正成為鎂犧牲陽極的大國、強國。

　　鎂的特點是密度小、電位負、極化率低、單位發生電量大、具有高的化學活性，鎂的標準電極電位為-2．73V(EH)，在海水中的穩定電位為-1．45V，鎂是制作陰極防蝕用的犧牲陽極的理想材料。犧牲陽極法陰極保護是用比鋼鐵的對地電位還要低的金屬如鎂合金、鋁合金和鋅合金制成的陽極與被保護物(如石油管線和熱水器內膽等)連接，以陽極的腐蝕為代價，使被保護物不被腐蝕。為這種目的生產的陽極稱為犧牲陽極。

　　在陽極保護領域，鋅合金、鋁合金陽極已經在包括海洋鋼鐵設施、海上平臺、船舶、輸油管路等諸多領域取得了極好的經濟效益和社會效果。但是，在土壤干燥條件下，效果并不明顯，且表面腐蝕層不易溶解、脫落，阻抗增長，電流效率下降。而鎂陽極操作電位可達-1．5V(Cu／CuSO4，下同)，比之鋁陽極-1．1V，鋅陽極-0．8V均優，電容量是鋅陽極的1．9倍，且電流輸出穩定，表面腐蝕層易溶解、松落，電效一般都達到50％以上。

　　鎂合金犧牲陽極的基本特點包括：鎂陽極的電極電位較負，驅動電壓高，可用于電阻率較高的土壤和淡水環境中；鎂表面難以形成有效的保護膜，可持續放電；鎂是人體必需的元素，對人體無毒副作用，環保健康；鎂陽極熱穩定性好，高溫環境可穩定工作。

　　鎂基犧牲陽極有純鎂、Mg-Mn 系合金和Mg-Al-Zn-Mn系合金等三類，其共同的特點是密度小、理論電容量大、電位負、極化率低，對鋼鐵的驅動電壓很大(>0.6V)，適用于電阻率較高的土壤和淡水中金屬構件的保護。但不足之處是它們的電流效率都不高，通常只有50%左右，比鋅基合金和鋁基合金犧牲陽極的電流效率要低得多。在鎂中加入適量Al、Zn和Mn等元素組成合金，可使鎂陽極的電化學性能得到改善。

　　鎂基犧牲陽極根據開路電位的高低又分為高電位和低電位鎂陽極兩種, 按生產工藝可分為鑄造陽極和擠壓陽極。為了適應各種環境，針對不同的保護對象，鎂陽極可以做成各種各樣的形狀，如在土壤及水中常用的為D形和梯形截面的鑄造陽極，在熱交換器中多用擠壓的圓柱形陽極，在高電阻率土壤中或套管內多用帶狀高電位鎂陽極，在水下常用半球形陽極，在低電阻率環境中復合陽極是理想的陽極。

　　犧牲陽極產品在腐蝕介質中，當犧牲陽極與保護體形成電性連接后，靠陽極自身的溶解提供陰極保護電流，作為犧牲陽極的材料一般具備以下幾個條件：

　　具有足夠負的電位，且很穩定；工作中陽極極化率小、溶解均勻、產物可自動脫落；有較高的電流效率；電化學當量高；腐蝕產物無毒，不污染環境。價格便宜，來源方便。

　　新型鎂合金犧牲陽極的研究包括：超高電位鎂合金犧牲陽極和鎂合金電阻陽極。超高電位陽極就是指開路電位≥-1．85V(相對Cu／CuSO4)，電流效率大于60％的鎂合金犧牲陽極。這是一種基于皮江法生產的鎂為基礎的，為了適應高電阻率介質中進行陰極保護和空氣燃料電池所開發的一種新型陽極材料。超高電位犧牲陽極的化學成分為：Zn0-0．3％，A1≤0．0196％，Si≤0．0296％，Mn≤0．05％，Fe≤0．03％，Ni≤0．003％，Cu≤0．005％，余量為Mg。鎂合金電阻陽極是只通過在鎂合金犧牲陽極與被保護的內膽之間增加一個電阻，從而降低其驅動電壓，減少驅動電流，從而降低鎂合金犧牲陽極的消耗速度，延長服役時間。

　　在鑄造鎂合金陽極生產技術方面準確地控制合金成分是生產的關鍵，我國在2004年頒布實施了GB／T17731-2004《鎂合金犧牲陽極》標準，2008年又對該標準進行了修訂，合金成分已有相應的標準可循。此外合金成分的添加方式和鑄造工藝及設備的改進也是研究重點。擠壓鎂合金陽極的主要生產技術關鍵是原材料、模具及擠壓工藝。國內已經開發了擠壓鎂陽極生產線和連續擠壓技術。

　　鎂具有較高的化學活性，電位負，其標準電極電位-2.37V。同時，鎂表面難以形成有效的保護膜，包括純鎂、Mg-Mn系合金和Mg-Al-Zn-Mn系合金陽極。錳在鎂中的主要作用是凈化合金組織，消除雜質元素的影響。錳的另外一個作用是使Mg-Mn陽極在腐蝕溶解時，在鎂合金表面形成比氫氧化鎂膜更具保護作用的水化二氧化錳膜，使析氫作用進一步減弱。Mg-AI-Zn-Mn合金中錳的含量比純鎂陽極的高，比Mg-Mn合金陽極的低，性能更優，常用的有Mg-6AI-3Zn-(0．15～0．3)Mn、Mg-4AI-1Zn-0．4Mn合金，前者主要用于土壤中，后者主要用于淡水中。

　　Mg-A1-Zn-Mn系合金的基本組成元素為鋁和鋅。根據鋁和鋅的含量不同，該系合金有若干種類型，常見的有Mg-3Al-1Zn-Mn、Mg-4Al-1Zn-Mn、Mg-6Al-3Zn-Mn等。Mg-6Al-3Zn-Mn合金作為鎂基合金犧牲陽極的代表，表面溶解均勻，電流效率大于50％。

　　鎂合金犧牲陽極分為高電位和低電位的兩種，高電位鎂合金犧牲陽極是鎂錳合金。其成分要求是（重量百分比wt％）Mn0.5%~1.3％，Al≤0.01％，Fe≤0.01％，Ni≤0.001％，Cu≤0.01％，Si≤0.05％，其余單個雜質含量不超過0.05％，并且要求其電化學性能滿足開路電位大于-1.7V，電流效率大于50％。低電位鎂合金犧牲陽極是鎂鋁鋅合金，主要有AZ31系列和AZ63系列，對錳都有一定的要求。無論高電位鎂合金犧牲陽極還是低電位鎂合金犧牲陽極，都需要添加Mn元素。特別是高電位鎂合金犧牲陽極，Mn的含量甚至達到0.5％~1.3％。

　　高電位鎂合金犧牲陽極材料最早是由美國的Dow Chemical公司發明的，并且也是由該公司起草制定了ASTMB843-93(2003)陰極保護用鎂合金陽極的標準規范，中國的標準GB/T17731-2004中的化學成分就是采用了這個標準。因此，高電位鎂合金犧牲陽極的錳含量與ASTM標準一致。現在世界各地包括生產商和供應商都是參照ASTM標準制定的標準，對Mn含量都有一定的要求。

　　研究成熟的特殊陽極制造工藝,滿足不同條件下陽極的性能和安裝要求,包括高性能連續帶狀復合陽極和大型鑄造陽極等的制造技術。例如,當前,世界海洋中的石油鉆井平臺,通常需要大噸位的陽極進行保護(最大有的達5噸)。如此大型鑄造件不管是模具設計還是鑄造工藝及配套設備上都存在相當大的難度,需進一步研究。

　　應用進展

　　鎂基犧牲陽極由于電位足夠負，極化率低，適用于高電阻率的淡水、低鹽度水以及電阻率為20Ω·m~100Ω·m的土壤。鎂的腐蝕產物無毒，故鎂合金陽極也用于生活水設施的保護。鎂陽極電位太負，易產生過保護或氫脆，誘發火花，不能用于易燃易爆場合。鎂合金陽極電流效率低，消耗快，需要經常更換，材料成本較高。在電阻率較低的海水中一般不使用鎂陽極。

　　鎂合金犧牲陽極是適用于對在土壤、淡水及海水等介質中工作的金屬(主要是鋼質)設施進行陰極保護用的一種特殊的電化學功能材料，鎂和鎂合金的鑄造與加工產品在電化學方面分為鑄造和擠壓鎂合金犧牲陽極兩類，具體用途包括：家用和工業用熱水器，各種地下構建物。例如地下電纜、管線、井體、儲槽和塔基等，以及海水冷凝器、船殼、壓載箱和在海洋環境中使用的鋼樁。

　　應用鎂陽極保護的構物主要有埋地管道、容器、大型儲罐、電纜的金屬護套、熱交換器、熱水器等。雖然海上應用遠遠少于鋁、鋅陽極，但也有應用在艦船和壓載艙等。

　　根據國際鎂業協會的數據，20年來全球鎂陽極的需求比較穩定，每年有8000噸到1.2萬噸金屬鎂用于制造鎂犧牲陽極。擠壓鎂犧牲陽極是一個有較大潛力可挖的產品,目前生產成本較高，幾倍于鑄造成本。能大幅度降低成本的新工藝設備正在研制中，預計會很快問世。

　　使用鎂犧牲陽極進行陰極保護,是一種有效的防止金屬腐蝕的方法,鎂犧牲陽極具有以下特點：防腐性能好、不需外加直流電源、安裝后自動運行、不需維護、占地面積少、工程費用低、與外界環境不發生任何干擾。鎂犧牲陽極已廣泛應用于石油管道、天然氣、煤氣管道和儲罐、機場、停車場、橋梁、發電廠、市政建設、水處理廠、石化工廠、冶煉廠、加油站的腐蝕防護以及熱水器、換熱器、蒸發器、鍋爐等設備。大多數家用熱水器內的膽都采用鎂陽極保護,因為鎂的腐蝕產物無毒。

　　鎂基犧牲陽極不但可以適用于淡水、海水介質中的機械設備、港口設施、船艦、近海鉆井等的陰極保護,更可用來保護浸泡在海水中的鋼結構件,如輪船船體等鋼質及鋁合金材料,影響船舶航行安全的主海底閥門、冷卻循環系統、海水進入口、管道、濾器、冷卻器等耐腐蝕部位。

　　目前,我國國內鎂陽極的市場正在逐步擴大,消耗量也由1990年的200噸增加到目前的3000噸以上。從整體情況看,我國的鎂陽極應用還處于起步階段。鎂作為一種新的陽極材料,已開始應用于有特殊要求的海洋工程保護方面,例如淡水中的船體和裝載淡水的壓載艙等。相信,作為新材料的鎂陽極在船舶防腐蝕保護方面會得到越來越多的應用。

　　

責任編輯：班英飛

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