直流杂散电流干扰下牺牲阳极的电化学性能研究

摘要

利用开路电位(OCP)、电化学阻抗谱(EIS)和极化曲线研究了0 V、1 V、3 V和5 V直流杂散电流(DC)在不同氯离子浓度和温度下对牺牲阳极电化学性能的影响。具体表现为:直流干扰电压从0 V增加到5 V时，牺牲阳极开路电位正迁移程度增加。直流干扰电压环境温度对牺牲阳极腐蚀的影响不大，但10℃的低温可以减缓牺牲阳极腐蚀，保持良好的工作效率。随着环境温度的升高，牺牲阳极的腐蚀程度加深。随着直流干扰电压环境中氯离子浓度从0%增加到0.3%，牺牲阳极开路电位的正迁移程度增加。氯离子浓度越高，对牺牲阳极性能的影响越大。

1.介绍

机场停机坪管网阴极保护系统一般采用牺牲阳极阴极保护[1]，直流电杂散电流对管道的电势和电流有很大的影响，也不可避免地对牺牲阳极性能产生不利影响[2］．直流杂散电流引起管路电位波动，所需保护电流变化较大[3.- - - - - -8］．因此，有必要对直流干扰阴极保护系统的设计进行适当的调整。特别是在直流杂散电流干扰下，牺牲阳极阴极保护系统的性能趋势和机理有待进一步阐明[2］．直流杂散电流对阴极保护系统的干扰问题日益突出。机场停机坪管网是机场的命脉。如果管道因腐蚀造成漏油，不仅严重威胁管道的安全运行，而且是机场正常运行的隐患[2，3.］．Mustafa等人[9]提出，通过研究AZ63镁合金在H_3.阿宝₄K / KOH缓冲区₂所以₄pH = 7.0。陈林等研究了AZ63镁合金在NaCl溶液中的点腐蚀行为。10］．结果表明，在高浓度NaCl溶液中，点蚀坑难以成膜。随着镁合金腐蚀速率的增加，镁合金呈现出均匀的腐蚀特征。刘先国等[11]采用加入Mg-Sr之间合金的掺合物的方法，获得了最佳的Mg-Sr合金工艺参数。陈坤等[12]的基础上添加不同Mg和Si含量比的Al-Zn-In合金。结果表明，0.09% Si和1.0% Mg是获得最佳阳极电化学性能的最佳元素添加量。张秋梅等[13探讨了Mn含量对Mg-Mn阳极电化学性能的影响，以及Ca，锶含量对镁-(Mn)- x阳极的微观组织和电化学性能的影响，熔炼、铸造和挤压工艺对镁的电化学性能的影响，以及低电位电阻镁阳极的工作原理。在以往的研究中，大多数都是研究如何提高镁合金的电化学性能以及作为负极材料的局限性。直流杂散电流对牺牲阳极性能的影响尚未进行研究。因此，研究直流杂散电流对阴极保护系统的影响是十分必要的。

2.实验程序

2．1．土壤模拟溶液

土壤模拟溶液是从裙坪土壤中得到的。其组成如表所示1．


作文	内容

蒸馏水(毫升)	1000
Na₂有限公司_3.(g)	0.1599
氯化钠(g)	0.5124
Na₂所以₄(g)	0.1712
NaHCO_3.(g)	0.0864

2．2．实验材料

实验采用参比电极(饱和甘汞电极)、辅助电极(铂电极)和工作电极的三电极系统。工作电极材料为直径为10 mm的镁合金棒。将镁合金牺牲阳极棒与焊丝焊接，将焊接好的阳极放入电工管中制备电极。用3:1比例的环氧树脂和固化剂混合物浇铸电极，预留工作面。我们可以在过夜后拿到能用的电极。本实验使用的镁合金牺牲阳极成分如表所示2．


艾尔(%)	锌(%)	Mn (%)	铁(%)	倪(%)	铜(%)	Si (%)	毫克(%)

6．5	3．5	０．６	０．００５	0.003	0．02	0．1	89.272

2．3.测试方法及内容

2.3.1。开路电位

实验前将镁合金牺牲阳极在溶液中浸泡3小时。然后可以测量开路电位。将牺牲阳极完全浸泡15分钟，然后测量每一周期的开路电位。

2.3.2。极化曲线

根据开路电位测试结果，确定极化曲线范围为-0.8 V ~ -0.3 V，扫描速率为0.1667 mV/s。实验仪器为电化学工作站。

2.3.3。电化学阻抗谱

在牺牲阳极开路电位稳定后，在相对开路电位条件下进行测量。测试的频率范围为100khz - 0.1 Hz，正弦交流信号的放大倍数为3mv，共测试72个点。数据分析软件为ZSimpWin3.21。

3.结果与讨论

通过研究发现，裙板管道采用镁合金牺牲阳极。在裙板管道运行环境下，除了牺牲阳极直流杂散电流的干扰外，氯离子和温度对牺牲阳极的电化学性能也有影响。因此，本文着重研究直流杂散电流、氯离子浓度和温度对牺牲阳极电化学性能的影响。并进行了并行实验，以确保实验的准确性和数据的重现性。

3．1.牺牲阳极的开路电位

不同影响因素下镁牺牲阳极的E-t曲线如图所示1．

(a) 30°C，原始浓度

(b)原始土壤模拟溶液浓度，3v

(c)室温，3v

3.1.1。直流杂散电流的影响

如图所示1(一)在实验开始时，牺牲阳极的开路电位处于最负的状态，因此腐蚀倾向最高。在实验过程中，牺牲阳极的开路电位始终向正方向移动，表明随着实验的进行，牺牲阳极表面的活性逐渐降低。在0 V、1 V、3 V和5 V四种不同的直流干扰下，0 V干扰电压的开路电位在第2天的正迁移小于其他干扰。在过去的六天里，潜在变化的趋势缓慢而积极地转变。但偏移量不同，总体趋势为干扰电压为5v时开路电位正向迁移最大，干扰电压为0v时开路电位正向迁移最小。结果表明，直流杂散电流的存在降低了牺牲阳极的腐蚀溶解倾向。在一定范围内，直流杂散电流干扰电压越大，对其影响越大。

3.1.2。环境温度的影响

如图所示1 (b)，在实验开始时，开路电位处于最负状态，腐蚀倾向最高。在实验的前两天即早期，开路电位在10℃下的正迁移小于在室温环境下和30℃下的正迁移。在过去的六天里，潜在变化的趋势缓慢而积极地转变。虽然偏移量不同，但开路电位迁移的程度差别不大。总的趋势是开路电位在30℃时正向迁移最大，在10℃时最小。结果表明，在直流杂散电流的影响下，环境温度的变化对牺牲阳极腐蚀程度影响不大，但也有一定的规律。随着温度的升高，牺牲阳极腐蚀程度增大。

3.1.3。氯离子浓度的影响

如图所示1 (b)在实验开始时，牺牲阳极的开路电位处于最负状态，腐蚀倾向最高。在实验过程中，牺牲阳极的开路电位始终向正方向移动，表明随着实验的进行，牺牲阳极的表面活性逐渐降低。在4种不同氯离子浓度下(0%、原始土壤模拟溶液浓度、0.1%和0.3%)，0%氯离子浓度的开路电位在第2天的正迁移小于其他情况。0.3%氯离子的环境中正迁移程度最大。在过去的六天里，潜在变化的趋势缓慢而积极地转变。虽然偏移量不同，但开路电位迁移的程度差别不大。总体趋势是3%氯离子时开路电位正迁移最大，0%氯离子时开路电位正迁移最小。0.1%氯离子的迁移程度与原始土壤模拟溶液浓度介于两者之间。说明在直流杂散电流的影响下，氯离子浓度的变化对牺牲阳极腐蚀的程度有很大的影响。随着氯离子浓度的增加，牺牲阳极的腐蚀程度明显增大。 And the chloride ion was a major indicator of the electrochemical performance of the sacrificial anode.

3．2．极化曲线

不同影响因素下的极化曲线如图所示2．

(一)3 V

(b) 30°C

(c)氯离子浓度为0.3%

3.2.1之上。直流杂散电流的影响

牺牲阳极在不同直流电压下的腐蚀电化学参数见表3.．


实验的日子 (d)	直流电压 (V)	阴极的斜率	阳极坡	极化电阻(Ω厘米²）	腐蚀电流密度（μ/毫米²）

0	0	-6.35	5.772	5.161	0.83
	1	-5.131	4.834	2.184	2.31
	3.	-5.191	4.386	2.608	1.74
	5	-5.392	4.653	1.781	2.43

2	0	-4.738	5.027	5.741	0.74
	1	-5.813	4.396	3.670	1.63
	3.	-4.729。	5.495	5.363	1.59
	5	-5.037	4.701	2.049	2．11

4	0	-5.092	5.168	7.206	0．43
	1	-4.641	5.0821	4.693	0.98
	3.	-4.447	5.372	6.452	0.66
	5	-5.623	5.372	2.164	2.08

6	0	-4.438	5.172	9.561	0．43
	1	-4.713	5.626	5.775	0.76
	3.	-4.732	4.916	7.354	０．５２
	5	-5.151	5.517	2.405	1.87

8	0	-5.405	5.88	12.063	１．５５
	1	-4.724	5.118	6.379	0．71
	3.	-4.251	4.976	8.018	0.49
	5	-4.233	4.777	3.681	0.22

如表所示3.，同一时期，有直流杂散电流的阳极斜率和阴极斜率的比值小于无杂散电流的比值，说明杂散电流干扰加速了腐蚀速率。阳极斜率与阴极斜率之比在5 V时最小，而在3 V时最大。在0 V和1 V时，阳极斜率和阴极斜率的比值介于两者之间。结果表明，5v的影响最大，3v的影响最小。

通过比较不同杂散电流干扰下牺牲阳极的极化电阻和腐蚀电流密度，发现在0 V干扰条件下牺牲阳极的极化电阻最大，对应的极化电流最小。3 V干扰下的牺牲阳极极化电阻较大，腐蚀电流密度较小。5 V干扰下牺牲阳极极化电阻最小，腐蚀电流密度最大，1 V干扰下腐蚀电流密度次之。结果表明，直流电压增加了牺牲阳极的腐蚀速率，对牺牲阳极的影响不明显。在直流杂散电流为3v时，牺牲阳极腐蚀得到了缓解。在此条件下，附着在牺牲阳极腐蚀表面的腐蚀产物中更容易形成钝化层。它起到了保护金属表面的作用。因此，腐蚀电流密度减小，金属腐蚀减慢。

3.2.2。环境温度的影响

牺牲阳极在不同环境温度下的腐蚀电化学参数见表4．


实验的日子 (d)	环境温度(V)	阴极的斜率	阳极坡	极化电阻(Ω厘米²）	腐蚀电流密度（μ/毫米²）

0	10°C	-5.234	4.802	2.208	1.85
	房间里, 温度	-5.131	4.834	2.184	2.19
	30°C	-4.954	4.153	2.177	2.31

2	10°C	-4.738	5.027	3.688	1.47
	房间里, 温度	-5.072	5.106	3.670	1.62
	30°C	-4.931	5.274	2.781	1.63

4	10°C	-5.215	5.723	4.693	0.92
	房间里, 温度	-4.641	5.0821	4.599	0.98
	30°C	-4.624	5.023	3.593	1．11

6	10°C	-5.378	5.615	5.857	0.76
	房间里, 温度	-4.713	5.026	5.775	0.83
	30°C	-4.858	4.964	3.876	1．02

8	10°C	-5.495	6.362	6.439	0．71
	房间里, 温度	-4.724	5.118	6.379	0．71
	30°C	-4.582	4.954	4.068	０．７５

如表所示4，可知阴极斜率与阳极斜率之比随环境温度的升高而增大。结果表明，环境温度的升高加速了牺牲阳极的腐蚀。通过对不同温度下牺牲阳极极化电阻和腐蚀电流密度的对比研究可以发现，在10℃时，阳极极化电阻最大，对应的腐蚀电流密度最小，而在30℃时则相反。结果表明，随着温度的升高，牺牲阳极腐蚀程度增大。

3.2.3。氯离子浓度的影响

牺牲阳极在不同氯离子浓度下的腐蚀电化学参数见表5．


实验的日子 (d)	氯离子浓度	阴极的斜率	阳极坡	极化电阻(Ω厘米²）	腐蚀电流密度（μ/毫米²）

0	0％	-5.234	4.497	5.058	0.87
	起源	-5.131	4.834	2.184	2.31
	0．1%	-5.219	5.031	1.387	3.06
	0.3%	-6.221	5.213	0.805	4.79

2	0％	-4.565	4.716	5.581	0．72
	起源	-4.738	5.027	3.670	1.61
	0．1%	-5.343	5.134	2.871	1.63
	0.3%	-6.178	5.562	2.575	1.79

4	0％	-4.432	4.911	6.570	0．57
	起源	-4.641	4.821	4.693	0.97
	0．1%	-5.019	5.076	4.587	0.98
	0.3%	-6.038	5.713	2.930	1．14

6	0％	-4.572	4.702	7.123	0.53
	起源	-4.713	4.926	6.023	0．63
	0．1%	-4.934	5.123	5.775	0.76
	0.3%	-5.997	5.803	4.853	0.98

8	0％	-4.544	4.932	8.157	0．48
	起源	-4.724	5.118	7.718	0.54
	0．1%	-4.872	5.021	7.103	0．71
	0.3%	-5.846	5.916	6.379	0．82

如表所示5，同时，阴极斜率与阳极斜率之比随氯离子浓度的增加而增大。说明氯离子浓度越高，牺牲阳极腐蚀速率越快。通过对比研究不同氯离子浓度下牺牲阳极的极化电阻和腐蚀电流密度，发现无氯离子时，极化电阻最大，腐蚀电流密度最小，0.3%氯离子浓度时，极化电阻最小，腐蚀电流密度最大。结果表明，随着氯离子浓度的增加，牺牲阳极的腐蚀速率增大，腐蚀程度明显加重。

3．3.电化学阻抗谱

不同影响因素下的电化学阻抗谱如图所示3.．

(一)3 V

(b) 30°C

(c)氯离子浓度为0.3%

本实验通过ZSimpWin软件将不同条件下的电化学阻抗谱替换为等效电路(CR (CR))，误差控制在允许范围内。不同的元素代表不同的物理意义:R0代表溶液的电阻。C1表示金属氧化膜和溶液的电双层电容器。C2表示离子通过表面氧化膜所产生的电容。R1为抗氧化性。实验开始时，牺牲阳极表面的氧化膜被破坏，暴露的金属与氧气发生反应。腐蚀产物开始在牺牲阳极表面积累。元素表示的物理意义发生了变化:R0仍代表解决方案的阻力和C1的双电层电容器氧化膜和解决方案,和C2不再表示电容,是由于离子通过表面氧化膜,但代表的电容由于离子通过腐蚀。Rc表示腐蚀产物膜的耐蚀性。 The circuit diagram was shown in Figure4．

3.3.1。直流杂散电流的影响

用ZSimpWin软件合成等效电路图，并进一步计算所需电阻。拟合结果见表6．


干扰电压 (V)	实验天 (d)	解决方案电阻 (Ω厘米²）	氧化膜电阻 (Ω厘米²）

0	0	0.473	0.111
	2	0.538	0.367
	4	0.638	0.390
	6	0.733	0.477
	8	0.805	0.620

1	0	0.462	0.128
	2	0.505	0.351
	4	0.627	0.486
	6	0.690	0.497
	8	0.758	0.686

3.	0	0.461	0.120
	2	0.520	0.362
	4	0.665	0.394
	6	0.712	0.482
	8	0.768	0.601

5	0	0.482	0.135
	2	0.485	0.375
	4	0.598	0.494
	6	0.572	0.620
	8	0.449	0.725

从表6，可以看出，没有直流干扰的溶液的电阻比有直流干扰的溶液的电阻大。结果表明，直流干扰下牺牲阳极腐蚀速率较快。干扰条件下，5v的溶液电阻最小，3v的溶液电阻最大。结果表明，在5V条件下腐蚀速率最快，而在3v条件下腐蚀速率相对较慢。在实验过程中，氧化膜的电阻随着实验周期的延长而增大，表明随着实验的进行，附着在牺牲阳极表面的腐蚀产物增多。直流干扰下的氧化电阻变化大于无直流干扰时的氧化电阻变化，说明直流杂散电流干扰下的牺牲阳极腐蚀程度更大。直流杂散电流促进了牺牲阳极表面的腐蚀产物，降低了阳极表面腐蚀反应的电阻，进而加速了牺牲阳极的腐蚀。

3.3.2。环境温度的影响

拟合等效电路的电阻参数如表所示7．


环境温度 (°C)	实验天 (d)	解决方案电阻 (Ω厘米²）	氧化膜电阻 (Ω厘米²）

10°C	0	0.351	0.143
	2	0.423	0.172
	4	0.432	0.233
	6	0.482	0.245
	8	0.513	0.327

房间里, 温度	0	0.347	0.144
	2	0.391	0.195
	4	0.419	0.233
	6	0.473	0.263
	8	0.498	0.363

30°C	0	0.346	0.143
	2	0.372	0.209
	4	0.413	0.244
	6	0.469	0.278
	8	0.497	0.382

如表所示7，溶液在10℃时的电阻大于室温或30℃时的电阻，说明牺牲阳极在10℃时的腐蚀速率较慢。随着环境温度的升高，牺牲阳极的腐蚀速率增大，对牺牲阳极性能的影响更大。在实验过程中，氧化膜的电阻随着实验时间的延长而增大，说明附着在牺牲阳极表面的腐蚀产物随着时间的延长而增加。随着温度的升高，牺牲阳极氧化膜的电阻变化更大，说明环境温度的升高促进了牺牲阳极表面腐蚀产物的生成，降低了牺牲阳极表面腐蚀反应的阻力，进而加速了牺牲阳极的腐蚀。但温度的变化对氧化膜电阻的变化范围影响不大，说明温度对牺牲阳极的性能影响不大。

3.3.3。氯离子浓度的影响

拟合等效电路的电阻参数如表所示8．


氯离子浓度	实验天 (d)	解决方案电阻 (Ω厘米²）	氧化膜电阻 (Ω厘米²）

0％	0	0.723	0.292
	2	0.739	0.476
	4	0.880	0.487
	6	0.915	0.535
	8	1.156	0.574

	0	0.462	0.135
起源	2	0.505	0.362
	4	0.627	0.394
	6	0.690	0.482
	8	0.758	0.554

0．1%	0	0.269	0.030
	2	0.299	0.089
	4	0.320	0.116
	6	0.339	0.279
	8	0.384	0.122

0.3%	0	0.106	0.012
	2	0.130	0.226
	4	0.134	0.060
	6	0.144	0.095
	8	0.153	0.038

从桌子上可以看到8当氯离子浓度为0%时，其耐溶液性要大于同时有氯离子存在时的耐溶液性，说明在此条件下牺牲阳极腐蚀速率非常慢。在氯离子存在下，溶液电阻随氯离子浓度的增加而减小，说明氯离子浓度的增加加速了牺牲阳极的腐蚀。而同一时期氧化膜在氯离子浓度为0%时的电阻远高于氯离子存在时的电阻，说明此时牺牲阳极腐蚀反应非常轻微。在氯离子存在下，电阻随时间的发展变化很大，这说明氯离子的存在加速了牺牲阳极表面腐蚀产物的生成，降低了牺牲阳极表面腐蚀反应的阻力，进而加速了牺牲阳极的腐蚀。0.3%氯离子浓度下电阻变化非常不规则，可以判断此时牺牲阳极腐蚀非常严重。腐蚀产物不断形成、脱落，再形成、脱落。

4.结论

(1)在相同的环境温度和氯离子浓度,随着直流杂散电流干扰的增加从0 V到5 V,积极迁移的程度的牺牲阳极开路电位增加,直流杂散电流的存在影响了牺牲阳极的效率。同时，3 V直流杂散电流的腐蚀电流密度相对较小，减缓了牺牲阳极的腐蚀。

(2)直流干扰电压环境温度对牺牲阳极腐蚀的影响不大，但10℃的低温可以减缓牺牲阳极腐蚀，保持良好的工作效率。随着环境温度的升高，牺牲阳极的腐蚀程度加深。

(3)随着直流干扰电压环境中氯离子浓度从0%增加到0.3%，牺牲阳极开路电位的正迁移程度增加。氯离子浓度越高，对牺牲阳极性能的影响越大。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

本研究由中国民航科学研究院中央学院基金资助(批准号:20081010901)。3122017038)。

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国际腐蚀杂志

摘要