[发明专利]一种耐腐蚀和耐高温的牺牲阳极材料及其制备方法

说明书

本发明一种耐腐蚀和耐高温的牺牲阳极材料及其制备方法，其组分按质量百分比计包括Zn4％～6％，In0.035％～0.05％，Sn0.04％～0.1％，Mg0.3％～1.0％，La0.01％～0.02％，Y0.01％～0.02％，Nd0.01％～0.02％，杂质含量≤0.26％，余量为Al。制备时将电解原铝熔融成铝合金溶液，之后喷吹、精炼、除气和拔渣，加入Zn、In、Sn和Mg在760～800℃下熔炼后冷却；加热到800～820℃后加入Al‑La中间合金、Al‑Y中间合金和Al‑Nd中间合金在840～860℃下进行精炼、除气和拔渣；最后在700～720℃保温60～80min后冷却到室温。

技术领域

本发明涉及属于油气田腐蚀与防护技术领域，具体为一种耐腐蚀和耐高温的牺牲阳极材料及其制备方法。

背景技术

在石油天然气工业领域，油气井的开采过程常面临油套管的腐蚀问题。为了防止和减缓油套管的腐蚀，保证油气井的正常稳定生产，在井筒中安置牺牲阳极短节，对油套管进行腐蚀防护，这样不仅具有良好的防腐效果，而且成本较低，管理、维护和使用也较方便，具有广阔的应用前景。目前，可选用的牺牲阳极主要有铝基合金牺牲阳极、镁基合金牺牲阳极和锌基合金牺牲阳极这三大类，不同的合金体系对牺牲阳极的性能具有较大影响。对于油气井高温环境优先考虑铝基牺牲阳极。我国已经制定了国家标准GB/T4948-2002《铝-锌-铟系合金牺牲阳极》，该标准主要涵盖了两种类型、五种具体的Al-Zn-In系牺牲阳极材料，其主要适用于海水介质中的船舶、港工或海洋工程设施等钢铁构件的防腐，但也有其他行业借鉴使用该类型牺牲阳极，或者在此基础上添加其他合金组元，研发设计新型的Al-Zn-In系阳极材料。

对于石油天然气的井下作业，地层深处温度较高。随着温度升高，铝基牺牲阳极的保护效果大大降低，电流效率大幅度下降。齐公台等人的研究结果表明：常规Al-Zn-In-Si牺牲阳极在50℃时的电流效率为80.2％，在60℃时的电流效率降为52.0％，在70℃时的电流效率骤降为26.2％；常规Al-Zn-In-Cd牺牲阳极在50℃时的电流效率为78.5％，在60℃时的电流效率降为48.4％，在70℃时的电流效率骤降为38.6％，其原因主要是随着温度升高，腐蚀电流不断加大，阳极腐蚀不断加剧，腐蚀产物膜，尤其是致密连续的Al₂O₃膜，不能及时地从表面脱离溶解，就造成铝合金阳极表面的产物膜越积越厚，如果产物膜覆盖包裹了内部的铝阳极，使阳极无法继续溶解，电极电势也就随之而不断正移，从而使电流效率大幅度下降。当铝合金牺牲阳极的电极电势比被保护钢铁设备的电极电势更靠近正值时，就会发生阳极和阴极的电极反转现象，此时，钢铁设备成为阳极，从而遭受更加严重的腐蚀。此外，即便尚未发生电极反转现象，铝基牺牲阳极在高温下也会出现晶间腐蚀等问题，导致晶粒内部和晶界之间的电极电势不同，从而形成腐蚀电池。如果晶界处电势较负，且作为阳极，当温度升高后，腐蚀电流不断增大，晶界处的腐蚀速率不断增加，从而造成晶界附近过度腐蚀，最终导致阳极溶解不均匀，甚至导致晶粒脱落，降低牺牲阳极的电流效率和电容量，缩短其使用寿命。