SUPERVISOR
Kaivan Raissi,Mahmood Meratian isfahani,Gholamreza Aryanpour
کيوان رئيسي (استاد مشاور) محمود مراتيان اصفهاني (استاد راهنما) غلامرضا آريانپور (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Pourgharibshahi
محمد پورغريبشاهي شهربابک
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Casting and Electrochemical Characterization of Indium-Activated Aluminum Sacrificial Anodes
s Aluminum owning to its high theoretical current capacity (2980 A.hr/kg) in one hand and its low density and low price on the other hand is a good candidate material for fabricating galvanic or sacrificial anodes. However, the protective oxide layer which forms on the surface of pure aluminum causes to lower its closed-circuit potential in sea water making it no longer been useful for protecting steel structures. In order to lower anodic polarization properties many alloys with different chemical compositions have developed. Except several exceptions, all alloys developed for removing the passive film had been empirical caused to develop a number of appropriate commercial alloys which are currently used in cathodic protection systems. The chemical compositions of sacrificial anodes alloy are generally privative and patented. These documents are too imprecise in expressing chemical composition and wrong in the effect of an especial alloying element. Producing high performance anodes is so dependent on the purity of aluminum primary materials and adding zinc and indium as main alloying elements. In order to overcome disadvantages of using low purity aluminum materials which reduce production costs, in recent two decades many researches have been done aiming at finding some new additive agents. Cathodic protection of offshore platforms and oil and gas pipelines in waters of Islamic Republic of Iran also requires these anodes. For this, several tons of aluminum anodes are imported from abroads to Iran annually taking out too much exchange. Presently, only small fraction of this requirement is supplied by internal factories which reports indicate the quality of these anodes is not satisfactory. In order to improve the quality of internal- produced aluminum galvanic anodes, in this research an imported anode was characterized and using obtained information a method for fabricating high performance anodes was introduced. The electrochemical performances of all samples (representative and cast samples) were examined by short term tofel tests and an electrochemical test according to standard of DNV. Microstructure and corrosion morphology of the samples were examined by optical and scanning electron microscopy. It is found that producing high performance aluminum anodes by pouring the melt in metal molds need several alloying elements (such as silicon, magnesium and calcium) other than just zinc and indium. Finally a new cast aluminum sacrificial anode with appropriate electrochemical properties and nominal chemical composition of Al- 5/5%Zn- 0.3%Si- 0.1%Mg- 0.1%Ca- 0.02%In was introduced. Keywords: sacrificial anode, cathodic protection, aluminum alloy, electrochemical properties, Corrosion morphology, Al-Zn-In, casting, Indium activated cast aluminum anode. s Aluminum owning to its high theoretical current capacity (2980 A.hr/kg) in one hand and its low density and low price on the other hand is a good candidate material for fabricating galvanic or sacrificial anodes. However, the protective oxide layer which forms on the surface of pure aluminum causes to lower its closed-circuit potential in sea water making it no longer been useful for protecting steel structures. In order to lower anodic polarization properties many alloys with different chemical compositions have developed. Except several exceptions, all alloys developed for removing the passive film had been empirical caused to develop a number of appropriate commercial alloys which are currently used in cathodic protection systems. The chemical compositions of sacrificial anodes alloy are generally privative and patented. These documents are too imprecise in expressing chemical composition and wrong in the effect of an especial alloying element. Producing high performance anodes is so dependent on the purity of aluminum primary materials and adding zinc and indium as main alloying elements. In order to overcome disadvantages of using low purity aluminum materials which reduce production costs, in recent two decades many researches have been done aiming at finding some new additive agents. Cathodic protection of offshore platforms and oil and gas pipelines in waters of Islamic Republic of Iran also requires these anodes. For this, several tons of aluminum anodes are imported from abroads to Iran annually taking out too much exchange. Presently, only small fraction of this requirement . that producing high performance aluminum anodes by pouring the Keywords: sacrificial anode, cathodic protection, aluminum alloy, electrochemical properties, Corrosion morphology, Al-Zn-In, casting, Indium activated cast aluminum anode.
چکيده آلومينيم به سبب داشتن ظرفيت جريان تئوري نسبتاً بالا(A.hr/kg 2980) از يک طرف و چگالي و قيمت مناسب از طرف ديگر، يک ماده مفيد براي ساخت آندهاي گالوانيکي يا فداشونده به شمار مي رود. با وجود اين، در اثر واکنش هاي خوردگي معمولاًروي سطح آلومينيم خالص، يک لايه اکسيدي محافظ ايجاد مي شود که منجر به کاهش پتانسيل مدار بسته آن در آب دريا مي گردد و بدين ترتيب قابليت آن براي حفاظت کاتدي سازه هاي فولادي از دست مي رود. حفاظت کاتدي سکوهاي نفتي دور از ساحل و لوله هاي انتقال نفت و گاز موجود در آب هاي جمهوري اسلامي ايران نيز مستلزم استفاده از اين آندها مي باشد. بدين منظور ساليانه چندين ميليون تن آند آلومينيمي وارد مي شود. هم اکنون بخش کوچکي از اين نياز توسط کارخانه هاي داخلي تأمين مي شود که گزارش ها حاکي از عدم کيفيت و مؤثر نبودن آن ها مي باشد. در اين پژوهش به منظور افزايش کيفيت و عملکرد آندهاي آلومينيمي توليد داخل و بي نياز نمودن کشور از واردات اين آندها، به مشخصه يابي يک نوع از اين آندهاي وارداتي پرداخته شد و با اطلاعات به دست آمده سعي در ارائه ي روشي براي ساخت آندهاي عملکرد بالا شد. عملکرد نمونه ها به کمک آزمون الکتروشيميايي کوتاه مدت تافل و آزمون استاندارد DNV مورد ارزيابي قرار گرفت. ريزساختار و مرفولوژِي خوردگي نمونه ها نيز به وسيله ي ميکرسکوپ هاي نوري و الکتروني بررسي شد. به نظر مي رسد که در روش ريخته گري در قالب فلزي، افزودن دو عنصر روي و اينديم به تنهايي براي توليد آند با عملکرد الکتروشيميايي قابل قبول کافي نمي باشد و نياز به حضور عناصر ديگري از جمله سيليسيم، منيزيم و کلسيم در ترکيب آلياژي آند مي باشد. در پايان، يک آند فداشونده ي آلومينيمي با خواص الکتروشيميايي مناسب و ترکيب شيميايي اسمي In %02/0-Ca %1/0-Mg %1/0-Si % 3/0-Zn %5/5 -Al معرفي شد. کلمات کليدي: آند فداشونده، آند فداشونده ي Al-Zn-In، ريخته گري، حفاظت کاتدي، آلياژ آلومينيم، خواص الکتروشيميايي، مرفولوژي خوردگي. چکيده آلومينيم به سبب داشتن ظرفيت جريان تئوري نسبتاً بالا(A.hr/kg 2980) از يک طرف و چگالي و قيمت مناسب از طرف ديگر، يک ماده مفيد براي ساخت آندهاي گالوانيکي يا فداشونده به شمار مي رود. با وجود اين، در اثر واکنش هاي خوردگي معمولاًروي سطح آلومينيم خالص، يک لايه اکسيدي محافظ ايجاد مي شود که منجر به کاهش پتانسيل مدار بسته آن در آب دريا مي گردد و بدين ترتيب قابليت آن براي حفاظت کاتدي سازه هاي فولادي از دست مي رود. حفاظت کاتدي سکوهاي نفتي دور از ساحل و لوله هاي انتقال نفت و گاز موجود در آب هاي جمهوري اسلامي ايران نيز مستلزم استفاده از اين آندها مي باشد. بدين منظور ساليانه چندين ميليون تن آند آلومينيمي وارد مي شود. هم اکنون بخش کوچکي از اين نياز توسط کارخانه هاي داخلي تأمين مي شود که گزارش ها حاکي از عدم کيفيت و مؤثر نبودن آن ها مي باشد. در اين پژوهش به منظور افزايش کيفيت و عملکرد آندهاي آلومينيمي توليد داخل و بي نياز نمودن کشور از واردات اين آندها، به مشخصه يابي يک نوع از اين آندهاي وارداتي پرداخته شد و با اطلاعات به دست آمده سعي در ارائه ي روشي براي ساخت آندهاي عملکرد بالا شد. عملکرد نمونه ها به کمک آزمون الکتروشيميايي کوتاه مدت تافل و آزمون استاندارد DNV مورد ارزيابي قرار گرفت. ريزساختار و مرفولوژِي خوردگي نمونه ها نيز به وسيله ي ميکرسکوپ هاي نوري و الکتروني بررسي شد. به نظر مي رسد که در روش ريخته گري در قالب فلزي، افزودن دو عنصر روي و اينديم به تنهايي براي توليد آند با عملکرد الکتروشيميايي قابل قبول کافي نمي باشد و نياز به حضور عناصر ديگري از جمله سيليسيم، منيزيم و کلسيم در ترکيب آلياژي آند مي باشد. در پايان، يک آند فداشونده ي آلومينيمي با خواص الکتروشيميايي مناسب و ترکيب شيميايي اسمي In %02/0-Ca %1/0-Mg %1/0-Si % 3/0-Zn %5/5 -Al معرفي شد. کلمات کليدي: آند فداشونده، آند فداشونده ي Al-Zn-In، ريخته گري، حفاظت کاتدي، آلياژ آلومينيم، خواص الکتروشيميايي، مرفولوژي خوردگي.