镁是电化学阴极保护工程中常用的一种牺牲阳极材料，具有较高的化学活性，它的电极电位较负，驱动电压高。同时，镁表面难以形成有效的保护膜。因此，在水介质中，镁表面的微观腐蚀电池驱动力大，保护膜易于溶解，镁的自腐蚀很强烈，在阴极上发生析氢反应2H++2e— H2。镁基牺牲阳极有纯镁、Mg-Mn系合金和Mg-AI-Zn-Mn系合金等三类，其共同的特点是密度小、理论电容量大、电位负、极化率低，对钢铁的驱动电压很大(＞0.6V)，适用于电阻率较高的土壤和淡水中金属构件的保护。

纯镁牺牲阳极

镁为活泼金属，其电化学性能受杂质和合金元素的影响很大。当其含有少量杂质，特别是含有析氢过电位较低的杂质时，会使镁的自溶倾向增大，电流效率降低。镁中的一些杂质元素，如Fe, Co, Mn是以单质的形式固溶于镁基体中的，而另一些杂质，如Al, Zn, Ni, Cu等元素则易与镁形成金属间化合物，无论哪类杂质元素，它们相对于镁固溶体都呈现出强烈的阴极性，能增大析氢的有效面积，进一步增大镁的腐蚀速度。尽可能降低纯镁阳极中杂质元素的含量是必要的。杂质元素的质量分数(%)应控在:Zn＜0.03. Mn＜0.01. Fe＜0.02, Ni＜0.001， Cu＜0.001. Si＜0.01.但这给纯镁阳极的生产带来了困难。一般采用合金化方法，向工业镁中加入一定量的合金元素如Mn, Al, Zn等，就可消除杂质元素的不良影响，获得性能优良的镁合金牺牲阳极材料。一般的纯镁阳极由于电流效率很低(仅为30%左右)，使用寿命短，故己很少使用

Mg-Mn牺牲阳极

锰在镁中的溶解度为3.4%，如果熔炼方法控制适当，可得到含有少量Mn晶体的Mg-Mn单相固溶体组织。锰是控制镁中杂质的一种很有效的净化元素，可消除杂质的不良影响，降低镁的自腐蚀速度。在镁合金熔炼过程中，锰与铁能生成比较大的Fe-Mn化合物而沉积于溶体底部，而残留在合金中的铁则溶解于锰中或被锰所包围，不产生阴极杂质的有害作用。但Mn在镁合金中有偏析现象，过量的Mn反而会造成合金耐蚀性及塑性的下降。国内外生产的Mg-Mn系合金阳极的锰含量一般为0.5%-1.3%，所允许的杂质铁和铜的含量分别小于0.03%和0.02%，比纯镁阳极中允许的杂质量高出十多倍。锰的另外一个作用是使Mg-Mn阳极在腐蚀溶解时，在镁合金表面形成比氢氧化镁膜更具保护作用的水化二氧化锰膜，使析氢作用进一步减弱。 有人将少量的钙添加到Mg-Mn合金中，研究开发出一种高性能的Mg-Mn-Ca合金牺牲阳极材料，其含0.26%Mn和0.14%Ca。与Mg-Mn合金(Mg-1.27Mn )相比，该新型合金阳极的电流效率显著提高，达到62.36% (Mg-Mn合金为50.94%)，且其驱动电压也有所增大。据研究认为加入钙后使合金晶粒细化，并且在镁基体的晶界上析出了Mg2Ca阴极性化合物，从而降低了晶间腐蚀倾向，减少了晶粒的剥落，使合金的溶解变得均匀。这是Mg-Mn-Ca合金具有较优电化学性能的主要原因。

Mg-A1-Zn-Mn

根据铝和锌的含量不同，性能不同，其中性能较好和获得广泛应用的主要是Mg-6Al-3Zn-Mn合金，其表面溶解均匀，电流效率大于50%.铝是阳极中的主要合金元素，可与镁形成Mg17 A112强化相，提高合金的强度。但向工业镁中单独添加铝时，可形成大量的Mg Al, Mg2A13, Mg4 A13等金属间化合物，这些金属间化合物的存在，都会增大镁的自腐蚀速度、加速固溶体的破坏。锌可降低镁的腐蚀率，减小镁的负差异效应，提高阳极电流效率。微量的锰可抵消杂质铁、镍的不良影响。当锰的添加量为0.3%时，可使铁的允许含量达到0.02%，但同时也会降低电流效率。因此，杂质铁的含量以及相应的锰含量应尽可能低。铝、锌、锰的同时存在可进一步降低对工业镁中的杂质元素含量的要求。为了获得良好的电化学性能，Mg-AI-Zn-Mn系合金的杂质含量应严格控制。在相近的合金成分条件下，杂质少的合金的电流效率明显高于含杂质多的合金。

阴极保护是基于电化学腐蚀原理的一种防腐蚀手段。美国腐蚀工程师协会对阴极保护的定义是：通过施加外加的电动势把电极的腐蚀电位移向氧化性较低的电位而使腐蚀速率降低。牺牲阳极阴极保护就是在金属构筑物上连接或焊接电位较负的金属,如铝、锌或镁。阳极材料不断消耗,释放出的电流供给被保护金属构筑物而阴极极化，从而实现保护。外加电流阴极保护是通过外加直流电源向被保护金属通以阴极电流，使之阴极极化。该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构。

保护电位是指阴极保护时使金属腐蚀停止（或可忽略）时所需的电位。实践中，钢铁的保护电位常取-0.85V（CSE），也就是说，当金属处于比-0.85V（CSE）更负的电位时，该金属就受到了保护，腐蚀可以忽略。

化学反应方程式

阳极反应：Mg－2e→Mg2+

阴极反应：H2O+ O2+2e →2OH－

镁牺牲阳极的作用是使阴极（如钢铁等金属）的腐蚀速率降低，达到保护阴极的目的。

镁合金保护阴极的基本前提是阴极在没有外加干扰的情况下的腐蚀属于电化学腐蚀（即腐蚀的过程有电流产生），但并不是所有的电化学腐蚀都能用牺牲阳极来保护，具体的应用过程中应具备以下条件：

（1）腐蚀介质必须是能导电的，以便能建立连续的电路。

（2）被保护的金属材料所处的介质中要容易进行阴极化，否则耗电量大，不易进行阴极保护。

（3）对于复杂的金属设备或构筑物，要考虑几何上的屏蔽作用，防止保护电流的不均匀性。

（4）电绝缘（阴阳极之间）

（5）电连续性（阴极系统间）

（6）罐内保护禁止用镁合金牺牲阳极。

根据用途的不同，镁合金牺牲阳极的形状和尺寸也不相同，通常所用的D、S型阳极主要用在土壤环境中，带状阳极主要应用于高电阻率的土壤、淡水及空间狭窄的局部场合。

Mn：锰易同有害杂质元素化合，从而消除了Fe对合金耐腐蚀性能的影响，使腐蚀速率大大降低。锰与铁形成Mn－Fe化合物，由于重力的作用使化合物沉淀在坩埚底部，其余没有形成化合物的Fe被锰包围，从而大大减少了其对合金耐腐蚀性能的影响，提高了电流效率，为减少Fe在阳极中的危害，Fe：Mn的比例应小于0.032。

Fe：Fe在阳极中的溶解度很小，在合金液结晶的过程中，Fe析出在晶界上与镁形成一个电偶对，由于Fe与Mg的之间存在较大的电位差，所以容易产生电流，使阳极自溶倾向加重，加快了合金的腐蚀速率，降低了阳极的电流效率。

Ni：与镁形成化合物Mg2Ni，以网状形式分布在晶界上面，从而会加重镁阳极的腐蚀，降低电流效率。

Cu：与镁形成Mg2Cu，或MgCu2，分布于晶界，增大了镁阳极的自腐蚀从而降低阳极的电流效率。

Si:在镁中的溶解度很小，与镁形成Mg2Si分布在晶界和晶内，与Fe共存的时候，加大了镁合金的自溶倾向，使阳极 的电流效率降低。

Al：高电位中的铝是有害元素，它能与镁形成阴极相，加快腐蚀速率，铝的存在还降低了锰在镁中的溶解度。

低电位阳极中主要元素的作用：

Al：铝与镁形成Mg17Al12相， Mg17Al12以网状或岛状分布在晶界附近，由于Mg17Al12有较好的耐腐蚀性，所以使合金整体的耐蚀性提高。

Zn：锌的添加可以提高合金的抗海水腐蚀的能力，主要是因为锌降低了Fe、 Ni等杂质的危害。

Mn：锰在低电位阳极中的主要作用就是净化，他的原理和高电位的相同。

阳极的熔炼直接关系到阳极的质量，原材料的品质、所使用熔剂、熔炼方法、装备等，都是影响阳极质量的因素。

原料：炉料必须是干燥的，没有油、氧化物、砂土、和锈蚀等污染，并且不能混有异种金属。

熔剂：熔剂主要有两种作用，覆盖作用和精炼作用。覆盖剂的熔点较低，密度小，在合金熔化的过程中，在合金液表面形成一层连续、完整的覆盖层，隔绝空气和水汽，防止镁的氧化或抑制镁的燃烧。精炼剂对夹杂物有良好的润湿、吸附能力，并利用熔剂与熔体的密度差把金属夹杂物随同溶剂自熔体中排出去。

熔剂的质量直接影响了合金的质量，所以熔剂的选择要严格控制杂质的含量。

熔剂材料的要求：

（1）能够减少或防止熔体表面的氧化或燃烧。

（2）溶剂与熔体容易分离，能够有效地去除熔体中夹杂物。

（3）不含对熔体有害的夹杂物和杂质元素。

（4）对环境无污染，原材料损耗低。

（5）原料来源广，价格低廉，不会明显增加材料的生产成本。

熔炼过程的控制：镁是很活泼的元素，在熔炼过程中很容易被氧化（燃烧），镁燃烧时表面形成一层氧化镁薄膜，氧化镁是良好的保温材料，而且疏松多孔，当镁燃烧时放出大量的热，但是由于氧化镁的绝热效果，使这些热量很难散出去，外界的冷空气也不容易进来，这样造成恶性循环，使表面温度急剧升高，镁溶液的氧化也就越来越严重。所以在镁合金熔炼的过程中要用适当的方法来将镁熔体与空气隔绝。一般有熔剂保护和气体保护两种。

熔剂保护：前文说的覆盖剂。

气体保护：主要有SF6、SO2等气体。他们的保护方式都是在合金液的表面形成一层致密的薄膜，隔绝空气。

Mg+SO2→MgO+MgS

Mg+O2 →MgO

MgO+SF6 →MgF2+SO2F2

在使用FS6气体保护时，如果含有水蒸气，会大大加剧镁的氧化，还会生成有毒性气体HF。

镁合金中夹杂物的去除：镁合金中的夹杂物与熔体之间存在一定的密度差，加入溶剂后，溶剂将夹杂物吸附，然后自然沉降在坩埚底部。

镁合金的浇铸过程应注意安全，要求生产人员使用面罩和劳保服，在浇铸过程中要严格控制水汽的危害，只要有水汽的存在就会增加熔体发生爆炸和着火的危险，尤其是当水汽与镁熔体接触时，会产生潜在的爆炸源H2。

H2O+Mg（L）=MgO+H2+Q

H2+O2=H2O+Q

由此循环的不断放热，使镁熔体表面的温度急剧上升，导致镁熔体的燃烧和爆炸。

IMG=150000×F×Y/p

式中：IMG----单支镁阳极的输出电流，mA；

F------重量修整系数

Y------电位修正系数

p------土壤电阻率，Ω.m

我们在设计中根据《给水排水设计手册》，取F为1.16；Y为 0.93；p按实测当地土壤电阻率取平均值为2100Ω.com。经计算得IMG=77mA。

（2）每组镁阳极支数计算式为：

N=b×IA/IMG

式中：b---备用系数，根据宁波地区土壤电阻率低的情况，取2；

IA----每组阳极需输出保护电流，mA；我们在实施中取每组阳极保护长度为250m，最小保护电流密度取0.15mA/m2，被保护管道管径为1.6m。则IA=0.15×1.6×3.14×250=188.4mA。所以：N=2×188.4/77= 4.89≈5支。

（3）阳极使用寿命来访者睬用美国HARCO防腐公司的经验公式：

T=57.08Wη /IMG

式中：W-----为单支阳极重量（磅）；我们采用镁阳极质量为14kg,乘以2.2化为重量磅数。

η -----为系数，通常取0.75。

则设计寿命为：T=57.08×14×2.2×0.75/77≈17年。

中国防腐材料行业在国内的发展已日趋成熟，随着行业及国家标准的日趋完善，阴极保护专业技术与实际性能也越来越被长输管线及储油罐大型项目的投资者所青睐，过去投资过的项目通过几年的检测与评估确实达到了良好的效果。怎样做到投资与效果统一，必须做到设计现场实际测量考察且选择知名度较高、技术过硬的防腐材料厂家。

国内做防腐材料设计过硬的设计院：中国石油西南设计院、胜利油田设计院、华北设计院等。

镁作为阳极材料，允许有较高的能量密度，镁电池比锂离子电池储能效率更高、更便宜、更安全。

极高的电化学性能、阳极消耗均匀、寿命长、单位质量发电量大，是理想的牺牲阳极材料，适用于土壤、淡水介质中金属构筑物的阴极保护。

牺牲阳极阴极保护方法中，镁阳极可用于电阻率在20欧.米到100欧.米的土壤或淡水环境。