鋁合金在風力發電機組用新型變頻器冷卻液中的腐蝕特性

衡世權,尤良洲,韓倩倩,楊鈞羽,高立新,張大全

(1.華電電力科學研究院有限公司,杭州 310030;2.中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司,南京 210024;3.上海電力大學環境與化學工程學院, 上海 200090)

近年來,風力發電作為一種可再生清潔能源得到快速發展[1]。風電變頻器是風力發電裝置的重要部件和主控機構。變頻器可以調節風力發電機的輸入和輸出功率,提高并網電能的質量。隨著大容量風電機的發展,大功率變頻器的應用越來越多。變頻器在交流-整流-逆變的過程中會產生大量的熱,需要進行冷卻降溫。水冷是目前大功率變頻器的主要冷卻方式。風力發電用密閉式循環冷卻裝置可以將變頻器產生的熱量傳導至冷卻液,然后由冷卻液帶至外散熱器,散熱器經周圍空氣強迫風冷散走熱量,以保證變頻器的正常工作。冷卻液作為變頻器冷卻系統的冷卻介質,在使用過程中,低溫時需具備防凍功效,高溫時需具備防腐蝕功效[2]。由于乙二醇易溶于水,可以任意配成各種冰點的冷卻液,其最低冰點可達-68 ℃,是一種較為理想的冷卻基礎液。冷卻液通常由乙二醇水溶液、緩蝕劑、消泡劑、著色劑、防霉劑等組成。由于乙二醇長時間在高溫下運行,與空氣接觸時被氧化生成酸性副產物,如乙二酸、乙醛酸、乙醇酸、草酸等,這些酸性物質會引起冷卻系統的嚴重腐蝕,進而影響變頻器的工作效能,防腐蝕特性是冷卻液的重要性能指標之一。傳統的緩蝕劑包括硼酸鹽、亞硝酸鹽、硅酸鹽等無機緩蝕劑,苯甲酸鹽、有機胺、唑類、有機羧酸鹽等有機緩蝕劑,主要是針對汽車發動機冷卻液而研發的[3-4]。鋁合金具有密度輕、成本低、導熱性好等特點,是風電機冷卻系統使用的主要材料之一[5]。目前,針對鋁合金熱交換系統的冷卻液研究報道較少。

鋁是一種兩性金屬,盡管在大氣環境以及pH 為6～8.5的水溶液中,其表面可以形成穩定的自然氧化膜,具有一定的耐蝕性,但是當溶液中含有雜質金屬離子時,鈍化保護膜會產生缺陷而導致點蝕,對鋁的耐蝕性造成影響[6]。銅、鐵等金屬離子不但會催化加速乙二醇氧化形成乙醇酸,而且對鋁合金的腐蝕具有活化作用[7]。筆者制備了一種風電變頻器冷卻液,其中含有對銅、鐵等重金屬離子有良好配位作用的螯合劑,采用失重方法、電化學方法和表面分析方法,考察了6063鋁合金在該冷卻液中的腐蝕行為。

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗材料為6063鋁合金,化學成分見表1。

新型冷卻液的基礎液為30%(體積分數)乙二醇-水溶液,緩蝕體系由苯甲酸鈉、肉桂酸、重金屬螯合劑等組成。參照GB 29743—2013《機動車發動機冷卻液》,對研發的冷卻液各項性能進行了測試分析,主要包含氣味、冰點、沸點、灰分、儲備堿度等。

1.2 腐蝕試驗

將尺寸為50 mm×25 mm×2 mm的6063鋁合金掛片用砂紙逐級打磨至表面光滑,無水乙醇除去表面油脂,去離子水反復沖洗,吹干后稱量。將處理后的試樣浸沒于250 mL新型冷卻液中,在(88±2) ℃下保持(336±2) h后取出,用橡皮擦除掛片表面腐蝕產物,再用去離子水沖洗后干燥、稱量。

1.3 電化學測試

電化學測試使用耦合1260阻抗相位分析儀的Solartron 1287電化學界面測試系統和三電極系統在室溫敞開體系中進行。環氧樹脂密封鋁合金為工作電極 ,暴露面積為1 cm2。飽和甘汞電極為參比電極,鉑箔為對電極。電化學測試包括極化曲線和電化學阻抗(EIS)。EIS測量頻率為10-2～105Hz,正弦電流的擾動幅度為 5 mV。

1.4 表面分析

試片為10 mm×10 mm×5 mm 的6063鋁合金,分別用400號、2000號砂紙打磨至光滑,用去離子水和無水乙醇沖洗表面,經真空干燥箱烘干后分別置于含或不含添加劑的發動機冷卻液中。一段時間后取出,烘干試片,采用JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試片。

2 結果與討論

2.1 載冷劑理化性質

作為載冷劑,乙二醇含量通常會對溶液冰點起到顯著的影響。30%乙二醇-水溶液的冰點為-25 ℃,該溶液可作為冷卻液的基礎液應用于我國南方大部分地區。配制的冷卻液具有輕微的氣味,理化性質見表2。對于混合酸配方的冷卻液體系, 可接受的儲備堿度是4 mL HCl (對應于0.1 mol/L HCl),新型冷卻液儲備堿度高于標準水平,是一種高壽命的冷卻液[8]。

表2 冷卻液的理化性質

2.2 腐蝕試驗

試樣的腐蝕質量損失率可以按式(1)計算:

Rc=(W0-Wt)/(At)

(1)

式中:Rc為腐蝕質量損失率;W0為試樣浸泡前的質量;Wt為浸泡并去除腐蝕產物后試樣的質量;A為試樣表面積;t為浸泡時間。

按式(1)計算可得,在新型冷卻液中浸泡(336±2) h后,試樣的腐蝕質量損失為23.50 mg,腐蝕質量損失率為27.98 mg/(m2·h)。試樣在新型冷卻液中的腐蝕質量損失小于30 mg,遠低于目前市售冷卻液[9]。

2.3 電化學測試

由圖1可見:試樣在新型冷卻液中的腐蝕電化學陰極和陽極過程均受活化控制。隨著電位增加,陽極曲線出現了兩個短暫的電流平臺,對應鋁合金表面存在多個成膜和膜破裂的過程。新型冷卻液中的有效緩蝕成分主要是苯甲酸鈉、肉桂酸、重金屬螯合劑等,這些物質可以在鋁合金表面形成多重保護膜,抑制鋁合金的陽極溶解過程。從阻抗譜可以看出,試樣在新型冷卻液中的容抗弧半徑遠大于在空白溶液中的。當乙二醇-水溶液中存在緩蝕劑時,緩蝕劑在電極表面會形成吸附層,導致電極的電荷轉移電阻增大[10-11],新型冷卻液對6063鋁合金具有良好的保護作用。極化曲線擬合結果見表3。

圖1 6063鋁合金在新型冷卻液及空白溶液中的極化曲線和電化學阻抗譜Fig.1 Polarization curves (a,b) and EIS (c) of samples in a new type of coolant and blank solution

表3 試樣在新型冷卻液中的極化曲線擬合結果

由圖2可見:隨著浸泡時間的延長,電極容抗弧半徑先減小后增大,浸泡5 d后,容抗弧半徑達到最大,隨后又逐步減小。這主要是由于腐蝕初期,鋁合金發生點蝕,生成顆粒狀腐蝕產物,鋁合金自身的表面膜產生破裂;隨后冷卻液中的緩蝕劑在電極表面形成吸附層,并且由電化學腐蝕產生大量Al(OH)3相互匯聚形成疏松腐蝕產物層,導致鋁合金表面產生多組膜;后期,外層腐蝕產物發生脫落,剩余致密堆疊的緩蝕吸附膜。 6063鋁合金電極在0.01 Hz下阻抗模值達105Ω·cm2以上,表明6063鋁合金在新型冷卻液中的耐蝕性良好。阻抗模值起初變化較大,隨著浸泡時間的延長,其變化逐漸變小,這表明在新型冷卻液中6063鋁合金表面緩蝕膜的形成需要一定時間。

圖2 試樣在新型冷卻液中浸泡不同時間的電化學阻抗譜及其在0.01 Hz下的阻抗模值Fig.2 EIS (a) of samples immersed in a new type of coolant for different times and its impedance modulus (b) at 0.01 Hz frequency condition

2.4 表面形貌表征

由圖3可見:6063鋁合金在新型冷卻液中的腐蝕程度遠低于在30%乙二醇-水基礎液中的。在新型冷卻液中浸泡后,試樣表面腐蝕坑和腐蝕裂紋數較小,表面較為平整。而在30%乙二醇-水基礎液中腐蝕后,其表面出現了腐蝕坑和腐蝕裂痕。新型冷卻液具有優異的腐蝕抑制效果,是因為其含有肉桂酸、苯甲酸鈉等芳香羧酸緩蝕劑。羧酸根能夠和Al3+結合,在金屬表面產生強烈的吸附作用。同時,苯環的疏水結構可形成一層疏水性吸附膜[12]。鋁合金表面形成更加致密的保護膜,阻礙了溶液中侵蝕離子向鋁合金表面的擴散,減緩了鋁合金的腐蝕。

圖3 6063鋁合金在不同溶液中浸泡168 h后的形貌圖Fig.3 Morphological images of 6063 aluminum alloy after soaking in 30% ethylene glycol water base solution (a, b) anda new type of coolant (c, d) for 168 h

3 結 論

(1) 新型冷卻液的理化性質良好,可以滿足大容量風電機變頻器冷卻系統的要求。

(2) 在新型冷卻液中6063鋁合金的腐蝕呈現活化控制特征,其陽極過程存在一些短暫限制電流平臺,促進表面緩蝕膜的形成。

(3) 新型冷卻液可以減少6063鋁合金的腐蝕,復合緩蝕劑的加入可使鋁表面形成一層致密的保護膜,對鋁合金熱交換材料起到保護作用。