风力发电机模拟冷却液中的B10铜镍合金缓蚀剂

李 康，蒋曹枫，高立新

(上海电力学院环境与化学工程学院，上海 200090)

风力发电是目前可再生能源中技术较成熟、最具有规模化开发条件的发电方式.随着风力发电技术的不断发展，风电机的单机容量也在不断增大［1］，目前大型发电机组已达3 MW 甚至5 MW以上.风力发电科技发展“十二·五”专项规划提出，要研究10 MW级风电机组的总体设计技术［2］.随着单机容量的扩大，风电机的散热问题也越来越突出［3］.与风冷式发电机相比，采用液冷系统的发电机结构更为紧凑，冷却效率更高，而且机舱可以设计成密封型，避免了舱内风沙雨水的侵入，给风电机组创造了有利的工作环境［4，5］.因为海上的工作环境很复杂，所以液冷系统采用B10铜合金作为冷却管，乙二醇作为冷却介质.液冷系统除需要解决防冻问题外，还需要进行防腐蚀处理，通常在冷却介质中添加缓蚀剂，最好是添加能够在气液两相起作用的气相缓蚀剂［6］.

本文通过模拟海上风电机组的冷却介质，测定复合缓蚀剂对B10铜镍合金材料的缓蚀作用，为海上大型风电机的液冷技术的开发提供参考.

1 实验部分

实验材料为φ25mm的B10铜镍合金管，以管子内表面为工作面，背面焊接引出导线，环氧树脂封装，暴露面积为0.4 cm2.气相缓蚀剂HJ-20-2由上海东松化工科技发展有限公司提供，它是一种吗啉多元胺化合物，白色粉末固体.其余化学品采用分析纯试剂.模拟冷却液为乙二醇溶液，其中含有硫酸根、碳酸氢根和氯离子，其组成见表1.

表1 250mL模拟冷却液的主要成分

乙二醇在使用过程中会可能部分氧化转变成为乙醇酸，会使冷却管的耐蚀性变差［7］.乙二醇的氧化过程如图1所示.

图1 乙二醇氧化过程

电化学测试为三电极体系，以饱和甘汞电极为参比电极，Pt电极为辅助电极.文中所给电位均相对于饱和甘汞电极(SCE)的电位.电化学测试系统为CHI系列电化学工作站(上海辰华仪器公司).极化曲线扫描范围为自腐蚀电位±300 mV，从低到高，扫描速度为2 mV/s.在室温和自腐蚀电位下进行电化学阻抗试验，测试阻抗频率为0.01 ×105～1.0×105Hz，交流激励幅值为5 mV.

2 结果与讨论

2.1 电化学阻抗研究

图2为B10铜镍合金电极在不含HJ-20-2气相缓蚀剂和含有HJ-20-2气相缓蚀剂的冷却液中浸泡不同时间的电化学阻抗图.

由图2可以看出，B10铜镍电极在冷却液中的阻抗谱呈现一个不规则的容抗弧，容抗弧反映了电极表面保护膜的性质，图2中半圆直径对应于电极表面的膜电阻，反映膜的耐蚀性.在不含HJ-20-2气相缓蚀剂的空白冷却液中，随着浸泡时间的增加，B10铜电极的容抗弧逐渐增大，耐蚀性能略有提高.这是因为B10铜电极在乙二醇冷却液中逐渐生成一层钝化膜，这层钝化膜具有一定的保护作用.加入HJ-20-2气相缓蚀剂后，在2～4 h浸泡时间段，电极的容抗弧直径与不加HJ-20-2气相缓蚀剂时的容抗差不多，表明此时缓蚀效果不明显.但随着浸泡时间的增加，加有HJ-20-2气相缓蚀剂的容抗弧开始增大，表明HJ-20-2气相缓蚀剂对B10铜合金具有一定的缓蚀效果.

图2 B10铜镍合金电极在不含和含有0.05 g/L的HJ-20-2气相缓蚀剂的冷却介质中浸泡不同时间的电化学阻抗示意

缓蚀协同作用是许多商品化缓蚀剂配方的基础.为提高对B10铜镍合金管的保护效果，我们采用电化学阻抗谱考察了HJ-20-2气相缓蚀剂和苯甲酸钠的复配效果，苯甲酸钠是常用的冷却介质缓蚀剂.图3是B10铜镍合金电极在含有HJ-20-2气相缓蚀剂和苯甲酸钠复配后的电化学阻抗谱.

在中性冷却介质中，铜镍合金的电化学阻抗谱通常可以简化为图4所示的等效电路.

图3 B10铜镍合金电极在HJ-20-2气相缓蚀剂和苯甲酸钠复配的冷却介质中浸泡8 h后的电化学阻抗示意

图4 B10铜镍合金的电化学阻抗等效电路

图4中的Q可描述为［8］:

式中:Y0——导纳的模值;

j——虚根;

ω——角频率，ω =2πf(f为频率);

n——指数项.

所得电化学参数见表2.

表2 B10铜镍合金的电化学阻抗拟合数据

从表2可以看出，随着苯甲酸钠添加量的增大，B10铜镍合金电极的电荷传递电阻Rt随之增大，说明苯甲酸钠和HJ-20-2气相缓蚀剂的复配使用对B10铜镍合金具有较好的保护作用;当苯甲酸钠浓度达到0.4 mol/L时，Rt最大，为3.047×105Ω·m2，此时保护作用最好;但当苯甲酸钠浓度继续增大时，Rt减小，缓蚀效果下降.

2.2 电化学极化曲线研究

图5为B10铜镍合金电极在含有HJ-20-2气相缓蚀剂和苯甲酸钠复配后的电化学阻抗谱，所得电化学极化曲线拟合结果见表3.

图5 B10铜镍合金电极在HJ-20-2气相缓蚀剂和苯甲酸钠复配的冷却介质中浸泡8 h后的电化学极化曲线

表3 B10铜镍合金电化学极化曲线拟合结果

从图5可以看出，HJ-20-2气相缓蚀剂可使B10铜镍合金电极的腐蚀电位稍正移，其对B10合金的阴极和阳极腐蚀电化学过程均有抑制作用.当HJ-20-2气相缓蚀剂和苯甲酸钠复配使用后，B10铜镍合金电极的腐蚀电位负移，其阴极腐蚀电化学过程受到的抑制进一步加强.从表3可以看出，当苯甲酸钠加入量为0.4 mol/L时，缓蚀率达到83.23%，缓蚀效果最好.苯甲酸钠加入量达0.8 mol/L时，腐蚀电位正移，缓蚀效率下降，这可能是因为苯甲酸钠浓度过大，腐蚀电位与阳极的脱附电位接近，出现了缓蚀剂脱附现象，导致其保护作用下降.极化曲线与电化学阻抗所得结果一致.

3 结论

(1)加入0.05 g/L HJ-20-2气相缓蚀剂对B10铜镍合金在模拟冷却液中具有一定的缓蚀效果，但缓蚀效果并不明显.

(2)HJ-20-2气相缓蚀剂与苯甲酸钠复配使用后，缓蚀效果明显提高.当复配用量为0.05 g/L的HJ-20-2+0.4 mol/L的苯甲酸钠时，缓蚀效率最高，可达83.23%.

(3)苯甲酸钠用量过高，复配缓蚀剂的缓蚀效率反而下降.这可能是由于浓度增大导致膜层脱落.极化曲线与电化学阻抗所得结果一致.

［1］ 张希良.风能开发利用［M］.北京:化学工业出版社，2005:24-26.

［2］ 李俊峰.风力发电在中国［M］.北京:化学工业出版社，2005:93.

［3］ 王大光.风电增速齿轮箱的热功率计算［J］.风力发电，2003(3):22-24.

［4］ 康传明.大型风力发电机组总体设计方法的初步研究［D］.北京:华北电力大学，2007.

［5］ 倪受元.风力发电讲座第一讲:风力机的类型与结构［J］.太阳能，2000(2):6-10.

［6］ TIERCE S，PEBERE N，BLANC C，et al.Corrosion behavior of brazed multilayer material AA4343/AA3003/AA4343:Influence of coolant parameters［J］.Corrosion Science，2007，49(12):4 581-4 593.

［7］ 田兆会，李华明.风电装备腐蚀分析与涂料防护综述［J］.电器制造，2011(2):61-65.

［8］ 曹楚南，张鉴清.电化学阻抗谱导论［M］.北京:化学工业出版社，2002:135-142.