EAST低杂波水冷系统中紫铜防腐研究

耿　曼，冷明全

（广州高澜节能技术股份有限公司，广东　广州　510663）

EAST低杂波水冷系统中紫铜防腐研究

耿曼，冷明全

（广州高澜节能技术股份有限公司，广东广州510663）

对EAST低杂波水冷系统中紫铜的腐蚀机理进行研究。通过理论分析和实验研究，发现溶解氧及酸性环境是紫铜发生腐蚀的主要原因，据此提出防腐蚀措施，具体控制措施包括内冷水中溶解氧和CO2含量，调整pH值防止紫铜腐蚀以及在内冷水中添加缓蚀剂。

EAST低杂波；水冷系统；紫铜；防腐蚀

1　概述

低杂波驱动电流系统（简称低杂波）是超导托卡马克核聚变试验装置（简称EAST）的一个组成部分，主要作用是电流驱动和辅助加热。低杂波目前广泛地应用于核聚变实验中。在运行过程中，调速管、环形器及天阵线等元器件会产生大量的热量，需要通过水冷的方式将热量释放。紫铜就是铜单质，因其颜色为紫红色而得名，由于其优良的导热性及焊接性而广泛用作水冷散热器的材料。它是含有一定氧的铜，因而又称含氧铜。紫铜水冷散热器连接密闭式纯水冷却系统形成循环回路，从而实现散热器件的冷却。在纯水中，紫铜不可避免地产生腐蚀，而低杂波对冷却介质的电导率有较高的要求，紫铜的腐蚀极有可能造成电导率超标，最终影响低杂波系统的安全运行，通过模拟低杂波水冷系统，分析紫铜腐蚀产生的问题，提出低杂波水冷系统中紫铜腐蚀的解决方案。

2　紫铜腐蚀的原因分析

2.1溶解氧

对于无氧的纯水介质，紫铜具有优异的耐腐蚀性，但在含有氧化剂条件下易发生腐蚀现象。水中的溶解氧是一种腐蚀性介质，在一定条件下易与Cu发生电化学反应，生成不稳定的含铜氧化物（Cu2O），在紫铜表面形成双层结构的铜氧化物保护膜［1-2］。具体的铜腐蚀反应如下所示：

2.2酸性环境

紫铜表面的氧化亚铜Cu2O氧化层容易部分被氧化生成氧化铜CuO，特定条件还有少量氧化膜发生水解得到产物Cu（OH）2以及与CO2反应生成产物碳酸铜CuCO3等。CO2溶解在水中时发生如下水解反应，产生H+：

一般内冷水采用纯水，几乎没有缓冲性，少量CO2的存在使其pH值快速下降。如当纯水中游离CO2浓度为1 mg/L时，对应的pH会下降到6.7。CO2水解产生H+，易于铜的氧化物发生反应，破坏紫铜表面的氧化物保护膜，加剧腐蚀反应［3-4］。

3　可能的防腐蚀措施

3.1控制内冷水中溶解氧和CO2含量

通常，溶解氧含量在0.5 mg/L～210 mg/L之间时紫铜的腐蚀速度最高。25℃时，与空气接触的水中溶解氧含量是114 mg/L～31.2 mg/L，温度升高，溶解氧含量下降。EAST水冷系统冷却介质的设计进水温度为20℃～39℃，回水温度30℃～49℃，如果不采取脱氧措施，内冷水系统溶解氧含量就会处于铜腐蚀区内。腐蚀发生后，通常在金属表面形成双层结构的氧化层.温度比较高时，产物的成膜性能不如低温下的效果好，此时腐蚀产物只有少量附着在金属材料表面，大部分会脱落下来转入水中。

谢学军［5］用通氮除氧的方法控制水中溶解氧的浓度。紫铜腐蚀试验条件实验得出：铜腐蚀随溶解氧增加而增加，当铜离子含量增加超过300 μg/L，表面有含铜氧化物形成。形成的氧化物种类不同，颜色不同，一般认为氧化亚铜呈暗红色，氧化铜为黑色。溶解氧含量在1000 μg/L及以上时，试验后试液中铜离子含量随溶解氧增加而减少，但不足以说明铜腐蚀随溶解氧增加而减小，因为表面形成的铜氧化物未减少［6］。

为了验证此结果，对公司自制的小水机进行改造，试验装置及试验前紫铜片如图1、图2所示，试验装置包括主循环回路及去离子水路，主循环回路串联空气散热器，减少主循环泵运行产生的热量。

图1　试验装置

图2　　试验前紫铜片

将装有光亮紫铜片的透明管接入试验装置，关闭去离子回路，监测纯水的电导率，紫铜片电导率随时间变化曲线如图3所示。

图3　电导率随时间变化曲线

本次试验采用化学脱氧的方法，在冷却介质中加入亚硫酸钠，亚硫酸钠的加入量为0.2 g/L，试验后，铜片呈现浅暗红色，无腐蚀斑，所以验证了控制内冷水中溶解氧抑制紫铜腐蚀是可行的。

3.2调整pH值防止紫铜腐蚀

在含氧条件下，pH值影响铜的电极电位，是影响紫铜导线腐蚀的关键因素。通过计算并由图1可知［5-7］，在电位0.1～0.38 V之间或pH=6.94以下区域出现Cu2+，即该区域是铜的腐蚀区 （因为当pH值低于6.94时，水质呈弱酸性，水中的氢离子与铜的氧化膜反应，因而铜处于腐蚀区，表面很难形成稳定的保护膜）；在电位低于0.1 V或pH高于6.94时铜不会出现腐蚀，是铜的稳定区（因为提高介质的pH值进入中性或弱碱性范围，氧化铜的溶解度会降低，铜表面的初始氧化铜和氧化亚铜膜可稳定存在，不会被溶解）；CuO2-和CuO22-的可溶性化合物对应的pH是10.31（说明铜水体系的pH再提高，铜又会腐蚀）。pH值在7～10之间时铜处于其电位-pH值图的稳定区，因此低杂波水冷系统冷却介质的pH值最好控制在7～9之间。

图4　铜的电极电位图

3.3在内冷水中添加缓蚀剂

电厂比较常用的缓蚀剂是二疏基苯骈噻唑（MBT）和苯骈三氮唑（BTA），二者对比如表2所示。所以在低杂波水冷系统中选择添加BTA缓蚀剂。

表2　MBT与BTA特性对

4　结论

通过以上理论分析和实验论证，低杂波水冷系统拟采用以下几种措施解决紫铜腐蚀的问题：

（1）通过化学脱氧控制内冷水中溶解氧和CO2含量；

（2）控制pH值为7～9，防止紫铜腐蚀；

（3）在内冷水中添加缓蚀剂BTA。

［1］窦照英.电力工业的腐蚀与防护［M］.北京：化学工业出版社，1995：221.

［2］向元龙.内冷水系统对发电机运行的影响［J］.大电机技术，1985，（4）：25.

［3］张玉福.发电机内冷水系统及其防腐措施［J］.湖南电力技术，1990，（5）：7-11.

［4］王 唏，卢昌华，付 莉，等.水内冷发电机空芯铜导线腐蚀防护技术研究［J］.四川电力技术，1998，（4）：1-4.

［5］谢学军，吕珂，晏敏，等.铜水体系电位-pH图与发电机内冷水pH调节防腐［J］.腐蚀科学与防护技术，2007，19（3）：162-163.

［6］张玉福.紫铜在内冷水介质中腐蚀行为的交流阻抗测试和分析［J］.湖南电力技术，1991，（5）：7-13，28.

［7］彭吉民，张砾文，彭珂如，等.发电机内冷水中铜缓蚀剂的研究［J］.材料保护，1998，31（8）：10-11.

Lower Hybrid Wave Anticorrosive of Red Copper in the EAST LHW Cooling System

GENG Man，LENG Ming-quan
（Guangzhou Goaland Energy Conservation Tech.Co.，Ltd.，Guangzhou，Guangdong 510633，China）

Theoretical research of the mechanism of corrosion of red copper in the EAST LHW （lower hybrid wave）cooling system was described in the paper，the main reasons of red copper corrosion in the dissolved oxygen and acid environment.For these reason，the possible corrosion protection measures was proposed in the paper，including the control of dissolved oxygen and carbon dioxide in the cooling system，regulating the pH to inhibition corrosion and adding corrosion inhibitor to the cooling system.

EAST lower hybrid wave；cooling system；red copper；corrosion protection

1006-4184（2016）8-0035-03

2016-02-02

广东省战略性新兴产业核心技术攻关项目（2012A090100005），广州市科技计划项目（201508030019）。

耿曼（1980-），女，工程师，主要从事电力电子冷却与控制技术研究。E-mail：gengman2004@163.com。