风电水冷空气散热器内部腐蚀穿孔失效分析

(广州高澜节能技术股份有限公司，广东 广州 510663)

随着国家对清洁能源利用的大力支持和发展，风力发电也逐渐由单个机组为2MW、3MW提高到即将投入的8MW，也由局限性较大的内陆向沿海和海上的广阔空间拓展，对电力转换过程中的核心部件IGBT的散热要求也越来越高。

风力发电机组IGBT的散热是通过水冷系统实现的，风电水冷系统由水泵、散热器、过滤器、监控仪表、连接管道等组成，整套系统采用全密闭式，冷却介质为添加了一定浓度缓蚀剂和防腐剂的乙二醇或丙二醇的水溶液。

现阶段，风电水冷系统通过设计选用合适的空气散热器很容易便能够满足IGBT的散热要求。然而随着近年风力发电机组的持续投产运行，生产现场也随之出现了很多质量问题，对水冷系统可靠性也提出了新的和更高的要求。某沿海风电项目经过2～3年的运行，水冷系统的核心部件空气散热器便大量出现不同程度的腐蚀穿孔漏水问题，直接导致水冷系统压力下降报警，为风力发电机组正常的运行带来很大的隐患，同时由于散热器制造工艺的特殊性，难以找到合适的方法进行堵漏，只能通过更换新的散热器，也造成了巨大的经济损失。

本文对某沿海风电现场提供的漏水失效的空气散热器切片取样进行失效分析，利用KEYENCE VHX-5000超景深式显微镜、Zeiss Sigma500场发射扫描电子显微镜、Oxford 51-XMX1121 X射线能谱分析仪、Rigaku Smart lab X射线衍射分析仪、金相显微镜、CS分析仪和ICP-OES等仪器设备，观察样品的整体外观，分析泄漏点的分布情况，及漏点周边的情况；通过观察泄露位置及光滑表面的宏观及微观形貌特征，确认复合板材质化学元素含量，分析腐蚀产物及水道附着的结垢物的化学元素组成及可能的物质类型，进一步分析腐蚀起始侧、泄露性质及机理[1]；最后通过对比观察泄漏点及周围的金相特征，综合分析样品失效的原因并提出后期的改进办法。

1 检验与分析

1.1 外观分析

样品隔板和翅片上可见大量黄色垢状物，局部位置堆积严重，剥离垢状物后观察到该区域的隔板、翅片表面存在腐蚀现象(图1)。

图1 芯体翅片外观

1.2 形貌分析

泄漏点位置存在大量黄色垢状物堆积，背面呈凸起状。经 SEM 放大观察:复合板腐蚀区域微观形貌呈块状，无垢区域表面呈结晶状。翅片腐蚀区域呈层状，翅片无垢区域表面较光滑(图2)。

图2 腐蚀区域和无垢区域对比

1.3 EDS分析

图3 EMS+EDS

经 EDS 分析，样品的垢状物及腐蚀产物主要为铝及氧元素，即主要为铝的氧化物。在垢状物和腐蚀产物中均发现有硫元素。钎料为高硅铝基钎料。

图3为样品泄漏点位置的扫描电镜照片和能谱图(Mass%)。

图4为样品腐蚀垢的扫描电镜照片和能谱图(Mass%)。

表1 泄漏点

图4 EMS+EDS

谱图COAlSiSKCu总的00144.9127.4023.290.350.380.273.4010000236.0131.7627.820.320.32/3.7710000335.9729.3830.16/0.61/3.8810000438.8927.2029.20/0.61/4.10100

1.4 金相分析

在样品泄漏点、有垢、无垢位置分别取样观察金相形貌发现：复合板均存在溶蚀现象，单侧溶蚀深度最大为 66.1μm，小于 80μm；一侧最大熔蚀深度+另一侧最大熔蚀深度最大为 110.9μm， 小于 140μm。复合板均存在小晶粒，平行方向平均晶粒度小于200μm，板厚方向平均颗粒数目大于 5 个。翅片接头位置局部有溶蚀，非接头位置均未发现溶蚀，焊接接头可见气孔缺陷。

通过金相观察发现：样品泄漏点区域腐蚀已贯穿整个复合板，垢堆积区域的翅片腐蚀严重，可见腐蚀沿复合层晶界进行(图5)。

图5 泄漏点及附近金相形貌对比(50X)

1.5 化学成分分析

表3 化学成分

样品复合板基材材料均符合 GB/T 3190-2008 3003 牌号的化学成分要求(表3)。

综合分析可知，样品泄漏为从内而外的腐蚀穿孔所致，腐蚀主要呈延晶扩展，而腐蚀产物存在腐蚀性元素硫酸盐和碳酸盐，而样品本身材质不含硫，可以确定腐蚀性元素来源于冷却液。复合板腐蚀沿晶界进行，而复合板晶粒偏小，可能会降低产品耐腐蚀性能。

2 失效机理分析

在风电水冷系统中，铝合金发生的腐蚀是化学腐蚀，以电化学腐蚀为主，铝的平衡电位很低， E=1.663+0.0197logAl3+，从热力学角度分析，铝很不稳定，容易产生严重腐蚀。但是，铝暴露在大气或中性溶液中时，表面能速速成成一层之谜的氧化膜而使其钝化。氧化膜由Al2O3或Al2O3nH2O组成[2]，厚度可在一定范围内变化。在干燥的大气中，其厚度10μm左右。在潮湿的大气中膜的厚度随湿度增加而增厚。铝合金氧化膜具有两性特征，既溶于非氧化性的强酸，又溶于强碱溶液。该氧化膜在酸性溶液中生成Al3+，碱性溶液中生成AlO2-。

冷却液杂质离子对铝的耐腐蚀性影响很大，尤其是当铝中含有正电性的析氢超电压的金属杂质时，它们能成为阴极，与铝形成原电池，更显著加快铝的腐蚀。因此，可以通过提高铝的纯度来增强其耐腐蚀性。常见的杂质如铜、铁、硅等对铝的耐腐蚀影响也是不良的，其中铜的影响最大；铁含量≤0.07%时，对铝的影响不大，但当其含量更高时，由化学物FeAl3析出[3]，它的电位比铝高，起阴极作用而加速铝的腐蚀。硅以游离态析出时会明显降低铝的耐腐蚀性能。锌、镁和锰对铝的耐腐蚀性能影响较小。

铝浸泡在含有各种离子的水中，对其氧化膜的影响，可分为三类：

能使保护膜减薄，腐蚀量增大，包括：Cl-、NO3-、CO32-、HCO3-等；

随其含量增加，腐蚀量减少，当其含量超过一定值时，能起到缓释效果。包括：SO42-、CrO72-、CrO42-、SiO3-等[4]；

随其含量的增加，腐蚀两减少，但是当其含量超过一定值后，腐蚀量又会重新增加，包括：Cu2+、Fe3+、H+等。

3 结语与建议

随着风电行业的发展，特别是海上风电的广阔前景，保证长久的稳定的可靠的持续的有效的运行是对水冷系统的考验，同时也对其散热器的防腐及使用冷却介质的技术参数，提出了更高的要求。

风电水冷散热器运行工况复杂，流量压力温度对腐蚀的影响尚不明确，在现使用冷却液的基础上进行改进，控制各项水质指标，特别是对3003铝材具有明显腐蚀性的硫酸盐和碳酸盐的含量限制是很有必要的。