風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬冷卻液中的B10銅鎳合金緩蝕劑

李 康，蔣曹楓，高立新

(上海電力學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海 200090)

風(fēng)力發(fā)電是目前可再生能源中技術(shù)較成熟、最具有規(guī)?；_(kāi)發(fā)條件的發(fā)電方式.隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)電機(jī)的單機(jī)容量也在不斷增大［1］，目前大型發(fā)電機(jī)組已達(dá)3 MW 甚至5 MW以上.風(fēng)力發(fā)電科技發(fā)展“十二·五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃提出，要研究10 MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組的總體設(shè)計(jì)技術(shù)［2］.隨著單機(jī)容量的擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)的散熱問(wèn)題也越來(lái)越突出［3］.與風(fēng)冷式發(fā)電機(jī)相比，采用液冷系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)更為緊湊，冷卻效率更高，而且機(jī)艙可以設(shè)計(jì)成密封型，避免了艙內(nèi)風(fēng)沙雨水的侵入，給風(fēng)電機(jī)組創(chuàng)造了有利的工作環(huán)境［4，5］.因?yàn)楹Ｉ系墓ぷ鳝h(huán)境很復(fù)雜，所以液冷系統(tǒng)采用B10銅合金作為冷卻管，乙二醇作為冷卻介質(zhì).液冷系統(tǒng)除需要解決防凍問(wèn)題外，還需要進(jìn)行防腐蝕處理，通常在冷卻介質(zhì)中添加緩蝕劑，最好是添加能夠在氣液兩相起作用的氣相緩蝕劑［6］.

本文通過(guò)模擬海上風(fēng)電機(jī)組的冷卻介質(zhì)，測(cè)定復(fù)合緩蝕劑對(duì)B10銅鎳合金材料的緩蝕作用，為海上大型風(fēng)電機(jī)的液冷技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)材料為φ25mm的B10銅鎳合金管，以管子內(nèi)表面為工作面，背面焊接引出導(dǎo)線(xiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂封裝，暴露面積為0.4 cm2.氣相緩蝕劑HJ-20-2由上海東松化工科技發(fā)展有限公司提供，它是一種嗎啉多元胺化合物，白色粉末固體.其余化學(xué)品采用分析純?cè)噭?模擬冷卻液為乙二醇溶液，其中含有硫酸根、碳酸氫根和氯離子，其組成見(jiàn)表1.

表1 250mL模擬冷卻液的主要成分

乙二醇在使用過(guò)程中會(huì)可能部分氧化轉(zhuǎn)變成為乙醇酸，會(huì)使冷卻管的耐蝕性變差［7］.乙二醇的氧化過(guò)程如圖1所示.

圖1 乙二醇氧化過(guò)程

電化學(xué)測(cè)試為三電極體系，以飽和甘汞電極為參比電極，Pt電極為輔助電極.文中所給電位均相對(duì)于飽和甘汞電極(SCE)的電位.電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)為CHI系列電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司).極化曲線(xiàn)掃描范圍為自腐蝕電位±300 mV，從低到高，掃描速度為2 mV/s.在室溫和自腐蝕電位下進(jìn)行電化學(xué)阻抗試驗(yàn)，測(cè)試阻抗頻率為0.01 ×105～1.0×105Hz，交流激勵(lì)幅值為5 mV.

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)阻抗研究

圖2為B10銅鎳合金電極在不含HJ-20-2氣相緩蝕劑和含有HJ-20-2氣相緩蝕劑的冷卻液中浸泡不同時(shí)間的電化學(xué)阻抗圖.

由圖2可以看出，B10銅鎳電極在冷卻液中的阻抗譜呈現(xiàn)一個(gè)不規(guī)則的容抗弧，容抗弧反映了電極表面保護(hù)膜的性質(zhì)，圖2中半圓直徑對(duì)應(yīng)于電極表面的膜電阻，反映膜的耐蝕性.在不含HJ-20-2氣相緩蝕劑的空白冷卻液中，隨著浸泡時(shí)間的增加，B10銅電極的容抗弧逐漸增大，耐蝕性能略有提高.這是因?yàn)锽10銅電極在乙二醇冷卻液中逐漸生成一層鈍化膜，這層鈍化膜具有一定的保護(hù)作用.加入HJ-20-2氣相緩蝕劑后，在2～4 h浸泡時(shí)間段，電極的容抗弧直徑與不加HJ-20-2氣相緩蝕劑時(shí)的容抗差不多，表明此時(shí)緩蝕效果不明顯.但隨著浸泡時(shí)間的增加，加有HJ-20-2氣相緩蝕劑的容抗弧開(kāi)始增大，表明HJ-20-2氣相緩蝕劑對(duì)B10銅合金具有一定的緩蝕效果.

圖2 B10銅鎳合金電極在不含和含有0.05 g/L的HJ-20-2氣相緩蝕劑的冷卻介質(zhì)中浸泡不同時(shí)間的電化學(xué)阻抗示意

緩蝕協(xié)同作用是許多商品化緩蝕劑配方的基礎(chǔ).為提高對(duì)B10銅鎳合金管的保護(hù)效果，我們采用電化學(xué)阻抗譜考察了HJ-20-2氣相緩蝕劑和苯甲酸鈉的復(fù)配效果，苯甲酸鈉是常用的冷卻介質(zhì)緩蝕劑.圖3是B10銅鎳合金電極在含有HJ-20-2氣相緩蝕劑和苯甲酸鈉復(fù)配后的電化學(xué)阻抗譜.

在中性冷卻介質(zhì)中，銅鎳合金的電化學(xué)阻抗譜通?？梢院?jiǎn)化為圖4所示的等效電路.

圖3 B10銅鎳合金電極在HJ-20-2氣相緩蝕劑和苯甲酸鈉復(fù)配的冷卻介質(zhì)中浸泡8 h后的電化學(xué)阻抗示意

圖4 B10銅鎳合金的電化學(xué)阻抗等效電路

圖4中的Q可描述為［8］:

式中:Y0——導(dǎo)納的模值;

j——虛根;

ω——角頻率，ω =2πf(f為頻率);

n——指數(shù)項(xiàng).

所得電化學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 B10銅鎳合金的電化學(xué)阻抗擬合數(shù)據(jù)

從表2可以看出，隨著苯甲酸鈉添加量的增大，B10銅鎳合金電極的電荷傳遞電阻Rt隨之增大，說(shuō)明苯甲酸鈉和HJ-20-2氣相緩蝕劑的復(fù)配使用對(duì)B10銅鎳合金具有較好的保護(hù)作用;當(dāng)苯甲酸鈉濃度達(dá)到0.4 mol/L時(shí)，Rt最大，為3.047×105Ω·m2，此時(shí)保護(hù)作用最好;但當(dāng)苯甲酸鈉濃度繼續(xù)增大時(shí)，Rt減小，緩蝕效果下降.

2.2 電化學(xué)極化曲線(xiàn)研究

圖5為B10銅鎳合金電極在含有HJ-20-2氣相緩蝕劑和苯甲酸鈉復(fù)配后的電化學(xué)阻抗譜，所得電化學(xué)極化曲線(xiàn)擬合結(jié)果見(jiàn)表3.

圖5 B10銅鎳合金電極在HJ-20-2氣相緩蝕劑和苯甲酸鈉復(fù)配的冷卻介質(zhì)中浸泡8 h后的電化學(xué)極化曲線(xiàn)

表3 B10銅鎳合金電化學(xué)極化曲線(xiàn)擬合結(jié)果

從圖5可以看出，HJ-20-2氣相緩蝕劑可使B10銅鎳合金電極的腐蝕電位稍正移，其對(duì)B10合金的陰極和陽(yáng)極腐蝕電化學(xué)過(guò)程均有抑制作用.當(dāng)HJ-20-2氣相緩蝕劑和苯甲酸鈉復(fù)配使用后，B10銅鎳合金電極的腐蝕電位負(fù)移，其陰極腐蝕電化學(xué)過(guò)程受到的抑制進(jìn)一步加強(qiáng).從表3可以看出，當(dāng)苯甲酸鈉加入量為0.4 mol/L時(shí)，緩蝕率達(dá)到83.23%，緩蝕效果最好.苯甲酸鈉加入量達(dá)0.8 mol/L時(shí)，腐蝕電位正移，緩蝕效率下降，這可能是因?yàn)楸郊姿徕c濃度過(guò)大，腐蝕電位與陽(yáng)極的脫附電位接近，出現(xiàn)了緩蝕劑脫附現(xiàn)象，導(dǎo)致其保護(hù)作用下降.極化曲線(xiàn)與電化學(xué)阻抗所得結(jié)果一致.

3 結(jié)論

(1)加入0.05 g/L HJ-20-2氣相緩蝕劑對(duì)B10銅鎳合金在模擬冷卻液中具有一定的緩蝕效果，但緩蝕效果并不明顯.

(2)HJ-20-2氣相緩蝕劑與苯甲酸鈉復(fù)配使用后，緩蝕效果明顯提高.當(dāng)復(fù)配用量為0.05 g/L的HJ-20-2+0.4 mol/L的苯甲酸鈉時(shí)，緩蝕效率最高，可達(dá)83.23%.

(3)苯甲酸鈉用量過(guò)高，復(fù)配緩蝕劑的緩蝕效率反而下降.這可能是由于濃度增大導(dǎo)致膜層脫落.極化曲線(xiàn)與電化學(xué)阻抗所得結(jié)果一致.

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