甲醇對(duì)直流泵的腐蝕及改進(jìn)建議

韓國(guó)鵬，姚安仁，姚春德，劉軍恒

（1.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072）

應(yīng)用技術(shù)

甲醇對(duì)直流泵的腐蝕及改進(jìn)建議

韓國(guó)鵬1，姚安仁2，姚春德1，劉軍恒1

（1.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072）

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，采用直流泵供應(yīng)甲醇時(shí)其使用壽命較供應(yīng)汽油時(shí)大幅縮短。為探索原因，對(duì)已損壞的大量甲醇泵進(jìn)行了故障統(tǒng)計(jì)，并從電化學(xué)腐蝕的角度分析了甲醇泵正負(fù)極不均勻腐蝕的現(xiàn)象和機(jī)理；自行設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的醇泵試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)醇泵耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。結(jié)果表明：直流泵正負(fù)極線路之間發(fā)生了類似“陰極保護(hù)”的電化學(xué)作用，加速了正極線路的腐蝕并使負(fù)極線路得到保護(hù)。基于此，測(cè)試并分析了電液分離式和電液一體式無(wú)刷泵耐醇特性，指出將電液一體泵正負(fù)極銅絲與流體分離是提高直流泵耐醇能力的可行措施。

甲醇；直流泵；腐蝕；改進(jìn)建議

甲醇來(lái)源廣泛，生產(chǎn)技術(shù)成熟，且在我國(guó)有很大的富余產(chǎn)能，將甲醇作為替代燃料應(yīng)用到壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上是針對(duì)我國(guó)結(jié)構(gòu)性缺油的特點(diǎn)提出的有效措施［1］。柴油/甲醇組合燃燒（DMCC）技術(shù)是在進(jìn)氣道上加裝一套甲醇噴射系統(tǒng)，形成甲醇-空氣混合氣，并在缸內(nèi)由直噴柴油引燃［2］。大量的臺(tái)架試驗(yàn)和車輛道路試驗(yàn)表明，該方法能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低燃料成本［3］。目前，該技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始在重載車上應(yīng)用，并有大規(guī)模推廣的趨勢(shì)。

甲醇泵是甲醇供應(yīng)系統(tǒng)中一個(gè)重要的裝置，考慮到DMCC技術(shù)在車上使用、安裝的便利性，一般選用傳統(tǒng)的直流碳刷泵。在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，供應(yīng)甲醇的直流泵的使用壽命遠(yuǎn)低于其供應(yīng)汽油等其他燃料的使用壽命。隨著DMCC技術(shù)在重載車上進(jìn)一步推廣，該問(wèn)題日益突出，已經(jīng)成為甲醇使用過(guò)程中的一個(gè)技術(shù)瓶頸。因此，開(kāi)發(fā)具有較長(zhǎng)使用壽命的耐醇泵具有實(shí)際意義。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)耐腐蝕直流泵的研究較多，且已經(jīng)見(jiàn)諸產(chǎn)品。這些技術(shù)包括將有刷泵改為無(wú)刷泵、電路和液路分離、采用耐腐蝕材料，如三元乙丙膠，氟橡膠等［4-5］。新技術(shù)的應(yīng)用在一定程度上提高了直流泵供應(yīng)甲醇的可靠性，但甲醇類燃料對(duì)直流泵的腐蝕機(jī)理有待進(jìn)一步研究。本工作以傳統(tǒng)的直流碳刷泵為研究對(duì)象，對(duì)使用過(guò)程中損壞的大量甲醇泵進(jìn)行了故障統(tǒng)計(jì)，分析了甲醇造成直流泵壽命大幅縮減的原因。隨后，采用自行設(shè)計(jì)的醇泵試驗(yàn)臺(tái)，在排除偶然故障的條件下進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。基于此，對(duì)目前使用較多的兩種無(wú)刷直流泵進(jìn)行了測(cè)試和分析，給出從機(jī)理上改善直流泵耐醇特性的建議。

1 甲醇泵故障統(tǒng)計(jì)

圖1是目前使用最為廣泛，同時(shí)也是DMCC技術(shù)試驗(yàn)過(guò)程中所采用的直流碳刷泵示意圖。該泵由直流電動(dòng)機(jī)和滾柱式容積泵組成，通電后直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子軸通過(guò)花鍵與滾柱式容積泵的轉(zhuǎn)軸相連，帶動(dòng)滾柱泵轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 直流泵示意圖Fig.1 Schematic diagram of the DC pump

為探索供應(yīng)甲醇直流泵的使用壽命大幅縮減的原因，收集了損壞的甲醇泵并進(jìn)行拆分，分析了其故障原因，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 甲醇泵故障原因統(tǒng)計(jì)Fig.2 Fault reason statistics of methanol pumps

其中，質(zhì)量問(wèn)題指在測(cè)試時(shí)即不運(yùn)轉(zhuǎn)或不正常運(yùn)轉(zhuǎn)的新泵，其故障或是正負(fù)極碳刷在運(yùn)輸過(guò)程中損壞，或是轉(zhuǎn)子與滾柱泵連接的花鍵斷裂等。正極線路是正極接線柱、電感元件、石墨碳刷組成的通路，接線柱和電感元件之間通過(guò)銅導(dǎo)線相連，電感元件和碳刷之間通過(guò)編織的銅辮相連，各節(jié)點(diǎn)焊接而成，碳刷通過(guò)套裝在頭部結(jié)構(gòu)體上的扭力彈簧壓緊在換向器上。正極線路故障類型如圖3所示，圖3（a）是壓緊碳刷的扭力彈簧斷裂，碳刷無(wú)法與換向器有效接觸導(dǎo)致開(kāi)路；圖3（b）是接線柱和電感間的銅導(dǎo)線蝕斷導(dǎo)致斷路；圖3（c）是電感和碳刷之間的銅辮腐蝕嚴(yán)重導(dǎo)致斷路。

圖3 正極線路故障Fig.3 Faults of the positive line

2 甲醇泵故障原因分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 故障分析

從圖2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，除去質(zhì)量問(wèn)題外，發(fā)生泵體內(nèi)部燒蝕和碳刷磨損的概率均較小。在直流碳刷泵運(yùn)行期間，碳刷和換向器始終接觸并相對(duì)滑動(dòng)，若采用此種直流泵供應(yīng)汽油且在其使用過(guò)程中無(wú)偶然性故障，則泵的使用壽命受限于碳刷的磨損；直流泵發(fā)生燒蝕時(shí)，泵體中含有的塑料元件（包括頭部塑料結(jié)構(gòu)體和密封轉(zhuǎn)子線圈的塑料樹(shù)脂）熔化，如圖4所示。無(wú)論是燒蝕還是碳刷磨損，在供應(yīng)其他燃料的直流泵中均較為常見(jiàn)，但在甲醇泵中獨(dú)有的，也是出現(xiàn)頻率最高的是正極線路故障，包括正極接線柱上銅導(dǎo)線、碳刷上銅導(dǎo)線的腐蝕以及壓緊正極碳刷用的扭力彈簧斷裂。

圖4 泵體燒蝕Fig.4 Burned pumps

2.2 甲醇泵正負(fù)極腐蝕不均勻的原因

甲醇具有較強(qiáng)的腐蝕性，這是應(yīng)用甲醇燃料必須考慮的問(wèn)題。甲醇腐蝕性的強(qiáng)弱主要受純度和溫度的影響。純度越高，甲醇對(duì)金屬的腐蝕作用越?。?］，無(wú)水甲醇對(duì)除鉛、鎳、銅鎳合金、鑄鐵和高硅鑄鐵外的大部分金屬都沒(méi)有腐蝕性。甲醇的腐蝕性也會(huì)隨著溫度的升高而逐漸增大。按照《腐蝕數(shù)據(jù)手冊(cè)》中對(duì)甲醇的腐蝕性的評(píng)定，甲醇對(duì)碳鋼的腐蝕速率為0.05 mm/a，屬于中度腐蝕；對(duì)銅鎳合金的腐蝕速率小于0.508 mm/a，屬于極嚴(yán)重腐蝕［7］。因此，即使將直流泵充滿甲醇靜置一年，其線路中銅絲或扭力彈簧的腐蝕也會(huì)使其損壞，但在這種條件下正負(fù)極線路的腐蝕情況應(yīng)相同。甲醇泵通電工作后總是正極線路首先發(fā)生故障，負(fù)極線路卻保存完好，因此，正負(fù)極線路的不均勻腐蝕是電化學(xué)原因?qū)е碌摹?/p>

甲醇會(huì)因其吸水性而含有少量水分，同時(shí)受到空氣的氧化或細(xì)菌發(fā)酵也會(huì)產(chǎn)生少量的有機(jī)酸；也有研究表明，將銅片浸入M15甲醇汽油中三個(gè)月后，溶液的pH升至9.4，呈堿性［8］；此外，甲醇還會(huì)將橡膠管路中的增強(qiáng)劑炭黑析出［9］，析出的炭黑很容易吸附受電化學(xué)腐蝕而進(jìn)入溶液的金屬離子，因此可以把管路中的甲醇看作一種電解質(zhì)溶液；汽油的主要成分是烴類物質(zhì)，屬于非電解質(zhì)溶液，這是二者的主要區(qū)別。

為了分析的便利性，將直流電機(jī)的工作原理簡(jiǎn)化為圖5所示。圖5（a）是未通電的直流電機(jī)線路圖，由于銅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為正值（+0.342 V），且已有的研究表明銅在甲醇溶液中發(fā)生吸氧腐蝕的傾向更大，因此可認(rèn)為溶液中含有少量的OH-。正負(fù)極線路通過(guò)換向器、轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)行接觸，但由于正負(fù)極線路的材質(zhì)相同，正負(fù)極之間并未構(gòu)成原電池，此時(shí)正負(fù)極腐蝕情況應(yīng)相同。

由圖5（b）中可以看出，通電后電流從電源的正極出發(fā)回到電源的負(fù)極，若只看外電路（沒(méi)有浸泡在液體中的電路），并將電源視為導(dǎo)線，則電流可以看成從負(fù)極接線柱流到正極接線柱，而電子的運(yùn)動(dòng)方向與之相反。在這種情況下，正極金屬（銅和鐵）中的自由電子在電勢(shì)差的作用下通過(guò)外電路轉(zhuǎn)移到負(fù)極，正極發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的Cu2+和Fe2+進(jìn)入溶液從而使正極受到腐蝕；負(fù)極得到電子，電子在負(fù)極與溶液中的氧發(fā)生反應(yīng)生成OH-，負(fù)極得到保護(hù)。正負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)見(jiàn)式（1）～（3）：

圖5 直流電機(jī)工作原理Fig.5 Operating principle of the DC motor

正極反應(yīng)：

負(fù)極反應(yīng)：

根據(jù)上述分析，甲醇泵工作后正極線路受到腐蝕而負(fù)極線路得到保護(hù)，這和金屬電化學(xué)保護(hù)中的“陰極保護(hù)”十分相似［10］，即將欲保護(hù)的金屬接到外加直流電源的負(fù)極（原電池的陰極），將輔助陽(yáng)極接到直流電源的正極，使被保護(hù)的金屬始終處于電子過(guò)剩的狀態(tài)。在甲醇泵中實(shí)際上是犧牲了正極線路而對(duì)負(fù)極線路進(jìn)行了保護(hù)。圖6是甲醇泵腐蝕的典型實(shí)物圖，可以看出，正極線路腐蝕明顯，而負(fù)極線路保存完好。此外，負(fù)極上有大量的沉積物，這是進(jìn)入溶液的金屬離子被炭黑或流體中的雜質(zhì)吸附后在負(fù)極進(jìn)一步與OH-結(jié)合產(chǎn)生的物質(zhì)。

圖6 甲醇泵典型故障的實(shí)物圖Fig.6 Typical fault of the methanol pump

2.3 甲醇泵正負(fù)極腐蝕不均勻的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性，自行設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的醇泵試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行甲醇泵耐久性試驗(yàn)，在排除偶然故障的條件下探究甲醇泵損壞的根本原因，試驗(yàn)裝置如圖7所示。供電電源為220 V～12（24）V可調(diào)直流電源；甲醇箱采用雙層結(jié)構(gòu)，外層冷卻水套用來(lái)降低循環(huán)甲醇的溫升；從醇箱出來(lái)的甲醇先經(jīng)過(guò)濾清器和甲醇泵，再到達(dá)4bar的限壓閥，最后經(jīng)限壓閥的回醇口流回醇箱。

直流碳刷泵一般作為汽油泵使用，工作電壓通常為12 V。為了探索不同工作電壓對(duì)直流泵使用壽命的影響，與直流泵生產(chǎn)廠合作，試制了一批24 V碳刷泵。試驗(yàn)時(shí)讓兩個(gè)泵同時(shí)持續(xù)運(yùn)行，并監(jiān)測(cè)出醇?jí)毫捅皿w溫度，直至泵損壞。試驗(yàn)共使用了四個(gè)泵分兩組進(jìn)行，各個(gè)泵運(yùn)行時(shí)間如表1所示。

圖7 醇泵試驗(yàn)臺(tái)Fig.7 Methanol pump test bench

表1 24 V泵運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical running time of the 24V pumps

測(cè)試結(jié)果表明，24 V泵的平均運(yùn)行時(shí)間為187 h。根據(jù)甲醇/柴油雙燃料技術(shù)在車上的使用情況，正在使用的12 V泵（需加裝一個(gè)24 V轉(zhuǎn)12 V的電源轉(zhuǎn)換器）出現(xiàn)正極線路腐蝕故障的壽命為1～2個(gè)月，雖然尚未測(cè)得其連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，但也可以發(fā)現(xiàn)12 V泵壽命明顯高于24 V，由此可見(jiàn)，工作電壓對(duì)泵的運(yùn)行壽命影響很大，與上文的分析相吻合。

圖8是24 V泵故障后頭部線路的實(shí)物圖。第一組泵（編號(hào)1，2）故障原因是正極碳刷銅導(dǎo)線腐蝕，第二組泵的故障原因分別是正極碳刷銅導(dǎo)線腐蝕和正極接線柱銅導(dǎo)線蝕斷，在所有進(jìn)行測(cè)試的泵中，負(fù)極線路均保存完好。測(cè)試泵沒(méi)有出現(xiàn)正極扭力彈簧斷裂的情況，原因是在試制時(shí)將扭力彈簧改為不銹鋼材質(zhì)，增強(qiáng)了其耐腐蝕能力。第二組泵是在第一組泵的基礎(chǔ)上將正極碳刷銅導(dǎo)線涂覆一層鎳，結(jié)果顯示正極腐蝕發(fā)生的部位逐漸向沒(méi)有進(jìn)行任何改動(dòng)的接線柱銅導(dǎo)線上轉(zhuǎn)移，但測(cè)試結(jié)果也表明改動(dòng)后泵的使用壽命并沒(méi)有增強(qiáng)，原因是鎳耐甲醇腐蝕的性能與銅基本相同，且工藝上并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)鎳對(duì)銅辮的嚴(yán)密包裹。正極線路出現(xiàn)的上述故障現(xiàn)象驗(yàn)證了電化學(xué)腐蝕在甲醇泵損壞中發(fā)生的作用，證實(shí)了上文理論分析的正確性。

圖8 試驗(yàn)泵故障現(xiàn)象Fig.8 Fault phenomenon of the experimental pumps（a）Group one （b）Group two

3 無(wú)刷直流泵作為耐醇泵的可行性

3.1 無(wú)刷直流泵工作原理

目前，解決碳刷泵中碳刷磨損問(wèn)題的無(wú)刷直流泵已經(jīng)投入應(yīng)用，圖9是全橋式無(wú)刷直流電機(jī)的電路圖，此外還有半橋式、H橋式等多種形式，工作原理與此類似。

圖9 全橋式無(wú)刷電機(jī)Fig.9 The full-bridge brushless motor

無(wú)刷電機(jī)工作時(shí)首先要通過(guò)霍爾傳感器感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開(kāi)啟（或關(guān)閉）換流器中功率晶體管的順序，使通電的線圈能夠與磁場(chǎng)作用產(chǎn)生磁力矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。圖9中上下橋臂對(duì)應(yīng)位置的功率晶體管不能同時(shí)打開(kāi)，如AH與AL不能同時(shí)開(kāi)啟，來(lái)保證線圈有效接通［11］。

3.2 無(wú)刷直流泵耐醇性分析和改進(jìn)措施

無(wú)刷直流泵的工作形式有兩種，即電液一體式（圖10（a））和電液分離式（圖10（b））。電液一體式的外形與傳統(tǒng)碳刷泵一致，不同之處是用電路板代替了頭部線路中的碳刷、換向器等元件，電路板的一側(cè)與正負(fù)極接線柱引出的銅絲相連，另一側(cè)分別與三組定子繞線圈相連，工作時(shí)流體流過(guò)整個(gè)電路部分，可對(duì)泵體進(jìn)行冷卻。

電液分離式的電路部分和液路部分通過(guò)密封件實(shí)現(xiàn)完全分離，無(wú)刷直流電機(jī)帶動(dòng)偏心盤轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的抽吸和擠壓，其容積泵采用橡膠或塑料制成，不含金屬元件。

圖10 無(wú)刷直流泵Fig.10 The brushless DC pump

電液分離泵能完全消除電化學(xué)腐蝕對(duì)泵的影響，其隔膜部分通常采用耐甲醇腐蝕的三元乙丙膠，能防止甲醇對(duì)泵的腐蝕。但由于流體不經(jīng)過(guò)電路，無(wú)法實(shí)現(xiàn)流體對(duì)泵的冷卻，因此電液分離泵的發(fā)熱非常嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的運(yùn)行結(jié)果顯示，這種泵連續(xù)運(yùn)行5 h后泵體即開(kāi)始灼熱，連續(xù)運(yùn)行20 h以上即發(fā)生電路板的燒毀。此外，該泵的容積泵部分并不是所有元件都采用耐甲醇的塑料或橡膠，其長(zhǎng)期工作的可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

電液一體泵的外形與碳刷泵完全一致，使用方便，并可實(shí)現(xiàn)流體對(duì)泵體的冷卻，發(fā)熱量小。但由于這種泵工作時(shí)線路浸泡在流體中，電化學(xué)腐蝕作用仍然存在，使用壽命受限。試驗(yàn)臺(tái)上的運(yùn)行結(jié)果表明，該泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)的故障是正極接線柱和線路板之間連接的銅絲蝕斷，與碳刷泵的故障分析結(jié)果一致。由于這種泵的正負(fù)極均只有一根銅絲，相比于碳刷泵簡(jiǎn)單得多，因此可以考慮將正負(fù)極銅絲進(jìn)行包裹，使之與流體完全分離，消除電化學(xué)腐蝕對(duì)泵運(yùn)行壽命的影響，發(fā)揮該泵在結(jié)構(gòu)和散熱方面的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

（1）排除偶然故障和一般性故障后，正負(fù)極線路的不均勻腐蝕是導(dǎo)致供應(yīng)甲醇直流碳刷泵壽命大幅縮減的根本原因。

（2）直流泵供應(yīng)甲醇時(shí)，正負(fù)極之間發(fā)生了類似“陰極保護(hù)”的電化學(xué)現(xiàn)象，犧牲了正極線路對(duì)負(fù)極線路進(jìn)行保護(hù)。

（3）電液一體式和電液分離式直流泵作為甲醇泵各有優(yōu)點(diǎn)和不足：電液分離泵需要解決散熱和橡膠元件的耐醇性問(wèn)題，電液一體泵則要關(guān)注電化學(xué)作用對(duì)正極銅絲的腐蝕。從改進(jìn)的可行性和改進(jìn)后泵的便利性看，將電液一體泵正負(fù)極銅絲與流體分離是較為可行的措施。

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Corrosion of Methanol to DC Pump and Suggestions for Improvement

HAN Guo-peng1，YAO An-ren2，YAO Chun-de1，LIU Jun-heng1
（1.State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Previous practical studies showed that the life of DC pumps substantially reduced when supplying methanol compared with supplying gasoline.To explore the reason，the fault statistics was made on a large number of damaged nethanol pumps，while the phenomenon and mechanism of the non-uniform corrosion between the positive and negative electrodes were analyzed from the point of electrochemical corrosion.A simple methanol pump test bench was designed and durability tests of methanol pumps were performed using the bench，the theoretical analysis was verified to be correct.The results show that a kind of electrochemical action，which was similar with cathodic protection，happened between the positive and negative circuit of the DC pump.This effect accelerated the corrosion of the positive line but protected the negative line at the same time.Based on this，testing and analyzing were made on both the integrated and separate electro-hydraulic pump.It is pointed out that separating both the positive and negative copper wires from the fluid for the electro-hydraulic integration pump is a feasible way to improve the methanol-resistant capability of the DC pump.

methanol；DC pump；corrosion；improvement suggestion

TG174

A

1005-748X（2015）09-0878-05

10.11973/fsyfh-201509018

2014-08-15

國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃（2012AA111719）

姚春德（1955-），教授，博士生導(dǎo)師，從事發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料研究，022-27406649，arcdyao＠tju.edu.cn