風電塔底散熱器失效分析

彭承銀，趙 飛*，朱單單

(1.貴州大學 材料與冶金學院，貴州 貴陽 550025; 2.貴州省材料結構與強度重點實驗室，貴州 貴陽 550025;3.貴州永紅換熱冷卻技術有限公司，貴州 惠水 550600)

鋁制板翅式散熱器具有結構緊湊、體積小、重量輕、單位體積換熱面積大、阻力小及多股流通散熱的優(yōu)點，被廣泛應用于石油化工、航空航天、能源、電子、原子能和機械等領域[1-4]。它是目前最先進、應用最廣泛的散熱器[4-5]。散熱器主要由隔板、翅片、封條、復合板(隔板)等組成[1]。翅片可分為熱側翅片(內部循環(huán)冷卻液通道，受冷卻液加熱，不與大氣接觸)和冷側翅片(直接與大氣環(huán)境接觸)。風力發(fā)電作為可再生新能源，成為我國新能源發(fā)展的重點。近年來，海上風電成為風電產業(yè)發(fā)展的新趨勢[7-8]。與陸上風力發(fā)電相比，海上風力發(fā)電機組處在海洋大氣環(huán)境中。海洋大氣環(huán)境中Cl-含量遠高于陸上大氣環(huán)境，由于Cl-能通過吸附作用破壞鋁合金表面的氧化膜，加速鋁合金的腐蝕，使得鋁及其合金制品面臨嚴峻的腐蝕問題。

本文運用失效分析的方法，探討在海洋大氣環(huán)境中運行的風力發(fā)電塔底鋁制散熱器失效的主要原因，為鋁制散熱器的防腐工作提供一定的理論依據(jù)。

1 應用背景

本文的失效件是國內某公司生產的風電塔塔底散熱器，設計使用壽命5年，內部結構如圖1所示。該散熱器的使用環(huán)境是我國東部沿海海域，在2017年10月并網投入運行，至2019年5月發(fā)現(xiàn)風力發(fā)電異常。經檢查，在風電塔塔底的散熱器局部位置有冷卻液泄漏。該鋁制散熱器使用的材料為3003鋁合金，其固相線、液相線溫度分別為643 ℃、654 ℃[6]；釬料為LT-3復合板，3003鋁合金表層包覆上一層4004鋁合金。散熱器使用的材料主要化學成分如表1所示。散熱器采用真空釬焊工藝生產。

圖1 散熱器結構示意圖

表1 釬料芯層(3003)和表層(4004)的化學成分

2 宏觀分析

采用氣密性檢測方法找散熱器的滲漏點，如圖2所示。對失效產品加載一定的氣壓；觀察水槽中散熱器接口面與迎風面狀況，散熱器接口面沒有明顯氣泡產生(圖2(b))，迎風面則有小氣泡持續(xù)冒出(圖2(c))；裁剪冒泡區(qū)域得到單一散熱器通道(圖2(d))；通過氣密性檢測泄漏的具體位置，標記、裁剪用于顯微分析(圖2(e))。

圖2 散熱器失效分析

由圖2(e)可以看出，裁剪單一失效散熱器的泄漏點位于冷翅側，該處表層金屬氧化膜粗糙且呈灰色。初步判斷散熱器泄漏點是由冷翅側向熱翅側擴展。失效原因是散熱器迎風面處于海洋大氣區(qū)，海風夾帶有一定的海鹽成分并在散熱器冷翅側處堆積，加上海洋大氣環(huán)境受濕度、溫度、雨量、風速、太陽照射的影響而復雜多變，進而在散熱器冷翅及隔板附近形成一個小型的海洋環(huán)境區(qū)[10-11]，使該處散熱器較容易發(fā)生腐蝕行為。腐蝕一般分為局部腐蝕和大氣環(huán)境中的海水腐蝕[11-13]。接下來，通過對泄漏點進行化學成分分析、形貌分析，研究散熱器發(fā)生泄漏的具體原因。

3 微觀檢測

3.1 顯微形貌

采用掃描電子顯微鏡(Zeiss, SUPRA 40)觀察圖2(e)中散熱器正面泄漏點與未失效的散熱器表層形貌，如圖3所示。由圖3可知：鋁合金原有的保護膜受到了明顯的破壞，泄漏點腐蝕區(qū)域表層疏松，表層堆積著凹凸不平、塊狀或粒狀的腐蝕產物，有部分腐蝕產物已脫落，表面的腐蝕產物在內應力作用下發(fā)生龜裂，形成裂縫(圖3(a)、(b))；散熱器泄漏點位置還伴隨著發(fā)生了小范圍的剝層腐蝕[11]，表面點狀腐蝕產物呈灰白色，裂縫較少(圖3(c))；未受到腐蝕的散熱器(圖3(d))明顯有致密的保護膜，未出現(xiàn)圖3(a)、(b)、(c)的龜裂、裂縫及腐蝕產物層。

圖3 散熱器表面微觀形貌圖

3.2 元素分布及成分分析

采用掃描電鏡能譜儀對泄漏點微區(qū)腐蝕產物元素分布情況進行分析，如圖4所示。從圖4(b)可以看出，泄漏點附近有Cl、S、O、Na、Ca等海洋環(huán)境中元素存在。

圖4 泄漏點線掃描結果

采用能譜儀對泄漏點周圍的腐蝕產物進行微區(qū)成分分析，如圖5所示。由圖5(b)可知：腐蝕產物表面存在Al、Si、K、Na、S、Cl等元素，其中，Al、Si元素主要來源于散熱器材料，K、Na、S、Ca、P、Ga、Cl等元素來源于海洋環(huán)境，C、O元素屬于殘留在表面的冷卻液。由于鋁合金在含有Cl-的介質中容易通過吸附作用損傷氧化膜，加速鋁合金腐蝕進程，發(fā)生點腐蝕與應力腐蝕開裂的特點[12-14]，得出鋁合金在Cl-介質下的點蝕過程(圖6)形成機理[15-16]：活性陰離子被吸附在金屬表面，并對氧化膜造成損傷，被破壞的金屬表面來不及修復，同時在電解質中形成小陽極、大陰極的腐蝕電池隨著Cl-源源不斷地浸入形成孔穴，由于Cl-能刺激和加速鋁合金的點蝕[16-19]，導致點蝕的形成。點蝕在“自酸化催化”過程下不斷發(fā)展造成點蝕穿孔，最終導致零件失效，形成圖3(a)、(b)、(c)的形貌。

圖5 腐蝕產物

圖6 鋁合金在Cl-介質下發(fā)生點蝕示意圖

3.3 金相分析

對比未發(fā)生失效的散熱器剖面金相形貌與圖2(e)散熱器失效件泄漏點切開的剖面金相形貌，分析失效散熱器腐蝕擴展過程，如圖7所示。由圖7可知：散熱器復合板并未出現(xiàn)熔蝕現(xiàn)象，未失效散熱器的冷翅側與熱翅側表層氧化膜完好無損，沒有受到腐蝕(圖7(a))；失效散熱器泄漏點處有明顯的裂紋以及腐蝕凹坑(圖7(b)、(c))，腐蝕坑尺寸均較小，呈垂直往內擴展，剖面呈皮下囊形、掏蝕形，顯微結構取向呈水平形為典型點蝕坑的特征[9]；將剖面繼續(xù)拋光，得到泄漏點貫穿的剖面(圖7(d)、(e))。結合圖7(d)、(e)可以看出：散熱器點蝕孔逐漸侵蝕至熱翅側，冷翅側已經被完全破壞，在靠近熱翅側的位置腐蝕仍然在進行。

圖7 未腐蝕與失效點腐蝕坑剖面

結合能譜儀分析的結果：泄漏點周圍與腐蝕產物中都含有Cl元素，可知該散熱器腐蝕是由Cl-為主導的點腐蝕伴隨著應力腐蝕。腐蝕過程：散熱器迎風面的冷翅側直接與含有Cl-的海洋大氣接觸，對鋁合金鈍化膜造成損傷；并在電解質的作用下發(fā)生自催化酸化(圖6)過程，逐步向散熱器冷卻液通道腐蝕至穿孔，進而導致冷卻液泄漏。

4 結論

綜上所述，散熱器應用于近海地區(qū)的風電塔底，長期暴露在含有Cl-海洋大氣的潮濕環(huán)境中，極易引起Cl-富集發(fā)生點蝕，點蝕坑在潮濕環(huán)境下逐步由迎風面(冷翅側)向熱翅側擴展，最終導致散熱器點蝕穿孔，引起冷卻液發(fā)生泄漏失效。建議從兩個方面提高海上風電塔底散熱器的使用壽命：一是在散熱器的使用過程中，設法提高散熱器的表面清潔度，降低散熱器表面陰離子的濃度，進而降低海洋大氣對散熱器的腐蝕；二是在散熱器的生產工序中增加一道陽極氧化工藝，在散熱器表面形成一層致密的氧化膜，以提高散熱器的耐蝕性能。