沿海地區(qū)空調(diào)翅片腐蝕機(jī)理及腐蝕影響因素研究

朱天笑 畢海權(quán) 段小東 王宏林

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610031）

0 引言

近年來，隨著生活水平日益提高，人們對室內(nèi)環(huán)境的舒適度要求越來越高，空調(diào)設(shè)備的普及程度也越來越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2016年全國居民每百戶空調(diào)保有量為90.90 臺，內(nèi)銷量方面，空調(diào)全年內(nèi)銷為6049 萬臺，空調(diào)設(shè)備已經(jīng)深刻的影響著日常生產(chǎn)生活。

但是，在一些環(huán)境特殊的地區(qū)，空調(diào)設(shè)備自身的維護(hù)和使用壽命卻成為了一個(gè)大問題。在高濕且冬季溫度較低的貴州等地，空調(diào)外機(jī)冬天會出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象，阻礙外機(jī)翅片換熱，不利于空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行。類似于海南等沿海地區(qū)，濕度大，鹽度高，外機(jī)設(shè)備極易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致外機(jī)失去原有功能。

1 外機(jī)腐蝕現(xiàn)狀及腐蝕機(jī)理

圖1 直接暴露在大氣中的室外機(jī)組翅片F(xiàn)ig.1 Outdoor unit fins directly exposed to the atmosphere

通過現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)海南地區(qū)很多空調(diào)外機(jī)翅片僅使用2、3年之后便被嚴(yán)重腐蝕，無法使用。由于翅片需要大量換熱，而且需要考慮到外機(jī)風(fēng)阻的問題。所以現(xiàn)行的外機(jī)形式基本都是翅片直接暴露在空氣中，防腐方式基本都是常規(guī)的涂層防腐。存在的問題是，如果涂層較薄，一旦出現(xiàn)涂層破壞，或者涂層沒有全面覆蓋翅片的情況，暴露的部分便會出現(xiàn)點(diǎn)蝕，進(jìn)而發(fā)展成全面腐蝕，最終翅片被破壞。

圖2 ?？谑斜桓g的外機(jī)翅片F(xiàn)ig.2 Corroded outer machine fins in Haikou

空調(diào)翅片腐蝕屬于金屬腐蝕中的電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕是指金屬表面與電解質(zhì)溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的破壞在反應(yīng)過程中發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)，而且反應(yīng)過程中有電流產(chǎn)生。金屬的電化學(xué)腐蝕實(shí)質(zhì)是短路的電偶電池作用的結(jié)果。這種原電池又稱為腐蝕電池。電化學(xué)腐蝕是最普遍、最常見的腐蝕。金屬在大氣海水土壤和各種電解質(zhì)溶液中的腐蝕都是此類。

在沿海地區(qū)，隨著金屬設(shè)備周圍鹽霧濃度的升高，腐蝕產(chǎn)物中O 含量急劇增加，說明腐蝕產(chǎn)物主要為Al、O 化合物，主要是Al2O3和Al(OH)3。

接下來發(fā)生離子與氧化膜的化學(xué)反應(yīng)，氧化膜的減薄、破裂和裸露鋁直接溶解。Cl-通過競爭吸附，經(jīng)過一系列的反應(yīng)，最終產(chǎn)物為可溶于水的AlCl3，反應(yīng)步驟為[1]：

通過對腐蝕產(chǎn)物的能譜分析，發(fā)現(xiàn)所有的腐蝕樣品中均檢測到Cl 元素，Cl 元素是典型的導(dǎo)致金屬材料發(fā)生局部腐蝕的元素，也是促進(jìn)腐蝕加劇的主要元素，主要是由于空調(diào)所在環(huán)境大氣中鹽粒子含量較高，鹽粒子吸附于材料表面所致?？照{(diào)發(fā)生失效的主要原因是由于其關(guān)鍵零部件及材料被腐蝕所致，大氣中高Cl-濃度進(jìn)一步促進(jìn)了腐蝕反應(yīng)。

從腐蝕機(jī)理來，空調(diào)零部件及材料的腐蝕實(shí)質(zhì)上為金屬在液膜下的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，而空氣濕度過大或者降雨會使金屬表面形成一層薄液膜，液膜為金屬材料腐蝕提供電離環(huán)境，且在海洋大氣環(huán)境中，由于海風(fēng)的作用會在表面沉積海鹽粒子。海鹽粒子不僅具有很強(qiáng)的吸濕性，可以延長表面的潤濕時(shí)間，還可在液膜中形成Cl-濃度很大的強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，對金屬材料具有極強(qiáng)的侵略性，大大加速腐蝕過程[2]。

為了節(jié)省空間，增大散熱面積，翅片布置的密度較大，翅片間的縫隙很小，導(dǎo)致翅片極易附著液滴，發(fā)生縫隙腐蝕。金屬部件在介質(zhì)中，由于金屬與金屬或金屬與非金屬之間形成特別小的縫隙，使得縫隙內(nèi)的介質(zhì)處于滯留狀態(tài)，從而引起縫內(nèi)金屬加速腐蝕，這種現(xiàn)象稱為縫隙腐蝕[3]。由于縫隙內(nèi)外氧氣濃度的差異導(dǎo)致溶液內(nèi)離子的遷移，進(jìn)而促使縫隙腐蝕的發(fā)生，形成了縫隙腐蝕的自催化過程[4,5]。

2 鹽霧試驗(yàn)介紹

現(xiàn)階段測試某種材料（方案）的防腐效果主要有兩種手段：長時(shí)間天然環(huán)境下的試驗(yàn)和高強(qiáng)度的利用設(shè)備的鹽霧試驗(yàn)。由于實(shí)際環(huán)境下測試通常需要幾年甚至十幾年，時(shí)間成本太高，所以選擇進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，在短時(shí)間內(nèi)測試不同工況的腐蝕。

鹽霧試驗(yàn)是一種主要利用鹽霧試驗(yàn)設(shè)備所創(chuàng)造的人工模擬鹽霧環(huán)境條件來考核產(chǎn)品或金屬材料耐腐蝕性能的環(huán)境試驗(yàn)。通過高強(qiáng)度的鹽霧噴霧，以及高溫高濕的人工環(huán)境，使試驗(yàn)樣品在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，從而對腐蝕影響因素及規(guī)律進(jìn)行分析。

大量實(shí)驗(yàn)證明，傳統(tǒng)鹽霧試驗(yàn)方法僅能作為一種人工加速腐蝕試驗(yàn)方法，對有保護(hù)層或無保護(hù)層的金屬進(jìn)行性能測試，不能用來換算材料或保護(hù)層在某一實(shí)際使用環(huán)境下的壽命。由于各種單一的鹽霧試驗(yàn)對大氣暴露實(shí)驗(yàn)的模擬性不好，其主要原因是鹽霧試驗(yàn)不具有“濕潤-干燥”循環(huán)過程，而在自然條件下，試樣上由雨、霧等型形成的液膜有一個(gè)由厚變薄、由濕變干的周期性循環(huán)。基于此，本次實(shí)驗(yàn)采用周期噴霧復(fù)合腐蝕的方式模擬天然環(huán)境下金屬腐蝕的過程[6]。

圖3 鹽霧試驗(yàn)機(jī)原理圖Fig.3 Schematic diagram of salt spray testing machine

鹽霧試驗(yàn)機(jī)利用噴頭向試驗(yàn)箱內(nèi)噴鹽霧，通過箱底的加熱水維持箱內(nèi)的溫度恒定。箱內(nèi)的相對濕度由于鹽霧的大量進(jìn)入，維持在95～100%之間。由調(diào)節(jié)閥控制噴霧強(qiáng)度，進(jìn)而控制鹽霧試驗(yàn)的強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

根據(jù)鹽霧試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB6458-86，設(shè)定以下試驗(yàn)參數(shù)。

表1 鹽霧試驗(yàn)設(shè)定工況Table 1 Salt spray test setting conditions

試驗(yàn)共進(jìn)行720 小時(shí)，其中噴鹽霧進(jìn)行350 小時(shí)，35℃恒溫濕熱環(huán)境靜置70 小時(shí)，關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)，大氣環(huán)境靜置300 小時(shí)。大氣溫度維持在18～20℃左右。

試驗(yàn)所用樣品為6063 型鋁合金5 種規(guī)格的鋁合金翅片，尺寸分別為①100mm×30mm×15mm、②100mm×28mm×15mm、③50mm×50mm×20mm、④50mm×45mm×18mm、⑤40mm×40mm×20mm。

圖4 五種翅片樣品Fig.4 Five kinds of fin samples

其中，①、②號翅片外尺寸差距不大，翅片間距②號較??；③、④號翅片間距有差異，③號間距小，但③號翅片表面平整，④號翅片表面有整齊的紋理；③、⑤號翅片間距相同，且表面均光滑，⑤號外尺寸小于③號。

圖5 噴鹽霧階段示意圖Fig.5 Schematic diagram of the salt spray stage

圖6 10 小時(shí)噴鹽霧后翅片情況Fig.6 Fin after 10 hours of spraying salt spray

噴霧10 小時(shí)后，所有規(guī)格的翅片表面殘留有含鹽液滴，但表面均沒有腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖7 50 小時(shí)噴霧后翅片F(xiàn)ig.7 Fin after 50 hours of spraying salt spray

噴鹽霧50 小時(shí)后，其中④、②號翅片表面出現(xiàn)了腐蝕發(fā)黑現(xiàn)象，另外三個(gè)翅片表面均沒有腐蝕現(xiàn)象。①號翅片由于表面光滑，間距較大，翅片表面殘留的液滴也很少。

圖8 350 小時(shí)噴霧后②、④號翅片F(xiàn)ig.8 Fin after 350 hours of spraying salt spray

圖9 350 小時(shí)噴霧后⑤、③、①號翅片F(xiàn)ig.9 Fin after 350 hours of spraying salt spray

噴鹽霧350 小時(shí)后，②～⑤號翅片均出現(xiàn)較明顯的腐蝕現(xiàn)象，①號翅片只出現(xiàn)輕微腐蝕現(xiàn)象。

金蕾[7]等對于模擬海洋環(huán)境的加速試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鹽霧-濕熱循環(huán)試驗(yàn)（5%NaCl）與3%NaCl鹽霧試驗(yàn)的加速性較好，其加速倍率分別為52 和31。即通過鹽霧-濕熱循環(huán)試驗(yàn)168 小時(shí)相當(dāng)于萬寧站戶外暴露1年，通過3%NaCl 鹽霧試驗(yàn)283 小時(shí)相當(dāng)于萬寧站戶外暴露1年。試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果基本一致。

表2 試驗(yàn)前后翅片樣品質(zhì)量Table 2 Fin sample quality before and after the test

噴霧后，由于翅片的腐蝕產(chǎn)物還未脫落，金屬單質(zhì)腐蝕成為化合物，所以翅片增重。②～⑤號翅片增重均在2%左右，①號翅片的增重較小，與所觀察試驗(yàn)現(xiàn)象吻合。

試驗(yàn)過程中，②、④號最先出現(xiàn)腐蝕，而后③、⑤號均在噴霧80 小時(shí)左右開始出現(xiàn)腐蝕；最終，在噴霧350 小時(shí)之后，②～⑤號翅片表面出現(xiàn)了較嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，翅片整體發(fā)黑變色，而①號翅片變化不明顯。

對比翅片①、②號，外形尺寸、表面平整度基本一致，間距不同，②號腐蝕更加嚴(yán)重。由于2 號翅片部分間距較小，在濕度較大時(shí)，水的表面張力會導(dǎo)致更多的含鹽液滴殘留。液滴的增加導(dǎo)致了翅片表面液膜厚度的增加，最終導(dǎo)致腐蝕更加嚴(yán)重[8]。

對比③、④號翅片，外形尺寸、翅片間距均相近，翅片表面平整度不同，④號比③號更早發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。④號翅片表面的波紋使翅片表面的液膜厚度不均，導(dǎo)致液膜較厚處與較薄處氧氣含量不同，形成氧濃差腐蝕，導(dǎo)致腐蝕現(xiàn)象更早出現(xiàn)。

②、④號翅片表面殘留鹽溶液的增加，作為翅片腐蝕的兩大因素，本身也會加速腐蝕的發(fā)生[6]。翅片間距較小還可能導(dǎo)致縫隙腐蝕發(fā)生，進(jìn)一步加速腐蝕。①號翅片間距大，表面光滑，基于此，①號腐蝕最緩慢。

對比③、⑤號翅片，翅片間距、翅片表面平整度均相近，僅翅片本身大小有差異。③、⑤號翅片腐蝕的進(jìn)程及最終的腐蝕程度均相近。所以翅片大小對翅片的腐蝕速率沒有明顯影響。

4 結(jié)論

通過對沿海地區(qū)翅片的腐蝕機(jī)理研究及鹽霧試驗(yàn)結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

（1）翅片的鋁金屬在腐蝕過程中先形成氧化鋁、氫氧化鋁，它們再與氯化物反應(yīng)生成氯化鋁，被完全腐蝕。

（2）氯離子等陰離子破壞了致密的氧化鋁膜，翅片不斷被腐蝕，導(dǎo)致沿海地區(qū)翅片較內(nèi)陸地區(qū)使用壽命短的重要原因。

（3）翅片的間距、表面平整度對腐蝕速率有影響，而翅片大小對腐蝕速率的影響較小。