風(fēng)電機(jī)組變流器冷卻液防腐性能評(píng)價(jià)方法探究

胡芳 謝露 唐林 鐘玲龍 楊春?jiǎn)?張程鈔

1 哈電風(fēng)能有限公司

2 中公高遠(yuǎn)（北京）汽車檢測(cè)技術(shù)有限公司

目前風(fēng)電行業(yè)對(duì)于冷卻液金屬防腐性能評(píng)價(jià)多參考發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液金屬防腐性能測(cè)試方法，但汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與風(fēng)電機(jī)組變流器的工況、使用環(huán)境有較大差別。本文參考SH/T 0085—91和SH/T 0088—91，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組變流器冷卻系統(tǒng)的實(shí)際工況條件，對(duì)玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)和模擬使用腐蝕試驗(yàn)的試片材質(zhì)和時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)風(fēng)電行業(yè)已有應(yīng)用的3個(gè)品牌冷卻液防腐性能進(jìn)行了檢測(cè)并評(píng)價(jià)。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，推薦了適用于風(fēng)電機(jī)組變流器冷卻液的玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)和模擬使用腐蝕試驗(yàn)試片的質(zhì)量變化限值指標(biāo)。

冷卻液是風(fēng)電機(jī)組變流器冷卻系統(tǒng)的唯一傳熱介質(zhì)，其流經(jīng)變流器、外部換熱器等重要部件，具有冷卻、防腐、防垢以及防凍等作用[1]。冷卻液由水、防凍劑和各種添加劑組成[2]，盡管添加的緩蝕劑會(huì)對(duì)與冷卻液接觸的金屬材質(zhì)起到防腐作用，但不同品牌冷卻液對(duì)接液金屬材質(zhì)的防腐性能卻各不相同。近年來頻發(fā)風(fēng)電機(jī)組變流器內(nèi)部散熱模塊漏液或外部換熱器芯體漏液，其原因多數(shù)與冷卻液防腐性能相關(guān)。目前應(yīng)用于風(fēng)電行業(yè)的冷卻液品類繁多，各個(gè)品牌冷卻液對(duì)風(fēng)電機(jī)組變流器冷卻系統(tǒng)接液材質(zhì)的防腐性能是值得研究的問題。

冷卻液金屬防腐評(píng)定有多種方法[3]，依據(jù)汽車行業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)（SH/T 0085—91《發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液腐蝕測(cè)定法（玻璃器皿法）》）和模擬使用腐蝕試驗(yàn)（SH/T 0088—91《發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液模擬使用腐蝕測(cè)定法》）是最常用的兩個(gè)評(píng)價(jià)方法。玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室控制條件下測(cè)定冷卻液對(duì)典型金屬試片的靜態(tài)防腐蝕方法，是判定冷卻液防腐性能的基本試驗(yàn)方法。模擬使用腐蝕試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室模擬動(dòng)態(tài)條件下，評(píng)定冷卻液在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)過程中對(duì)金屬試片和冷卻系統(tǒng)各部件的影響，是接近于風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行工況的試驗(yàn)項(xiàng)目。這兩個(gè)試驗(yàn)是驗(yàn)證冷卻液防腐性能的重要試驗(yàn)。目前，風(fēng)電行業(yè)缺少權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定冷卻液在玻璃器皿腐蝕和模擬使用腐蝕中金屬試片質(zhì)量變化限值。風(fēng)電整機(jī)廠商對(duì)冷卻液金屬防腐性能的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指標(biāo)多參考GB 29743—2013《機(jī)動(dòng)車?yán)鋮s液》，但該標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求是否適用于風(fēng)電行業(yè)值得探討。

本文結(jié)合風(fēng)電機(jī)組變流器冷卻系統(tǒng)的實(shí)際工況條件，參考SH/T 0085—91和SH/T 0088—91設(shè) 置了玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)和模擬使用腐蝕試驗(yàn)的試驗(yàn)條件，對(duì)風(fēng)電行業(yè)已有應(yīng)用的3種冷卻液進(jìn)行了防腐性能評(píng)價(jià)，為風(fēng)電機(jī)組變流器冷卻液防腐性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的制定提供參考。

試驗(yàn)部分

試驗(yàn)樣品

選擇3種在風(fēng)電行業(yè)有應(yīng)用的冷卻液品牌。其中，品牌1和品牌2冷卻液在風(fēng)場(chǎng)使用多年，未反饋過腐蝕問題；品牌3所用冷卻液機(jī)組曾出現(xiàn)過外散腐蝕漏液情況。3種品牌冷卻液冰點(diǎn)均不高于-40 ℃。

試驗(yàn)設(shè)備

玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)和模擬使用腐蝕試驗(yàn)分別采用SH/T 0085—91和SH/T 0088—91方法規(guī)定的試驗(yàn)設(shè)備。試片尺寸為50.0 mm×25.0 mm×2.0 mm，中心有一個(gè)直徑為7.0 mm的通孔。各金屬的排列順序?yàn)辄S銅、304不銹鋼、316L 不銹鋼、Q235碳鋼、3003鋁合金、5052鋁合金、6063鋁合金和4104鋁合金。其中黃銅墊圈用于間隔銅和鋼類試片，鋼墊圈用于間隔鋁類試片。黃銅支架與試片之間采用絕緣墊圈。兩種試驗(yàn)中試片束的組裝情況如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)試片束組裝情況示意

試驗(yàn)概要

將變流器冷卻系統(tǒng)使用的8種典型金屬加工成試驗(yàn)試片，打磨干凈清洗后進(jìn)行稱重，然后組裝成試片束。

玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)的具體操作要求：將試件放置在750 mL試驗(yàn)杯中、倒入冷卻液試驗(yàn)樣品，設(shè)置空氣流量為100 mL/min±10 mL/min，在88℃±2 ℃下試驗(yàn)672 h±2 h，試驗(yàn)結(jié)束后取出試片，經(jīng)清凈處理后再次稱重，以校正后的試片試驗(yàn)前后質(zhì)量變化值和試片外觀表面狀態(tài)來評(píng)價(jià)腐蝕狀況。

模擬使用腐蝕的具體操作要求：在由貯存器、水泵、散熱器及橡膠管組成的封閉系統(tǒng)中進(jìn)行，在88 ℃±3 ℃和1.3 L/s流量條件下循環(huán)1 064 h，其防腐性能由貯存器內(nèi)裝有的金屬試片束的質(zhì)量變化和目測(cè)試片表面的狀態(tài)而確定。

為了保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，兩種試驗(yàn)均采用3組平行試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件

試片材質(zhì)選擇

按 照SH/T 0085—91及SH/T 0088—91的規(guī)定，6種典型的冷卻液玻璃器皿腐蝕用金屬試片為鋼試片、黃銅試片、銅試片、鑄鐵試片、焊錫試片、鑄鋁試片，涵蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主要材質(zhì)。風(fēng)電行業(yè)水冷系統(tǒng)流經(jīng)變流器、外部板翅式換熱器、不銹鋼管路和泵等重要部件。其中變流器冷板一般采用6063鋁合金，板翅式換熱器接液材質(zhì)包含翅片材質(zhì)3003鋁合金、隔板材質(zhì)4104鋁合金、封頭材質(zhì)5052鋁合金3種，泵和管路接液材質(zhì)為316L不銹鋼和304不銹鋼，傳感器接液材質(zhì)會(huì)含有少量銅，若膨脹罐發(fā)生破損后冷卻液也會(huì)與膨脹罐壁面的碳鋼材質(zhì)發(fā)生接觸，接液材質(zhì)為碳鋼。為了全面考慮風(fēng)電機(jī)組水冷系統(tǒng)中冷卻液可能出現(xiàn)的接液情況，玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)采用的試驗(yàn)材質(zhì)為風(fēng)電機(jī)組變流器水冷系統(tǒng)常用材質(zhì)，在本文中玻璃器皿和模擬使用腐蝕實(shí)驗(yàn)其包含的試驗(yàn)材質(zhì)為銅、316L不銹鋼、304不銹鋼、Q235碳鋼、3003鋁合金、4104鋁合金、5052鋁合金、6063鋁合金共8種材質(zhì)。

試驗(yàn)溫度

SH/T 0085—91規(guī)定高沸點(diǎn)冷卻液和防銹劑的試驗(yàn)溫度是88 ℃±2 ℃，SH/T 0088—91規(guī)定的試驗(yàn)溫度為88 ℃±3 ℃，實(shí)際上風(fēng)電機(jī)組變流器冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行溫度達(dá)不到88 ℃。但考慮到該試驗(yàn)本身為加速試驗(yàn)，因此在本文所述的玻璃器皿和模擬腐蝕試驗(yàn)過程中仍采用方法規(guī)定的溫度作為試驗(yàn)溫度。

試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)

根據(jù)SH/T 0085—91，其試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為336 h±2 h，它是模擬靜態(tài)冷卻液對(duì)冷卻系統(tǒng)金屬件的防腐情況。與汽車行業(yè)不同，風(fēng)電行業(yè)風(fēng)場(chǎng)滿發(fā)小時(shí)數(shù)大部分在2 000 h以上，且冷卻系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，即使機(jī)組不運(yùn)行也不存在排液和換液等操作。風(fēng)電機(jī)組變流器冷卻液存在于風(fēng)電機(jī)組整個(gè)服役周期中，相較于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)。因此，針對(duì)風(fēng)電行業(yè)冷卻液的玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)其時(shí)長(zhǎng)應(yīng)延長(zhǎng)。本文所述的玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)中采用672 h±2 h的試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，而模擬使用腐蝕試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)沿用SH/T 0088—91標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時(shí)長(zhǎng)，為1 064 h。

結(jié)果及討論

玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)

3種冷卻液樣品的玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見表1，試驗(yàn)后試片外觀如圖2所示。

圖2 各品牌冷卻液玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)前后試片外觀

由表1可以看出，經(jīng)玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)后，8種金屬片在3種冷卻液中其質(zhì)量變化均在±2 mg/片以內(nèi)。對(duì)比參考GB 29743—2013標(biāo)準(zhǔn)，其對(duì)鑄鋁金屬試片的質(zhì)量變化指標(biāo)限值在±30 mg/片，鋼和銅金屬試片的質(zhì)量變化指標(biāo)限值在±10 mg/片，該限值用于風(fēng)電行業(yè)則過于寬泛。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組變流器用冷卻液，將玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)試片的質(zhì)量變化限值設(shè)定在±5 mg/片較為合適。從外觀上看，8種試片在品牌1冷卻液中表面均形成了保護(hù)膜，試片外觀有明顯的變色。鋁質(zhì)試片在品牌2和品牌3冷卻液中表面形成了黑色保護(hù)膜。各品牌冷卻液試片外觀無明顯腐蝕現(xiàn)象。

表1 玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

模擬使用腐蝕試驗(yàn)

3種冷卻液樣品的模擬使用腐蝕試驗(yàn)結(jié)果見表2，試驗(yàn)后試片外觀如圖3所示。

圖3 各品牌冷卻液模擬使用腐蝕試驗(yàn)前后試片外觀

由表2可以看出，經(jīng)過模擬使用腐蝕試驗(yàn)，4104鋁合金在品牌1冷卻液中失重多達(dá) 24 mg/片，8種金屬組件在品牌2冷卻液中失重均低于10 mg/片，3003、5052、6063和4104鋁合金試件在品牌3冷卻液中失重最多。綜合來看，品牌2冷卻液對(duì)8種金屬的防護(hù)效果最好，品牌3對(duì)鋁合金防護(hù)效果最差。

從試片外觀上看，經(jīng)過模擬使用腐蝕試驗(yàn)，6063和5052在品牌1冷卻液中試片外觀明顯觀察到有白點(diǎn)和腐蝕點(diǎn)坑，銅試片外觀有明顯銹跡，結(jié)合表2中銅試片在冷卻液1中失重達(dá)10 mg/片，為3種冷卻液失重最嚴(yán)重的。8種金屬試片在品牌2冷卻液試驗(yàn)中僅 6063金屬外觀上有少許白點(diǎn)，其余試片外觀無明顯變化。3003、5052和6063在品牌3冷卻液中試片表面有明顯的材料脫落，Q235碳鋼試片表面能觀察到黃色銹跡。綜合8種金屬試片在3種冷卻液中的質(zhì)量變化數(shù)據(jù)和試片外觀來看，品牌1冷卻液對(duì)于黃銅和4104鋁合金的防腐性能有待提高。品牌2冷卻液對(duì)于8種金屬的防護(hù)性能最優(yōu)。品牌3冷卻液對(duì)鋁合金的防護(hù)性能最差。風(fēng)電機(jī)組中變流器冷板、內(nèi)部散熱模塊以及水冷系統(tǒng)外部換熱器等均采用鋁質(zhì)板翅式換熱器，不適宜長(zhǎng)期使用品牌3冷卻液。根據(jù)此次模擬使用腐蝕試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于各金屬試片的質(zhì)量變化限值控制在±20 mg/片以內(nèi)，更能甄選出防腐性能佳的冷卻液品牌。

表2 模擬使用腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)和模擬使用腐蝕試驗(yàn)結(jié)果也可以看出，僅采用玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)作為冷卻液防腐性能的驗(yàn)證試驗(yàn)，無法全面地評(píng)價(jià)冷卻液的防腐性能，應(yīng)結(jié)合模擬使用腐蝕試驗(yàn)共同驗(yàn)證。

結(jié)論及展望

對(duì)風(fēng)電行業(yè)已有應(yīng)用的3種品牌冷卻液進(jìn)行了玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)和模擬使用腐蝕試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

☆品牌1冷卻液對(duì)于風(fēng)電行業(yè)變流器水冷系統(tǒng)中8種金屬中銅和4104鋁合金的防腐性能有待提高。品牌2冷卻液對(duì)8種金屬的防腐性能表現(xiàn)最佳。品牌3冷卻液對(duì)鋁合金的防腐性能最差，用于風(fēng)電機(jī)組變流器水冷系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)較大。

☆不同品牌冷卻液在模擬使用腐蝕試驗(yàn)中的性能區(qū)分較為明顯，將模擬使用腐蝕試驗(yàn)與玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)結(jié)合，可以更全面地評(píng)價(jià)冷卻液的防腐性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，推薦將玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)周期延長(zhǎng)至672 h±2 h，將玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)、模擬使用腐蝕試驗(yàn)的試片質(zhì)量變化限值分別設(shè)定在±5 mg/片和±20 mg/片。

玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)和模擬使用腐蝕試驗(yàn)可以一定程度上反映冷卻液對(duì)于風(fēng)電機(jī)組變流器冷卻系統(tǒng)常用金屬材質(zhì)的防腐情況，但試驗(yàn)條件和風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況仍有差別。因此，對(duì)冷卻液在風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)運(yùn)行的實(shí)際情況進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)也是保障冷卻液長(zhǎng)效使用的重要舉措。此外，風(fēng)電行業(yè)有必要通過更多的試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，確定冷卻液玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)和模擬使用腐蝕試驗(yàn)試片的質(zhì)量變化限值指標(biāo)，以更好地甄選出長(zhǎng)效和高性價(jià)比冷卻液。