張軒1，馮超，閻瀚章3，謝承利1，李思寧1，萬忠民3，喬瑜

(1.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；2.華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點實驗室，武漢 430074；3.湖南理工學(xué)院，湖南 岳陽 414006)

射頻設(shè)備、尤其是大功率射頻設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生大量的熱，這些熱量如果得不到有效疏導(dǎo)會導(dǎo)致電路板的熱量聚集，造成設(shè)備損傷，影響使用壽命。因此，冷卻系統(tǒng)是射頻設(shè)備正常使用的重要保障。乙二醇水基型防凍液沸點高、冰點低、粘度適中并且隨溫度變化小、熱穩(wěn)定性好，是國內(nèi)外較為通用的防凍型冷卻液，廣泛應(yīng)用于各型液冷式冷卻系統(tǒng)[1]。

然而，由于乙二醇長期運行或儲存過程會被氧化，生成酸性乙二醇衍生物如乙二酸、乙醛酸、乙醇酸等，會對金屬材料制成的冷卻系統(tǒng)造成腐蝕破壞，影響系統(tǒng)安全[2]。此外，乙二醇型發(fā)動機(jī)冷卻液在使用過程中容易產(chǎn)生泡沫，氣泡在潰滅過程中產(chǎn)生的微射流或沖擊波會對機(jī)件產(chǎn)生穴蝕損傷[3]。因此，乙二醇型防凍液應(yīng)用于艦船射頻冷卻系統(tǒng)需要考慮到艦船作業(yè)的高強(qiáng)度、長周期特性以及高可靠性要求，特別是射頻冷卻管網(wǎng)長期運行條件下管網(wǎng)材料對乙二醇溶液的耐腐蝕特性。

1 實驗

1.1 實驗系統(tǒng)

為了研究艦船射頻冷卻管網(wǎng)對乙二醇冷卻液的耐腐蝕特性，參考實船系統(tǒng)(管路及連接件、閥件、泵殼及葉輪、傳感器等)相同的材質(zhì)和主要構(gòu)件，搭建一套小型射頻冷卻管網(wǎng)系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，以開展長時段運行模擬實驗。

圖1 腐蝕實驗平臺結(jié)構(gòu)示意

管網(wǎng)共設(shè)置3條試驗支路，泵、截止閥、溫度計、分液器、集液器與流量調(diào)節(jié)部件布置在主流路上。實驗管路共4根，其中3根分別作2、4、6個月的加速試驗，1根做6個月的常規(guī)流速試驗。常規(guī)流速試驗流速參考實船主管流速2.1 m/s，加速試驗流速為4.2 m/s。

實驗使用的乙二醇冷卻液為65#航空防凍冷卻液，其詳細(xì)特性參數(shù)見表1。

表1 65#乙二醇冷卻液(含蒸餾水)特性參數(shù)

1.2 測試內(nèi)容及方法

1.2.1 腐蝕速率測試

管網(wǎng)長時運行過程，由于冷卻液不斷沖刷管路內(nèi)表面，同時在化學(xué)腐蝕的共同作用下，沖刷部位會出現(xiàn)減薄造成的樣品腐蝕失重，通過測量該失重情況進(jìn)一步分析計算出系統(tǒng)的腐蝕速率。腐蝕速率計算公式如下。

(1)

式中：VL為腐蝕速率，mm/a；m1為腐蝕前金屬質(zhì)量；m2為腐蝕后金屬質(zhì)量；ρ為金屬密度(按8.0 g/cm3)；T為腐蝕時間；S為腐蝕金屬面積(試驗取長100 mm、內(nèi)徑20 mm的管)。

1.2.2 腐蝕形貌觀測

實驗結(jié)束后將測試管段做成切片，觀察并采用掃描電子顯微鏡(SEM)對切片樣品表面進(jìn)行形貌觀測，對比分析系統(tǒng)運行前后測試管段表面的形貌變化，得出腐蝕情況(腐蝕類型、腐蝕坑數(shù)、坑深情況)，詳細(xì)描述腐蝕的部位、腐蝕產(chǎn)物的分布(是否均勻)、厚度、顏色、結(jié)構(gòu)(分層狀、粉狀或多孔)、緊密度(松散、緊密、堅硬)等。

1.2.3 腐蝕產(chǎn)物特性檢測

腐蝕的發(fā)生伴隨著腐蝕產(chǎn)物生成。通過分析腐蝕產(chǎn)物，即可查找腐蝕的原因，評估系統(tǒng)的耐腐蝕性能。腐蝕產(chǎn)物包括溶液部分和沉淀部分。Fe、Cr、Ni是316L不銹鋼中含量排名前三位的化學(xué)元素，所以，通過檢測溶液中Fe、Cr、Ni元素的含量即可反應(yīng)化學(xué)腐蝕的情況。管網(wǎng)長時間運行結(jié)束后，使用孔徑5 μm濾膜將冷卻液樣本進(jìn)行過濾，取一定量的過濾后的冷卻液作為檢測樣品，通過電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICPMS)對Fe、Cr、Ni元素成分濃度進(jìn)行定量分析。濾膜烘干后，用清潔度檢測系統(tǒng)(JOMESA HFD)分析濾膜上的顆粒物，測量粒徑≥40 μm和≥80 μm的顆粒物含量，即腐蝕沉淀產(chǎn)物含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐蝕速率測試

各測試管段結(jié)束不同時間運行后的腐蝕速率測試結(jié)果見表2。

表2 腐蝕速率試驗記錄

從表2發(fā)現(xiàn)：①乙二醇冷卻液對以不銹鋼為主體材料的冷卻管網(wǎng)的腐蝕速率大約為0.001～0.002 5 mm/a，對比表3中的標(biāo)準(zhǔn)[4]，判斷管網(wǎng)材料相對于乙二醇冷卻液為“很耐腐蝕材料”級別，具備相對較好的系統(tǒng)抗腐蝕安全性能。②當(dāng)冷卻液流量為4.75 m3/h時，隨著系統(tǒng)運行時長由2個月提升至6個月，平均腐蝕速率由0.002 5 mm/a下降至0.001 2 mm/a，表明隨著系統(tǒng)運行時間的延長，腐蝕強(qiáng)度開始減緩；并且，運行時長4個月的平均腐蝕速率比運行時長為2個月的降低了35.7%，而運行時長6個月的平均腐蝕速率比運行時長為4個月的降低了23.4%，表明隨著運行時間變的更長，腐蝕速率下降的同時，下降幅度逐漸變小。③通過對比1號和4號測試管件可知，當(dāng)冷卻液流速提升后，管件的腐蝕程度加強(qiáng)，平均腐蝕速率提升，然而平均腐蝕速率提升幅度為19.2%，遠(yuǎn)小于冷卻液流速的提升幅度(200%)，表明乙二醇冷卻液流速的提升會對不銹鋼管的腐蝕程度產(chǎn)生有限的提升。

以上實驗結(jié)果說明，乙二醇冷卻液會對管網(wǎng)造成極為有限的輕微腐蝕，且腐蝕作用隨著系統(tǒng)運行時長的增加而減弱。

表3 金屬腐蝕速率評級標(biāo)準(zhǔn)

2.2 腐蝕形貌觀測

冷卻系統(tǒng)經(jīng)過不同時長和流速的運行，實驗前后管內(nèi)壁切片并無肉眼可見的腐蝕痕跡。值得注意的是，在系統(tǒng)管段焊接處可以觀察到較為顯著的腐蝕跡象：表面出現(xiàn)紅褐色粗糙形態(tài)，且紅褐色位置緊密、堅硬。

不同條件下管壁的SEM形貌見圖2。圖2a)顯示，管壁與冷卻液接觸前的SEM形貌，為溝壑和凸起分布較為均勻的粗糙表面。經(jīng)過系統(tǒng)不同時長、不同流速的運行，圖2b)、c)、d)、e)顯示出冷卻液沖刷后管壁的形貌與圖2a)并無顯著變化，即無明顯腐蝕的物理痕跡顯現(xiàn)。以上進(jìn)一步說明乙二醇冷卻液對實驗管網(wǎng)不銹鋼材料有較好的防腐蝕效果。

圖2 實驗前后管壁腐蝕SEM形貌觀測結(jié)果

2.3 腐蝕產(chǎn)物特性檢測

冷卻液原溶液和經(jīng)過不同時長運行后的冷卻液透明度對比見圖3。

圖3 原溶液和各實驗周期溶液透明度對比

結(jié)果表明原溶液和各試驗周期溶液目測觀察皆為均勻橙黃色略帶微渾濁的透明液體，無明顯腐蝕變質(zhì)情況。

實驗前后冷卻液中3種金屬離子的濃度隨實驗時間的變化見圖4。

圖4 實驗運行前后冷卻液中Fe、Ni、Cr離子濃度

結(jié)果表明隨著系統(tǒng)運行時間的提升，冷卻液中的Fe離子濃度顯著提升，從56.02 μg/kg提升至225.82 μg/kg，6個月提升4倍；其次是Ni，從12.98 μg/kg提升至40.51 μg/kg，6個月提升3倍；Cr有較為微弱的提升，提升幅度為46.8%。冷卻液離子濃度檢測進(jìn)一步驗證了冷卻液在運行過程中對管網(wǎng)系統(tǒng)的化學(xué)腐蝕，其中化學(xué)過程以Fe元素遷移為主。含有羥基的乙二醇易氧化產(chǎn)生酸性衍生物，加速管網(wǎng)中Fe元素向乙二醇溶液中遷移；當(dāng)溶液蒸發(fā)后，F(xiàn)e離子析出形成氧化物，這也解釋了焊接管段較為明顯的紅褐色腐蝕痕跡(氧化鐵銹蝕顏色)。

實驗開展前后冷卻液中顆粒物含量隨實驗時間的變化見圖5。

圖5 冷卻液中國顆粒物含量隨時間變化趨勢

主要對≥40 μm和≥80 μm兩個粒徑段微粒進(jìn)行分析對比。從圖5可知系統(tǒng)運行后冷卻液中懸浮的顆粒物數(shù)量顯著增多：系統(tǒng)運行2個月后，≥40 μm顆粒從剛開始的6.9個/100 mL提升到30.8個，提升了近5倍；而≥80 μm顆粒從6.2個提升至12.3個，提升了近2倍。然而，隨著冷卻系統(tǒng)的繼續(xù)運行，冷卻液中懸浮的顆粒數(shù)量并沒有繼續(xù)提升，反而呈下降趨勢：系統(tǒng)運行6個月后，≥40 μm顆粒下降至26.0個/100 mL，≥80 μm顆粒下降至7.0個/100 mL。以上表明，在實驗初期，腐蝕實驗平臺系統(tǒng)內(nèi)部由于冷卻液不斷沖刷，在與化學(xué)腐蝕共同作用下，表面有一些顆粒物脫落，但是隨著實驗的進(jìn)行，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1)經(jīng)過了6個月雙倍流速下的沖刷，乙二醇冷卻液僅對管壁造成有限的肉眼不可查的輕微腐蝕，腐蝕情況體現(xiàn)在實驗前后管段重量的減少、冷卻液中Fe、Ni等管網(wǎng)材料典型元素離子濃度的顯著提升以及懸浮顆粒數(shù)量的提升。

2)乙二醇冷卻液對以不銹鋼為主體材料的冷卻管網(wǎng)的腐蝕主要作用在系統(tǒng)運行初期(前2個月內(nèi))；腐蝕速率約為0.001 0—0.002 5 mm/a。

3)冷卻液中離子濃度變化和懸浮顆粒變化情況表明冷卻液對管網(wǎng)的腐蝕主要作用可能包括化學(xué)腐蝕和物理沖刷。

總體而言，以不銹鋼為主體的艦船射頻冷卻管網(wǎng)系統(tǒng)對65#冷卻液具有較好的抗腐蝕性能。