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        動(dòng)車(chē)組用牽引變壓器散熱器壽命的研究

        2023-10-07 07:45:32蘭日輝李大偉王惟丹劉豆
        中國(guó)設(shè)備工程 2023年18期
        關(guān)鍵詞:板翅式芯體油腔

        蘭日輝,李大偉,王惟丹,劉豆

        (大同ABB 牽引變壓器有限公司,山西 大同 037000)

        牽引變壓器是用來(lái)把接觸網(wǎng)標(biāo)稱(chēng)25kV 高壓電轉(zhuǎn)換為牽引系統(tǒng)所需的低電壓,其在額定運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)載損耗,從而會(huì)產(chǎn)生熱量。冷卻單元的功能是把變壓器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到外部空間的裝置,它通過(guò)冷卻風(fēng)機(jī)提供必需的氣流來(lái)冷卻循環(huán)油,保證牽引變壓器在合適的溫度下工作。因此,冷卻單元是機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備安全、可靠、高效運(yùn)行的重要保障。

        圖1 國(guó)內(nèi)某動(dòng)車(chē)組牽引變壓器冷卻系統(tǒng)

        基于國(guó)內(nèi)動(dòng)車(chē)組檢修周期延長(zhǎng)的背景下,即五級(jí)修由原480 萬(wàn)km 或12 年延長(zhǎng)至660 萬(wàn)km 或15 年。散熱器作為冷卻單元的關(guān)鍵部件,目前也是動(dòng)車(chē)組五級(jí)修的必?fù)Q件,隨著國(guó)內(nèi)動(dòng)車(chē)組大批量投入運(yùn)用,提高其使用壽命已經(jīng)成為各方共同關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。而影響散熱器壽命最突出的故障為滲漏油,滲漏油不僅會(huì)污染環(huán)境,而且還會(huì)影響牽引變壓器的安全運(yùn)行。

        1 散熱器組成結(jié)構(gòu)

        散熱器按照型式分類(lèi)主要板翅式、管翅式和板式,管翅式換熱器主要應(yīng)用于空調(diào)等制冷行業(yè)內(nèi),板式換熱器主要應(yīng)用于化工及海上等高鹽霧環(huán)境。由于板式換熱器主要用于兩種液體間的熱交換散熱,不太適用于軌道交通這種空液換熱,而相對(duì)管翅式散熱器而言,板翅式散熱器的傳熱效率更高、體積更加緊湊,因此,從型式上選擇了板翅式。目前,國(guó)內(nèi)機(jī)車(chē)和動(dòng)車(chē)組上變壓器用散熱器一直采用板翅式換熱芯體結(jié)構(gòu),主要由隔板、翅片、封條和導(dǎo)流片等零件堆疊釬焊而成,具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、適應(yīng)性強(qiáng)和可靠性高等特點(diǎn)。

        圖2 板翅式散熱器結(jié)構(gòu)示意

        板翅式散熱器內(nèi)油通道主要由進(jìn)油腔、散熱器芯體(分上部和下部2 個(gè)油通道)、散熱器后端油腔、散熱器出油腔等構(gòu)成,散熱器前端油腔中間設(shè)置了進(jìn)出油腔隔板,將進(jìn)油腔和出油腔分隔成2 個(gè)腔室,從變壓器箱體出來(lái)的高溫油,通過(guò)進(jìn)油口、芯體、油室、芯體、出油口,完成變壓器油的熱交換。考慮到加工成本和制造效率,翅片由磨具沖制而成(沖壓),材質(zhì)為3 系和5系鋁合金,并在其外表面增加涂層提高其耐腐蝕能力,涂層的應(yīng)用和選型主要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)確定。目前,動(dòng)車(chē)組散熱器均采用的是較成熟的電泳處理,電泳的膜厚結(jié)合實(shí)際工藝要求、不能堵塞芯體翅片的前提和不影響散熱性能的原則,膜厚一般確定在15 ~40μm。

        2 散熱器故障模式

        2.1 機(jī)械損傷

        (1)翅片倒伏。除外觀質(zhì)量問(wèn)題外,翅片倒伏會(huì)引起散熱器風(fēng)阻增加,影響散熱性能。

        (2)磕碰變形。除外觀質(zhì)量問(wèn)題外,可能會(huì)引起散熱器局部滲油或影響安裝接口尺寸。

        2.2 散熱性能下降

        (1)空氣通道堵塞。翅片表面附著大量臟污,風(fēng)阻增大,導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低。

        (2)變壓器油滲漏。輕微的滲油不會(huì)引起散熱性能下降,當(dāng)滲油嚴(yán)重時(shí),會(huì)導(dǎo)致變壓器主油箱油位降低,不能及時(shí)帶走繞組產(chǎn)生的熱量,導(dǎo)致變壓器高溫報(bào)警或燒損。

        (3)電泳涂層太厚。太厚的電泳涂層會(huì)影響翅片的熱交換效率,導(dǎo)致散熱性能下降。

        3 壽命限制因素

        散熱器框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度較好,產(chǎn)品焊接滿(mǎn)足工藝要求的情況下強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿(mǎn)足全壽命周期,散熱器失效因素主要為腐蝕滲漏。

        3.1 腐蝕滲漏原因

        腐蝕滲漏包括內(nèi)因和外因兩部分:內(nèi)因主要包括散熱器表面防腐層工藝質(zhì)量、散熱器隔板耐腐蝕程度和散熱器隔板厚度三方面因素。外因主要包括日常運(yùn)用維護(hù)方法、運(yùn)行路線環(huán)境兩方面因素。內(nèi)因和外因共同影響個(gè)體散熱器的使用壽命。通過(guò)調(diào)研,相同散熱器在不同線路運(yùn)用后散熱器檢修時(shí)滲漏率有很大差別,不同防腐工藝的散熱器在相同運(yùn)用環(huán)境下使用壽命差異較大。除上述影響因素外,引起散熱器滲漏的其他因素是清洗散熱器時(shí)操作不規(guī)范,清洗后未按規(guī)定用壓縮空氣吹干散熱器表面,清洗液較長(zhǎng)時(shí)間附著在散熱器表面,同樣導(dǎo)致隔板上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。其中基材(尤其是原子態(tài)Al)、環(huán)境(大氣,或純粹的自然環(huán)境如露水或雨水,或人造環(huán)境如清洗液殘留,或者是兩者或三者的交叉)中的O2和H2O,是腐蝕反應(yīng)的重要原料。三水鋁石則是腐蝕反應(yīng)的主要產(chǎn)物。主要腐蝕過(guò)程涉及電極反應(yīng)如下:

        陽(yáng)極反應(yīng)(鋁的陽(yáng)極溶解):Al=Al3++3e-

        陰極反應(yīng)(耗氧反應(yīng)):2H2O+O2+4e-=4OH-

        陰、陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生近距離遷移,當(dāng)[Al3+]、[OH-]離子濃度積達(dá)到Al(OH)3的溶度積時(shí),發(fā)生以下沉淀反應(yīng),生成腐蝕產(chǎn)物。

        總反應(yīng)如下:

        3.2 腐蝕速度影響因素

        (1)成分。散熱器芯體材料中化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)等不均勻,導(dǎo)致電化學(xué)性能不均,是腐蝕失效的最根本原因。之所以產(chǎn)生材料中化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)不均勻現(xiàn)象,是因?yàn)椴牧瞎逃刑匦裕ɑ瘜W(xué)成分不均、熱處理工藝等)、散熱器芯體經(jīng)過(guò)特殊的焊接制造過(guò)程,焊接接頭組織中存在O、Si、Fe 等元素富集現(xiàn)象。組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分不均帶來(lái)的直接后果是:一旦材料表面產(chǎn)生液膜,則形成大量腐蝕微電池,為濕腐蝕的誘發(fā)創(chuàng)造最有利的條件。

        (2)結(jié)構(gòu)。板翅式芯體的翅片凹槽結(jié)構(gòu),易吸附液體(因凝露、雨淋或清洗后干燥不徹底而在翅片凹槽結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生積液的情況),為液膜甚至“微型水池”的形成創(chuàng)造了條件,成為電化學(xué)腐蝕誘導(dǎo)、發(fā)展的溫床。

        (3)涂層。散熱器隔板涂層分布不均,由于涂層的高電阻特性,能夠阻礙電子的傳導(dǎo),因此,能夠有效阻斷腐蝕發(fā)生的傳質(zhì)通道。此外,涂層的物理屏蔽作用也能有效避免侵蝕性介質(zhì)和基體材料直接接觸。相比之下,非涂層區(qū)缺乏涂層的保護(hù),裸露的基材更容易遭受環(huán)境介質(zhì)的侵蝕。另一方面,非涂層區(qū)與涂層區(qū)還會(huì)形成電化學(xué)上的陰極保護(hù)效應(yīng),進(jìn)一步加速非涂層區(qū)的腐蝕。

        (4)維護(hù)。在服役期間,散熱器需要維護(hù)清洗,其中水洗、干燥是重要環(huán)節(jié)。清洗用水的水質(zhì)控制不到位,干燥不充分,特別是大量高導(dǎo)電率用水的殘留,極易誘發(fā)電化學(xué)腐蝕。

        (5)環(huán)境。散熱器的腐蝕與列車(chē)的運(yùn)行環(huán)境、列車(chē)設(shè)備艙的密封性有至關(guān)重要的關(guān)系,列車(chē)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行于高風(fēng)沙、濕度較高的環(huán)境下,容易對(duì)散熱器翅片表面鍍層造成磨損,且濕度較高的環(huán)境下運(yùn)行,更容易在散熱器空氣通道內(nèi)部造成堵塞并形成電解質(zhì),加速散熱器的腐蝕。

        (6)業(yè)內(nèi)廠家實(shí)力。既有主流車(chē)型供應(yīng)商主要包括中車(chē)大連所、時(shí)代金屬、天津馬勒和無(wú)錫金鑫,配裝變流器冷卻單元和變壓器冷卻單元散熱器覆蓋車(chē)型包括CRH1、CRH2、CRH380D、CRH380 平臺(tái)動(dòng)車(chē)組、CRH5 及復(fù)興號(hào)平臺(tái)動(dòng)車(chē)組,采用的散熱器防腐蝕方案按照時(shí)間先后順序?yàn)楸砻驸g化、單涂層、雙涂層和電泳處理。根據(jù)研究,鈍化涂層散熱器使用壽命為6 年,雙涂層散熱器使用壽命為8 年,新型電泳涂層使用壽命為12 年。

        (7)進(jìn)風(fēng)方式。冷卻單元進(jìn)風(fēng)方式主要分為水平進(jìn)風(fēng)和垂直進(jìn)風(fēng)兩種方式,一般來(lái)講,在其他因素相同的情況下,垂直進(jìn)風(fēng)方式更加有利于雜質(zhì)和水的排出,不易造成雜質(zhì)和水的長(zhǎng)時(shí)間積累。但是,具體進(jìn)風(fēng)方式除了考慮壽命影響因素外,還要考慮車(chē)體布局等特殊結(jié)構(gòu)要求。

        (8)介質(zhì)溫度。散熱器介質(zhì)溫度對(duì)散熱器壽命同樣存在影響,比如,頻繁的高低溫交替會(huì)導(dǎo)致散熱器涂層加速老化。在同樣的鹽霧環(huán)境下,環(huán)境溫度越高,涂層老化速率越快。但目前還未查到介質(zhì)溫度與腐蝕老化速率的定量對(duì)比相關(guān)資料。

        4 延長(zhǎng)散熱器使用壽命措施

        4.1 涂層增加二次電泳

        為了提高散熱器的耐腐蝕能力,在對(duì)散熱器電泳程序時(shí),分兩段進(jìn)行施加電壓。具體如下:第一次電泳程序分三段進(jìn)行施加電壓,第一段電壓200V,時(shí)間2 分鐘,第二段電壓300V,時(shí)間2 分鐘,第三段電壓360V,時(shí)間10 分鐘,第二次電泳程序?yàn)槭┘?60V 電壓,持續(xù)10分鐘,合計(jì)進(jìn)入電泳槽電泳2 次。具體如下,為第一次電泳程序分三段進(jìn)行施加電壓,第一段電壓200V,時(shí)間2 分鐘,第二段電壓300V,時(shí)間2 分鐘,第三段電壓360V,時(shí)間10 分鐘,第二次電泳程序?yàn)槭┘?60V 電壓,持續(xù)10 分鐘,合計(jì)進(jìn)入電泳槽電泳2 次。

        表1 參數(shù)對(duì)比表

        4.2 驗(yàn)證

        散熱器進(jìn)行二次電泳后進(jìn)行工藝驗(yàn)證及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10125 進(jìn)行1000 小時(shí)酸性鹽霧試驗(yàn),確??煽啃浴?/p>

        5 結(jié)語(yǔ)

        根據(jù)上述分析和調(diào)研,影響散熱器故障的因素較多,動(dòng)車(chē)散熱器運(yùn)行地域、氣候環(huán)境條件、列車(chē)運(yùn)行速度、散熱器的通風(fēng)結(jié)構(gòu)形式和維護(hù)保養(yǎng)等方面的差異,無(wú)法完全通過(guò)仿真計(jì)算量化,需要運(yùn)行數(shù)據(jù)支撐。在實(shí)施新的電泳工藝后,可以提高散熱器的耐腐蝕能力,對(duì)延長(zhǎng)其使用壽命有一定的貢獻(xiàn)。

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