摘 要：基于發(fā)電機(jī)或調(diào)相機(jī)內(nèi)冷卻水的控制工藝，在實(shí)驗(yàn)室搭建了動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，對(duì)內(nèi)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，分貧氧環(huán)境和不控制氧含量兩個(gè)水環(huán)境，結(jié)合電位-pH圖討論了水質(zhì)指標(biāo)對(duì)采信標(biāo)準(zhǔn)的具體要求。結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)除鹽水系統(tǒng)中，溶氧量是引起銅試片腐蝕的重要因素，必須作為首要因素進(jìn)行控制；空氣中CO2的溶入會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)酸化，大幅增加空芯銅導(dǎo)線的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)對(duì)pH調(diào)節(jié)加藥處理裝置進(jìn)行要求。另外，pH值的無限制提高一方面會(huì)帶來Cu的堿性腐蝕，另一方面也會(huì)威脅發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全，因此標(biāo)準(zhǔn)中pH值必須設(shè)定上限值。

關(guān)鍵詞：大型發(fā)電機(jī)，內(nèi)冷卻水，驗(yàn)證試驗(yàn)，腐蝕

0 引 言

發(fā)電機(jī)或調(diào)相機(jī)內(nèi)冷卻水是運(yùn)行在高壓電場中的冷卻介質(zhì)[1]，因此對(duì)其品質(zhì)要求是：傳熱快、不腐蝕、不結(jié)垢、絕緣性好[2-5]。為了促使內(nèi)冷卻水水質(zhì)達(dá)到相應(yīng)的要求，國際上IEC 60034《旋轉(zhuǎn)電機(jī)》系列國際標(biāo)準(zhǔn)中，通常從電機(jī)絕緣角度規(guī)范電導(dǎo)率等水質(zhì)指標(biāo)，并嚴(yán)格區(qū)分了貧氧工況和富氧工況下的具體要求；而國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，諸如GB/T12145-2016《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》、DL/T 1039-2016《發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水處理導(dǎo)則》、DL/T 801-2010《大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求》則大都站在化學(xué)專業(yè)角度，從避免系統(tǒng)腐蝕和結(jié)垢的方面對(duì)內(nèi)冷卻水水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，其具體參數(shù)范圍往往比電機(jī)專業(yè)規(guī)定的更為寬泛[4]。顯然，對(duì)于運(yùn)維人員而言，同一類設(shè)備運(yùn)行面臨著兩套不同的參數(shù)范圍，這必然會(huì)造成內(nèi)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行隨意性強(qiáng)、規(guī)范性差，難以支持發(fā)電機(jī)組乃至調(diào)相機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

本研究基于現(xiàn)場真實(shí)內(nèi)冷卻水工藝，在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬系統(tǒng)，利用試驗(yàn)對(duì)發(fā)電機(jī)銅線棒在不同純水環(huán)境下的理論腐蝕行為進(jìn)行了驗(yàn)證，核實(shí)純水體系中影響銅腐蝕的具體參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場電位-pH圖來分析確保各項(xiàng)參數(shù)的合理性，同時(shí)明確各類影響因素的重要性，以便指導(dǎo)運(yùn)維人員合理采標(biāo)，確保內(nèi)冷卻水系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1 驗(yàn)證試驗(yàn)工藝及步驟

1.1 試驗(yàn)工藝

針對(duì)空心銅導(dǎo)線在高純水中的腐蝕行為，有研究方法采用靜態(tài)測(cè)試，即在實(shí)驗(yàn)室搭建靜態(tài)測(cè)試平臺(tái)，通過觀察銅試片自身變化情況，輔以取樣監(jiān)測(cè)水中銅離子含量來確定銅的腐蝕傾向[6]。然而，內(nèi)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，水流沖刷、水中氧氣和二氧化碳變化均會(huì)給水系統(tǒng)腐蝕傾向帶來重大影響，特別是當(dāng)發(fā)電機(jī)或調(diào)相機(jī)出力發(fā)生變化時(shí)，反映到內(nèi)冷卻水溫度、壓力、流量也會(huì)產(chǎn)生不同程度改變，這進(jìn)一步影響了金屬的腐蝕過程[1]。

鑒于此，搭建動(dòng)態(tài)腐蝕環(huán)境開展相關(guān)試驗(yàn)，相關(guān)裝置包括儲(chǔ)水系統(tǒng)、離子交換器、加堿控制裝置、恒溫循環(huán)裝置、腐蝕試驗(yàn)裝置等。通過水泵提供動(dòng)力，加堿裝置加入NaOH稀溶液來進(jìn)行堿化處理，動(dòng)態(tài)維持一定的pH水環(huán)境。在水泵出口分流部分內(nèi)冷卻水，經(jīng)離子交換樹脂和過濾膜處理后，再輸送至水箱，參與下一循環(huán)。系統(tǒng)圖如圖1所示。

與此同時(shí)，在主循環(huán)回路上串聯(lián)腐蝕試片監(jiān)測(cè)裝置，安裝標(biāo)準(zhǔn)銅腐蝕試片，經(jīng)過8h后，觀察銅試片表面狀態(tài)，測(cè)試主回路水中銅元素的含量。

1.2 試驗(yàn)步驟

基于上述流程，分貧氧和不控制氧兩種工況開展試驗(yàn)。為確保腐蝕指示試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)范性，所采用的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕指示試片銅純度大于99.9%，規(guī)格：長75mm×寬12.5mm×厚2.0mm，符合GB/T5096-2017《石油產(chǎn)品銅片腐蝕試驗(yàn)法》要求。

貧氧環(huán)境下銅試片腐蝕行為具體試驗(yàn)步驟如下。

（1）向儲(chǔ)水箱中注入除鹽水，設(shè)置恒溫裝置目標(biāo)溫度為40℃后，啟動(dòng)循環(huán)泵建立主循環(huán)。

（2）打開氮?dú)馄?，調(diào)整循環(huán)系統(tǒng)為微正壓，采用HD-RY100便攜式微量溶解氧儀接入監(jiān)測(cè)裝置取樣口，測(cè)試循環(huán)管路中溶解氧含量，當(dāng)小于20μg/L后，將腐蝕試片放入腐蝕監(jiān)測(cè)裝置，關(guān)閉旁路閥，開始進(jìn)行銅腐蝕試驗(yàn)。

（3）試驗(yàn)過程中采用AMU Powercon-Swan型在線電導(dǎo)率分析儀測(cè)試水中電導(dǎo)率，采用MIKPH8.0型在線pH表測(cè)試循環(huán)管路pH值，利用加堿裝置調(diào)整pH值，每隔0.2～0.5調(diào)節(jié)一次（整體范圍為6.5～9.0），依靠旁路處理系統(tǒng)，對(duì)水中多余離子進(jìn)行清除，并確保此時(shí)的電導(dǎo)率≤2.0μS/cm。待穩(wěn)定后取水樣，采用ContrAA-700 型原子吸收儀測(cè)試Cu 元素含量。

（4）測(cè)試完所有數(shù)據(jù)后，利用Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并根據(jù)趨勢(shì)繪制模擬曲線。

完成貧氧環(huán)境下的腐蝕測(cè)試后，進(jìn)一步開展不控制氧環(huán)境下的腐蝕測(cè)試，步驟如下。

（1）對(duì)儲(chǔ)水箱全面換水，注入新鮮除鹽水，設(shè)置恒溫裝置目標(biāo)溫度為40℃后，重新啟動(dòng)循環(huán)泵建立主循環(huán)。

（2）關(guān)閉氮?dú)庾⑷肟冢蜷_水箱蓋子，使系統(tǒng)與大氣環(huán)境充分接觸。將新腐蝕試片放入腐蝕監(jiān)測(cè)裝置，關(guān)閉旁路閥，開始進(jìn)行銅腐蝕試驗(yàn)。

（3）試驗(yàn)過程中采用AMU Powercon-Swan型在線電導(dǎo)率分析儀測(cè)試水中電導(dǎo)率，采用MIKPH8.0型在線pH表測(cè)試循環(huán)管路pH值，利用加堿裝置調(diào)整pH值，每隔0.2～0.5調(diào)節(jié)一次（整體范圍為6.5～9.0），并確保此時(shí)的電導(dǎo)率＜5.0μS/cm。待穩(wěn)定后取水樣，采用ContrAA-700 型原子吸收儀測(cè)試Cu 元素含量。

（4）測(cè)試完所有數(shù)據(jù)后，利用Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并根據(jù)趨勢(shì)繪制模擬曲線。

2 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 貧氧環(huán)境下銅試片腐蝕行為試驗(yàn)結(jié)果及分析

在貧氧環(huán)境下，當(dāng)內(nèi)冷卻水的pH值＜9.0時(shí)，水系統(tǒng)電導(dǎo)率基本可低于2.0μS/cm。此時(shí)水中銅含量與純水pH值的關(guān)系圖如圖2所示。

在此環(huán)境下，當(dāng)中性純水體系的氧含量不高時(shí)，銅的腐蝕較輕微，pH值只要大于6.5，水中銅含量可以控制在14μg/L以下，并且隨著pH的提升，水中銅含量亦出現(xiàn)了快速下降。當(dāng)pH提升到8以上后，水中銅含量基本可以維持在很低范圍。

這表明，氧是空芯銅導(dǎo)線在除鹽水中腐蝕的重要引起因素[7]，控制除鹽水中氧在一定含量以下，即可明顯減輕空芯銅導(dǎo)線的腐蝕程度。因此，對(duì)于密閉的內(nèi)冷卻水系統(tǒng)來說，在對(duì)具體運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采標(biāo)時(shí)，應(yīng)首先將溶氧量作為重要因素進(jìn)行考慮，同時(shí)考察擬采納標(biāo)準(zhǔn)中是否對(duì)系統(tǒng)密閉性進(jìn)行了說明，特別應(yīng)關(guān)注防止系統(tǒng)滲漏、隔絕空氣等手段[8]，將密閉系統(tǒng)中的溶解氧含量降至安全范圍，以期維持系統(tǒng)中銅含量在較低的范圍內(nèi)。

2.2 不控制溶解氧環(huán)境下銅試片腐蝕行為試驗(yàn)結(jié)果及分析

在不控制溶解氧含量的條件下，水中銅含量與純水pH值的關(guān)系圖如圖3所示。當(dāng)pH值在6.5左右時(shí)，隨著腐蝕時(shí)間的延長，銅試樣表面顏色逐漸加深，4h后試片表面覆蓋著一層紫黑色的氧化膜，并且水中銅含量也較高。這說明，對(duì)于非密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)冷卻水運(yùn)行過程受空氣中CO2溶入的影響，水質(zhì)易于酸化，pH值會(huì)顯著降低，增加空芯銅導(dǎo)線的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[9，10]。

逐步提升pH，當(dāng)超過8.0，并且通過離子交換罐處理使得水質(zhì)穩(wěn)定后，水中銅元素含量有了較大變化，基本降低至貧氧環(huán)境下的含量，表明此時(shí)銅試片腐蝕受到了一定程度的抑制。

在Cu-H2O體系的平衡計(jì)算中，目前將水中Cu離子濃度取10-6.2mol /L作為劃分腐蝕發(fā)生與否的界限[7]。根據(jù)Cu-H2O體系電位-pH平衡圖（圖4），當(dāng)電位在0.1～0.38V，水中pH值在6.94以下時(shí)，水質(zhì)呈弱酸性，水中的H+將與Cu的氧化膜反應(yīng)，因而Cu處于腐蝕區(qū)（圖中a區(qū)），表面很難形成穩(wěn)定的保護(hù)膜[6]；當(dāng)電位低于0.1V或pH值高于6.94時(shí)，Cu進(jìn)入了中性或弱堿性環(huán)境，CuO的溶解度會(huì)降低，Cu表面的初始CuO和Cu2O膜可穩(wěn)定存在，不會(huì)被溶解，即可保護(hù)Cu基體不被腐蝕，此為Cu的穩(wěn)定區(qū)。顯然，這也與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

而當(dāng)水中pH值達(dá)到10.3以上時(shí)，電位-pH平衡圖中出現(xiàn)了CuO2-和CuO22-等可溶性化合物，說明體系的pH再提高，Cu又會(huì)被腐蝕。但是，對(duì)于發(fā)電機(jī)或調(diào)相機(jī)內(nèi)冷卻水系統(tǒng)，當(dāng)pH值接近于9.0時(shí)，水系統(tǒng)電導(dǎo)率將接近或超過發(fā)電機(jī)限值要求，即介質(zhì)的絕緣性能將降低至發(fā)電機(jī)的耐受極限，因此pH值的控制上限不應(yīng)大于9.0，本次試驗(yàn)亦未考慮pH值超過9.0的情況。

3 結(jié) 論

本研究通過構(gòu)建內(nèi)冷卻水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)發(fā)生在純水體系中的銅元素腐蝕開展了研究，分析了內(nèi)冷卻水運(yùn)維過程中應(yīng)遵循的技術(shù)指標(biāo)，最終得到了如下結(jié)論。

（1）動(dòng)態(tài)除鹽水系統(tǒng)中，溶氧量是引起銅試片腐蝕的重要因素，無論在標(biāo)準(zhǔn)制定還是采信過程中，運(yùn)維人員均應(yīng)該將溶氧量作為首要因素進(jìn)行控制；

（2）CO2的溶入會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)酸化，增加空芯銅導(dǎo)線的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。所以，當(dāng)現(xiàn)場不具備溶氧量控制手段時(shí)，純水體系的pH值變化會(huì)顯著影響水中銅試片的腐蝕，所采信的標(biāo)準(zhǔn)中必須明確設(shè)置pH調(diào)節(jié)加藥處理裝置；

（3）pH值的無限制提高一方面會(huì)帶來Cu的堿性腐蝕，另一方面也會(huì)威脅發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全，因此標(biāo)準(zhǔn)中pH值上限亦可定為9.0。

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