TU2無(wú)氧銅的腐蝕及表面防護(hù)技術(shù)研究

李　良，周少玲，劉朝輝，周　洋（.華電電力科學(xué)研究院山東分院，山東濟(jì)南5000；.國(guó)網(wǎng)山東省電力科學(xué)試驗(yàn)研究院，山東濟(jì)南5000）

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TU2無(wú)氧銅的腐蝕及表面防護(hù)技術(shù)研究

李良1，周少玲2，劉朝輝1，周洋1
（1.華電電力科學(xué)研究院山東分院，山東濟(jì)南250002；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力科學(xué)試驗(yàn)研究院，山東濟(jì)南250002）

摘要：為了制定更合理的發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水停用保護(hù)及清洗預(yù)膜措施，對(duì)發(fā)電機(jī)線棒主要材質(zhì)TU2無(wú)氧銅的腐蝕及防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究；利用掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對(duì)氧化前后的TU2無(wú)氧銅樣品微觀表面形貌進(jìn)行了觀察和分析，對(duì)2-巰基苯并噻唑（MBT）在不同氧化程度的TU2無(wú)氧銅表面的吸附情況做了研究。利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICAP）測(cè)定了清洗液中的銅離子含量得出了各自的腐蝕速率；結(jié)果表明TU2無(wú)氧銅在潮濕環(huán)境下會(huì)發(fā)生腐蝕，氫氧化鈉溶液能使TU2無(wú)氧銅發(fā)生氧化，氧化程度將影響2-巰基苯并噻唑在其表面的吸附情況。綜合實(shí)驗(yàn)情況可知發(fā)電機(jī)在停用期間定子冷卻水系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行除濕、充惰性氣體等保護(hù)工作，2-巰基苯并噻唑能在經(jīng)氫氧化鈉溶液的預(yù)處理的TU2無(wú)氧銅上能形成更完整的保護(hù)膜，有利于防止腐蝕的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：TU2無(wú)氧銅；腐蝕及防護(hù)；SEM

0　引言

TU2銅是一種高純無(wú)氧銅，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于大型發(fā)電機(jī)組線棒的制造中。近年來(lái)隨著我國(guó)發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量的不斷增大，發(fā)電機(jī)的體積也在不斷增大，在發(fā)電機(jī)完成功-能轉(zhuǎn)換的同時(shí)線棒所產(chǎn)生的熱量也在不斷增加，如果定子線棒內(nèi)部無(wú)不銹鋼襯套[1]，當(dāng)定子冷卻水的PH控制不當(dāng)時(shí)將造成TU2銅的快速腐蝕，腐蝕產(chǎn)物析出后將堵塞空芯導(dǎo)線嚴(yán)重時(shí)引起線棒的超溫甚至發(fā)電機(jī)燒毀事故，而且這種腐蝕現(xiàn)象容易發(fā)生在機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)，所以有必要對(duì)TU2銅的腐蝕和表面防腐蝕技術(shù)進(jìn)行研究，以期為解決發(fā)電機(jī)線棒的腐蝕和堵塞問(wèn)題提供有益的參考。以下結(jié)合筆者的工作，對(duì)TU2銅的腐蝕和MBT膜在TU2銅表面的吸附情況及影響吸附的部分因素做簡(jiǎn)要介紹。

1　TU2銅表面腐蝕及氧化研究

1.1實(shí)驗(yàn)部分

1.1.1實(shí)驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用掃描電鏡（SEM）為日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)，儀器規(guī)格：JSM6610LV。能譜儀（EDS）為INCA X-Max20，分析元素范圍：Be4-Pu94。電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀為美國(guó)賽默飛世爾科技公司生產(chǎn)，儀器規(guī)格：iCAP6300。濕熱試驗(yàn)箱，溫度范圍-20～130℃，濕度范圍30%～98%rh。

1.1.2藥品及試樣

試驗(yàn)所用藥品均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭渲觅|(zhì)量濃度3%檸檬酸溶液、0.01mol/L氫氧化鈉溶液和0.1mol/L氫氧化鈉溶液。試驗(yàn)用空芯導(dǎo)線來(lái)自國(guó)內(nèi)某大型發(fā)電機(jī)制造廠家，截面規(guī)格為10mm×4.5mm，截面孔規(guī)格為6.5mm×1.8mm，將空芯導(dǎo)線用數(shù)控線切割加工成20mm×10mm×4.5mm小塊。

1.1.3實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果討論

（1）濕熱腐蝕試驗(yàn)

樣品A的試驗(yàn)：將試樣用無(wú)水乙醇和超純水分別沖洗后用SEM+EDS進(jìn)行觀察分析（如圖1、圖2所示）；為了模擬發(fā)電機(jī)停機(jī)大修時(shí)定子線棒的內(nèi)部環(huán)境，將樣品A放置于溫度40℃，濕度40%rh的濕熱箱中720h后再用SEM+EDS進(jìn)行觀察分析（如圖3、圖4所示）具體元素分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

通過(guò)圖1和圖3的微觀形貌圖對(duì)比可發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)前樣品A表面微觀形貌較為光滑無(wú)明顯腐蝕物，經(jīng)過(guò)720h的濕熱箱試驗(yàn)后樣品A表面出現(xiàn)了腐蝕產(chǎn)物，微觀形貌變得粗糙。通過(guò)圖2和圖4的能譜圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)720h的濕熱箱試驗(yàn)后樣品A表面的C元素和O元素的峰值強(qiáng)度比未進(jìn)行試驗(yàn)前出現(xiàn)了明顯的升高，而Cu元素的峰值強(qiáng)度則明顯下降。從表1中樣品A的面元素定性定量分析數(shù)據(jù)可知樣品表面的C原子百分比從29.02%上升到48.11%，O原子從2.35%上升到14.69%，Cu原子從68.63%下降到36.45%，分析認(rèn)為在濕熱箱中的H2O、CO2和O2共同作用下使TU2無(wú)氧銅的表面發(fā)生了腐蝕，腐蝕產(chǎn)物主要為銅的碳酸鹽[2]，這類(lèi)碳酸鹽在機(jī)組啟動(dòng)后將溶解于PH較低的定子冷卻水中，使銅離子濃度超標(biāo)并發(fā)生遷移在溫度高流動(dòng)情況差的位置析出。為了避免這種情況的發(fā)生大型發(fā)電機(jī)組在檢修維護(hù)過(guò)程中應(yīng)該將殘留在空芯導(dǎo)線內(nèi)的除鹽水吹干后用氮?dú)獾榷栊詺怏w保護(hù)起來(lái)[3]，避免空芯線棒的內(nèi)表面直接和潮濕大汽長(zhǎng)時(shí)間接觸。

表1　面元素定性定量分析對(duì)比

（2）酸、堿浸泡后TU2無(wú)氧銅銅表面形貌和線掃描元素分析取經(jīng)過(guò)濕熱試驗(yàn)的試樣作為樣品B＼C＼D進(jìn)行下述試驗(yàn)：

樣品B的試驗(yàn)：用質(zhì)量濃度為3%檸檬酸溶液浸泡3h后用無(wú)水乙醇和超純水分別沖洗用SEM+EDS進(jìn)行表面形貌觀察和線掃描元素分析（如圖5所示）；樣品C：用質(zhì)量濃度3%檸檬酸和0.01mol/L氫氧化鈉溶液先后浸泡3h后用SEM+EDS進(jìn)行表面形貌觀察和線掃描元素分析（如圖6所示）；樣品D：用質(zhì)量濃度3%檸檬酸和0.1mol/L氫氧化鈉溶液先后浸泡3h后再利用SEM+EDS進(jìn)行表面形貌觀察和線掃描元素分析（如圖7所示）。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)檸檬酸浸泡清洗3h后TU2無(wú)氧銅表面的腐蝕物被完全溶解，線掃描發(fā)現(xiàn)被清洗表面由連續(xù)的銅元素組成，只有痕量的碳元素，沒(méi)有氧元素出現(xiàn)。從圖6可知先后經(jīng)過(guò)檸檬酸溶液和0.01mol/L氫氧化鈉溶液浸泡后TU2無(wú)氧銅表面除了銅元素和碳元素外，在樣品表面開(kāi)始出現(xiàn)氧元素。從圖7可知經(jīng)過(guò)0.1mol/L氫氧化鈉溶液浸泡后TU2無(wú)氧銅表面的氧元素出現(xiàn)了大幅度的增加。

（3）TU2無(wú)氧銅在酸、堿溶液中的腐蝕速率

三種溶液均為250mL用ICAP檢測(cè)浸泡完TU2無(wú)氧銅標(biāo)準(zhǔn)腐蝕試片后檸檬酸溶液、0.01mol/L氫氧化鈉溶液、0.1mol/L氫氧化鈉溶液中銅離子的含量，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2　溶液中銅離子含量

表2中數(shù)據(jù)由iCAP6300試驗(yàn)測(cè)得，表2中所用試樣表面積均為28×10-4m2，其中TU2無(wú)氧銅的試片在檸檬酸溶液中浸泡時(shí)間為30h，腐蝕速率為0.1053g/m2·h；TU2無(wú)氧銅的試片在0.1mol/L氫氧化鈉溶液中浸泡時(shí)間為7h，腐蝕速率為5.580×10-3g/m2·h；TU2無(wú)氧銅的試片在0.01mol/L氫氧化鈉溶液中浸泡時(shí)間為7h，腐蝕速率為5.740×10-5g/m2·h；對(duì)比可知TU2銅在氫氧化鈉溶液中的腐蝕速率明顯低于在檸檬酸溶液中腐蝕速率，但無(wú)論是在檸檬酸中還是在氫氧化鈉溶液中TU2銅的腐蝕在短時(shí)間內(nèi)均在可接受范圍內(nèi)。

從以上分析可知：1）TU2銅在低濃度檸檬酸或氫氧化鈉溶液中短時(shí)間的浸泡清洗不會(huì)對(duì)TU2銅造成嚴(yán)重的腐蝕，可以使用低濃度的檸檬酸或氫氧化鈉溶液對(duì)單根空心導(dǎo)線進(jìn)行清洗以除去內(nèi)表面沉積的氧化物或是堿溶性雜質(zhì)；2）氫氧化鈉溶液能加速TU2銅的氧化，而且隨著濃度的升高將加快這種氧化趨勢(shì)。鐘文英[4]等認(rèn)為銅在溶液中先被氧化成不致密的氧化亞銅層，一旦形成氧化亞銅層就與溶液中的MBT形成配合物并形成一層致密的CU（I）-MBT膜從而抑制了銅的腐蝕。所以我們對(duì)經(jīng)過(guò)氫氧化鈉溶液氧化后TU2銅在MBT溶液中的成膜情況進(jìn)行了研究。

2　TU2銅表面氧化程度對(duì)MBT膜的影響

2.1實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)

（1）將TU2銅試樣用檸檬酸清洗后沖洗干凈分別放置到20mg/L、40mg/L、100mg/L的MBT溶液中靜置24h，取出試樣用超純水沖洗后用氮?dú)獯蹈珊笥肧EM+EDS進(jìn)行面元素定性定量分析，試樣編號(hào)分別為#1、#2、#3結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　未經(jīng)氫氧化鈉溶液浸泡不同濃度MBT組裝成膜后EDS面元素分析%

（2）將TU2銅試樣用檸檬酸清洗后沖洗干凈，用0.01mol/L氫氧化鈉溶液中浸泡2h后，分別放置到20mg/L、40mg/L、100mg/L的MBT溶液中靜置24h，取出試樣用超純水沖洗后用氮?dú)獯蹈珊笥肧EM+EDS進(jìn)行面元素定性定量分析，試樣編號(hào)分別為#4、#5、#6結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　0.01mol/L氫氧化鈉溶液處理后不同濃度MBT組裝成膜后EDS面元素分析%

（3）將TU2銅試樣用檸檬酸清洗后沖洗干凈，用0.1mol/L氫氧化鈉溶液中浸泡2h后，分別放置到20mg/L、40mg/L、100mg/L的MBT溶液中靜置24h，取出試樣用超純水沖洗后用氮?dú)獯蹈珊笥肧EM+EDS進(jìn)行面元素定性定量分析，試樣編號(hào)分別為#7、#8、#9結(jié)果見(jiàn)表5。

2.2結(jié)果與討論

圖8是MBT分子在銅表面的吸附示意圖，賀甜[5]等認(rèn)為MBT在硫醇狀態(tài)下S2上負(fù)電荷分布最多，為-0.829此時(shí)主要由S2提供電子與銅作用，而S2采用的是不等量的SP3雜化，各軌道夾角近似為108°28′，S2與銅原子的成鍵垂直于銅表面，因此MBT分子平面與銅表面成個(gè)很小的銳角；同時(shí)也認(rèn)為MBT分子是與Cu+形成配合物并形成一層致密的Cu（I）-MBT膜。結(jié)合該研究情況從表4、表5數(shù)據(jù)及圖7可以知道：1）當(dāng)MBT濃度分別在20mg/L、40mg/L、100mg/L變化時(shí)，TU2銅表面形成的保護(hù)膜沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的變化，濃度升高時(shí)各元素的原子百分比變化不大。2）未經(jīng)氫氧化鈉溶液浸泡的試樣在MBT溶液中形成的保護(hù)膜中氧元素的含量平均值僅為3.02%，0.01mol/L氫氧化鈉溶液浸泡后的試樣在MBT溶液中形成的保護(hù)膜中氧元素的含量平均值升高至5.17%，而0.1mol/L氫氧化鈉溶液浸泡后的試樣在MBT溶液中形成的保護(hù)膜中氧元素的含量平均值高達(dá)22.3%，從圖9可以看出隨氫氧化鈉溶液的升高氧元素的含量出現(xiàn)了階梯式的上升，這也驗(yàn)證了氫氧化鈉溶液能加快TU2銅的氧化，而且速度隨著濃度的升高將加快的結(jié)論。

表5　0.1mol/L氫氧化鈉溶液浸泡后不同濃度MBT組裝成膜后EDS面元素分析%

（3）銅原子的百分比含量并沒(méi)有隨氧元素含量的增長(zhǎng)而持續(xù)降低，0.1mol/L氫氧化鈉溶液處理后的試樣在MBT溶液中形成的保護(hù)膜中氧元素的含量平均值高達(dá)22.3%的同時(shí)銅元素的含量上升到平均值38.02%，分析認(rèn)為氫氧化鈉溶液濃度的增加使部分Cu2O變成了CuO，一價(jià)態(tài)Cu（I）原子百分比含量的下降減少了MBT分子中N原子與Cu（I）相互作用的機(jī)會(huì)，所以經(jīng)過(guò)0.1mol/L氫氧化鈉溶液浸泡后試樣表面的分子膜中未發(fā)現(xiàn)N原子，但是S原子的百分比含量變化卻并不大，這可能與S原子中的孤對(duì)電子更容易與Cu形成穩(wěn)定的配位鍵有關(guān)，二價(jià)態(tài)Cu（II）使銅表面趨向于更加穩(wěn)定的同時(shí)也使MBT分子膜的完整性降低，因此適當(dāng)濃度的氫氧化鈉溶液將促使Cu（I）的出現(xiàn)并有利于CU（I）-MBT膜的形成，過(guò)高濃度的的氫氧化鈉溶液不利于銅表面MBT分子膜的形成。

3　結(jié)語(yǔ)

（1）作為發(fā)電機(jī)線棒材質(zhì)的TU2無(wú)氧銅雖然穩(wěn)定性較好，但是在大氣中由于環(huán)境因素的變化仍然會(huì)發(fā)生氧化腐蝕現(xiàn)象，所以在發(fā)電機(jī)檢修維護(hù)過(guò)程中應(yīng)對(duì)定子冷卻水所能流經(jīng)的腔體進(jìn)行除濕或惰性氣體保護(hù)。

（2）氫氧化鈉溶液能加速TU2無(wú)氧銅的氧化，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)0.01mol/L氫氧化鈉溶液浸泡后的TU2銅的表面可以出現(xiàn)氧元素，MBT在該表面上可吸附形成更加完整的保護(hù)膜。

（3）利用檸檬酸酸和氫氧化鈉溶液清洗發(fā)電機(jī)空芯導(dǎo)線是安全的，清洗后再用MBT[6～10]溶液一次性形成分子自組裝膜是解決發(fā)電機(jī)腐蝕堵塞的有效途徑，采用該方法已成功解決了包括核能汽輪發(fā)電機(jī)在內(nèi)的一批高參數(shù)大容量發(fā)電機(jī)的腐蝕堵塞問(wèn)題。

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修回日期：2016-02-21

TU2 Oxygen-free Copper Corrosion and Surface Protection Technology Research

LI Liang1，ZHOU Shao-ling2，LIU Chao-hui1，ZHOU Yang1
（1. Shandong Branch of Huadian Electric Power Research Institute，Jinan 250002，China；2. State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250002，China）

Abstract：In order to develop more reasonable protective measures，TU2 oxygen-free copper corrosion and protection technology were studied. TU2 oxygen-free copper sample microscopic surface morphology were analyzed by means of SEM and EDS. The adsorption of MBT in different oxidation degree of TU2 oxygen-free coppe was studied.The copper ion content in Cleaning fluid was determined using ICAP. Use of these data，corrosion rate is calculated. Results showed that the TU2 oxygen-free copper corrosion will happen in a damp environment. Sodium hydroxide solution can make TU2 oxygen-free copper oxide. Degree of oxidation affect MBT adsorption on the surface. Generator stator cooling water system should be protected during outage.Treated with sodium hydroxide solution of copper，MBT can form more complete protective film which is beneficial to prevent corrosion.

Key words：TU2 oxygen-free copper；corrosion and protection；SEM

收稿日期：2016-01-04

作者簡(jiǎn)介：李良（1982-），男，山東新泰人，碩士，工程師，主要從事電廠化學(xué)技術(shù)監(jiān)督、基建調(diào)試及電廠設(shè)備化學(xué)清洗等方面工作。

中圖分類(lèi)號(hào)：TG174.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：2095-3429（2016）01-0016-05

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.004