EAST低雜波水冷系統中紫銅防腐研究

耿　曼，冷明全

（廣州高瀾節能技術股份有限公司，廣東　廣州　510663）

EAST低雜波水冷系統中紫銅防腐研究

耿曼，冷明全

（廣州高瀾節能技術股份有限公司，廣東廣州510663）

對EAST低雜波水冷系統中紫銅的腐蝕機理進行研究。通過理論分析和實驗研究，發現溶解氧及酸性環境是紫銅發生腐蝕的主要原因，據此提出防腐蝕措施，具體控制措施包括內冷水中溶解氧和CO2含量，調整pH值防止紫銅腐蝕以及在內冷水中添加緩蝕劑。

EAST低雜波；水冷系統；紫銅；防腐蝕

1　概述

低雜波驅動電流系統（簡稱低雜波）是超導托卡馬克核聚變試驗裝置（簡稱EAST）的一個組成部分，主要作用是電流驅動和輔助加熱。低雜波目前廣泛地應用于核聚變實驗中。在運行過程中，調速管、環形器及天陣線等元器件會產生大量的熱量，需要通過水冷的方式將熱量釋放。紫銅就是銅單質，因其顏色為紫紅色而得名，由于其優良的導熱性及焊接性而廣泛用作水冷散熱器的材料。它是含有一定氧的銅，因而又稱含氧銅。紫銅水冷散熱器連接密閉式純水冷卻系統形成循環回路，從而實現散熱器件的冷卻。在純水中，紫銅不可避免地產生腐蝕，而低雜波對冷卻介質的電導率有較高的要求，紫銅的腐蝕極有可能造成電導率超標，最終影響低雜波系統的安全運行，通過模擬低雜波水冷系統，分析紫銅腐蝕產生的問題，提出低雜波水冷系統中紫銅腐蝕的解決方案。

2　紫銅腐蝕的原因分析

2.1溶解氧

對于無氧的純水介質，紫銅具有優異的耐腐蝕性，但在含有氧化劑條件下易發生腐蝕現象。水中的溶解氧是一種腐蝕性介質，在一定條件下易與Cu發生電化學反應，生成不穩定的含銅氧化物（Cu2O），在紫銅表面形成雙層結構的銅氧化物保護膜［1-2］。具體的銅腐蝕反應如下所示：

2.2酸性環境

紫銅表面的氧化亞銅Cu2O氧化層容易部分被氧化生成氧化銅CuO，特定條件還有少量氧化膜發生水解得到產物Cu（OH）2以及與CO2反應生成產物碳酸銅CuCO3等。CO2溶解在水中時發生如下水解反應，產生H+：

一般內冷水采用純水，幾乎沒有緩沖性，少量CO2的存在使其pH值快速下降。如當純水中游離CO2濃度為1 mg/L時，對應的pH會下降到6.7。CO2水解產生H+，易于銅的氧化物發生反應，破壞紫銅表面的氧化物保護膜，加劇腐蝕反應［3-4］。

3　可能的防腐蝕措施

3.1控制內冷水中溶解氧和CO2含量

通常，溶解氧含量在0.5 mg/L～210 mg/L之間時紫銅的腐蝕速度最高。25℃時，與空氣接觸的水中溶解氧含量是114 mg/L～31.2 mg/L，溫度升高，溶解氧含量下降。EAST水冷系統冷卻介質的設計進水溫度為20℃～39℃，回水溫度30℃～49℃，如果不采取脫氧措施，內冷水系統溶解氧含量就會處于銅腐蝕區內。腐蝕發生后，通常在金屬表面形成雙層結構的氧化層.溫度比較高時，產物的成膜性能不如低溫下的效果好，此時腐蝕產物只有少量附著在金屬材料表面，大部分會脫落下來轉入水中。

謝學軍［5］用通氮除氧的方法控制水中溶解氧的濃度。紫銅腐蝕試驗條件實驗得出：銅腐蝕隨溶解氧增加而增加，當銅離子含量增加超過300 μg/L，表面有含銅氧化物形成。形成的氧化物種類不同，顏色不同，一般認為氧化亞銅呈暗紅色，氧化銅為黑色。溶解氧含量在1000 μg/L及以上時，試驗后試液中銅離子含量隨溶解氧增加而減少，但不足以說明銅腐蝕隨溶解氧增加而減小，因為表面形成的銅氧化物未減少［6］。

為了驗證此結果，對公司自制的小水機進行改造，試驗裝置及試驗前紫銅片如圖1、圖2所示，試驗裝置包括主循環回路及去離子水路，主循環回路串聯空氣散熱器，減少主循環泵運行產生的熱量。

圖1　試驗裝置

圖2　　試驗前紫銅片

將裝有光亮紫銅片的透明管接入試驗裝置，關閉去離子回路，監測純水的電導率，紫銅片電導率隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3　電導率隨時間變化曲線

本次試驗采用化學脫氧的方法，在冷卻介質中加入亞硫酸鈉，亞硫酸鈉的加入量為0.2 g/L，試驗后，銅片呈現淺暗紅色，無腐蝕斑，所以驗證了控制內冷水中溶解氧抑制紫銅腐蝕是可行的。

3.2調整pH值防止紫銅腐蝕

在含氧條件下，pH值影響銅的電極電位，是影響紫銅導線腐蝕的關鍵因素。通過計算并由圖1可知［5-7］，在電位0.1～0.38 V之間或pH=6.94以下區域出現Cu2+，即該區域是銅的腐蝕區 （因為當pH值低于6.94時，水質呈弱酸性，水中的氫離子與銅的氧化膜反應，因而銅處于腐蝕區，表面很難形成穩定的保護膜）；在電位低于0.1 V或pH高于6.94時銅不會出現腐蝕，是銅的穩定區（因為提高介質的pH值進入中性或弱堿性范圍，氧化銅的溶解度會降低，銅表面的初始氧化銅和氧化亞銅膜可穩定存在，不會被溶解）；CuO2-和CuO22-的可溶性化合物對應的pH是10.31（說明銅水體系的pH再提高，銅又會腐蝕）。pH值在7～10之間時銅處于其電位-pH值圖的穩定區，因此低雜波水冷系統冷卻介質的pH值最好控制在7～9之間。

圖4　銅的電極電位圖

3.3在內冷水中添加緩蝕劑

電廠比較常用的緩蝕劑是二疏基苯駢噻唑（MBT）和苯駢三氮唑（BTA），二者對比如表2所示。所以在低雜波水冷系統中選擇添加BTA緩蝕劑。

表2　MBT與BTA特性對

4　結論

通過以上理論分析和實驗論證，低雜波水冷系統擬采用以下幾種措施解決紫銅腐蝕的問題：

（1）通過化學脫氧控制內冷水中溶解氧和CO2含量；

（2）控制pH值為7～9，防止紫銅腐蝕；

（3）在內冷水中添加緩蝕劑BTA。

［1］竇照英.電力工業的腐蝕與防護［M］.北京：化學工業出版社，1995：221.

［2］向元龍.內冷水系統對發電機運行的影響［J］.大電機技術，1985，（4）：25.

［3］張玉福.發電機內冷水系統及其防腐措施［J］.湖南電力技術，1990，（5）：7-11.

［4］王 唏，盧昌華，付 莉，等.水內冷發電機空芯銅導線腐蝕防護技術研究［J］.四川電力技術，1998，（4）：1-4.

［5］謝學軍，呂珂，晏敏，等.銅水體系電位-pH圖與發電機內冷水pH調節防腐［J］.腐蝕科學與防護技術，2007，19（3）：162-163.

［6］張玉福.紫銅在內冷水介質中腐蝕行為的交流阻抗測試和分析［J］.湖南電力技術，1991，（5）：7-13，28.

［7］彭吉民，張礫文，彭珂如，等.發電機內冷水中銅緩蝕劑的研究［J］.材料保護，1998，31（8）：10-11.

Lower Hybrid Wave Anticorrosive of Red Copper in the EAST LHW Cooling System

GENG Man，LENG Ming-quan
（Guangzhou Goaland Energy Conservation Tech.Co.，Ltd.，Guangzhou，Guangdong 510633，China）

Theoretical research of the mechanism of corrosion of red copper in the EAST LHW （lower hybrid wave）cooling system was described in the paper，the main reasons of red copper corrosion in the dissolved oxygen and acid environment.For these reason，the possible corrosion protection measures was proposed in the paper，including the control of dissolved oxygen and carbon dioxide in the cooling system，regulating the pH to inhibition corrosion and adding corrosion inhibitor to the cooling system.

EAST lower hybrid wave；cooling system；red copper；corrosion protection

1006-4184（2016）8-0035-03

2016-02-02

廣東省戰略性新興產業核心技術攻關項目（2012A090100005），廣州市科技計劃項目（201508030019）。

耿曼（1980-），女，工程師，主要從事電力電子冷卻與控制技術研究。E-mail：gengman2004@163.com。