冷卻液/防凍液儲備堿度—重要質量指標

張智 孟令飛

摘 要：文章分析了冷卻系統所用的冷卻液/防凍液的儲備堿度是一項重要的質量指標，二元醇熱裂氧化形成酸性物，破壞冷卻系統鋁合金表面的氧化膜，良好的腐蝕抑制體系，主要有金屬腐蝕抑制性能，還有冷卻液足夠的緩沖能力儲備堿度兩個方面，這樣才能保證體系在長時間使用時，能夠持新冷卻液優化的pH值基本不變。一個不具有足夠的儲備堿度防凍液配方，即使通過實驗室玻璃器皿法測試腐蝕實驗，實際使用中，一定存在短時間內pH值降低和升高的風險，導致腐蝕發生。對于無機鹽配方IAT，最低可接受的儲備堿度，廣泛認為不低于10ml HCl（0.1N）；對于有機酸OAT配方，普遍認為接受的最低儲備堿度5ml HCl（0.1N）；新型的無機有機酸混合配方，作者認為接受最低儲備堿度4ml HCl（0.1N）。冷卻液儲備堿度低于這個水平，都屬于風險產品。

關鍵詞：冷卻液/防凍液的儲備堿度；冷卻系統

風力發電是指把風的動能轉為電能。風是一種沒有公害的能源，利用風力發電非常環保，且能夠產生非常巨大的電能，因此越來越多的國家更加重視風力發電。風力發電系統由發電機及變流器等部分組成，其中變流器需要采用2M瓦的IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管），IGBT在運行時會釋放出大量熱；在影院級投影系統由于光機燈泡運行釋放大量的熱，這就需要類似汽車燃油發動機的水冷系統。風力發電和影院級投影機水冷系統采用鋁合金水冷板進行散熱。水冷系統是保護風力發電系統及投影機正常高效運轉必不可缺的重要組成部分。由于使用到劣質冷卻液，pH值在非常短時間降低或升高，從而導致發生金屬腐蝕穿透停機事故。對于冷卻液的選擇和質量控制，沸點、冰點及金屬腐蝕測試結果是常見的能表示腐蝕抑制能力質量指標。儲備堿度表示水溶液對酸化的抵抗能力，而其作為冷卻液/防凍液的長期有效的重要性能指標，還沒有引起各相關人員的重視，使得產品在實際使用中出現品質問題，包括使用壽命，更換指標或性能監控，不能合理實施，從而引發水冷系統鋁合金腐蝕，導致變流器或投影機停機的嚴重故障。不僅縮短使用壽命，還有可能導致嚴重事故。

1 風力發電及投影機水冷系統冷卻液pH值和鋁合金腐蝕控制

1.1 概述

布拜圖（E電位pH圖）是表示腐蝕有關的所有化學反應。在風力發電水冷系統的冷卻液/防凍液中，通常是陽極保護或者鈍化態保護，腐蝕電位正移。回顧風力發電冷卻系統中的主要金屬（鋁合金）與水的pH值電位平衡圖，就會發現精確平衡腐蝕抑制體系的重要性。

鋁：最佳保護的pH值范圍4～8.5。

合適的腐蝕抑制體系，主要包括兩個方面：金屬腐蝕抑制的性能，冷卻液體系良好的水溶液對酸化的抵抗能力，確保體系在使用較長的時間內保持與新的冷卻液優化的pH值基本一致的能力。冷卻液的這種緩沖能力就是儲備堿度。

1.2 鋁的腐蝕態、免蝕態和鈍化態的理論工況

在不同環境下，鋁會以幾種氫氧化物存在。見下圖，在25℃下，電位pH圖顯示，三水

氧化鋁是穩定的形態，其鈍化態存在于pH范圍4～8.5。而一水氧化鋁不穩定，其鈍化態只存在pH值4.5～6.2的范圍。

25℃鋁的腐蝕態、免蝕態和鈍化態的理論工況圖

2 導致水冷系統冷卻液pH降低的因素

在風力發電水冷系統的冷卻液/防凍液中添加的主要成分是乙二醇或丙二醇，在風力發電

系統中，冷卻液乙二醇或丙二醇，會被冷卻系統的溶解氧氧化，發生降解。降解過程如下：

乙二醇降解：

HOOCH2CH2OHO2+heatHOOCCOOH + HOCH2COOH + HCOOH

乙二醇 草酸 乙醇酸 甲酸

丙二醇降解：

CH3CH（OH）CH2OHO2+heatCH3COCOOH + CH3CH（OH）COOH + HCOOH + CH3COOH

丙二醇 丙酮酸 乳酸 草酸 乙酸

降解生成的甲酸屬于強酸，腐蝕性強。草酸為弱酸，與乙醇酸、丙酮酸、乳酸等，影響體系酸堿平衡，導致pH值下降。

3 儲備堿度

3.1 SH/T 0091關于儲備堿度的定義

儲備堿度：用濃度c（HCl）= 0.100 0mol/L 的鹽酸標準滴定溶液滴定10mL 試樣至pH值為5.5時所需要的毫升數（精確到0.1mL）。

3.2 儲備堿度的測定

（1）用移液管移取10mL完全混合的試樣，放入150mL燒杯中，再向杯中加入約90mL超純水。

注：如果儲備堿度小于2，則試樣的量可以增加到50mL。

（2）將裝有試樣的燒杯放在電位滴定計臺架上，將pH復合電極完全浸泡在試樣中。

（3）將裝好鹽酸標準滴定溶液的滴定管下部尖端部分放入燒杯中，調節電位滴定計的溫度補償器到被測液體實際溫度，并記錄試樣最初的pH值。

（4）開啟攪拌器使試樣均勻。

（5）設定pH值預控點為7，終點pH值為5.5。啟動自動滴定裝置，滴定完成后記錄所消耗的標準滴定溶液（c（HCl）= 0.100 0mol/L）的體積。

3.3 腐蝕抑制劑的緩沖性能

3.3.1 無機鹽技術冷卻液——IAT

傳統無機酸技術冷卻液的儲備堿度的典型范圍在10～14，是因為無機酸堿緩沖系統的pH值在7～9范圍內。例如，硅酸鹽，緩沖系的pH值為7.5，只需要0.5%重量就能提供足夠的儲備堿度。

3.3.2 有機酸技術——OAT

脂肪族一元酸和芳香酸

己酸、庚酸、辛酸、異辛酸、壬酸、癸酸、新癸酸、十一烷酸、十二烷酸、中的一種或兩種酸，或其堿金屬鹽緩沖能力通常較差，pH值小于5，也就是說，極少有這種酸在pH5.5被滴定。然而，在pH4.5時，這類酸會從冷卻液中沉淀出來。

脂肪族二元酸

二元酸辛二酸、壬二酸、癸二 酸、十一烷二酸或十二烷二酸的緩沖能力好于脂肪族和芳香族一元酸，在pH值5.5時，能夠獲得較高的儲備堿度而不會有沉淀。原因在于，這種類型的酸，一個羧基官能團提供儲備堿度，另外一個羧基官能團提供溶解度。在pH4.5時，這種二元酸的儲備堿度與兩個羧酸根被滴定，比同樣鏈長的一元酸獲得多一倍的儲備堿度，只有C鏈長≥10時才會有沉淀出現。

3.3.3 無機有機酸混合配方技術

混合酸。新的冷卻液緩沖理論認為，充分利用無機與有機酸的優越性，實驗和實踐證明，能獲得更好更穩定的儲備堿度。

4 結論

對鋁合金的最佳保護，理論和實際都認為只能在合適的pH范圍內，一些腐蝕抑制劑如偏硅酸鈉能夠對鋁合金提供優異的保護，但是其緩沖能力差。如果一個冷凍液配方不具備足夠的儲備堿度，即使能夠通過實驗室腐蝕測試實驗，在實際使用中，一定存在pH值短時間降低或升高的風險，從而導致腐蝕發生。判斷冷卻液的質量好壞，應該同時考察腐蝕測試數據和足夠的儲備堿度。對于無機鹽ITA配方，最低可接受的儲備堿度，普遍認為不小于10ml，HCl （0.1N），對于有機酸OAT配方，廣泛認可的儲備堿度是5ml，HCl （0.1N）。混合酸配方緩沖體系，作者通過實際測試認為，可接受的儲備堿度是4ml，HCl（0.1N）冷卻液的儲備堿度低于這個水平的，應該作為短壽命的風險產品。

參考文獻：

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[2]雷磁ZD2型自動電位滴定儀操作手冊.

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