風電水冷空氣散熱器內部腐蝕穿孔失效分析

(廣州高瀾節能技術股份有限公司，廣東 廣州 510663)

隨著國家對清潔能源利用的大力支持和發展，風力發電也逐漸由單個機組為2MW、3MW提高到即將投入的8MW，也由局限性較大的內陸向沿海和海上的廣闊空間拓展，對電力轉換過程中的核心部件IGBT的散熱要求也越來越高。

風力發電機組IGBT的散熱是通過水冷系統實現的，風電水冷系統由水泵、散熱器、過濾器、監控儀表、連接管道等組成，整套系統采用全密閉式，冷卻介質為添加了一定濃度緩蝕劑和防腐劑的乙二醇或丙二醇的水溶液。

現階段，風電水冷系統通過設計選用合適的空氣散熱器很容易便能夠滿足IGBT的散熱要求。然而隨著近年風力發電機組的持續投產運行，生產現場也隨之出現了很多質量問題，對水冷系統可靠性也提出了新的和更高的要求。某沿海風電項目經過2～3年的運行，水冷系統的核心部件空氣散熱器便大量出現不同程度的腐蝕穿孔漏水問題，直接導致水冷系統壓力下降報警，為風力發電機組正常的運行帶來很大的隱患，同時由于散熱器制造工藝的特殊性，難以找到合適的方法進行堵漏，只能通過更換新的散熱器，也造成了巨大的經濟損失。

本文對某沿海風電現場提供的漏水失效的空氣散熱器切片取樣進行失效分析，利用KEYENCE VHX-5000超景深式顯微鏡、Zeiss Sigma500場發射掃描電子顯微鏡、Oxford 51-XMX1121 X射線能譜分析儀、Rigaku Smart lab X射線衍射分析儀、金相顯微鏡、CS分析儀和ICP-OES等儀器設備，觀察樣品的整體外觀，分析泄漏點的分布情況，及漏點周邊的情況；通過觀察泄露位置及光滑表面的宏觀及微觀形貌特征，確認復合板材質化學元素含量，分析腐蝕產物及水道附著的結垢物的化學元素組成及可能的物質類型，進一步分析腐蝕起始側、泄露性質及機理[1]；最后通過對比觀察泄漏點及周圍的金相特征，綜合分析樣品失效的原因并提出后期的改進辦法。

1 檢驗與分析

1.1 外觀分析

樣品隔板和翅片上可見大量黃色垢狀物，局部位置堆積嚴重，剝離垢狀物后觀察到該區域的隔板、翅片表面存在腐蝕現象(圖1)。

圖1 芯體翅片外觀

1.2 形貌分析

泄漏點位置存在大量黃色垢狀物堆積，背面呈凸起狀。經 SEM 放大觀察:復合板腐蝕區域微觀形貌呈塊狀，無垢區域表面呈結晶狀。翅片腐蝕區域呈層狀，翅片無垢區域表面較光滑(圖2)。

圖2 腐蝕區域和無垢區域對比

1.3 EDS分析

圖3 EMS+EDS

經 EDS 分析，樣品的垢狀物及腐蝕產物主要為鋁及氧元素，即主要為鋁的氧化物。在垢狀物和腐蝕產物中均發現有硫元素。釬料為高硅鋁基釬料。

圖3為樣品泄漏點位置的掃描電鏡照片和能譜圖(Mass%)。

圖4為樣品腐蝕垢的掃描電鏡照片和能譜圖(Mass%)。

表1 泄漏點

圖4 EMS+EDS

譜圖COAlSiSKCu總的00144.9127.4023.290.350.380.273.4010000236.0131.7627.820.320.32/3.7710000335.9729.3830.16/0.61/3.8810000438.8927.2029.20/0.61/4.10100

1.4 金相分析

在樣品泄漏點、有垢、無垢位置分別取樣觀察金相形貌發現：復合板均存在溶蝕現象，單側溶蝕深度最大為 66.1μm，小于 80μm；一側最大熔蝕深度+另一側最大熔蝕深度最大為 110.9μm， 小于 140μm。復合板均存在小晶粒，平行方向平均晶粒度小于200μm，板厚方向平均顆粒數目大于 5 個。翅片接頭位置局部有溶蝕，非接頭位置均未發現溶蝕，焊接接頭可見氣孔缺陷。

通過金相觀察發現：樣品泄漏點區域腐蝕已貫穿整個復合板，垢堆積區域的翅片腐蝕嚴重，可見腐蝕沿復合層晶界進行(圖5)。

圖5 泄漏點及附近金相形貌對比(50X)

1.5 化學成分分析

表3 化學成分

樣品復合板基材材料均符合 GB/T 3190-2008 3003 牌號的化學成分要求(表3)。

綜合分析可知，樣品泄漏為從內而外的腐蝕穿孔所致，腐蝕主要呈延晶擴展，而腐蝕產物存在腐蝕性元素硫酸鹽和碳酸鹽，而樣品本身材質不含硫，可以確定腐蝕性元素來源于冷卻液。復合板腐蝕沿晶界進行，而復合板晶粒偏小，可能會降低產品耐腐蝕性能。

2 失效機理分析

在風電水冷系統中，鋁合金發生的腐蝕是化學腐蝕，以電化學腐蝕為主，鋁的平衡電位很低， E=1.663+0.0197logAl3+，從熱力學角度分析，鋁很不穩定，容易產生嚴重腐蝕。但是，鋁暴露在大氣或中性溶液中時，表面能速速成成一層之謎的氧化膜而使其鈍化。氧化膜由Al2O3或Al2O3nH2O組成[2]，厚度可在一定范圍內變化。在干燥的大氣中，其厚度10μm左右。在潮濕的大氣中膜的厚度隨濕度增加而增厚。鋁合金氧化膜具有兩性特征，既溶于非氧化性的強酸，又溶于強堿溶液。該氧化膜在酸性溶液中生成Al3+，堿性溶液中生成AlO2-。

冷卻液雜質離子對鋁的耐腐蝕性影響很大，尤其是當鋁中含有正電性的析氫超電壓的金屬雜質時，它們能成為陰極，與鋁形成原電池，更顯著加快鋁的腐蝕。因此，可以通過提高鋁的純度來增強其耐腐蝕性。常見的雜質如銅、鐵、硅等對鋁的耐腐蝕影響也是不良的，其中銅的影響最大；鐵含量≤0.07%時，對鋁的影響不大，但當其含量更高時，由化學物FeAl3析出[3]，它的電位比鋁高，起陰極作用而加速鋁的腐蝕。硅以游離態析出時會明顯降低鋁的耐腐蝕性能。鋅、鎂和錳對鋁的耐腐蝕性能影響較小。

鋁浸泡在含有各種離子的水中，對其氧化膜的影響，可分為三類：

能使保護膜減薄，腐蝕量增大，包括：Cl-、NO3-、CO32-、HCO3-等；

隨其含量增加，腐蝕量減少，當其含量超過一定值時，能起到緩釋效果。包括：SO42-、CrO72-、CrO42-、SiO3-等[4]；

隨其含量的增加，腐蝕兩減少，但是當其含量超過一定值后，腐蝕量又會重新增加，包括：Cu2+、Fe3+、H+等。

3 結語與建議

隨著風電行業的發展，特別是海上風電的廣闊前景，保證長久的穩定的可靠的持續的有效的運行是對水冷系統的考驗，同時也對其散熱器的防腐及使用冷卻介質的技術參數，提出了更高的要求。

風電水冷散熱器運行工況復雜，流量壓力溫度對腐蝕的影響尚不明確，在現使用冷卻液的基礎上進行改進，控制各項水質指標，特別是對3003鋁材具有明顯腐蝕性的硫酸鹽和碳酸鹽的含量限制是很有必要的。