風(fēng)電水冷空氣散熱器內(nèi)部腐蝕穿孔失效分析

(廣州高瀾節(jié)能技術(shù)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(fā)展，風(fēng)力發(fā)電也逐漸由單個(gè)機(jī)組為2MW、3MW提高到即將投入的8MW，也由局限性較大的內(nèi)陸向沿海和海上的廣闊空間拓展，對電力轉(zhuǎn)換過程中的核心部件IGBT的散熱要求也越來越高。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組IGBT的散熱是通過水冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，風(fēng)電水冷系統(tǒng)由水泵、散熱器、過濾器、監(jiān)控儀表、連接管道等組成，整套系統(tǒng)采用全密閉式，冷卻介質(zhì)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(xiàn)階段，風(fēng)電水冷系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的持續(xù)投產(chǎn)運(yùn)行，生產(chǎn)現(xiàn)場也隨之出現(xiàn)了很多質(zhì)量問題，對水冷系統(tǒng)可靠性也提出了新的和更高的要求。某沿海風(fēng)電項(xiàng)目經(jīng)過2～3年的運(yùn)行，水冷系統(tǒng)的核心部件空氣散熱器便大量出現(xiàn)不同程度的腐蝕穿孔漏水問題，直接導(dǎo)致水冷系統(tǒng)壓力下降報(bào)警，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常的運(yùn)行帶來很大的隱患，同時(shí)由于散熱器制造工藝的特殊性，難以找到合適的方法進(jìn)行堵漏，只能通過更換新的散熱器，也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

本文對某沿海風(fēng)電現(xiàn)場提供的漏水失效的空氣散熱器切片取樣進(jìn)行失效分析，利用KEYENCE VHX-5000超景深式顯微鏡、Zeiss Sigma500場發(fā)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(shè)備，觀察樣品的整體外觀，分析泄漏點(diǎn)的分布情況，及漏點(diǎn)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(rèn)復(fù)合板材質(zhì)化學(xué)元素含量，分析腐蝕產(chǎn)物及水道附著的結(jié)垢物的化學(xué)元素組成及可能的物質(zhì)類型，進(jìn)一步分析腐蝕起始側(cè)、泄露性質(zhì)及機(jī)理[1]；最后通過對比觀察泄漏點(diǎn)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(jìn)辦法。

1 檢驗(yàn)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(yán)重，剝離垢狀物后觀察到該區(qū)域的隔板、翅片表面存在腐蝕現(xiàn)象(圖1)。

圖1 芯體翅片外觀

1.2 形貌分析

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

圖2 腐蝕區(qū)域和無垢區(qū)域?qū)Ρ?/p>

1.3 EDS分析

圖3 EMS+EDS

經(jīng) EDS 分析，樣品的垢狀物及腐蝕產(chǎn)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(chǎn)物中均發(fā)現(xiàn)有硫元素。釬料為高硅鋁基釬料。

圖3為樣品泄漏點(diǎn)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(diǎn)

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(diǎn)、有垢、無垢位置分別取樣觀察金相形貌發(fā)現(xiàn)：復(fù)合板均存在溶蝕現(xiàn)象，單側(cè)溶蝕深度最大為 66.1μm，小于 80μm；一側(cè)最大熔蝕深度+另一側(cè)最大熔蝕深度最大為 110.9μm， 小于 140μm。復(fù)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(shù)目大于 5 個(gè)。翅片接頭位置局部有溶蝕，非接頭位置均未發(fā)現(xiàn)溶蝕，焊接接頭可見氣孔缺陷。

通過金相觀察發(fā)現(xiàn)：樣品泄漏點(diǎn)區(qū)域腐蝕已貫穿整個(gè)復(fù)合板，垢堆積區(qū)域的翅片腐蝕嚴(yán)重，可見腐蝕沿復(fù)合層晶界進(jìn)行(圖5)。

圖5 泄漏點(diǎn)及附近金相形貌對比(50X)

1.5 化學(xué)成分分析

表3 化學(xué)成分

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

綜合分析可知，樣品泄漏為從內(nèi)而外的腐蝕穿孔所致，腐蝕主要呈延晶擴(kuò)展，而腐蝕產(chǎn)物存在腐蝕性元素硫酸鹽和碳酸鹽，而樣品本身材質(zhì)不含硫，可以確定腐蝕性元素來源于冷卻液。復(fù)合板腐蝕沿晶界進(jìn)行，而復(fù)合板晶粒偏小，可能會(huì)降低產(chǎn)品耐腐蝕性能。

2 失效機(jī)理分析

在風(fēng)電水冷系統(tǒng)中，鋁合金發(fā)生的腐蝕是化學(xué)腐蝕，以電化學(xué)腐蝕為主，鋁的平衡電位很低， E=1.663+0.0197logAl3+，從熱力學(xué)角度分析，鋁很不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。但是，鋁暴露在大氣或中性溶液中時(shí)，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(nèi)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(qiáng)酸，又溶于強(qiáng)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(zhì)離子對鋁的耐腐蝕性影響很大，尤其是當(dāng)鋁中含有正電性的析氫超電壓的金屬雜質(zhì)時(shí)，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(qiáng)其耐腐蝕性。常見的雜質(zhì)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(shí)，對鋁的影響不大，但當(dāng)其含量更高時(shí)，由化學(xué)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(tài)析出時(shí)會(huì)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(hù)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(dāng)其含量超過一定值時(shí)，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(dāng)其含量超過一定值后，腐蝕量又會(huì)重新增加，包括：Cu2+、Fe3+、H+等。

3 結(jié)語與建議

隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，特別是海上風(fēng)電的廣闊前景，保證長久的穩(wěn)定的可靠的持續(xù)的有效的運(yùn)行是對水冷系統(tǒng)的考驗(yàn)，同時(shí)也對其散熱器的防腐及使用冷卻介質(zhì)的技術(shù)參數(shù)，提出了更高的要求。

風(fēng)電水冷散熱器運(yùn)行工況復(fù)雜，流量壓力溫度對腐蝕的影響尚不明確，在現(xiàn)使用冷卻液的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，控制各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，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。