風(fēng)電塔底散熱器失效分析

摘 要：探討海上風(fēng)力發(fā)電風(fēng)塔用鋁制散熱器失效的類型及機(jī)理，能為鋁制散熱器的防腐問題提供一定的理論依據(jù)。本文使用掃描電子顯微鏡、能譜儀、光學(xué)顯微鏡等儀器，對風(fēng)電塔底散熱器失效件進(jìn)行表面宏觀和微觀形貌觀察、化學(xué)成分分析以及內(nèi)部顯微組織分析。結(jié)果表明：散熱器失效的主要原因是散熱器長期服役在含Cl-的海洋大氣環(huán)境中，使鋁合金散熱器發(fā)生點(diǎn)蝕穿孔導(dǎo)致泄漏失效。

關(guān)鍵詞：鋁合金散熱器;點(diǎn)蝕;失效;泄漏

中圖分類號(hào)：TG172.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

鋁制板翅式散熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、單位體積換熱面積大、阻力小及多股流通散熱的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、能源、電子、原子能和機(jī)械等領(lǐng)域[1-4]。它是目前最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的散熱器[4-5]。散熱器主要由隔板、翅片、封條、復(fù)合板（隔板）等組成[1]。翅片可分為熱側(cè)翅片（內(nèi)部循環(huán)冷卻液通道，受冷卻液加熱，不與大氣接觸）和冷側(cè)翅片（直接與大氣環(huán)境接觸）。風(fēng)力發(fā)電作為可再生新能源，成為我國新能源發(fā)展的重點(diǎn)。近年來，海上風(fēng)電成為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢[7-8]。與陸上風(fēng)力發(fā)電相比，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處在海洋大氣環(huán)境中。海洋大氣環(huán)境中Cl-含量遠(yuǎn)高于陸上大氣環(huán)境，由于Cl-能通過吸附作用破壞鋁合金表面的氧化膜，加速鋁合金的腐蝕，使得鋁及其合金制品面臨嚴(yán)峻的腐蝕問題。

本文運(yùn)用失效分析的方法，探討在海洋大氣環(huán)境中運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電塔底鋁制散熱器失效的主要原因，為鋁制散熱器的防腐工作提供一定的理論依據(jù)。

1 應(yīng)用背景

本文的失效件是國內(nèi)某公司生產(chǎn)的風(fēng)電塔塔底散熱器，設(shè)計(jì)使用壽命5年，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該散熱器的使用環(huán)境是我國東部沿海海域，在2017年10月并網(wǎng)投入運(yùn)行，至2019年5月發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電異常。經(jīng)檢查，在風(fēng)電塔塔底的散熱器局部位置有冷卻液泄漏。該鋁制散熱器使用的材料為3003鋁合金，其固相線、液相線溫度分別為643 ℃、654 ℃[6];釬料為LT-3復(fù)合板，3003鋁合金表層包覆上一層4004鋁合金。散熱器使用的材料主要化學(xué)成分如表1所示。散熱器采用真空釬焊工藝生產(chǎn)。

2 宏觀分析

采用氣密性檢測方法找散熱器的滲漏點(diǎn)，如圖2所示。對失效產(chǎn)品加載一定的氣壓;觀察水槽中散熱器接口面與迎風(fēng)面狀況，散熱器接口面沒有明顯氣泡產(chǎn)生（圖2（b）），迎風(fēng)面則有小氣泡持續(xù)冒出（圖2（c））;裁剪冒泡區(qū)域得到單一散熱器通道（圖2（d））;通過氣密性檢測泄漏的具體位置，標(biāo)記、裁剪用于顯微分析（圖2（e））。

由圖2（e）可以看出，裁剪單一失效散熱器的泄漏點(diǎn)位于冷翅側(cè)，該處表層金屬氧化膜粗糙且呈灰色。初步判斷散熱器泄漏點(diǎn)是由冷翅側(cè)向熱翅側(cè)擴(kuò)展。失效原因是散熱器迎風(fēng)面處于海洋大氣區(qū)，海風(fēng)夾帶有一定的海鹽成分并在散熱器冷翅側(cè)處堆積，加上海洋大氣環(huán)境受濕度、溫度、雨量、風(fēng)速、太陽照射的影響而復(fù)雜多變，進(jìn)而在散熱器冷翅及隔板附近形成一個(gè)小型的海洋環(huán)境區(qū)[10-11]，使該處散熱器較容易發(fā)生腐蝕行為。腐蝕一般分為局部腐蝕和大氣環(huán)境中的海水腐蝕[11-13]。接下來，通過對泄漏點(diǎn)進(jìn)行化學(xué)成分分析、形貌分析，研究散熱器發(fā)生泄漏的具體原因。

3 微觀檢測

3.1 顯微形貌

采用掃描電子顯微鏡（Zeiss， SUPRA 40）觀察圖2（e）中散熱器正面泄漏點(diǎn)與未失效的散熱器表層形貌，如圖3所示。由圖3可知：鋁合金原有的保護(hù)膜受到了明顯的破壞，泄漏點(diǎn)腐蝕區(qū)域表層疏松，表層堆積著凹凸不平、塊狀或粒狀的腐蝕產(chǎn)物，有部分腐蝕產(chǎn)物已脫落，表面的腐蝕產(chǎn)物在內(nèi)應(yīng)力作用下發(fā)生龜裂，形成裂縫（圖3（a）、（b））;散熱器泄漏點(diǎn)位置還伴隨著發(fā)生了小范圍的剝層腐蝕[11]，表面點(diǎn)狀腐蝕產(chǎn)物呈灰白色，裂縫較少（圖3（c））;未受到腐蝕的散熱器（圖3（d））明顯有致密的保護(hù)膜，未出現(xiàn)圖3（a）、（b）、（c）的龜裂、裂縫及腐蝕產(chǎn)物層。

3.2 元素分布及成分分析

采用掃描電鏡能譜儀對泄漏點(diǎn)微區(qū)腐蝕產(chǎn)物元素分布情況進(jìn)行分析，如圖4所示。從圖4（b）可以看出，泄漏點(diǎn)附近有Cl、S、O、Na、Ca等海洋環(huán)境中元素存在。

采用能譜儀對泄漏點(diǎn)周圍的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行微區(qū)成分分析，如圖5所示。由圖5（b）可知：腐蝕產(chǎn)物表面存在Al、Si、K、Na、S、Cl等元素，其中，Al、Si元素主要來源于散熱器材料，K、Na、S、Ca、P、Ga、Cl等元素來源于海洋環(huán)境，C、O元素屬于殘留在表面的冷卻液。由于鋁合金在含有Cl-的介質(zhì)中容易通過吸附作用損傷氧化膜，加速鋁合金腐蝕進(jìn)程，發(fā)生點(diǎn)腐蝕與應(yīng)力腐蝕開裂的特點(diǎn)[12-14]，得出鋁合金在Cl-介質(zhì)下的點(diǎn)蝕過程（圖6）形成機(jī)理[15-16]：活性陰離子被吸附在金屬表面，并對氧化膜造成損傷，被破壞的金屬表面來不及修復(fù)，同時(shí)在電解質(zhì)中形成小陽極、大陰極的腐蝕電池隨著Cl-源源不斷地浸入形成孔穴，由于Cl-能刺激和加速鋁合金的點(diǎn)蝕[16-19]，導(dǎo)致點(diǎn)蝕的形成。點(diǎn)蝕在“自酸化催化”過程下不斷發(fā)展造成點(diǎn)蝕穿孔，最終導(dǎo)致零件失效，形成圖3（a）、（b）、（c）的形貌。

3.3 金相分析

對比未發(fā)生失效的散熱器剖面金相形貌與圖2（e）散熱器失效件泄漏點(diǎn)切開的剖面金相形貌，分析失效散熱器腐蝕擴(kuò)展過程，如圖7所示。由圖7可知：散熱器復(fù)合板并未出現(xiàn)熔蝕現(xiàn)象，未失效散熱器的冷翅側(cè)與熱翅側(cè)表層氧化膜完好無損，沒有受到腐蝕（圖7（a））;失效散熱器泄漏點(diǎn)處有明顯的裂紋以及腐蝕凹坑（圖7（b）、（c）），腐蝕坑尺寸均較小，呈垂直往內(nèi)擴(kuò)展，剖面呈皮下囊形、掏蝕形，顯微結(jié)構(gòu)取向呈水平形為典型點(diǎn)蝕坑的特征[9];將剖面繼續(xù)拋光，得到泄漏點(diǎn)貫穿的剖面（圖7（d）、（e））。結(jié)合圖7（d）、（e）可以看出：散熱器點(diǎn)蝕孔逐漸侵蝕至熱翅側(cè)，冷翅側(cè)已經(jīng)被完全破壞，在靠近熱翅側(cè)的位置腐蝕仍然在進(jìn)行。

結(jié)合能譜儀分析的結(jié)果：泄漏點(diǎn)周圍與腐蝕產(chǎn)物中都含有Cl元素，可知該散熱器腐蝕是由Cl-為主導(dǎo)的點(diǎn)腐蝕伴隨著應(yīng)力腐蝕。腐蝕過程：散熱器迎風(fēng)面的冷翅側(cè)直接與含有Cl-的海洋大氣接觸，對鋁合金鈍化膜造成損傷;并在電解質(zhì)的作用下發(fā)生自催化酸化（圖6）過程，逐步向散熱器冷卻液通道腐蝕至穿孔，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻液泄漏。

4 結(jié)論

綜上所述，散熱器應(yīng)用于近海地區(qū)的風(fēng)電塔底，長期暴露在含有Cl-海洋大氣的潮濕環(huán)境中，極易引起Cl-富集發(fā)生點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕坑在潮濕環(huán)境下逐步由迎風(fēng)面（冷翅側(cè)）向熱翅側(cè)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致散熱器點(diǎn)蝕穿孔，引起冷卻液發(fā)生泄漏失效。建議從兩個(gè)方面提高海上風(fēng)電塔底散熱器的使用壽命：一是在散熱器的使用過程中，設(shè)法提高散熱器的表面清潔度，降低散熱器表面陰離子的濃度，進(jìn)而降低海洋大氣對散熱器的腐蝕;二是在散熱器的生產(chǎn)工序中增加一道陽極氧化工藝，在散熱器表面形成一層致密的氧化膜，以提高散熱器的耐蝕性能。

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（責(zé)任編輯：周曉南）