乙二醇型防凍液對(duì)艦船射頻冷卻管網(wǎng)系統(tǒng)的腐蝕性實(shí)驗(yàn)分析

張軒1，馮超，閻瀚章3，謝承利1，李思寧1，萬忠民3，喬瑜

(1.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；2.華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；3.湖南理工學(xué)院，湖南 岳陽 414006)

射頻設(shè)備、尤其是大功率射頻設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的熱，這些熱量如果得不到有效疏導(dǎo)會(huì)導(dǎo)致電路板的熱量聚集，造成設(shè)備損傷，影響使用壽命。因此，冷卻系統(tǒng)是射頻設(shè)備正常使用的重要保障。乙二醇水基型防凍液沸點(diǎn)高、冰點(diǎn)低、粘度適中并且隨溫度變化小、熱穩(wěn)定性好，是國內(nèi)外較為通用的防凍型冷卻液，廣泛應(yīng)用于各型液冷式冷卻系統(tǒng)[1]。

然而，由于乙二醇長期運(yùn)行或儲(chǔ)存過程會(huì)被氧化，生成酸性乙二醇衍生物如乙二酸、乙醛酸、乙醇酸等，會(huì)對(duì)金屬材料制成的冷卻系統(tǒng)造成腐蝕破壞，影響系統(tǒng)安全[2]。此外，乙二醇型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液在使用過程中容易產(chǎn)生泡沫，氣泡在潰滅過程中產(chǎn)生的微射流或沖擊波會(huì)對(duì)機(jī)件產(chǎn)生穴蝕損傷[3]。因此，乙二醇型防凍液應(yīng)用于艦船射頻冷卻系統(tǒng)需要考慮到艦船作業(yè)的高強(qiáng)度、長周期特性以及高可靠性要求，特別是射頻冷卻管網(wǎng)長期運(yùn)行條件下管網(wǎng)材料對(duì)乙二醇溶液的耐腐蝕特性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了研究艦船射頻冷卻管網(wǎng)對(duì)乙二醇冷卻液的耐腐蝕特性，參考實(shí)船系統(tǒng)(管路及連接件、閥件、泵殼及葉輪、傳感器等)相同的材質(zhì)和主要構(gòu)件，搭建一套小型射頻冷卻管網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，以開展長時(shí)段運(yùn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

圖1 腐蝕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意

管網(wǎng)共設(shè)置3條試驗(yàn)支路，泵、截止閥、溫度計(jì)、分液器、集液器與流量調(diào)節(jié)部件布置在主流路上。實(shí)驗(yàn)管路共4根，其中3根分別作2、4、6個(gè)月的加速試驗(yàn)，1根做6個(gè)月的常規(guī)流速試驗(yàn)。常規(guī)流速試驗(yàn)流速參考實(shí)船主管流速2.1 m/s，加速試驗(yàn)流速為4.2 m/s。

實(shí)驗(yàn)使用的乙二醇冷卻液為65#航空防凍冷卻液，其詳細(xì)特性參數(shù)見表1。

表1 65#乙二醇冷卻液(含蒸餾水)特性參數(shù)

1.2 測試內(nèi)容及方法

1.2.1 腐蝕速率測試

管網(wǎng)長時(shí)運(yùn)行過程，由于冷卻液不斷沖刷管路內(nèi)表面，同時(shí)在化學(xué)腐蝕的共同作用下，沖刷部位會(huì)出現(xiàn)減薄造成的樣品腐蝕失重，通過測量該失重情況進(jìn)一步分析計(jì)算出系統(tǒng)的腐蝕速率。腐蝕速率計(jì)算公式如下。

(1)

式中：VL為腐蝕速率，mm/a；m1為腐蝕前金屬質(zhì)量；m2為腐蝕后金屬質(zhì)量；ρ為金屬密度(按8.0 g/cm3)；T為腐蝕時(shí)間；S為腐蝕金屬面積(試驗(yàn)取長100 mm、內(nèi)徑20 mm的管)。

1.2.2 腐蝕形貌觀測

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將測試管段做成切片，觀察并采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)切片樣品表面進(jìn)行形貌觀測，對(duì)比分析系統(tǒng)運(yùn)行前后測試管段表面的形貌變化，得出腐蝕情況(腐蝕類型、腐蝕坑數(shù)、坑深情況)，詳細(xì)描述腐蝕的部位、腐蝕產(chǎn)物的分布(是否均勻)、厚度、顏色、結(jié)構(gòu)(分層狀、粉狀或多孔)、緊密度(松散、緊密、堅(jiān)硬)等。

1.2.3 腐蝕產(chǎn)物特性檢測

腐蝕的發(fā)生伴隨著腐蝕產(chǎn)物生成。通過分析腐蝕產(chǎn)物，即可查找腐蝕的原因，評(píng)估系統(tǒng)的耐腐蝕性能。腐蝕產(chǎn)物包括溶液部分和沉淀部分。Fe、Cr、Ni是316L不銹鋼中含量排名前三位的化學(xué)元素，所以，通過檢測溶液中Fe、Cr、Ni元素的含量即可反應(yīng)化學(xué)腐蝕的情況。管網(wǎng)長時(shí)間運(yùn)行結(jié)束后，使用孔徑5 μm濾膜將冷卻液樣本進(jìn)行過濾，取一定量的過濾后的冷卻液作為檢測樣品，通過電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICPMS)對(duì)Fe、Cr、Ni元素成分濃度進(jìn)行定量分析。濾膜烘干后，用清潔度檢測系統(tǒng)(JOMESA HFD)分析濾膜上的顆粒物，測量粒徑≥40 μm和≥80 μm的顆粒物含量，即腐蝕沉淀產(chǎn)物含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐蝕速率測試

各測試管段結(jié)束不同時(shí)間運(yùn)行后的腐蝕速率測試結(jié)果見表2。

表2 腐蝕速率試驗(yàn)記錄

從表2發(fā)現(xiàn)：①乙二醇冷卻液對(duì)以不銹鋼為主體材料的冷卻管網(wǎng)的腐蝕速率大約為0.001～0.002 5 mm/a，對(duì)比表3中的標(biāo)準(zhǔn)[4]，判斷管網(wǎng)材料相對(duì)于乙二醇冷卻液為“很耐腐蝕材料”級(jí)別，具備相對(duì)較好的系統(tǒng)抗腐蝕安全性能。②當(dāng)冷卻液流量為4.75 m3/h時(shí)，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長由2個(gè)月提升至6個(gè)月，平均腐蝕速率由0.002 5 mm/a下降至0.001 2 mm/a，表明隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長，腐蝕強(qiáng)度開始減緩；并且，運(yùn)行時(shí)長4個(gè)月的平均腐蝕速率比運(yùn)行時(shí)長為2個(gè)月的降低了35.7%，而運(yùn)行時(shí)長6個(gè)月的平均腐蝕速率比運(yùn)行時(shí)長為4個(gè)月的降低了23.4%，表明隨著運(yùn)行時(shí)間變的更長，腐蝕速率下降的同時(shí)，下降幅度逐漸變小。③通過對(duì)比1號(hào)和4號(hào)測試管件可知，當(dāng)冷卻液流速提升后，管件的腐蝕程度加強(qiáng)，平均腐蝕速率提升，然而平均腐蝕速率提升幅度為19.2%，遠(yuǎn)小于冷卻液流速的提升幅度(200%)，表明乙二醇冷卻液流速的提升會(huì)對(duì)不銹鋼管的腐蝕程度產(chǎn)生有限的提升。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，乙二醇冷卻液會(huì)對(duì)管網(wǎng)造成極為有限的輕微腐蝕，且腐蝕作用隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長的增加而減弱。

表3 金屬腐蝕速率評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 腐蝕形貌觀測

冷卻系統(tǒng)經(jīng)過不同時(shí)長和流速的運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)前后管內(nèi)壁切片并無肉眼可見的腐蝕痕跡。值得注意的是，在系統(tǒng)管段焊接處可以觀察到較為顯著的腐蝕跡象：表面出現(xiàn)紅褐色粗糙形態(tài)，且紅褐色位置緊密、堅(jiān)硬。

不同條件下管壁的SEM形貌見圖2。圖2a)顯示，管壁與冷卻液接觸前的SEM形貌，為溝壑和凸起分布較為均勻的粗糙表面。經(jīng)過系統(tǒng)不同時(shí)長、不同流速的運(yùn)行，圖2b)、c)、d)、e)顯示出冷卻液沖刷后管壁的形貌與圖2a)并無顯著變化，即無明顯腐蝕的物理痕跡顯現(xiàn)。以上進(jìn)一步說明乙二醇冷卻液對(duì)實(shí)驗(yàn)管網(wǎng)不銹鋼材料有較好的防腐蝕效果。

圖2 實(shí)驗(yàn)前后管壁腐蝕SEM形貌觀測結(jié)果

2.3 腐蝕產(chǎn)物特性檢測

冷卻液原溶液和經(jīng)過不同時(shí)長運(yùn)行后的冷卻液透明度對(duì)比見圖3。

圖3 原溶液和各實(shí)驗(yàn)周期溶液透明度對(duì)比

結(jié)果表明原溶液和各試驗(yàn)周期溶液目測觀察皆為均勻橙黃色略帶微渾濁的透明液體，無明顯腐蝕變質(zhì)情況。

實(shí)驗(yàn)前后冷卻液中3種金屬離子的濃度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化見圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行前后冷卻液中Fe、Ni、Cr離子濃度

結(jié)果表明隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的提升，冷卻液中的Fe離子濃度顯著提升，從56.02 μg/kg提升至225.82 μg/kg，6個(gè)月提升4倍；其次是Ni，從12.98 μg/kg提升至40.51 μg/kg，6個(gè)月提升3倍；Cr有較為微弱的提升，提升幅度為46.8%。冷卻液離子濃度檢測進(jìn)一步驗(yàn)證了冷卻液在運(yùn)行過程中對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的化學(xué)腐蝕，其中化學(xué)過程以Fe元素遷移為主。含有羥基的乙二醇易氧化產(chǎn)生酸性衍生物，加速管網(wǎng)中Fe元素向乙二醇溶液中遷移；當(dāng)溶液蒸發(fā)后，F(xiàn)e離子析出形成氧化物，這也解釋了焊接管段較為明顯的紅褐色腐蝕痕跡(氧化鐵銹蝕顏色)。

實(shí)驗(yàn)開展前后冷卻液中顆粒物含量隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化見圖5。

圖5 冷卻液中國顆粒物含量隨時(shí)間變化趨勢

主要對(duì)≥40 μm和≥80 μm兩個(gè)粒徑段微粒進(jìn)行分析對(duì)比。從圖5可知系統(tǒng)運(yùn)行后冷卻液中懸浮的顆粒物數(shù)量顯著增多：系統(tǒng)運(yùn)行2個(gè)月后，≥40 μm顆粒從剛開始的6.9個(gè)/100 mL提升到30.8個(gè)，提升了近5倍；而≥80 μm顆粒從6.2個(gè)提升至12.3個(gè)，提升了近2倍。然而，隨著冷卻系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行，冷卻液中懸浮的顆粒數(shù)量并沒有繼續(xù)提升，反而呈下降趨勢：系統(tǒng)運(yùn)行6個(gè)月后，≥40 μm顆粒下降至26.0個(gè)/100 mL，≥80 μm顆粒下降至7.0個(gè)/100 mL。以上表明，在實(shí)驗(yàn)初期，腐蝕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部由于冷卻液不斷沖刷，在與化學(xué)腐蝕共同作用下，表面有一些顆粒物脫落，但是隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1)經(jīng)過了6個(gè)月雙倍流速下的沖刷，乙二醇冷卻液僅對(duì)管壁造成有限的肉眼不可查的輕微腐蝕，腐蝕情況體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)前后管段重量的減少、冷卻液中Fe、Ni等管網(wǎng)材料典型元素離子濃度的顯著提升以及懸浮顆粒數(shù)量的提升。

2)乙二醇冷卻液對(duì)以不銹鋼為主體材料的冷卻管網(wǎng)的腐蝕主要作用在系統(tǒng)運(yùn)行初期(前2個(gè)月內(nèi))；腐蝕速率約為0.001 0—0.002 5 mm/a。

3)冷卻液中離子濃度變化和懸浮顆粒變化情況表明冷卻液對(duì)管網(wǎng)的腐蝕主要作用可能包括化學(xué)腐蝕和物理沖刷。

總體而言，以不銹鋼為主體的艦船射頻冷卻管網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)65#冷卻液具有較好的抗腐蝕性能。