工業冷卻水系統中防凍液PH對金屬腐蝕影響

閆蘭飛，王 鵬，樊道明，王 建，鄭繼春，高明星

（1.中鐵信大數據科技有限公司，天津 301700；2.中國鐵路信息科技集團有限公司，北京 100844）

中鐵信大數據科技有限公司成立于2017年，隸屬于中國鐵路信息科技集團有限公司（中國國家鐵路集團有限公司信息技術中心），主要負責中國鐵路主數據中心工程建設及運行維護工作。中國鐵路主數據中心是中國國家鐵路集團最高等級的數據處理中心，承載著中國鐵路集中應用系統部署及數據資源存儲，承擔著確保鐵路核心業務安全穩定運行的重要使命[1]，是鐵路信息化的重要基礎設施。

1 主數據中心制冷系統組成

主數據中心采用集中式工藝空調冷凍水制冷，配置2N獨立雙供、雙回容錯系統。制冷系統主要由冷卻水循環系統與冷凍水循環系統兩部分組成：冷卻水循環系統由冷卻水泵提供動力，經冷水機組冷凝器/板式換熱器、屋面冷卻塔回到冷卻水泵形成閉式循環；冷凍水循環系統由冷凍水泵提供動力，經冷水機組蒸發器/板式換熱器、蓄冷罐、機房空調、回到冷凍水泵形成閉式循環。

2 制冷系統冷卻側水質問題

2.1 冷卻側水質酸化

因缺少專業水處理服務商，制冷系統內添加乙二醇防凍液一段時間后現場水質出現酸化現象。針對現場水質暴露出的問題，2019年10月運維團隊多方咨詢行業專家，并實地勘察采用乙二醇防凍液水冷制冷系統數據中心企業對水質維護效果，經過反復論證，于2019年12月引入水處理服務商對現場水質進行專業治理、維護。

2.2 冷卻側水質治理

2.2.1 絡合清洗、鈍化預膜處理

冷卻側水質經過近1個月時間絡合清洗、鈍化預膜處理，通過第三方與專業水處理服務商各自檢測結果，得出：水質PH值得到明顯改善，但其它指標與預期差距較大。

2.2.2 水質專業維保

2020年1月~2020年5月中旬，水處理服務商對現場冷卻側水質進行“帶病”維保階段，溶液濁度由50NTU升高至350NTU，水質中懸浮顆粒(如腐蝕產物、微生物殘骸等）增長迅速。

2.2.3 水質整改

2020年3月，運維團隊針對現場水質狀況整理問題發生、處理過程、整改建議并形成專題報告，全力推動問題整改，最終經多方確認于2019年6月開始對現場水質進行置換處理。冷卻側水質經過2020年6月中旬至9月中旬近三個月時間整改，各項指標均達到國家控制標準要求（如圖1、圖2）。

表1 水質置換整改后，各項指標檢測結果

圖1 整改前水樣

圖2 整改后水樣

3 水質酸化分析

3.1 乙二醇防凍液酸化分析

（1）純凈乙二醇為無色、無臭、透明粘稠液體。乙二醇溶液內含有較活潑的氫鍵以及羥基，活潑氫、羥基與溶解氧反應生成有機酸，富氧情況下進一步被氧化成草酸,對碳鋼、銅等有色金屬具有很強的腐蝕性；乙二醇化學性質比較活躍，容易發生聚合反應生成高分子物質，高分子物質進一步被氧化成聚合物有機酸產生沉積結垢，載冷劑酸性增強。

（2）乙二醇防凍液發生酸化后與管道壁發生反應生成Fe2+，Fe2+具有強還原性，被防凍液內溶解氧氧化為Fe3+，酸性環境中Fe3+為游離態，具有較強的氧化活性。鐵和純水反應放出氫，同時乙二醇在使用過程中與空氣接觸容易產生氣泡，氣泡在潰滅過程中產生的微射流或沖擊波對設備產生損傷-穴蝕（又稱氣蝕、空蝕），造成系統管路或換熱設備逐漸被腐蝕穿孔產生滲漏，嚴重威脅制冷系統安全穩定、連續不間斷運行。

圖3 鋼鐵腐蝕示意圖[2]

以碳鋼為例，碳鋼和乙二醇水溶液接觸會發生電化學反應，活潑金屬鐵作為陽極失去電子，其它不活潑物質作為陰極得到電子。

析氫腐蝕（酸性條件）：

陽極：Fe-2e=Fe2+；陰極：2H++2e=H2。

吸氧腐蝕（富氧環境）：

陽極：2Fe-4e=2Fe2+；陰極：O2+H2O+4e=4OH-。

（3）部分乙二醇生產工藝過程中伴隨有乙二酸，若成品乙二醇純度不高，將會導致其PH略顯酸性。

3.2 PH對金屬腐蝕影響

制冷系統管路中與冷卻液直接接觸金屬材質主要包含：碳鋼（無縫鋼管管道）、硬紫銅（冷卻塔換熱銅管、冷水機組內部換熱銅管）、不銹鋼（板式換熱器換熱板片），PH值對銅以及碳鋼腐蝕影響如下（如圖4、圖5所示）。

圖4 金屬受PH值腐蝕速率

圖5 溫度25℃，不同PH值碳鋼腐蝕速率[3]

說明：

（1）酸性越大，銅腐蝕速率越大，當PH＞8時，銅的腐蝕速率趨于平緩。

（2）8＜PH＜11時，對管道腐蝕速率幾乎不變且最小；當PH＜8或PH＞11時，管道腐蝕速率升高。

綜合考慮，為降低溶液對管道腐蝕影響，冷卻液內應添加一定量酸性抑制劑，維持溶液 8＜PH＜11水平。

4 新型防凍液選型研究

4.1 調研研究

為避免再次出現冷卻塔換熱銅管被凍以及添加防凍液后水質出現酸化情況發生，運維團隊經過近一個月探尋并通過現場實地參觀、考察，最終尋找到新型LM-4冰河冷媒防凍液，2019年11月份現場完成新型LM-4冰河冷媒防凍液加注工作。

4.2 LM-4冰河冷媒產品介紹[3]

LM-4型冰河冷媒由改性二元醇構成，主要添加劑包括防腐蝕劑、防霉劑、增溶劑、水穩劑等。外觀為淺色液體、安全低毒、無異味、不易燃、不易揮發。20℃時密度為1.04g/cm3，比熱為0.56cal/g℃，粘度為15.9cP，熱導率為0.21W/m·K，沸點高于130℃，冰點低于-60℃，閃點為100℃。

LM-4冰河冷媒優點：

（1）冰河冷媒導熱系數高。冰河冷媒高導熱系數有利于熱量傳遞，提高換熱效果，降低設備換熱面積，節省物理空間。

（2）冰河冷媒粘度低。低粘度冰河冷媒防凍液利于管路系統內循環，對循環泵等動力設備揚程需求小，一定程度上節省動力資源投資。

（3）冰河冷媒比熱容大。單位體積冰河冷媒防凍液輸送冷量多，減少原液用量，節省投資。

（4）冰河冷媒防銹、防氣蝕性強。冰河冷媒防凍液低腐蝕性在一定程度上可延長設備的使用年限，節省成本。

針對金屬腐蝕原理，冰河冷媒通過添加有機、無機緩蝕成分，中和H+離子調節溶液PH值，延緩O2與金屬表面反應速率；同時緩蝕劑與金屬表面發生化學反應，鈍化形成致密的氧化物保護膜，阻止溶液中的O2、H+離子與金屬表面接觸，從而起到良好的防腐性能。

5 冷卻側水質現狀

2019年11月現場完成新型LM-4冰河冷媒防凍液添加工作至今，制冷系統冷卻側水質各項指標符合國家相關規范要求。

表2 制冷系統水質檢測結果匯總表