发电机铜导线受内冷水腐蚀的机理与防护
点击数：7472 次 录入时间：03-04 11:51:14 整理：http://www.55dianzi.com 电工基础
我国有相当数量在线运行的发电机采用直接水冷方式进行冷却，有的采用单水内冷，有的采用双水内冷。对于它的腐蚀性，国内外都进行过大量的试验研究和现场测试工作，对影响铜导线腐蚀的许多重要因素有了较深入的了解，并采取过一些相应的预防措施，即使如此，运行中的电机铜导线的腐蚀事故仍然时有报导。
本文将对铜导线腐蚀的机理和铜导线的防腐作一些探讨。 1 铜导线的腐蚀机理
发电机铜导线的材质一般为紫铜，在不加保护的情况下，其腐蚀速率一般为0．002～0．05 g／（m2·h），氧是主要的腐蚀剂，水中二氧化碳的含量和pH值对腐蚀程度影响较大。在ρ（O2）＝0．1～2mg/L,p(CO2)=1-5mg/L,pH=6.5-7.8的条件下，溶解的氧与铜相互作用，形成氧化膜：
这些氧化铜会均匀地覆盖在铜表面上，它的保护性能较差，不能防止基体腐蚀过程的进一步发生。腐蚀过程中，腐蚀形成的一价铜离子被溶解氧氧化为二价铜离子，在没有专门的保护措施时，腐蚀强度便取决于氧的浓度和Cu2＋的含量。
但是，当发电机冷却系统运行时，铜导线的腐蚀与氧化铜的形成过程有关，氧化铜的形成速度取决于铜离子的含量、溶液的p H值和温度。
要使溶液中的氧化铜沉淀，必须使Cu2＋浓度高于CuO的溶解度；反之，氧化物溶解。氧化铜溶解曲线如图1所示。
当pH由3增加到7时，铜氧化物饱和溶液浓度由1 mol／L减少到10－9 mol／L；p H为7～9之间时，氧化铜的溶解得到缓冲；进一步提高pH会引起溶解度急剧增大，结果在溶液中形成阴离子和。
在实践中，甚至于当Cu2＋的浓度可能最小时，也大大超过CuO的溶解度，即所有的实际溶液都是热不稳定的。为什么会产生这种现象呢？应该说是Cu2＋在内冷水中以胶体状态存在的缘故。
实际上，氧化铜的溶解度受温度的影响特别大。在pH≤7时，溶解度随温度的升高而急剧下降；当pH≥9时，氧化铜在水中的平衡浓度呈现出很强的相反特性——溶解度随温度的增加而增加；当7≤p H≤9时，溶解度最小。 2 铜导线腐蚀的影响因素
2．1 氧
水中氧饱和时，氧的质量浓度为6～13 mg／L；当水与空气直接接触时，水中氧的质量浓度为1．4～3．2 mg／L。实验证明，在工作温度下饱和氧的质量浓度为0．3～2．0 mg／L时，腐蚀特别严重；当氧的质量浓度进一步增加到12 mg／L时，腐蚀情况实际上变化甚微，这是因为形成了Cu2 O保护膜的缘故；氧的质量浓度为0．3～10 mg／L时，腐蚀值改变，但并不那么激烈。
2．2 二氧化碳
二氧化碳对于冷却水系统的防腐是极为不利的。它主要有两方面的危害：其一，二氧化碳溶于水后使水的pH降低，氧化铜的溶解度增大；其二，它可以参与化学反应，使铜的氧化腐蚀产物由Cu2 O转化为碱式碳酸铜2CuCO32Cu（OH）2，该物质是一种脆弱的腐蚀产物，在水流的冲刷下极易剥落。
总之，二氧化碳破坏了初始氧化层的保护作用，使腐蚀继续进行下去，并且其腐蚀速度随溶解在水中的二氧化碳质量浓度的增大而增大。
2．3 内冷水
2．3．1 电导率
水的电导率对铜的腐蚀影响很大，一般认为内冷水的电导率维持在1～10μS／cm范围内较好，超过此值，腐蚀会显著增加。当电导率不大于1μS／cm时，水中的电介损失固然会减小，但同时使铜的溶解度大大增加。纯水是一种很强的、能溶解很多物质的溶剂，金属在水中具有一定的可溶性。与它们的化合物相比，除铂、金外，金属都具有比较高的自由能，具有通过反应形成氧化物和其它化合物，从而达到较高稳定性的趋势。即使撇开氧化的因素，金属也能以离子或自由微粒的状态直接溶于水中，其自由能越大，在水中的可溶性也越大。水中溶解的金属会使电导率增加，采用不断清除溶解金属的办法，使内冷水电导率维持在较低范围内，却又会使铜的溶解速度增大。所以，从腐蚀的观点看，电导率过低并非好事。有资料表明，当水的电导率由1μS／cm减小到0．5μS／cm时，铜的腐蚀增加了1．8倍；当电导率减小到0．2μS／cm时，其腐蚀增加了35倍。如图2所示。
水中存在溶解气体、金属和盐类氧化物，以及其它有机物，这些众多的杂质使水具有导电性，也对铜产生了腐蚀性作用，这就直接反映出了电导率越高，腐蚀性越强的关系。但是，在一定范围内，电导率的升高引起腐蚀加快的速度不及电导率太低引起腐蚀加快的速度。
2．3．2 温度
一般地说，温度升高，腐蚀速度也会增加。对于密闭式隔离系统的发电机，温度升高，氧化作用加快，固体在水中的溶解加快，导致腐蚀加快。对于敞开系统的发电机，一方面温度升高产生上述现象，使腐蚀加快；另一方面温度升高会使水中气体溶解度降低，减缓腐蚀。在敞开系统的发电机中，温度由30℃升到60℃时，腐蚀逐渐加大；温度继续上升，腐蚀逐渐减小，形成一种所谓的"中间大，两头小"状态。
2．3．3 流速
冷却水的流动产生两方面的影响：
a）水的流速越高，机械磨损越大。资料表明：当电解铜空心线内冷却水的流速为0．2m／s时，月腐蚀量约为0．7 mg／cm2；当水的流速达到1．65m／s时，月腐蚀量可达2mg／cm2；水的流速超过5 m／s时，还会产生气蚀现象。
实际生产的电机其耐磨性比电解铜要好，当水流速度为3 m／s时，需要350年时间，空心铜线内表面磨损深度才达到0．15 mm，这说明空心铜导线有相当长的寿命。在进行电机设计时，水流速度计算值一般小于2 m／s，与其它腐蚀相比，水流动引起的机械磨损并不重要。
b）水的流动会加速水中腐蚀性物质向金属表面迁移，并破坏钝化膜。大量的实验数据表明，铜的腐蚀速度会随流速的增大而增大。
2．3．4 pH
在水中，铜的电极电位低于氧的电极电位。从化学热力学的观点看，铜是能被氧化腐蚀的。腐蚀反应能否不断地进行下去，取决于腐蚀产物的性质。如果它在铜表面的沉积速度很快，而且又很致密，就起到了保护作用，即形成了所谓的保护膜；反之，腐蚀沉积物不能形成保护膜，腐蚀就会不断地进行下去。
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