发电机铜导线腐蚀因素分析及应用

发电机铜导线腐蚀因素分析及应用

摘要：发电机铜线棒腐蚀主要是电化学腐蚀。溶解氧、二氧化碳、pH值、温度等是铜腐蚀的重要影响因素。铜的腐蚀速度随着溶解氧含量的增加先变大再减小，当溶解氧含量为300μg/L时，铜的腐蚀速度最大；二氧化碳不仅降低了pH 加速了铜的腐蚀，同时使电导增加加速腐蚀，也破坏了绝缘的气氛；pH对铜腐蚀影响与溶解氧相反，先减小再增大，在pH=7～9时铜最稳定。

1 绪论

发电机的定子和转子在运行过程中会产生大量的热量，由此导致发生发电机烧毁等重大事故，损失极大，因此必须用冷却介质不断把热量带走，尽可能的降低发电机关键部位的温度，类似事故才可能避免，发电机内冷水处理由此应运而生。

发电机内冷水是大型发电机组的重要运行冷却介质之一，为了保证发电机安全经济运行，内冷水应满足以下要求：有较低的电导率，防止发电机线圈的短路；对发电机的空心铜导线和内冷水系统应无侵蚀性；不允许发电机冷却水中的杂质，在空心导线内结垢，以免降低冷却效果和堵塞铜线棒等。国标DL/T801—2002《大型发电机内冷却水质及系统技术要求》中详细地规定了水质标准。

表1 国标DL/T801—2002

pH值(25℃) 电导率(25℃)

μS／cm

硬度

μmol／L

含铜量

μg／L

溶氨量

μg／L

溶氧量

μg／L

7.0～9.0 ≤2.0 ＜2.0 ≤40 ＜300 ≤30

全密闭式内冷却水系统

2铜导线的腐蚀机理

紫铜在纯水介质中几乎不发生腐蚀，而在含有氧化剂的条件下腐蚀明显加快。水内冷发电机的纯铜空芯导线中，使用的冷却介质虽然是除盐水或凝结水，但由于系统不严密，所以冷却水中除含有大量溶解氧外，还含有氯离子、铜离子和碳酸等物质，使腐蚀机理变得复杂起来。一般认为铜在纯水中的腐蚀主要发生以下的反应：

阳极：Cu + H2O→Cu2O + 2H+ + 2e

阴极：O2 + 2H2O + 4e→4OH-

铜基体表面最初形成的Cu2O氧化层部分被氧化成CuO，氧化层主要由Cu2O和CuO组成。在某些条件下还有少量的氧化膜的水解产物Cu(OH)2以及由于二氧化碳作用形成的CuCO3。另外当内冷水中氯离子较多时，膜氧化物晶格中的O2-可能被Cl-取代，从而改变了表面膜的性质。形成的保护膜均匀、致密并且具有很好的保护性，反之就会加快铜的腐蚀溶解。

3纯水中铜腐蚀及其影响因素

与大气直接接触或密封不严的纯水中含有大量溶解氧、游离二氧化碳，因而造成铜材的腐蚀及腐蚀产物在设备中的沉积。影响铜在纯水中均匀腐蚀的因素主要有水的溶解氧、pH值、水温、电导率以及二氧化碳等。

3.1 溶解氧

水中溶解氧饱和时可达6—13mg/L，而水一般与空气接触时，水中溶解氧含量为1.4—3.2 mg/L。水中溶解氧具有双重性质在一定条件下起腐蚀作用；但溶解氧含量过高或过低对腐蚀又都有延缓作用。溶解氧在铜的腐蚀中充当阴极去极化剂，用通氮除氧的方法在除盐水中进行了氧的质量浓度实验。

图1 中性盐水中铜腐蚀速度与氧含量关系曲线

结果表明当溶解氧的含量很低时(<0·01 mg/L)，溶液中铜离子含量很小，只有20μg/L；随着氧的质量浓度的增大，溶认中铜离子的含量逐渐增大，当增大到0.06 mg/L时溶液中铜离子含量达最大值(300μg/L左右)，随后铜离子含量开始随氧浓度的增大而下降；当氧的质量浓度进一步增加到12 mg/L时，铜的腐蚀也比较小，但还是高于低氧时的铜离子含量。这是因为形成了牢固致密的CuO2保护膜，阻止阴极反应的进行。

3.2 pH值

从电位—pH值平衡图分析，25℃时铜稳定的pH值区间在7~10之间，这一

区间内铜表面生成致密完整的保护膜，阻止了铜基体的进一步腐蚀。对于内冷水系统pH值按GB/T 2145-1999标准一般控制在大于6.8即可。铜的电极电位高，pH值在铜的腐蚀中起重要的作用。

图2 pH与铜腐蚀速度关系曲线

由图可知，当pH值低于6.8时，水质呈弱酸性，水中的氢离子与铜的氧化膜反应。此时，铜处于腐蚀区，表面很难形成稳定的表面膜，铜的腐蚀急剧增加。当然对于某些特殊设备pH值也不能过高，pH值越高相应的电导率也越大，电导率过大会带来一些不良影响。纯水中用氢氧化钠调节pH值的实验结果表明：pH值在6.2~9.0之间时，随着pH值的增大，铜离子含量降低。pH值达到9时，溶液中的含铜量仅为18μg/L。从表面状况看来主要的氧化产物是Cu2O,有时会出现少量的CuO。

3.3 水温

温度上升会使铜发生氧化反应的速度加快，这样就会加快铜的腐蚀速度。但另一方面，温度升高将使水中气体(如氧和二氧化碳)的溶解度降低，对铜的缓蚀将产生有利影响。目前对于温度的影响规律的结论尚未统一，有待于进一步研究。有的实验结果表明在30~80℃的温度范围内铜离子含量随温度的升高而降低，有的则认为随着温度的升高铜离子含量出现先下降后升高的趋势，在60℃附近时铜离子含量出现一个极小值。

3.4 电导率

水中导电离子含量越多，溶液体系的电阻越小，阴阳极电极反应的阻力就越小，铜的腐蚀就会加快。铜的腐蚀溶出量随水的电导率的增加而增加，但是溶液的体系电导率过低又会导致铜的溶解腐蚀增大。

图3除盐水电导率与铜溶解度关系曲线图4除盐水电导率与铜腐蚀速度关系曲线用硫酸钠调节纯水的电导率在1到6μS/cm范围变化，结果表明随着电导率的上升，水中铜离子含量出现明显的上升趋势。综合考虑铜的自溶解和腐蚀，水的电导率在1—2μS/cm之间时，铜的腐蚀速度最小。

2.5 CO2含量

图5溶入CO2的除盐水体系pH与电导率关系图6除盐水体系含碳量与pH关系由图可知，纯水系统中，CO2的溶解可使水的pH值低于6.8，一方面导致铜腐蚀的发生。另一方面水中CO2可能破环铜管表面的初始氧化膜，使铜管表面的氧化铜保护膜变成碱式碳酸铜，反应式如下：

2Cu2O+2CO2+2H2O+O2→2CuCO3.2Cu(OH)2

生成的碱式碳酸铜在水流的冲刷下很容易剥落，铜的基体更容易遭到腐蚀。随着二氧化碳含量的增大，铜的腐蚀溶出速度也增大。此外，CO2的溶解会增加纯水的电导率，增加了铜发生腐蚀的可能性，也可能造成绝缘氛围被破坏。

4. 铜一水体系的电位一pH平衡图

4.1铜一水体系的电位一pH平衡图