液冷系统腐蚀防护

液冷系统腐蚀防护

保护系统免受泄漏和性能下降影响

腐蚀可能导致系统热性能下降（由于传热表面结垢）、流量减少（由于腐蚀沉积物堵塞缩小管径），并最终因腐蚀损坏而需要更换系统部件。

腐蚀是材料（通常是金属）与其所处环境之间发生的化学或电化学反应，会导致金属及其性能劣化。我们首先讨论化学腐蚀，然后再讨论电偶腐蚀。金属部件腐蚀是水和水/乙二醇冷却系统固有的问题，多数金属遇水都会发生自然氧化。水中的溶解氧会加速大多数腐蚀过程。在封闭回路系统中，溶解氧会随时间被消耗，不再构成腐蚀风险。开放回路系统持续与空气接触，氧气会溶入冷却液，因此相比封闭回路系统更容易出现各类腐蚀问题。

腐蚀通常分为全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀是指金属在整个表面上发生均匀损耗。全面腐蚀通常不会导致系统快速失效，因为在金属破裂之前就可以发现金属损耗情况。局部腐蚀的可预测性较差，通常表现为点蚀，会快速穿透金属，形成蚀坑或者孔洞。另一种常见的局部腐蚀形式是气蚀，产生原因是液体内部形成蒸汽空泡。当金属表面附近的局部压力低于液体的蒸汽压时，就会发生这一过程。蒸汽泡溃灭或内爆时会释放巨大能量。这会对系统部件造成严重点蚀，产生噪音，并导致泵效率下降。

潜在腐蚀问题

腐蚀会引发多种问题，最严重的是穿孔，可能导致冷却液泄漏。其他问题可能包括由表面水垢引起的热传递减少，当金属与冷却液中的氧气、氯化物和/或缓蚀剂反应并重新沉积到金属表面时，会形成一层传热屏障。此外，还可能造成颗粒过滤器堵塞，以及机械密封件损坏问题。

铜发生腐蚀时，更多见的是全面腐蚀，而不是点蚀。铜接触氨、氧气或者高含硫流体时，通常会发生全面腐蚀。影响铜的另一种腐蚀来源是流体中溶解的盐，例如氯化物、硫酸盐和碳酸氢盐。

对铝而言，点蚀是最常见的腐蚀形式。点蚀通常由卤化物离子的存在引起，液冷回路中最常见的是氯离子 (Cl-)。铝在暴露于空气的卤化物溶液中发生点蚀，是因为在有氧条件下，金属很容易极化到其点蚀电位，自然形成的保护性氧化层或薄膜会被击穿。这层膜在 pH 值约为 4.0 至 8.5 的水溶液中是稳定的。这层膜具有自然自修复能力，表面氧化膜的意外磨损或其他机械损伤可快速修复。伊顿强烈建议，铝系统使用水介质时必须添加缓蚀剂，以保持传热表面洁净。

不锈钢通常用于腐蚀性环境，但与铝一样，不锈钢对氧化环境中的高浓度氯化物 (>100 ppm) 较敏感。点蚀仍是不锈钢合金最常见且破坏性最强的腐蚀形式之一，但可通过确保材料接触氧气，并尽可能避免接触氯化物加以预防。铬含量高，尤其是同时含有钼、氮元素的不锈钢，抗点蚀性能更优异。

未添加缓蚀剂的乙二醇引起的腐蚀

研究表明，在受热、有氧，同时接触铜、铝等冷却系统常用金属的条件下，未添加缓蚀剂的乙二醇会分解生成五种有机酸——乙醇酸、乙醛酸、甲酸、碳酸和草酸。铜和铝会对未添加缓蚀剂的乙二醇起到催化作用。在极端条件下（212°F 且向未添加缓蚀剂的乙二醇溶液中通入氧气），仅需三周，这些有机酸就会化学侵蚀铜、铝，在流体中形成金属有机化合物，可能导致管道、泵、阀门等部件堵塞。

其他资料表明，铜和铝与未添加缓蚀剂的乙二醇相容，但这些建议给出的依据通常为一项在不同温度条件下开展的为期两周的金属化学相容性研究。在极端条件下，未添加缓蚀剂的乙二醇通常要到三周后才开始降解。这意味着乙二醇可能会降解为不含缓蚀剂的酸性乙二醇，具有腐蚀和溶解金属的能力。

腐蚀防护

一般来说，可以通过控制 pH 值并使用缓蚀剂来减轻腐蚀。缓蚀剂附着在金属表面，使其钝化，从而抑制腐蚀。维持水流稳定也十分重要，以免冷却系统内部出现会引发腐蚀的滞留区。

在腐蚀防护工作中，还需要考虑水质。天然水的腐蚀性会因其化学成分不同而差异巨大。氯化物具有腐蚀性，如果自来水中的氯化物含量超过 100 ppm，应尽量减少或避免使用。还需要考虑水的硬度，因为硬水中含有钙和镁，会在金属表面形成水垢。强烈建议使用去离子水、脱盐水或者经过反渗透处理去除有害矿物质和盐类的水，避免氯化物和水垢积聚。使用去离子水或者脱盐水时，必须加入合适的缓蚀剂。

不同金属需要使用不同的缓蚀剂，每种缓蚀剂各有优缺点。

• 磷酸盐是铁、钢、铅/锡焊料以及绝大多数铝部件的有效缓蚀剂，同时也是用于控制 pH 值的优秀缓冲剂。磷酸盐的一个缺点是，遇到硬水中的钙离子会发生沉淀，这也是乙二醇/水冷却液需要使用去离子水进行稀释的原因之一。
• 甲基苯并三氮唑是铜和黄铜常用的高效缓蚀剂。
• 巯基苯并噻唑同样适用于铜和黄铜，但稳定性弱于甲基苯并三氮唑。
• 亚硝酸盐是铁的优良缓蚀剂。这种缓蚀剂浓度过高时会腐蚀铅/锡焊料。
• 硅酸盐对大多数金属都有缓蚀效果，但容易在冷却系统内形成厚沉积物。汽车防冻液中的防锈剂可能导致泵密封件过早失效。过去曾使用铬酸盐和可溶性油，但因其具有毒性，现已极少使用。现代缓蚀剂已取代上述物质。

液冷系统冲蚀腐蚀

通过管理冲蚀腐蚀延长使用寿命

在冷却应用中，会使用热交换器和冷板，通过传热流体（如水、乙二醇水溶液、油等）实现热量转移与散热。在这些应用中，有成千上万种流体与流道材料的组合。选择这些部件的流道材料时，一个主要标准应是材料的耐腐蚀能力。腐蚀有多种形式，其中包括冲蚀腐蚀。充分了解流体与材料特性，对尽量减少冲蚀腐蚀、优化系统性能、延长使用寿命至关重要。

什么是冲蚀腐蚀？

冲蚀腐蚀是指流体与金属表面发生相对运动，导致金属腐蚀速率加快的现象。这种现象通常发生在管道弯头和弯管、管道缩径段，以及其他会改变流向或流速的结构处。这种腐蚀的机理是流体持续流动，剥离金属表面的保护膜或金属氧化物。无论流体中是否含有悬浮物，都可能发生冲蚀腐蚀。流体含有悬浮物时，效果类似喷砂，即便流速不高，也可以破坏牢固的膜层。金属表面一旦暴露，就会受到腐蚀介质侵蚀，并被流体摩擦冲蚀损耗。如果金属氧化物的钝化层无法足够快地再生，就可能发生严重损伤。

在相同的流体条件下，不同材料对冲蚀腐蚀的耐受程度不同。冲蚀腐蚀更常发生在铜、铝等质地较软的合金上。在冷却应用中，提高流体流量可能会提升散热性能，但同时也会加剧冲蚀腐蚀。因此，务必要评估提高流量对散热性能的影响，有可能性能提升很有限，但热交换器或冷板的使用寿命却大幅缩短。

控制冲蚀腐蚀

一些最小化冲刷腐蚀的方法包括通过去毛刺改善管内流线、使用大角度弯头，以及逐渐而非突然改变管径。其他方法包括降低流速（最小化湍流）、减少溶解氧含量、调整 pH 值以及将管道材料更换为其他金属或合金。

除流道材料之外，流体温度同样需要重点考量。流体温度越高，越应当降低流速，以尽量减轻冲蚀腐蚀。例如，一般来说，冷水的流速不应超过 8 ft/s，热水（最高约 140 °F）的流速不应超过 5 ft/s。系统水温长期超过 140°F 时，流速不应超过 3 ft/s。其他常见管材的建议最大水流速见表 1。其他流体的允许最大流速可按以下公式计算：

[给定流体的允许流速] = [水的允许流速] x [水的密度/给定液体的密度]^1/2。

任何冷却系统都需要在散热性能与可靠性/使用寿命之间进行权衡。提高流体流速对散热性能的提升存在上限。超过该上限之后，流速继续提高可能会迅速开始冲蚀腐蚀管路内部的金属表面。设计人员需要综合考虑上述各类因素，为应用确定最优方案。

预防电偶腐蚀

液冷回路中的腐蚀是如何发生的

在为液冷回路选择部件时，除关注单项性能之外，还必须考虑材料相容性。铝管冷板与铜管热交换器的组合虽然可能满足您的散热要求，却并不是可靠的冷却回路。铜和铝的电化学电位差异很大，因此在冷却系统中组合使用时，很可能发生电偶腐蚀。电偶腐蚀（也称异种金属腐蚀）会侵蚀金属，久而久之就会造成泄漏。

缓蚀剂可以减缓电偶腐蚀，但无法彻底消除。缓蚀剂会与溶液中的离子结合，将其中和。该过程会消耗缓蚀剂，因此需要定期加以更换。油类等非水性冷却液不支持离子传导，可以杜绝电偶腐蚀。然而，热性能会受到影响，因为导热油的热导率通常远低于水性冷却液。

为避免电偶腐蚀，强烈建议整个冷却回路全部使用同种材料或者电位相近的材料。必须确保管路、连接器以及其他部件成分中不含活泼金属。

整个回路采用统一材料，并不代表必须牺牲性能。伊顿提供高性能热交换器和冷板，流道可选铝、铜、不锈钢材质。

伊顿应用工程师可就部件材料相容性提供咨询。通过精心设计和部件选型，可以确保冷却回路多年提供可靠运行，无受腐蚀困扰。

液冷板和板翅式热交换器的铝材耐腐蚀性

在为液冷回路选择部件时，除关注单项性能之外，还必须考虑材料相容性。铝管冷板与铜管热交换器的组合虽然可能满足您的散热要求，却并不是可靠的冷却回路。铜和铝的电化学电位差异很大，因此在冷却系统中组合使用时，很可能发生电偶腐蚀。电偶腐蚀（也称异种金属腐蚀）会侵蚀金属，久而久之就会造成泄漏。

液冷板中铝材的腐蚀

铝以其耐腐蚀性著称。在适当条件下，铝会迅速形成保护性氧化层。通常，当氧气充足且周围介质的 pH 值适中时，就会发生这种情况。铝腐蚀有两种典型表现：全面腐蚀和局部腐蚀。当氧化层可溶于腐蚀介质时，就会发生全面腐蚀。氧化膜可溶于碱性溶液和强酸，但在约 4.0-9.0 的 pH 值范围内是稳定的。发生全面腐蚀时，整个氧化层被剥离的速度大于膜层再生速度。局部腐蚀（通常表现为点蚀形式）发生在母材金属或周围环境存在不均匀性时。金属中可能存在局部合金元素富集，从而形成电偶。同样，周围环境也会出现氯化物等活性元素局部富集。

液冷板和热交换器可与多种不同流体配合使用，通常同种流体再循环的工作模式。在铝制冷板和热交换器中不可使用的一种流体就是水。自来水可能含有铜、碳酸氢根、氯等活性离子和/或其他杂质，会促进腐蚀发生。此外，在封闭回路中长时间循环同一种流体，会使溶解氧从溶液中逸出。氧气不足会抑制氧化层的形成。如果隔绝氧气，并且接触水质较差的水，经过足够长时间，铝最终会发生腐蚀。

当水是传热系统的首选时，通常将蒸馏水与乙二醇混合以降低其冰点并提高沸点。在这种情况下，必须添加缓蚀剂以保护液冷板和热交换器。缓蚀剂是定量添加的活性离子（通常为磷酸盐），可替代氧气参与形成耐腐蚀保护膜。由于此类缓蚀剂依靠与铝发生化学反应起效，如果使用自来水等水质较差的水会降低缓蚀剂的效果。

耐腐蚀设计

合金选择是实现高耐腐蚀性的关键因素。例如，板翅式热交换器中分隔流道的钎焊板由内部芯材和外部包覆层组成，包覆层通常约占钎焊板总厚度的 10%。包覆层是钎焊合金，用于实现钎焊板与冷热翅片、钎焊板与侧封条之间的连接。真空钎焊合金添加硅等元素，以降低合金熔点。钎焊包覆层相比芯层阳极活性更高，可以提供阴极防护，起到防腐作用。

阴极防护是造船业数十年来一直使用的概念。钢制船体使用锌等活泼元素制成的阳极塞保护船体。锌比钢更活泼，会先于钢发生腐蚀。在铝合金当中，铜和铁含量极低的合金（如 3xxx 和 6xxx 系列）具有最佳的耐腐蚀性。

在冷板和热交换器设计中，还需要考虑其他因素。内部流体静压和外部应力会使核心部件承受应力。存在这类应力时，钎焊板和/或翅片往往需要选用 6xxx 系列这类高强度合金。钎焊板的厚度需要在性能、重量和防腐能力之间权衡取舍。厚的钎焊板重量大，会降低散热性能。薄的钎焊板承受应力的强度较低，提供的腐蚀保护也较弱。如果存在腐蚀性环境，薄钎焊板比厚板抵御侵蚀的时间短。

冷板和热交换器泄漏测试

在制造过程中，可能会使用纯水对冷板和热交换器进行液压测试。但是，水在设备内停留的时间不应超过完成测试所需的时间。必须进行彻底干燥，才能消除发生水腐蚀的可能性。气泡测试（即用气体对设备加压并将其浸入水中），在整个行业中广泛使用。测试规范要求测试后对外表面进行干燥处理。

液冷板和热交换器运行

运行水/乙二醇介质的冷板或热交换器时，务必要制定维护计划。典型的维护操作是冲洗系统后，重新加注配比合适且含缓蚀剂的乙二醇水溶液。该操作应定期执行，具体周期应在运行评估阶段通过系统级测试确定。应定期测量流体的 pH 值和折射率。此类测量值会随时间变化。可根据此类测量值确定冲洗频率。

部署使用期间，冷却系统通常需要补加冷却液。只要乙二醇浓度未被稀释到造成缓蚀剂失效的程度，补加冷却液一般不会损伤冷板或热交换器。缓蚀剂的效果受补加水的水质、流体回路内其他金属的种类以及系统内缓蚀剂已使用时长的共同影响。补加后，建议监测流体的 pH 值。如果 pH 值低于 4.0 或高于 9.0，应尽快对系统进行冲洗/补加。

耐腐蚀性能的构建始于冷板或热交换器的设计。制定维护程序以最大化铝制冷板或热交换器的寿命也很重要。

防腐蚀总结

虽然无法完全阻止腐蚀，但可采用一些方法大幅抑制腐蚀。通过选择合适的流道材料、监测溶液化学性质（尤其是 pH 值和水质）并选用适当的缓蚀剂，可以将腐蚀造成的成本影响降至最低，并确保液冷回路连续多年有效运行。