工業(yè)冷卻水系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心工程建設及運行維護工作。中國鐵路主數(shù)據(jù)中心是中國國家鐵路集團最高等級的數(shù)據(jù)處理中心，承載著中國鐵路集中應用系統(tǒng)部署及數(shù)據(jù)資源存儲，承擔著確保鐵路核心業(yè)務安全穩(wěn)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(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)組成

主數(shù)據(jù)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(tǒng)。制冷系統(tǒng)主要由冷卻水循環(huán)系統(tǒng)與冷凍水循環(huán)系統(tǒng)兩部分組成：冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻水泵提供動力，經(jīng)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(huán)；冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由冷凍水泵提供動力，經(jīng)冷水機組蒸發(fā)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(huán)。

2 制冷系統(tǒng)冷卻側水質問題

2.1 冷卻側水質酸化

因缺少專業(yè)水處理服務商，制冷系統(tǒng)內添加乙二醇防凍液一段時間后現(xiàn)場水質出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。針對現(xiàn)場水質暴露出的問題，2019年10月運維團隊多方咨詢行業(yè)專家，并實地勘察采用乙二醇防凍液水冷制冷系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心企業(yè)對水質維護效果，經(jīng)過反復論證，于2019年12月引入水處理服務商對現(xiàn)場水質進行專業(yè)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(jīng)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(yè)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(yè)維保

2020年1月~2020年5月中旬，水處理服務商對現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)場水質狀況整理問題發(fā)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(jīng)多方確認于2019年6月開始對現(xiàn)場水質進行置換處理。冷卻側水質經(jīng)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(fā)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(chǎn)生沉積結垢，載冷劑酸性增強。

（2）乙二醇防凍液發(fā)生酸化后與管道壁發(fā)生反應生成Fe2+，F(xiàn)e2+具有強還原性，被防凍液內溶解氧氧化為Fe3+，酸性環(huán)境中Fe3+為游離態(tài)，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(chǎn)生氣泡，氣泡在潰滅過程中產(chǎn)生的微射流或沖擊波對設備產(chǎn)生損傷-穴蝕（又稱氣蝕、空蝕），造成系統(tǒng)管路或換熱設備逐漸被腐蝕穿孔產(chǎn)生滲漏，嚴重威脅制冷系統(tǒng)安全穩(wěn)定、連續(xù)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(fā)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(huán)境）：

陽極：2Fe-4e=2Fe2+；陰極：O2+H2O+4e=4OH-。

（3）部分乙二醇生產(chǎn)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(tǒng)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??；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(xiàn)冷卻塔換熱銅管被凍以及添加防凍液后水質出現(xiàn)酸化情況發(fā)生，運維團隊經(jīng)過近一個月探尋并通過現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(wěn)劑等。外觀為淺色液體、安全低毒、無異味、不易燃、不易揮發(fā)。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(yōu)點：

（1）冰河冷媒導熱系數(shù)高。冰河冷媒高導熱系數(shù)有利于熱量傳遞，提高換熱效果，降低設備換熱面積，節(jié)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(tǒng)內循環(huán)，對循環(huán)泵等動力設備揚程需求小，一定程度上節(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(fā)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(xiàn)狀

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

表2 制冷系統(tǒng)水質檢測結果匯總表