地源热泵系统中铜镍合金和不锈钢耐腐蚀性研究

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地源热泵由于具有高效、节能、环保等优点,在我国得到推广应用。地源热泵分为土壤源热泵和地下水源热泵两种。地下水源热泵直接提取地表水或地下水进行热量传递,受水质、水位影响较大。而土壤源热泵采用闭式系统,在深埋于地下的封闭塑料管内注入循环介质,通过换热器与土壤交换能量。热泵系统中金属腐蚀与防护问题成为滨海区地源热泵能否持续、稳定、高效运行的关键。大多数研究集中于工业循环水对金属腐蚀的影响,而针对地源热泵系统相关的腐蚀研究较少。本文采用地源热泵换热系统常用的两种耐蚀合金材料:B30铜镍合金和316L不锈钢。通过分别向水溶液中添加NaCl、Na2SO4、NaHCO3来模拟滨海区的地下咸水,采用电化学测试的方法探究不同阴离子之间的协同作用对上述两种合金的腐蚀影响;并通过添加缓蚀剂、植酸自组装膜等腐蚀防护方法提高两种合金的耐蚀性。以便根据地下水成分和浓度的不同,选择该环境下耐蚀的合金和防护方法。(1)地下水阴离子对两种金属腐蚀试验本文以Cl-为中心,通过复配SO42-、HCO3-来测试地下水不同阴离子的协同作用对B30铜镍合金与316L不锈钢腐蚀的影响。结果表明:随着Cl-浓度的增大,B30铜镍合金与316L不锈钢的膜电阻均降低,自腐蚀电流密度增大,耐腐蚀性下降。低浓度的SO42-抑制了Cl-对B30铜镍合金表面膜的破坏,增强其耐蚀性,高浓度的SO42-反而对B30铜镍合金表面膜有破坏作用;而316L不锈钢的规律恰好相反。HCO3-浓度的增大促进Cl-对B30铜镍合金表面膜的破坏;低浓度的HCO3-抑制了Cl-对316L不锈钢钝化膜的破坏,而HCO3-浓度大于1g/L时其浓度的增大对316L不锈钢钝化膜有破坏作用。三种阴离子共存时两种金属的腐蚀均加剧。(2)缓蚀剂试验B30铜镍合金传热效率高,常使用于地源热泵系统的换热管或换热板。对于闭式热泵系统可以采用向循环介质中添加缓蚀剂的方法来抑制B30铜镍合金腐蚀。由于缓蚀剂可以吸附于金属表面形成保护膜将金属基体与循环介质和氧气隔离,因此随着缓蚀剂苯并三氮唑(BTA)浓度的增大,缓蚀率先增大而后达到稳定,此时缓蚀剂分子已完全覆盖金属表面。当加入防冻液乙二醇后,BTA缓蚀剂与乙二醇的协同作用使缓蚀率进一步提高。经BTA复配研究表明,采用复合缓蚀剂,利用不同缓蚀剂之间的协同作用可以有效抑制B30铜镍合金的腐蚀。(3)植酸自组装膜试验在地下水源热泵系统中如采用添加缓蚀剂的方法来抑制金属腐蚀,不但会大大加重经济成本,而且出水会污染环境。因此,有必要采用自组装膜的方法在金属表面形成一层保护膜。本文系统研究了自组装膜缓蚀率随植酸浓度、自组装时间和钼酸盐添加量的变化规律。研究表明,B30铜镍合金与316L不锈钢的自组装膜缓蚀率均随植酸浓度和自组装时间的增大先升高后降低。向植酸自组装液中添加钼酸钠后缓蚀率得到进一步提高,得到钼酸钠最佳添加量:对B30铜镍合金而言,最佳添加量为50mg/L;而316L不锈钢最佳添加量为100mg/L。(4)滨海区地源热泵的腐蚀防护对于土壤源热泵闭式系统可采用添加缓蚀剂的方法抑制循环系统内的金属腐蚀,因此闭式系统多采用导热性较高且耐蚀性较好的B30铜镍合金。而对于地下水源热泵,由于滨海区地下咸水对金属腐蚀严重,因此换热系统需要采用耐蚀性更高的316L不锈钢,或者采用在B30铜镍合金或316L不锈钢表面形成自组装膜以减缓地下咸水对金属的腐蚀。
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