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摘 要：探讨海上风力发电风塔用铝制散热器失效的类型及机理，能为铝制散热器的防腐问题提供一定的理论依据。本文使用扫描电子显微镜、能谱仪、光学显微镜等仪器，对风电塔底散热器失效件进行表面宏观和微观形貌观察、化学成分分析以及内部显微组织分析。结果表明：散热器失效的主要原因是散热器长期服役在含Cl-的海洋大气环境中，使铝合金散热器发生点蚀穿孔导致泄漏失效。
关键词：铝合金散热器;点蚀;失效;泄漏
中图分类号：TG172.5
文献标识码： A
铝制板翅式散热器具有结构紧凑、体积小、重量轻、单位体积换热面积大、阻力小及多股流通散热的优点，被广泛应用于石油化工、航空航天、能源、电子、原子能和机械等领域[1-4]。它是目前最先进、应用最广泛的散热器[4-5]。散热器主要由隔板、翅片、封条、复合板（隔板）等组成[1]。翅片可分为热侧翅片（内部循环冷却液通道，受冷却液加热，不与大气接触）和冷侧翅片（直接与大气环境接触）。风力发电作为可再生新能源，成为我国新能源发展的重点。近年来，海上风电成为风电产业发展的新趋势[7-8]。与陆上风力发电相比，海上风力发电机组处在海洋大气环境中。海洋大气环境中Cl-含量远高于陆上大气环境，由于Cl-能通过吸附作用破坏铝合金表面的氧化膜，加速铝合金的腐蚀，使得铝及其合金制品面临严峻的腐蚀问题。
本文运用失效分析的方法，探讨在海洋大气环境中运行的风力发电塔底铝制散热器失效的主要原因，为铝制散热器的防腐工作提供一定的理论依据。
1 应用背景
本文的失效件是国内某公司生产的风电塔塔底散热器，设计使用寿命5年，内部结构如图1所示。该散热器的使用环境是我国东部沿海海域，在2017年10月并网投入运行，至2019年5月发现风力发电异常。经检查，在风电塔塔底的散热器局部位置有冷却液泄漏。该铝制散热器使用的材料为3003铝合金，其固相线、液相线温度分别为643 ℃、654 ℃[6];钎料为LT-3复合板，3003铝合金表层包覆上一层4004铝合金。散热器使用的材料主要化学成分如表1所示。散热器采用真空钎焊工艺生产。
2 宏观分析
采用气密性检测方法找散热器的渗漏点，如图2所示。对失效产品加载一定的气压;观察水槽中散热器接口面与迎风面状况，散热器接口面没有明显气泡产生（图2（b）），迎风面则有小气泡持续冒出（图2（c））;裁剪冒泡区域得到单一散热器通道（图2（d））;通过气密性检测泄漏的具体位置，标记、裁剪用于显微分析（图2（e））。
由图2（e）可以看出，裁剪单一失效散热器的泄漏点位于冷翅侧，该处表层金属氧化膜粗糙且呈灰色。初步判断散热器泄漏点是由冷翅侧向热翅侧扩展。失效原因是散热器迎风面处于海洋大气区，海风夹带有一定的海盐成分并在散热器冷翅侧处堆积，加上海洋大气环境受湿度、温度、雨量、风速、太阳照射的影响而复杂多变，进而在散热器冷翅及隔板附近形成一个小型的海洋环境区[10-11]，使该处散热器较容易发生腐蚀行为。腐蚀一般分为局部腐蚀和大气环境中的海水腐蚀[11-13]。接下来，通过对泄漏点进行化学成分分析、形貌分析，研究散热器发生泄漏的具体原因。
3 微观检测
3.1 显微形貌
采用扫描电子显微镜（Zeiss， SUPRA 40）观察图2（e）中散热器正面泄漏点与未失效的散热器表层形貌，如图3所示。由图3可知：铝合金原有的保护膜受到了明显的破坏，泄漏点腐蚀区域表层疏松，表层堆积着凹凸不平、块状或粒状的腐蚀产物，有部分腐蚀产物已脱落，表面的腐蚀产物在内应力作用下发生龟裂，形成裂缝（图3（a）、（b））;散热器泄漏点位置还伴随着发生了小范围的剥层腐蚀[11]，表面点状腐蚀产物呈灰白色，裂缝较少（图3（c））;未受到腐蚀的散热器（图3（d））明显有致密的保护膜，未出现图3（a）、（b）、（c）的龟裂、裂缝及腐蚀产物层。
3.2 元素分布及成分分析
采用扫描电镜能谱仪对泄漏点微区腐蚀产物元素分布情况进行分析，如图4所示。从图4（b）可以看出，泄漏点附近有Cl、S、O、Na、Ca等海洋环境中元素存在。
采用能谱仪对泄漏点周围的腐蚀产物进行微区成分分析，如图5所示。由图5（b）可知：腐蚀产物表面存在Al、Si、K、Na、S、Cl等元素，其中，Al、Si元素主要来源于散热器材料，K、Na、S、Ca、P、Ga、Cl等元素来源于海洋环境，C、O元素属于残留在表面的冷却液。由于铝合金在含有Cl-的介质中容易通过吸附作用损伤氧化膜，加速铝合金腐蚀进程，发生点腐蚀与应力腐蚀开裂的特点[12-14]，得出铝合金在Cl-介质下的点蚀过程（图6）形成机理[15-16]：活性阴离子被吸附在金属表面，并对氧化膜造成损伤，被破坏的金属表面来不及修复，同时在电解质中形成小阳极、大阴极的腐蚀电池随着Cl-源源不断地浸入形成孔穴，由于Cl-能刺激和加速铝合金的点蚀[16-19]，导致点蚀的形成。点蚀在“自酸化催化”过程下不断发展造成点蚀穿孔，最终导致零件失效，形成图3（a）、（b）、（c）的形貌。
3.3 金相分析
对比未发生失效的散热器剖面金相形貌与图2（e）散热器失效件泄漏点切开的剖面金相形貌，分析失效散热器腐蚀扩展过程，如图7所示。由图7可知：散热器复合板并未出现熔蚀现象，未失效散热器的冷翅侧与热翅侧表层氧化膜完好无损，没有受到腐蚀（图7（a））;失效散热器泄漏点处有明显的裂纹以及腐蚀凹坑（图7（b）、（c）），腐蚀坑尺寸均较小，呈垂直往內扩展，剖面呈皮下囊形、掏蚀形，显微结构取向呈水平形为典型点蚀坑的特征[9];将剖面继续抛光，得到泄漏点贯穿的剖面（图7（d）、（e））。结合图7（d）、（e）可以看出：散热器点蚀孔逐渐侵蚀至热翅侧，冷翅侧已经被完全破坏，在靠近热翅侧的位置腐蚀仍然在进行。 结合能谱仪分析的结果：泄漏点周围与腐蚀产物中都含有Cl元素，可知该散热器腐蚀是由Cl-为主导的点腐蚀伴随着应力腐蚀。腐蚀过程：散热器迎风面的冷翅侧直接与含有Cl-的海洋大气接触，对铝合金钝化膜造成损伤;并在电解质的作用下发生自催化酸化（图6）过程，逐步向散热器冷却液通道腐蚀至穿孔，进而导致冷却液泄漏。
4 结论
综上所述，散热器应用于近海地区的风电塔底，长期暴露在含有Cl-海洋大气的潮湿环境中，极易引起Cl-富集发生点蚀，点蚀坑在潮湿环境下逐步由迎风面（冷翅侧）向热翅侧扩展，最终导致散热器点蚀穿孔，引起冷却液发生泄漏失效。建议从两个方面提高海上风电塔底散热器的使用寿命：一是在散热器的使用过程中，设法提高散热器的表面清洁度，降低散热器表面阴离子的浓度，进而降低海洋大气对散热器的腐蚀;二是在散热器的生产工序中增加一道阳极氧化工艺，在散热器表面形成一层致密的氧化膜，以提高散热器的耐蚀性能。
参考文献：
[1]陈犇. 钎焊薄型铝合金板翅式散热器热处理工艺研究[D]. 贵阳： 贵州大学， 2015.
[2]Dowman A A， Ratcliffe N M. A study of methods for evaluating the integrity of plate type heat exchangers used in the dairy industry[J]. International Journal of Dairy Technology， 2000， 53（1）： 13-20.
[3]王燕平， 陈天虹， 吴东波. 板翅式换热器的发展现状及研究发展方向[J]. 深冷技术， 2017（2）： 29-31.
[4]陈召松， 高飞， 涂勇， 等. 板翅式铝合金散热器真空钎焊技术的发展[J]. 轻合金加工技术， 2011， 39（4）： 11-14， 42.
[5]ZAID B， SAIDI D， BENZAID A， et al. Effects of pH and chloride concentration on pitting corrosion of AA6061 Aluminum alloy[J]. Corrosion Science， 2008， 50（7）： 1841-1847.
[6]左玉婷， 杜凤贞， 夏雯， 等. 铝合金散热器腐蚀失效分析[J]. 腐蚀与防护， 2016， 37（12）： 1018-1022， 1029.
[7]姚中原. 我国海上风电发展现状研究[J]. 中国电力企业管理， 2019（22）： 24-28.
[8]刘林， 葛旭波， 张义斌， 等. 我国海上风电发展现状及分析[J]. 能源技术经济， 2012， 24（3）： 66-72.
[9]张启运. 钎焊手册[M]. 2版. 北京： 机械工业出版社， 2008.
[10]LIU Y， MENG G Z， CHENG Y F. Electronic structure and pitting behavior of 3003 Aluminum alloy passivated under various conditions[J]. Electrochimica Acta， 2009， 54（17）： 4155-4163.
[11]王晨光， 陈跃良， 张勇， 等. 7B04铝合金在模拟海洋大气环境下的腐蚀行为[J]. 航空材料学报， 2017， 37（1）： 59-64.
[12]孙智. 失效分析： 基础与应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 2005.
[13]FRANKEL G S， SRIDHAR N. Understanding localized corrosion[J]. Materials Today， 2008， 11（10）： 38-44.
[14]罗雪， 李小强， 董重里. 腐蚀产物对6061铝合金海洋大气腐蚀过程的影响[J]. 腐蚀与防护， 2018， 39（8）： 587-591.
[15]AHMAD Z， PAULETTE P T， ALEEM B J A. Mechanism of localized corrosion of aluminum silicon carbide composites in a chloride containing environment[J]. Journal of Materials Science， 2000， 35（10）： 2573-2579.
[16]LI T， LI X G， DONG C F， et al. Characterization of atmospheric corrosion of 2A12 Aluminum alloy in tropical marine environment[J]. Journal of Materials Engineering and Performance， 2010， 19（4）： 591-598.
[17]朱威. 鋁合金焊接件在热带海洋大气环境中的腐蚀行为[D]. 镇江： 江苏科技大学， 2019.
[18]GU J， YANG X F， MA T， et al. The Study of automotive Aluminum alloy radiator tank’s leakage[J]. Applied Mechanics & Materials， 2013， 364： 134-137.
[19]LIU Y， CHENG Y F. Role of second phase particles in pitting corrosion of 3003 Al alloy in NaCl solution[J]. Materials & Corrosion， 2015， 61（3）： 211-217.
（责任编辑：周晓南）
关键词：铝合金散热器;点蚀;失效;泄漏
中图分类号：TG172.5
文献标识码： A
铝制板翅式散热器具有结构紧凑、体积小、重量轻、单位体积换热面积大、阻力小及多股流通散热的优点，被广泛应用于石油化工、航空航天、能源、电子、原子能和机械等领域[1-4]。它是目前最先进、应用最广泛的散热器[4-5]。散热器主要由隔板、翅片、封条、复合板（隔板）等组成[1]。翅片可分为热侧翅片（内部循环冷却液通道，受冷却液加热，不与大气接触）和冷侧翅片（直接与大气环境接触）。风力发电作为可再生新能源，成为我国新能源发展的重点。近年来，海上风电成为风电产业发展的新趋势[7-8]。与陆上风力发电相比，海上风力发电机组处在海洋大气环境中。海洋大气环境中Cl-含量远高于陆上大气环境，由于Cl-能通过吸附作用破坏铝合金表面的氧化膜，加速铝合金的腐蚀，使得铝及其合金制品面临严峻的腐蚀问题。
本文运用失效分析的方法，探讨在海洋大气环境中运行的风力发电塔底铝制散热器失效的主要原因，为铝制散热器的防腐工作提供一定的理论依据。
1 应用背景
本文的失效件是国内某公司生产的风电塔塔底散热器，设计使用寿命5年，内部结构如图1所示。该散热器的使用环境是我国东部沿海海域，在2017年10月并网投入运行，至2019年5月发现风力发电异常。经检查，在风电塔塔底的散热器局部位置有冷却液泄漏。该铝制散热器使用的材料为3003铝合金，其固相线、液相线温度分别为643 ℃、654 ℃[6];钎料为LT-3复合板，3003铝合金表层包覆上一层4004铝合金。散热器使用的材料主要化学成分如表1所示。散热器采用真空钎焊工艺生产。
2 宏观分析
采用气密性检测方法找散热器的渗漏点，如图2所示。对失效产品加载一定的气压;观察水槽中散热器接口面与迎风面状况，散热器接口面没有明显气泡产生（图2（b）），迎风面则有小气泡持续冒出（图2（c））;裁剪冒泡区域得到单一散热器通道（图2（d））;通过气密性检测泄漏的具体位置，标记、裁剪用于显微分析（图2（e））。
由图2（e）可以看出，裁剪单一失效散热器的泄漏点位于冷翅侧，该处表层金属氧化膜粗糙且呈灰色。初步判断散热器泄漏点是由冷翅侧向热翅侧扩展。失效原因是散热器迎风面处于海洋大气区，海风夹带有一定的海盐成分并在散热器冷翅侧处堆积，加上海洋大气环境受湿度、温度、雨量、风速、太阳照射的影响而复杂多变，进而在散热器冷翅及隔板附近形成一个小型的海洋环境区[10-11]，使该处散热器较容易发生腐蚀行为。腐蚀一般分为局部腐蚀和大气环境中的海水腐蚀[11-13]。接下来，通过对泄漏点进行化学成分分析、形貌分析，研究散热器发生泄漏的具体原因。
3 微观检测
3.1 显微形貌
采用扫描电子显微镜（Zeiss， SUPRA 40）观察图2（e）中散热器正面泄漏点与未失效的散热器表层形貌，如图3所示。由图3可知：铝合金原有的保护膜受到了明显的破坏，泄漏点腐蚀区域表层疏松，表层堆积着凹凸不平、块状或粒状的腐蚀产物，有部分腐蚀产物已脱落，表面的腐蚀产物在内应力作用下发生龟裂，形成裂缝（图3（a）、（b））;散热器泄漏点位置还伴随着发生了小范围的剥层腐蚀[11]，表面点状腐蚀产物呈灰白色，裂缝较少（图3（c））;未受到腐蚀的散热器（图3（d））明显有致密的保护膜，未出现图3（a）、（b）、（c）的龟裂、裂缝及腐蚀产物层。
3.2 元素分布及成分分析
采用扫描电镜能谱仪对泄漏点微区腐蚀产物元素分布情况进行分析，如图4所示。从图4（b）可以看出，泄漏点附近有Cl、S、O、Na、Ca等海洋环境中元素存在。
采用能谱仪对泄漏点周围的腐蚀产物进行微区成分分析，如图5所示。由图5（b）可知：腐蚀产物表面存在Al、Si、K、Na、S、Cl等元素，其中，Al、Si元素主要来源于散热器材料，K、Na、S、Ca、P、Ga、Cl等元素来源于海洋环境，C、O元素属于残留在表面的冷却液。由于铝合金在含有Cl-的介质中容易通过吸附作用损伤氧化膜，加速铝合金腐蚀进程，发生点腐蚀与应力腐蚀开裂的特点[12-14]，得出铝合金在Cl-介质下的点蚀过程（图6）形成机理[15-16]：活性阴离子被吸附在金属表面，并对氧化膜造成损伤，被破坏的金属表面来不及修复，同时在电解质中形成小阳极、大阴极的腐蚀电池随着Cl-源源不断地浸入形成孔穴，由于Cl-能刺激和加速铝合金的点蚀[16-19]，导致点蚀的形成。点蚀在“自酸化催化”过程下不断发展造成点蚀穿孔，最终导致零件失效，形成图3（a）、（b）、（c）的形貌。
3.3 金相分析
对比未发生失效的散热器剖面金相形貌与图2（e）散热器失效件泄漏点切开的剖面金相形貌，分析失效散热器腐蚀扩展过程，如图7所示。由图7可知：散热器复合板并未出现熔蚀现象，未失效散热器的冷翅侧与热翅侧表层氧化膜完好无损，没有受到腐蚀（图7（a））;失效散热器泄漏点处有明显的裂纹以及腐蚀凹坑（图7（b）、（c）），腐蚀坑尺寸均较小，呈垂直往內扩展，剖面呈皮下囊形、掏蚀形，显微结构取向呈水平形为典型点蚀坑的特征[9];将剖面继续抛光，得到泄漏点贯穿的剖面（图7（d）、（e））。结合图7（d）、（e）可以看出：散热器点蚀孔逐渐侵蚀至热翅侧，冷翅侧已经被完全破坏，在靠近热翅侧的位置腐蚀仍然在进行。 结合能谱仪分析的结果：泄漏点周围与腐蚀产物中都含有Cl元素，可知该散热器腐蚀是由Cl-为主导的点腐蚀伴随着应力腐蚀。腐蚀过程：散热器迎风面的冷翅侧直接与含有Cl-的海洋大气接触，对铝合金钝化膜造成损伤;并在电解质的作用下发生自催化酸化（图6）过程，逐步向散热器冷却液通道腐蚀至穿孔，进而导致冷却液泄漏。
4 结论
综上所述，散热器应用于近海地区的风电塔底，长期暴露在含有Cl-海洋大气的潮湿环境中，极易引起Cl-富集发生点蚀，点蚀坑在潮湿环境下逐步由迎风面（冷翅侧）向热翅侧扩展，最终导致散热器点蚀穿孔，引起冷却液发生泄漏失效。建议从两个方面提高海上风电塔底散热器的使用寿命：一是在散热器的使用过程中，设法提高散热器的表面清洁度，降低散热器表面阴离子的浓度，进而降低海洋大气对散热器的腐蚀;二是在散热器的生产工序中增加一道阳极氧化工艺，在散热器表面形成一层致密的氧化膜，以提高散热器的耐蚀性能。
参考文献：
[1]陈犇. 钎焊薄型铝合金板翅式散热器热处理工艺研究[D]. 贵阳： 贵州大学， 2015.
[2]Dowman A A， Ratcliffe N M. A study of methods for evaluating the integrity of plate type heat exchangers used in the dairy industry[J]. International Journal of Dairy Technology， 2000， 53（1）： 13-20.
[3]王燕平， 陈天虹， 吴东波. 板翅式换热器的发展现状及研究发展方向[J]. 深冷技术， 2017（2）： 29-31.
[4]陈召松， 高飞， 涂勇， 等. 板翅式铝合金散热器真空钎焊技术的发展[J]. 轻合金加工技术， 2011， 39（4）： 11-14， 42.
[5]ZAID B， SAIDI D， BENZAID A， et al. Effects of pH and chloride concentration on pitting corrosion of AA6061 Aluminum alloy[J]. Corrosion Science， 2008， 50（7）： 1841-1847.
[6]左玉婷， 杜凤贞， 夏雯， 等. 铝合金散热器腐蚀失效分析[J]. 腐蚀与防护， 2016， 37（12）： 1018-1022， 1029.
[7]姚中原. 我国海上风电发展现状研究[J]. 中国电力企业管理， 2019（22）： 24-28.
[8]刘林， 葛旭波， 张义斌， 等. 我国海上风电发展现状及分析[J]. 能源技术经济， 2012， 24（3）： 66-72.
[9]张启运. 钎焊手册[M]. 2版. 北京： 机械工业出版社， 2008.
[10]LIU Y， MENG G Z， CHENG Y F. Electronic structure and pitting behavior of 3003 Aluminum alloy passivated under various conditions[J]. Electrochimica Acta， 2009， 54（17）： 4155-4163.
[11]王晨光， 陈跃良， 张勇， 等. 7B04铝合金在模拟海洋大气环境下的腐蚀行为[J]. 航空材料学报， 2017， 37（1）： 59-64.
[12]孙智. 失效分析： 基础与应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 2005.
[13]FRANKEL G S， SRIDHAR N. Understanding localized corrosion[J]. Materials Today， 2008， 11（10）： 38-44.
[14]罗雪， 李小强， 董重里. 腐蚀产物对6061铝合金海洋大气腐蚀过程的影响[J]. 腐蚀与防护， 2018， 39（8）： 587-591.
[15]AHMAD Z， PAULETTE P T， ALEEM B J A. Mechanism of localized corrosion of aluminum silicon carbide composites in a chloride containing environment[J]. Journal of Materials Science， 2000， 35（10）： 2573-2579.
[16]LI T， LI X G， DONG C F， et al. Characterization of atmospheric corrosion of 2A12 Aluminum alloy in tropical marine environment[J]. Journal of Materials Engineering and Performance， 2010， 19（4）： 591-598.
[17]朱威. 鋁合金焊接件在热带海洋大气环境中的腐蚀行为[D]. 镇江： 江苏科技大学， 2019.
[18]GU J， YANG X F， MA T， et al. The Study of automotive Aluminum alloy radiator tank’s leakage[J]. Applied Mechanics & Materials， 2013， 364： 134-137.
[19]LIU Y， CHENG Y F. Role of second phase particles in pitting corrosion of 3003 Al alloy in NaCl solution[J]. Materials & Corrosion， 2015， 61（3）： 211-217.
（责任编辑：周晓南）