CN107478567A - 模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置及相应的试验方法。本发明所提供的试验装置，其特征在于，包括：釜体；釜盖，封闭性地盖合于釜体上；广口玻璃瓶，设置在釜体内，用于盛放除盐水；进气部，包含：设置在釜盖上的进气短管，和上端与进气短管的底部出口相连、下端伸入广口玻璃瓶内的聚乙烯软质延伸管；出气部，设置在釜盖上，用于排气；试片悬挂部，包含：安装在釜盖内表面上的安装件，和安装在安装件上用于将铜试片悬挂在广口玻璃瓶内合适位置处的悬挂线；以及控温部，包含：插设在釜盖上并伸入釜体内的热电偶构件，套装在热电偶构件上、下端封口的聚乙烯外套管，与热电偶构件相连的温度调节器。

Description

模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置及相应的试验方法。

背景技术

发电机在随汽轮机转动做切割磁力线运动的发电过程中，会产生大量的热，如不及时导出，容易引起发电机定子、转子绕组升温甚至烧毁，因此需要用一定的介质来冷却发电机定子、转子和铁芯。

发电机所用的冷却介质主要有空气、油、氢气和水。由于空气的冷却能力小，摩擦损耗大，不适宜大容量机组，因此空冷发电机正逐渐被淘汰。油的运动为层流，表面传热比较困难，容易在铜体和油之间产生较高的温度降，并且在运行中易发生火灾。氢气的热导率是空气的6倍以上，而且它是最轻的气体，对发电机转子的阻力最小，所以大型发电机广泛采用氢气冷却方式。但氢冷需要有严密的发电机外壳、气体系统及不漏氢的轴密封，需增设油系统和制氢设备，对运行技术和安全要求都很高，这些都给制造、安装和运行带来一定困难。纯水有较高的绝缘性，它的最大优点是有较大的热容量，此外，在实际允许的流速下，水的粘度小，其流动是紊流，这使表面易于传热，从而保证铜导线与水之间的温度降很小。因此，汽轮发电机采用直接冷却方式时，普遍用氢气和水作为冷却介质。目前常用的发电机冷却方式有：水-氢-氢，即定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，铁芯氢冷；水-水-氢，即定子绕组水内冷，转子绕组水内冷，铁芯氢冷；水-水-空，即定子绕组水内冷，转子绕组水内冷，铁芯空冷。

随着电网容量的不断增长，要求发电机单机容量相应增大，而提高发电机单机容量的最好途径是改善冷却方式，以免发电机重量、体积无限增大。由于水的冷却能力比空气大50倍，发电机的定子、转子采用水冷却后，线负荷和电流密度大幅度增加，单机容量提高、重量减轻、体积缩小，且维护方便。因此，现代大型发电机均采用水直接冷却。可以说水内冷发电机的应用，为发电机的发展开辟了一条新的道路。

虽然水内冷发电机有众多优点，也得到了广泛应用，但内冷水毕竟是在发电机高压电场中做冷却介质，水质的优劣直接影响着机组的安全、经济运行。因为水质不好，发电机空芯铜导线可能遭受腐蚀。铜导线的腐蚀会产生极其严重的后果，轻者使冷却水电导率升高、泄漏电流增大、电气绝缘性能降低，腐蚀产物堵塞空芯铜导线而造成发电机线圈温升增加，热传导受阻，水压降增大，影响发电机的出力；重者将使发电机被迫停机检查，甚至烧毁发电机。随着发电机组参数的不断提高，对发电机内冷水的水质要求也不断提高。如何确保高参数发电机组发电机内冷水的水质合格，是目前发电机内冷水处理面临的问题。

为了保证内冷水水质，专门制定了发电机内冷水水质标准(如表1)。但不同温度下内冷水的pH值、氧含量到底应该控制多少才能使铜的腐蚀最小，标准没有说明，也没有文献报道铜在不同氧含量内冷水中腐蚀最小的合适pH值。为此需要模拟发电机空芯铜导线所处的内冷水系统运行条件，通过试验研究铜在不同温度不同氧含量内冷水中腐蚀最小的合适pH值。

表1发电机内冷水水质标准

纯铜呈紫红色，所以常称紫铜，密度为8930kg/m³，熔点为1083℃，其晶体晶格属面心立方晶格；纯铜有良好的导电、导热性；在大气中易生成膜质较致密的氧化膜，因而具有较好的耐腐蚀性；纯铜还有良好的塑性，低温时也不会出现脆性。因此纯铜广泛地用于制造电缆、电线等。但由于纯铜的强度低，所以一般不直接用来作结构材料。

纯铜在不含氧除盐水中的腐蚀速率很低，如果除盐水中不含氧，即使其pH值低到5.7，铜在其中也不会自发发生析氢腐蚀。因为等温等压条件下，铜自发发生析氢腐蚀必须ΔE＞0。而25℃时铜的平衡电极电位分别为0.337V和0.521V， 要ΔE＞0，必须pH＜5.70。二氧化碳在25℃除盐水中溶解达到平衡时，除盐水的pH值为5.66，也就是25℃时二氧化碳使除盐水pH值降低最多只能降低到5.66。所以纯铜在不含氧除盐水中不自发发生析氢腐蚀，当然腐蚀速率很低。

在同时含有溶解氧和游离二氧化碳除盐水中的纯铜腐蚀速率大大增加。因为铜在含有氧的除盐水中会自发发生腐蚀反应，这可由热力学计算表明。当溶液pH值为7.0、氧的平衡分压为0.21×1.01×10⁵Pa、温度为25℃时，氧的平衡电极电位为 所以铜在中性溶液中可能发生耗氧腐蚀，生成Cu₂O和CuO：

阳极反应(铜被氧化溶解)：

Cu→Cu⁺+e

Cu→Cu²⁺+2e

阴极反应(溶解氧被还原)：

O₂+2H₂O+4e→4OH^-

进一步反应：

2Cu⁺+H₂O+2e→Cu₂O+H₂

Cu⁺+H₂O+e→CuO+H₂

4Cu⁺+O₂+4e→2Cu₂O

2Cu⁺+O₂+2e→2CuO

一般情况下，铜在含氧除盐水中腐蚀的结果是在铜表面形成一层铜的氧化物的覆盖层。由于覆盖在铜表面上的氧化物的保护，铜的溶解受到阻滞，因而铜的腐蚀不单决定于铜生成的固体氧化物的热力学稳定性，还与氧化物能否在铜表面上生成粘附性好、无孔隙且连续的膜有关。若能生成这样的膜，则保护作用好，可防止铜基体与腐蚀性介质的直接接触；若生成的膜是多孔的或不完整的，则保护作用不好。同时，膜的稳定性和保护作用与介质有关，如介质具有侵蚀性，可使生成的保护膜溶解，而不具有阻止金属腐蚀的作用。新制除盐水的理论pH值和电导率分别为7.0和0.055μs/cm，由此可知除盐水的纯度极高，缓冲性差，易受空气中二氧化碳和氧的干扰，因此除盐水的pH会因少量二氧化碳的溶入而下降很多。

由铜-水体系电位-pH图可知，pH值的下降会使铜腐蚀的可能性加大；有二氧化碳存在的内冷水属酸性介质环境，会引起Cu₂O和CuO溶解度增加，从而破坏铜导线表面的初始保护膜。所以二氧化碳对空芯铜导线的腐蚀起促进作用：

CuO+2H⁺→Cu²⁺+H₂O

Cu₂O+2H⁺→2Cu⁺+H₂O

如果不对除盐水密闭和曝气或除气，除盐水中一般都会含有氧和二氧化碳，铜在其中可能按上述反应开始腐蚀。

显然，发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀，也就是铜在除盐水中的腐蚀，与内冷水(也就是除盐水)的氧含量、pH值有关，内冷水(除盐水)的氧含量、pH值受系统密封性也就是泄漏进系统的空气的影响较大。要通过试验装置模拟研究发电机空芯铜导线在内冷水中的腐蚀，也就是通过模拟试验装置研究铜在除盐水中的腐蚀情况，要求实验装置密闭性好，能调节和控制温度，能除氧，实验装置自身材料不影响铜的腐蚀。

密闭性好、能调节和控制温度、能除氧的试验装置可以购买得到，如市购高压釜的密封性很好，能通过温控器调节和控制温度，液相取样管和汽相取样口可用来通氮气除氧。但是目前市购高压釜的釜体、釜盖、液相取样管和汽相取样口、热电偶套管都是不锈钢材质，会影响铜在除盐水中的腐蚀，如与铜形成电偶腐蚀等，无法真实、准确地模拟发电机空芯铜导线所处的内冷水系统运行条件，因而难以获得准确、有效的试验数据。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置及方法，能够真实、准确模拟发电机空芯铜导线所处的内冷水系统运行条件。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案。

<试验装置>

本发明提供一种模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置，其特征在于，包括：釜体；釜盖，封闭性地盖合于釜体上；广口玻璃瓶，设置在釜体内，用于盛放除盐水；进气部，包含：设置在釜盖上的进气短管，和上端与进气短管的底部出口相连、下端伸入广口玻璃瓶内的聚乙烯软质延伸管；出气部，设置在釜盖上，用于排气；试片悬挂部，包含：安装在釜盖内表面上的安装件，和安装在安装件上用于将铜试片悬挂在广口玻璃瓶内合适位置处的悬挂线；以及控温部，包含：插设在釜盖上并伸入釜体内的热电偶构件，套装在热电偶构件上、且下端封口的聚乙烯外套管，与热电偶构件相连、用于调节釜体内恒定温度的温度调节器。

本发明所涉及的模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置，还可以具有这样的特征：广口玻璃瓶紧贴釜体设置，容积为釜体容积的1/3。

本发明所涉及的模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置，还可以具有这样的特征：进气短管的长度为1cm。

本发明所涉及的模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置，还可以具有这样的特征：延伸管的下端到广口玻璃瓶底的距离为1cm。

本发明所涉及的模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置，还可以具有这样的特征：安装件为挂孔，出气部为出气短管。

<试验方法>

本发明还提供了采用上述试验装置来模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：将盛放有除盐水的广口玻璃瓶放置在釜体内；将铜试片固定在悬挂线上，并调节悬挂线的长度，使盖上釜盖后铜试片能够悬挂在广口玻璃瓶内合适位置处；将釜盖盖在釜体上，采用温度调节器设定试验恒温温度；将进气短管的入口与惰性气体供给装置相连通，将出气部与溶解氧监测装置相连；以一定流量通入惰性气体除氧，在达到预定通气时间后停止通气，将出气部与惰性气体供给装置相连通，将进气部作为除盐水取液部与测量池相连，然后将电导率仪和pH计分别插入测量池中检测除盐水的电导率和pH值。

发明的作用与效果

根据本发明的试验装置及试验方法，釜盖封闭性地盖合在釜体上使得釜体内形成密闭的内环境，采用广口玻璃瓶盛放除盐水、并采用聚乙烯软管作为延伸管伸入广口玻璃瓶内、以及在热电偶构件外套装聚乙烯外套管这些都可以有效地避免除盐水被污染，通过试片悬挂部能够将铜试片悬挂固定，使铜试片在釜盖被盖上能够位于广口玻璃瓶内的合适位置，通过进气短管与惰性气体供给装置相连，向除盐水中通入惰性气体排出氧气，出气部与溶解氧检测装置相连，控温部能够调节和控制釜体内环境的恒温温度；这样，通过控温部设定不同恒温温度、通过进气部以一定流量通惰性气体除氧不同时间、调节好釜体中除盐水的pH值，在试验结束后通过观察铜试片表面状态、测广口玻璃瓶中除盐水的铜含量和铜试片的质量变化，就可以非常方便地研究铜在不同温度、不同含氧量、不同pH值除盐水中的腐蚀情况，并获得准确可靠的试验数据。

进一步，根据上述试验数据可获得每一pH值条件下氧含量对腐蚀速度的影响曲线和每一氧含量条件下pH值对腐蚀速度的影响曲线，进而可以预测不同氧含量下抑制铜腐蚀的最佳pH值范围和除盐水中不同pH条件下使铜腐蚀最小的最大允许氧含量。

附图说明

图1是本发明涉及的模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置的外部结构示意图；

图2是本发明涉及的模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置的内部结构示意图。

上述图1和2中，各部件标号如下：

10.模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置：20.釜体、30.釜盖、40.广口玻璃瓶、50.进气部、60.出气部、70.试片悬挂部、以及80.控温部；

51.进气短管、52.延伸管；

71.安装件、72.悬挂线；

81.热电偶构件、82.聚乙烯外套管；

A.惰性气体供给装置/氮气瓶、B.铜试片、C.溶解氧监测仪。

具体实施方式

以下参照附图对本发明所涉及的模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置及相应的试验方法作详细阐述。

<实施例>

如图1和2所示，本实施例中，模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置10包括：釜体20、釜盖30、广口玻璃瓶40、进气部50、出气部60、试片悬挂部70、以及控温部80。

釜盖30封闭性地盖合于釜体20上。

广口玻璃瓶40设置在釜体30内，用于盛放除盐水，广口玻璃瓶40紧贴釜体30设置，容积为釜体30容积的1/3左右。

进气部50与惰性气体供给装置A相连，本实施例中，惰性气体供给装置A为氮气瓶，在氮气瓶A与进气部50之间设有用于调节气流量的流量计。进气部50包含：进气短管51和延伸管52。进气短管51设置在釜盖30上，并贯穿釜盖30，它的上端作为入口露出釜盖30的上表面，下端作为出口伸入釜体20中，进气短管51的下端应尽可能短，本实施例中，整个进气短管51的长度约为1cm；延伸管52的上端与进气短管51的出口相连，下端伸入广口玻璃瓶40内的除盐水中，用于将惰性气体导入除盐水中以排除氧气，本实施例中，延伸管52为聚乙烯软管，不会与铜形成电偶腐蚀。当釜盖30盖合在釜体20上后，延伸管52位于广口玻璃瓶40内、不接触瓶壁的位置，并且它的下端到广口玻璃瓶40底的距离约为1cm。

出气部60设置在釜盖30上，用于排气，本实施例中，出气部60为出气短管。

试片悬挂部70包含：安装件71和悬挂线72。安装件71固定在釜盖30内表面上，本实施例中安装件71为挂孔；悬挂线72的上部安装在挂孔71上，下部用于固定铜试片B并将铜试片B悬挂在广口玻璃瓶40内，本实施例中，悬挂线72为尼龙线，气相、液相中的铜试片B通过调节尼龙线的长短挂在广口玻璃瓶40内的合适位置处。

控温部80包含：热电偶构件81、聚乙烯外套管82、以及温度调节器(图中未显示)。热电偶构件81插设在釜盖30上并伸入釜体30内；聚乙烯外套管82套装在热电偶构件81上，上端开口、下端封闭；温度调节器与热电偶构件81相连、用于调节釜体30内的恒定温度，本实施例中，温度调节器为PID自整定温控仪。当釜盖30盖合在釜体20上后，热电偶构件81和聚乙烯外套管82正好处于广口玻璃瓶40内、不接触瓶壁的位置。

以上是本实施例所提供的试验装置10的具体结构说明，下面对采用该试验装置10进行发电机空芯铜导线在除盐水中腐蚀情况模拟的试验方法进行说明。

本实施例所提供的试验装置，包括如下步骤：

将盛放有除盐水的广口玻璃瓶40放置在釜体30内；

将铜试片B固定在悬挂线72上，并调节悬挂线72的长度，使盖上釜盖30后铜试片B能够悬挂在广口玻璃瓶40内合适位置处；

将釜盖30盖在釜体30上，采用温度调节器设定试验恒温温度；

将进气短管51的入口与氮气瓶A相连通，将出气部60与溶解氧监测仪C相连，以监测氧含量，从溶解氧监测仪C排出的氮气通入装有水的烧杯中；

以一定流量通入高纯氮气除氧，在达到预定通气时间后停止通氮气，然后，将出气部60与氮气瓶A相连通，再将进气部50作为除盐水取液部与测量池相连，出气部60通气后釜体30内压力升高，广口玻璃瓶40中的除盐水被压入延伸管52中，进而顺着延伸管52从进气短管51流出至测量池中，将电导率仪和pH计分别插入测量池中检测除盐水的电导率和pH值。

重复上述步骤，改变恒温温度、通氮气时间，即可对铜在不同温度、不同含氧量、不同pH值的除盐水中的腐蚀情况进行研究。

采用本实施例所提供的上述试验装置10和试验方法来模拟核电站、火电厂发电机内冷水系统的水质和运行条件:

(1)在广口玻璃瓶40内放二级除盐水、挂紫铜试片B，通过通氮除氧不同时间(控制除盐水中氧含量：通氮除氧时间越长，氧含量越低)，控制釜体20恒温温度为40℃，研究铜在40℃不同氧含量除盐水中的腐蚀，得到了预期的结果(如表2)。

表2 40℃不同氧含量除盐水中铜的腐蚀情况

由表2可知：

1)在一定范围内，随着通氮除氧时间的增加即氧含量的减少，铜离子的含量呈下降趋势，说明铜的腐蚀速率随着通氮时间的增加即氧含量的减少而减小；

2)氧含量对铜腐蚀的影响不是非线性的，存在铜腐蚀最小的氧含量。

(2)在广口玻璃瓶40内放预先调节好不同pH值的二级除盐水、挂紫铜试片B，通过通氮除氧不同时间(控制除盐水中氧含量：通氮除氧时间越长，氧含量越低)，控制釜体20恒温温度为40℃，研究铜在40℃不同氧含量、不同pH值除盐水中的腐蚀，得到了预期的结果(如表3)。

表3 40℃不同pH值、不同氧含量除盐水中铜的腐蚀情况

由表3可知：

1)在一定范围内，随着通氮除氧时间的增加即氧含量的减少，铜离子的含量呈下降趋势，说明铜的腐蚀速率随着通氮时间的增加即氧含量的减少而减小；

2)通氮除氧时间较短即氧含量较高时，铜的腐蚀随pH值的升高而减小，说明在一定氧含量下，提高pH值能抑制铜在除盐水中的腐蚀；

3)通氮除氧时间较长即氧含量较低时，随pH值升高铜的腐蚀也减小，但pH升高对铜腐蚀的抑制效果没有氧含量较高时提高pH值对铜腐蚀的抑制效果明显；

4)氧含量和pH值对铜腐蚀的影响不是非线性的，存在铜腐蚀最小的氧含量和pH值。

上述试验结果表明：(1)40℃除盐水中，每一含氧量下均存在抑制铜腐蚀的最佳pH范围，在每一氧含量下控制冷却水的pH值在合适范围可以有效的减缓铜导线的腐蚀；(2)低温除盐水中，每一pH值条件下，存在铜腐蚀减小的氧含量突变点，将除盐水中氧含量控制在突变点对应氧含量以下，能够有效抑制铜的腐蚀。

上述试验结果也表明铜在发电机内冷水的水质条件下，其腐蚀速度与氧含量和pH值等因素有密切关系，氧含量和pH值单独对铜腐蚀的影响程度有差异，根据每一pH值条件下氧含量对腐蚀速度的影响曲线和每一氧含量条件下pH值对腐蚀速度的影响曲线，可以预测不同氧含量下抑制铜腐蚀的最佳pH值范围和除盐水中不同pH条件下使铜腐蚀最小的最大允许氧含量。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置及试验方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置，其特征在于，包括：

釜体；

釜盖，封闭性地盖合于所述釜体上；

广口玻璃瓶，设置在所述釜体内，用于盛放除盐水；

进气部，包含：设置在所述釜盖上的进气短管，和上端与所述进气短管的底部出口相连、下端伸入所述广口玻璃瓶内的聚乙烯软质延伸管；

出气部，设置在所述釜盖上，用于排气；

试片悬挂部，包含：安装在所述釜盖内表面上的安装件，和安装在所述安装件上用于将铜试片悬挂在所述广口玻璃瓶内合适位置处的悬挂线；以及

控温部，包含：插设在所述釜盖上并伸入所述釜体内的热电偶构件，套装在所述热电偶构件上、且下端封口的聚乙烯外套管，与所述热电偶构件相连、用于调节釜体内恒定温度的温度调节器。

2.根据权利要求1所述的模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置，其特征在于：

其中，所述广口玻璃瓶紧贴所述釜体设置，容积为所述釜体容积的1/3。

3.根据权利要求1所述的模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置，其特征在于：

其中，所述进气短管的长度为1cm。

4.根据权利要求1所述的模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置，其特征在于：

其中，所述延伸管的下端到所述广口玻璃瓶底的距离为1cm。

5.根据权利要求1所述的模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验装置，其特征在于：

其中，所述安装件为挂孔，所述出气部为出气短管。

6.一种采用权利要求1所述的试验装置来模拟发电机空芯铜导线在内冷水中腐蚀的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

将盛放有除盐水的广口玻璃瓶放置在釜体内；

将铜试片固定在悬挂线上，并调节悬挂线的长度，使盖上釜盖后铜试片能够悬挂在所述广口玻璃瓶内合适位置处；

将釜盖盖在釜体上，采用温度调节器设定试验恒温温度；

将进气短管的入口与惰性气体供给装置相连通，将出气部与溶解氧监测装置相连；

以一定流量通入惰性气体除氧，在达到预定通气时间后停止通气，将出气部与所述惰性气体供给装置相连通，将进气部作为除盐水取液部与测量池相连，然后将电导率仪和pH计分别插入测量池中检测除盐水的电导率和pH值。