胡芳 谢露 唐林 钟玲龙 杨春啟 张程钞

1 哈电风能有限公司

2 中公高远（北京）汽车检测技术有限公司

目前风电行业对于冷却液金属防腐性能评价多参考发动机冷却液金属防腐性能测试方法，但汽车发动机与风电机组变流器的工况、使用环境有较大差别。本文参考SH/T 0085—91和SH/T 0088—91，结合风电机组变流器冷却系统的实际工况条件，对玻璃器皿腐蚀试验和模拟使用腐蚀试验的试片材质和时长进行调整，对风电行业已有应用的3个品牌冷却液防腐性能进行了检测并评价。依据试验结果，推荐了适用于风电机组变流器冷却液的玻璃器皿腐蚀试验和模拟使用腐蚀试验试片的质量变化限值指标。

冷却液是风电机组变流器冷却系统的唯一传热介质，其流经变流器、外部换热器等重要部件，具有冷却、防腐、防垢以及防冻等作用[1]。冷却液由水、防冻剂和各种添加剂组成[2]，尽管添加的缓蚀剂会对与冷却液接触的金属材质起到防腐作用，但不同品牌冷却液对接液金属材质的防腐性能却各不相同。近年来频发风电机组变流器内部散热模块漏液或外部换热器芯体漏液，其原因多数与冷却液防腐性能相关。目前应用于风电行业的冷却液品类繁多，各个品牌冷却液对风电机组变流器冷却系统接液材质的防腐性能是值得研究的问题。

冷却液金属防腐评定有多种方法[3]，依据汽车行业发动机冷却液试验方法标准，玻璃器皿腐蚀试验（SH/T 0085—91《发动机冷却液腐蚀测定法（玻璃器皿法）》）和模拟使用腐蚀试验（SH/T 0088—91《发动机冷却液模拟使用腐蚀测定法》）是最常用的两个评价方法。玻璃器皿腐蚀试验是在实验室控制条件下测定冷却液对典型金属试片的静态防腐蚀方法，是判定冷却液防腐性能的基本试验方法。模拟使用腐蚀试验是在实验室模拟动态条件下，评定冷却液在长期运转循环过程中对金属试片和冷却系统各部件的影响，是接近于风电场运行工况的试验项目。这两个试验是验证冷却液防腐性能的重要试验。目前，风电行业缺少权威的标准来规定冷却液在玻璃器皿腐蚀和模拟使用腐蚀中金属试片质量变化限值。风电整机厂商对冷却液金属防腐性能的评判标准和技术指标多参考GB 29743—2013《机动车冷却液》，但该标准的指标要求是否适用于风电行业值得探讨。

本文结合风电机组变流器冷却系统的实际工况条件，参考SH/T 0085—91和SH/T 0088—91设 置了玻璃器皿腐蚀试验和模拟使用腐蚀试验的试验条件，对风电行业已有应用的3种冷却液进行了防腐性能评价，为风电机组变流器冷却液防腐性能的评价标准和相关技术指标的制定提供参考。

试验部分

试验样品

选择3种在风电行业有应用的冷却液品牌。其中，品牌1和品牌2冷却液在风场使用多年，未反馈过腐蚀问题；品牌3所用冷却液机组曾出现过外散腐蚀漏液情况。3种品牌冷却液冰点均不高于-40 ℃。

试验设备

玻璃器皿腐蚀试验和模拟使用腐蚀试验分别采用SH/T 0085—91和SH/T 0088—91方法规定的试验设备。试片尺寸为50.0 mm×25.0 mm×2.0 mm，中心有一个直径为7.0 mm的通孔。各金属的排列顺序为黄铜、304不锈钢、316L 不锈钢、Q235碳钢、3003铝合金、5052铝合金、6063铝合金和4104铝合金。其中黄铜垫圈用于间隔铜和钢类试片，钢垫圈用于间隔铝类试片。黄铜支架与试片之间采用绝缘垫圈。两种试验中试片束的组装情况如图1所示。

图1 试验试片束组装情况示意

试验概要

将变流器冷却系统使用的8种典型金属加工成试验试片，打磨干净清洗后进行称重，然后组装成试片束。

玻璃器皿腐蚀试验的具体操作要求：将试件放置在750 mL试验杯中、倒入冷却液试验样品，设置空气流量为100 mL/min±10 mL/min，在88℃±2 ℃下试验672 h±2 h，试验结束后取出试片，经清净处理后再次称重，以校正后的试片试验前后质量变化值和试片外观表面状态来评价腐蚀状况。

模拟使用腐蚀的具体操作要求：在由贮存器、水泵、散热器及橡胶管组成的封闭系统中进行，在88 ℃±3 ℃和1.3 L/s流量条件下循环1 064 h，其防腐性能由贮存器内装有的金属试片束的质量变化和目测试片表面的状态而确定。

为了保证试验结果准确性，两种试验均采用3组平行试验。

试验条件

试片材质选择

按 照SH/T 0085—91及SH/T 0088—91的规定，6种典型的冷却液玻璃器皿腐蚀用金属试片为钢试片、黄铜试片、铜试片、铸铁试片、焊锡试片、铸铝试片，涵盖了发动机冷却系统主要材质。风电行业水冷系统流经变流器、外部板翅式换热器、不锈钢管路和泵等重要部件。其中变流器冷板一般采用6063铝合金，板翅式换热器接液材质包含翅片材质3003铝合金、隔板材质4104铝合金、封头材质5052铝合金3种，泵和管路接液材质为316L不锈钢和304不锈钢，传感器接液材质会含有少量铜，若膨胀罐发生破损后冷却液也会与膨胀罐壁面的碳钢材质发生接触，接液材质为碳钢。为了全面考虑风电机组水冷系统中冷却液可能出现的接液情况，玻璃器皿腐蚀试验采用的试验材质为风电机组变流器水冷系统常用材质，在本文中玻璃器皿和模拟使用腐蚀实验其包含的试验材质为铜、316L不锈钢、304不锈钢、Q235碳钢、3003铝合金、4104铝合金、5052铝合金、6063铝合金共8种材质。

试验温度

SH/T 0085—91规定高沸点冷却液和防锈剂的试验温度是88 ℃±2 ℃，SH/T 0088—91规定的试验温度为88 ℃±3 ℃，实际上风电机组变流器冷却系统的正常运行温度达不到88 ℃。但考虑到该试验本身为加速试验，因此在本文所述的玻璃器皿和模拟腐蚀试验过程中仍采用方法规定的温度作为试验温度。

试验时长

根据SH/T 0085—91，其试验时长为336 h±2 h，它是模拟静态冷却液对冷却系统金属件的防腐情况。与汽车行业不同，风电行业风场满发小时数大部分在2 000 h以上，且冷却系统为闭式系统，即使机组不运行也不存在排液和换液等操作。风电机组变流器冷却液存在于风电机组整个服役周期中，相较于发动机冷却液运行时间更长。因此，针对风电行业冷却液的玻璃器皿腐蚀试验其时长应延长。本文所述的玻璃器皿腐蚀试验中采用672 h±2 h的试验时长，而模拟使用腐蚀试验时长沿用SH/T 0088—91标准规定的时长，为1 064 h。

结果及讨论

玻璃器皿腐蚀试验

3种冷却液样品的玻璃器皿腐蚀试验结果见表1，试验后试片外观如图2所示。

图2 各品牌冷却液玻璃器皿腐蚀试验前后试片外观

由表1可以看出，经玻璃器皿腐蚀试验后，8种金属片在3种冷却液中其质量变化均在±2 mg/片以内。对比参考GB 29743—2013标准，其对铸铝金属试片的质量变化指标限值在±30 mg/片，钢和铜金属试片的质量变化指标限值在±10 mg/片，该限值用于风电行业则过于宽泛。依据试验结果，对于风电机组变流器用冷却液，将玻璃器皿腐蚀试验试片的质量变化限值设定在±5 mg/片较为合适。从外观上看，8种试片在品牌1冷却液中表面均形成了保护膜，试片外观有明显的变色。铝质试片在品牌2和品牌3冷却液中表面形成了黑色保护膜。各品牌冷却液试片外观无明显腐蚀现象。

表1 玻璃器皿腐蚀试验结果

模拟使用腐蚀试验

3种冷却液样品的模拟使用腐蚀试验结果见表2，试验后试片外观如图3所示。

图3 各品牌冷却液模拟使用腐蚀试验前后试片外观

由表2可以看出，经过模拟使用腐蚀试验，4104铝合金在品牌1冷却液中失重多达 24 mg/片，8种金属组件在品牌2冷却液中失重均低于10 mg/片，3003、5052、6063和4104铝合金试件在品牌3冷却液中失重最多。综合来看，品牌2冷却液对8种金属的防护效果最好，品牌3对铝合金防护效果最差。

从试片外观上看，经过模拟使用腐蚀试验，6063和5052在品牌1冷却液中试片外观明显观察到有白点和腐蚀点坑，铜试片外观有明显锈迹，结合表2中铜试片在冷却液1中失重达10 mg/片，为3种冷却液失重最严重的。8种金属试片在品牌2冷却液试验中仅 6063金属外观上有少许白点，其余试片外观无明显变化。3003、5052和6063在品牌3冷却液中试片表面有明显的材料脱落，Q235碳钢试片表面能观察到黄色锈迹。综合8种金属试片在3种冷却液中的质量变化数据和试片外观来看，品牌1冷却液对于黄铜和4104铝合金的防腐性能有待提高。品牌2冷却液对于8种金属的防护性能最优。品牌3冷却液对铝合金的防护性能最差。风电机组中变流器冷板、内部散热模块以及水冷系统外部换热器等均采用铝质板翅式换热器，不适宜长期使用品牌3冷却液。根据此次模拟使用腐蚀试验结果，对于各金属试片的质量变化限值控制在±20 mg/片以内，更能甄选出防腐性能佳的冷却液品牌。

表2 模拟使用腐蚀试验结果

结合玻璃器皿腐蚀试验和模拟使用腐蚀试验结果也可以看出，仅采用玻璃器皿腐蚀试验作为冷却液防腐性能的验证试验，无法全面地评价冷却液的防腐性能，应结合模拟使用腐蚀试验共同验证。

结论及展望

对风电行业已有应用的3种品牌冷却液进行了玻璃器皿腐蚀试验和模拟使用腐蚀试验，得出以下结论：

☆品牌1冷却液对于风电行业变流器水冷系统中8种金属中铜和4104铝合金的防腐性能有待提高。品牌2冷却液对8种金属的防腐性能表现最佳。品牌3冷却液对铝合金的防腐性能最差，用于风电机组变流器水冷系统风险较大。

☆不同品牌冷却液在模拟使用腐蚀试验中的性能区分较为明显，将模拟使用腐蚀试验与玻璃器皿腐蚀试验结合，可以更全面地评价冷却液的防腐性能。根据试验结果，推荐将玻璃器皿腐蚀试验周期延长至672 h±2 h，将玻璃器皿腐蚀试验、模拟使用腐蚀试验的试片质量变化限值分别设定在±5 mg/片和±20 mg/片。

玻璃器皿腐蚀试验和模拟使用腐蚀试验可以一定程度上反映冷却液对于风电机组变流器冷却系统常用金属材质的防腐情况，但试验条件和风机实际运行情况仍有差别。因此，对冷却液在风电场装机运行的实际情况进行定期监测也是保障冷却液长效使用的重要举措。此外，风电行业有必要通过更多的试验或现场数据，确定冷却液玻璃器皿腐蚀试验和模拟使用腐蚀试验试片的质量变化限值指标，以更好地甄选出长效和高性价比冷却液。