避免液体冷却系统腐蚀

水和水/乙二醇溶液是冷却系统和循环冷水机组中常用的传热流体。尽管流体是传热应用的命脉，但它们也会导致系统内部腐蚀。

防止液体冷却系统中的腐蚀

保护您的系统免受泄漏和性能下降的影响

This corrosion can result in a reduction in system thermal performance due to scaling on the heat transfer surface, decreased flow due to reduced pipe diameters from corrosion deposits, and ultimately the need for system component replacement due to corrosion damage.

腐蚀是材料（通常是金属）与其环境之间的化学或电化学反应，导致金属及其特性的恶化。本文将介绍化学腐蚀。（有关电化学或电镀腐蚀的更多信息，请参阅我们的应用说明"避免电镀腐蚀"。金属部件的腐蚀是水和水/乙二醇冷却系统的一个固有问题，因为许多金属在存在水时自然容易氧化。水中的溶解氧加速了大多数腐蚀过程。在闭环系统中，溶解氧会随着时间的推移而消耗，不再构成腐蚀风险。但是，对于开放回路系统，持续暴露在空气中可使氧气溶解到冷却液中。因此，与封闭单元相比，开环系统经常遭受更多的腐蚀问题。

腐蚀通常分为一般或局部。一般腐蚀是均匀分布于整个表面的金属损失。它通常不会导致快速的系统故障，因为金属损耗率可以在金属破裂之前发现。另一方面，局部腐蚀是不可预测的。它通常以点蚀的形式出现，可以非常迅速地穿透金属，形成空腔或孔。另一种常见的局部腐蚀形式是气穴，当液体中形成蒸汽小块时，气穴就会发生。当金属表面附近的局部压力低于液体的蒸气压时，就会发生此过程。当这些蒸汽气泡坍塌或爆裂时，它们会产生大量的能量。这会导致系统部件（如泵）严重点蚀，产生大量噪音，并导致泵效率降低。

潜在的腐蚀问题

腐蚀会导致许多问题，其中最重要的一点是穿孔，可能导致冷却液泄漏。其他问题可能包括表面缩放引起的传热减少，当金属与冷却液中的氧气、氯化物和/或抑制剂发生反应，并沉淀回金属表面时，会产生一个充当传热屏障的层。此外，还担心微粒过滤器堵塞和机械密封件损坏。

当铜腐蚀时，它更经常被一般腐蚀所降解，而不是通过点蚀。一般腐蚀通常会攻击暴露于氨、氧或含高硫液中的铜。影响铜的另一个腐蚀源是液体中的溶解盐，如氯化物、硫酸盐和碳酸氢盐。

For aluminum, pitting is the most common form of corrosion. Pitting is usually produced by the presence of halide ions, of which chloride (Cl-) is the most frequently encountered in liquid cooling loops. Pitting of aluminum in halide solutions open to air occurs because, in the presence of oxygen, the metal is readily polarized to its pitting potential and the naturally occurring protective oxide layer or film is penetrated. This film is stable in aqueous solutions when pH is between about 4.0 and 8.5. The film is naturally self-renewing and accidental abrasion or other mechanical damage of the surface oxide film is rapidly repaired. Boyd strongly recommends an inhibitor when using water with aluminum to maintain a clean heat transfer surface.

不锈钢通常用于腐蚀性环境，但与铝一样，它在氧化环境中对高浓度氯化物（>100 ppm）敏感。点蚀仍然是不锈钢合金中最常见和最具破坏性的腐蚀形式之一，但可以通过确保材料暴露于氧气并尽可能防止氯化物来防止点蚀。铬含量高的不锈钢，特别是钼和氮，更耐点蚀。

不受抑制的乙二醇引起的腐蚀

Studies show that uninhibited ethylene glycol will degrade into five organic acids – glycolic, glyoxylic, formic, carbonic, and oxalic – in the presence of heat, oxygen, and common cooling system metals such as copper and aluminum. Copper and aluminum act as a catalyst in the presence of uninhibited ethylene glycol. These organic acids will then chemically attack copper and aluminum in as little as three weeks under extreme conditions (212°F and oxygen bubbling into the uninhibited ethylene glycol solution) to form metal organic compounds in the fluid, which can lead to clogging of pipes, pumps, valves, etc.

Literature references often state that copper and aluminum are compatible with uninhibited ethylene glycol, but usually those recommendations are based on a two-week chemical compatibility study of various metals at different temperatures. The study above indicates that uninhibited ethylene glycol typically does not begin to degrade until after three weeks under those extreme conditions. In conclusion, the reported data is based on ethylene glycol’s ability to dissolve the metal and ignores the concern of degraded, acidic uninhibited ethylene glycol and its effects on metals. The latter is much more corrosive towards metals.

防止腐蚀

通常，通过pH控制和缓蚀剂的使用可以减少腐蚀。抑制剂附着在金属表面，以钝化并防止腐蚀。保持稳定的水流也非常重要，以避免冷却系统内的停滞区域，因为这可能导致腐蚀。

在努力防止腐蚀时，还需要考虑水质。天然水的腐蚀性会因化学成分的不同而有很大差异。如本文前面所述，氯化物具有腐蚀性，如果自来水含有超过 100 ppm 的氯化物，则应尽量减少或避免使用自来水。水的硬度也需要考虑，因为它引入了钙和镁，在金属表面形成水垢。强烈建议使用去离子水、去矿化水或经过反渗透过程去除有害矿物质和盐的水，以避免氯化物和规模积聚。合适的缓蚀剂必须与去离子水或脱矿水一起使用。

不同的金属有不同的抑制剂，每种抑制剂的优点和缺点。

• 磷酸盐是铁、钢、铅/锡焊料和大多数铝部件的有效缓蚀剂。它还是pH控制的一个很好的缓冲器。磷酸盐的一个缺点是硬水中含钙沉淀，这是脱离子水用于稀释乙二醇/水冷却剂的原因之一。
• 托利特里亚索是铜和黄铜的常见且高效的缓蚀剂。
• Mercaptobenzothizole 也适用于铜和黄铜，但它不如利氏二氮那样稳定。
• 亚硝酸盐是铁的极佳缓蚀剂。在高浓度时，这种抑制剂对铅/锡焊料具有腐蚀性。
• 硅酸盐是大多数金属的有效抑制剂，但往往在冷却系统中形成厚厚的沉积物。汽车防冻中的防锈抑制剂可能导致泵密封件过早失效。铬酸盐和可溶性油过去曾使用过，但由于毒性，其使用量已大大减少。现代抑制剂已经取代了它们。

液体冷却系统腐蚀- 腐蚀

通过管理腐蚀确保更长的使用寿命

热交换器和冷板用于冷却应用，使用转热液（如水、乙二醇和水溶液、油等）将热量从一个地方去除和转移到另一个地方。在这些应用中，有数千种流体和流体路径材料的组合。选择这些部件中的流体路径材料的主要标准之一应该是材料的抗腐蚀能力。腐蚀有许多不同的形式，包括"侵蚀腐蚀"。了解流体特性和材料特性非常重要，以便最大限度地减少侵蚀腐蚀并优化系统性能和使用寿命。

什么是腐蚀腐蚀？

腐蚀腐蚀是由于流体和金属表面的相对运动而使金属腐蚀速率的加速。它通常发生在管道弯曲 – 弯管、管收缩和其他改变流动方向或速度的结构中。此类腐蚀的机制是流体的连续流动，从金属表面去除任何保护膜或金属氧化物。它可以在流中存在和没有悬浮物质的情况下发生。在悬浮物质存在的情况下，其效果与喷砂非常相似，即使强膜也能以相对较低的流体速度去除。一旦金属表面暴露，就会受到腐蚀性介质的攻击，并被流体摩擦侵蚀。如果金属氧化物的被动层不能足够快地再生，则可能发生重大损坏。

某些材料在相同的流体条件下比其他材料更耐腐蚀。腐蚀在软合金中最为普遍，如铜和铝。虽然在冷却应用中提高流体的流速可能会增加其性能，但也会增加侵蚀腐蚀。因此，确定提高流速对热性能的影响有多大非常重要，因为随着热交换器或冷板的寿命显著降低，性能可能得到最小改善。

表1

控制腐蚀

一些最小化侵蚀腐蚀的方法包括通过去毛刺（即平滑不规则性）改善管道内的流线，允许弯道具有更大的角度，以及逐渐而不是突然地改变管道直径。其他方法包括减缓流速（最小化湍流）、减少溶解氧的量、改变 pHH 以及将管道材料切换到不同的金属或合金。

除了使用的流体路径材料外，考虑流体的温度也很重要。在较高的温度下，应降低流速，以尽量减少侵蚀腐蚀。例如，通常，冷水的水流速度不应超过 8 英尺/秒，热水的流量不应超过 5 英尺/秒（最高约 140 °F）。在水温通常超过 140 °F 的系统中，流速不应超过 3 英尺/秒。有关其他典型管材中推荐的最大水速，请参阅表 1。对于其他流体，允许的最大流体速度可以从以下方法计算：

给定流体的允许速度= = [水的允许速度] x [给定液体的水密度/密度] 1/2。

在任何冷却系统中，热性能和可靠性/使用寿命之间始终存在权衡。增加流体流量将为您提供更多的冷却或性能，只有一点。之后，增加的流体速度可能迅速开始侵蚀和腐蚀管道的内部金属表面。设计人员应考虑许多不同的因素，如上面讨论的因素，以便确定其应用的最佳解决方案。

避免电镀腐蚀

液体冷却回路中腐蚀的发生方式

电腐蚀速率取决于两种金属之间的电势。加尔瓦尼系列（图2）根据金属在流动海水中表现出的潜力对金属进行订购。反应最强的是表顶部，底部是最不反应的。

Elevated temperatures, which are likely in cooling loops, accelerate galvanic corrosion. A 10°C increase in temperature can approximately double the corrosion rate. Corrosion inhibitors can be added to the cooling water.

This slows, but does not eliminate, galvanic corrosion. Corrosion inhibitors bind with the ions in solution to neutralize them. The inhibitors are consumed in this process so they need replacing regularly. Non-aqueous coolants, such as oils, eliminate galvanic corrosion because they do not support ions. However, thermal performance is sacrificed, as the thermal conductivities of heat transfer oils are generally significantly lower than water-based coolants.

为了避免电腐蚀，我们强烈建议在整个冷却回路中使用相同的材料或具有类似电位的材料。应确保管道、连接器和其他组件不会将无功金属引入系统。

在整个电路中使用相同的材料并不意味着您必须牺牲性能。Boyd 提供高性能热交换器和冷板，采用铝、铜和不锈钢流体管路。

Boyd的应用工程师可以就组件材料的兼容性提供咨询。通过精心的设计和组件选择，您可以确保冷却回路提供多年可靠、无腐蚀的服务。

液体冷板和板-鳍换热器的铝耐腐蚀性

在为液体冷却回路选择部件时，必须考虑其材料兼容性以及个人性能。尽管与铜管热交换器配对的铝管冷板可能满足您的热要求，但它不是可靠的冷却电路。铜和铝的电化学电位差异很大，因此当它们结合在冷却系统中时，电偶腐蚀是可能的。电镀腐蚀（也称为异质金属腐蚀）会腐蚀金属，随着时间的推移导致泄漏。

液体冷板中铝的腐蚀

Aluminum is known for its corrosion resistance. Under the right conditions, aluminum rapidly forms a protective oxide layer. Generally, this occurs when oxygen is readily available and the surrounding medium has a moderate pH. There are two typical manifestations of aluminum corrosion: uniform corrosion and local corrosion. Uniform corrosion happens when the oxide layer is soluble in the corrosive medium. “The oxide film is soluble in alkaline solutions and in strong acids…but is stable over a pH range of approximately 4.0 – 9.0.” In uniform corrosion, the entire oxide layer is being stripped away faster than it can reform. Local corrosion, usually in the form of a pit, occurs when there is non-uniformity in the base metal or the surrounding environment. The metal may have a local concentration of alloying elements that creates a galvanic couple. Similarly, the surrounding environment may have a local concentration of active elements such as chlorides.

液体冷板和热交换器与许多不同的流体一起使用，通常涉及同一流体的再循环。一种不应用于铝冷板和换热器的液体是水。自来水中可能含有活性离子，如铜、碳酸氢盐、氯化物和/或其他便于腐蚀的杂质。此外，在闭环中随着时间的推移，同一液体的再循环将导致溶解氧从溶液中流出。由此产生的缺氧将抑制氧化物层的形成。如果有足够的时间，铝最终会腐蚀，如果与氧气分离，暴露于低质量的水。

当水是传热系统的首选时，蒸馏水通常与乙二醇结合使用，以减少其冰点并增加沸点。出于上述原因，使用缓蚀剂至关重要。腐蚀抑制剂是控制量的活性离子（通常是磷酸盐），它们接管氧气在形成耐腐蚀层中的作用。由于这些抑制剂依赖于与铝的化学反应，使用低质量的水，如自来水会降低抑制剂的有效性。

耐腐蚀设计

合金选择是高耐腐蚀性的关键因素。例如，钎厚板在板-翅片中分离流体通道，由内部芯和外部包层组成，通常代表整个薄片厚度的10%左右。包层是一种钎焊合金，将钎焊板与冷翅片和钎焊片连接到侧杆。真空钎焊合金使用硅胶和其他元素来降低合金的熔点。由于钎厚合金比芯更阳极，钎熔合金提供阴极保护，从而防腐。

Cathodic protection is a concept that has been used in the ship building business for decades. For hulls made of steel, a plug made of an active element, like zinc, is used to protect the hull. Because zinc is more active than steel, the zinc corrodes faster that the steel. Among the alloying elements of aluminum, the alloys with a minimum of copper and iron have the best corrosion resistance. “3xxx series alloys are generally among those having the highest general corrosion resistance…The 6xxx alloys also have high resistance.”

在冷板和换热器设计中还有其他注意事项。内部流体静态压力和外部应力使核心部件承受应力。这些应力通常要求高强度合金（6xxx 系列）用于钎压板和/或翅片。钎厚是性能、重量和防腐蚀之间的权衡。厚厚的钎厚薄板很重，会降低热性能。薄钎片具有较低的强度来承受应力，并提供较少的防腐保护。如果存在腐蚀性环境，薄钎厚板的抗攻击时间比厚薄的薄片短。

冷板和换热器泄漏测试

在制造过程中，冷板和换热器可以使用纯水进行液压测试。但是，水在装置中的停留时间不应超过进行测试所需的时间。彻底的干燥过程对于消除水腐蚀的可能性至关重要。"气泡测试"，或用气体加压装置并将其浸入水中，在整个行业中广泛使用。这种做法要求在测试后干燥外部表面。了解有关Boyd测试服务和程序。

液体冷板和换热器操作

操作水/乙二醇冷盘或换热器时，制定维护计划非常重要。典型的维护活动是冲洗和重新加注系统与抑制乙二醇和水的适当混合物。这应该定期完成，在操作评估阶段通过系统级测试确定的时间间隔。定期测量液体的pH和折射率。这些测量值将随时间而变化。通过这些测量，可以确定冲洗频率。

在部署过程中，冷却液系统通常要"关闭"。只要乙二醇浓度不稀释到使抑制剂无效的点，这种做法就不应损害冷板或换热器。抑制剂有效性是自上而下水质、流体回路中其他金属类型以及系统中抑制剂年龄的函数。如果采用"加头"，建议监测液体的pH。如果 pH 值低于 4.0 或高于 9.0，应尽快进行系统冲洗/填充。

耐腐蚀性始于冷板或换热器设计。开发维护程序以最大限度地延长铝冷板或换热器的使用寿命也很重要。

防腐概述

尽管我们不能同时阻止腐蚀，但有办法可以显著限制腐蚀。通过选择适当的流体路径材料、监测溶液化学（特别是pH值和水质）以及选择适当的抑制剂，您可以最大限度地减少腐蚀造成的成本影响，并确保液体冷却的有效运行循环多年。