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柴油发电机散热水箱的材质结构和防腐处理措施 |
为了防止和减轻冷却水中的杂质对柴油发电机的腐蚀作用，某些柴油发电机（如康明斯N855型）在冷却系统中还设有防腐装置。可在防腐装置的外壳中装有用镁板夹紧着包有离子交换树脂的零件，其作用是由金属镁作为化学反应的金属离子的来源，当冷却水流经防腐装置的内腔时，水中的碳酸根离子便和金属离子形成碳酸镁而沉淀，在该装置中被滤去，从而减小了冷却水对柴油发电机水套及冷却系统各部件的腐蚀。康明斯公司在本文中针对散热水箱的防锈、防腐问题进行了分析与研究，找出了影响散热水箱的防锈、防腐问题主要因素并做出相应改善。
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散热水箱模型正面图 |
散热水箱模型轴测图 |
一、散热器材质结构
散热器的作用是将冷却水所携带的热量散入大气以降低冷却水的温度。散热器必须有足够的散热面积，并用导热性好的材料制造，其构造由上散热水箱（有的带有空气一蒸汽阀）、芯部和下散热水箱三部分组成。上、下散热水箱用来存放冷却水，上散热水箱顶部开有注入冷却水的加水口，用散热水箱盖封闭。柴油发电机水套中的热水从汽缸盖上的出水口流进上散热水箱，经散热器芯子冷却后流到下散热水箱，再经下散热水箱的出水管被吸入水泵。
1、散热散热水箱的分类
散热器芯部构造常用的有管片式和管带式两种。
（1）管片式的芯部构造由许多扁形水管焊在多层散热片上构成。其芯部的散热面积大、对气流的阻力小、结构刚度好、承压能力强、不易破裂，所以目前被广泛采用。其缺点是制造工艺比较复杂。
（2）管带式芯部的构造由波纹状散热带与扁形水管相间排列组合而成。带上开有缝槽，可以破坏气流附面层以增加传热效果。该型芯部的刚度不如管片式好，但制造工艺简单，便于大量生产，其应用有逐渐增多之势。
散热器芯子多用黄铜制造。黄铜具有较好的导热和耐腐蚀性能，易于成型，有足够的强度且便于焊修。为了节约铜，近年来，铝合金散热器也有一定发展。
2、空气蒸汽阀工作原理
闭式强制循环冷却系统是一个封闭的系统，提高系统的蒸汽压力后，可以提高冷却水的沸点。由于冷却水温和外界气温温差加大，因而也就提高了整个冷却系统的散热能力。但如果冷却系统内蒸汽压力过大，就可能使散热器芯的焊缝或水管破裂。当冷却系统中的水蒸气凝结时，会使系统中的蒸汽压力低于外界大气压力，如果这个压力过低，散热器芯部就可能被外界大气压压坏。因此闭式冷却系统的散热水箱盖上装有空气蒸汽阀，其结构及工作原理：
当冷却系统内蒸汽压力低于大气压力0.01~0.02MPa时，在压差作用下，空气阀便克服弹簧的预紧力而开启。空气从蒸汽引出管经空气阀进入上散热水箱，使冷却系统的压力升高。当冷却系统内蒸汽压力超过大气压0.02~0.03MPa时，蒸汽阀弹簧被压缩，蒸汽阀便开启，此时将从蒸汽引出管中放出一部分蒸汽，使冷却系统的压力下降。此时，冷却水的沸点可提高到108℃左右，减少了冷却水的消耗。
二、试验分析
备用柴油发电机组的散热水箱长期处于半干半湿状态，氧气、水含量充足。根据电化学腐蚀情况分析，发生的腐蚀反应为：Fe-2b=Fe2+，Fe2+被进一步氧化成Fe*，溶解于水中。一方面使散热水箱水质变成黄褐色，影响产品的形象；另一方面腐蚀使散热水箱钢板厚度减薄，影响使用寿命。
1、漆膜加速耐水试验
针对散热水箱过早锈蚀的情况，首先考虑涂料的性能是否满足 防腐蚀要求，制定漆膜加速耐水试验办法，釆用五种油漆制作样 板，进行了漆膜耐水试验。加速耐水试验流程为：试板前处理一 喷涂一自干一封边一自干一水浴试验一结果分析。
以记录下述破坏现象为试验结果：起泡、起皱、锈污、失光、 变色、脱落、附着力降低以及脱漆后底材锈蚀状况。试板边缘 8 mm内的破坏现象及明显的人为造成的破坏现象均不列入试验 结果。
一个月后加速试验结果：除5号油漆漆之外，其余油漆均完 好，无起泡、起皱、锈污、脱漆后底材锈蚀等情况，仅表面残存少 量水垢。说明油漆性能至少能够满足耐水一年，散热水箱3个月出现 明显锈蚀，原因不在油漆性能。
2、漏喷情况下的耐水试验
将加速试验后完好的四块试板均挖去一块1 cm见方的漆 膜。然后继续放入50龙的恒温水浴箱中，三天后即出现较为明显 的锈蚀，继续观察发现腐蚀情况在不断加剧。
3、 喷锌与喷漆在漏喷后对比锈蚀现象
选用与散热水箱厚度相当的钢板做对比试验。放入50 T的恒温水箱中，一个月后的实验现象：喷涂油漆的试件漏喷处出现严 重的锈蚀，向周围扩散流锈水，喷锌试件的长缝漏喷处锈蚀则不 明显。说明喷锌较喷漆具有较好的防腐效果。
4、试验结果分析
喷漆和喷锌的耐水性能差异大，电弧喷锌优于喷漆；采用电 弧喷锌加涂料防腐，值得再分析研究漏喷后金属表面因电极电位不同而出现的“大阴极小阳极” 现象。漏喷处为阳极，失电子。喷漆处为阴极，得电子。由于阴极 面积比阳极大得多，因此阳极释放的电子远远不够阴极得到的， 促使阳极失电子的反应Fe—Fe2++2e-加速进行并被继续氧化成 Fe七从而使局部腐蚀加速进行。在现有条件下散热水箱使用涂料防 腐行不通。
三、小样试验
1、 散热水箱防腐蚀工艺路线
根据喷锌防腐蚀的原理，调研喷锌工艺，考虑工艺和经济 性，釆用电弧喷锌方法进行防腐。工艺路线如下：散热水箱钢板下 料一钢板开焊接坡口一散热水箱钢板抛丸一焊接部位预保护一电弧 喷锌一散热水箱组焊一内壁焊缝涂富锌漆一散热水箱组焊一散热水箱内壁盖 板焊缝涂富锌漆一涂装。
2、 防腐原理
喷锌防腐试验基于锌和铁组成原电池，牺牲阳极锌保护阴极铁，原理如下：
（1）电化学保护用。
由于锌比铁活泼，容易失去电子，在腐蚀前 期过程中，锌粉和钢铁基材组成原电池，锌的电极电位比铁的电 极电位低（Fe->Fe2++2e--0.44V；Zn-Zn2++2e--0.758V）。锌为阳极，铁为阴极，电流由锌流向铁，钢铁基材便得到了阴极保护。其 腐蚀产物的形成，使涂层与底材的电位差减小，当涂膜被损伤 时，露出新的金属锌，电位差立即增大，产生较强的阴极保护作 用，因此锈蚀不会从漆膜损伤处向周围扩散。
（2）锌腐蚀沉积物屏蔽保护。
在腐蚀后期过程中，锌在应用过 程中不断被腐蚀，锌粉间隙和钢铁表面沉积了腐蚀产物，即碱式 碳酸锌，俗称“白锈”（见下面反应式），其结构致密，且不导电，是难溶的稳定化合物，能够阻挡和屏蔽腐蚀介质的侵蚀，起到防 腐蚀效果。锌在使用环境中潮气条件下生成腐蚀沉积物，其反应 如下：
Zn+2H2O=Zn（ OH ）2+H2，Zn（OH ）2=ZnO+H2O,
5ZnO+2CO2=2ZnCO3 • 3Zn（OH ）2+H2O
5ZnO+2CO2+3H2O = 2ZnCO3 -3Zn（OH）2（碱式碳酸锌)
喷锌层通过上述两种机理最终使钢铁基材得到保护。散热水箱 内壁进行长效防腐，其防腐寿命可以达到5年以上。
以上试验表明，喷锌焊接工艺的柴油发电机散热水箱水溶液中腐蚀性产物较少，腐蚀特征低于抛丸后焊接、未抛丸焊接工艺的散热水箱水溶液，证明喷锌具有较好的抗腐蚀效果。
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