Коррозия полых медных проводников в системах непосредственного водяного охлаждения обмоток турбогенераторов

АННОТАЦИЯ

В крупных электрических машинах широкое распространение получили системы водяного охлаждения. Надёжность работы стержней обмоток статора и, следовательно, электрических машин определяется водно-химическим режимом системы водяного охлаждения. Поэтому особое значение имеет проблема коррозии меди в дистилляте. Продукты коррозии при определённых условиях могут формировать отложения на поверхностях каналов, вызывая закупоривание или снижение их проходного сечения. Это может приводить к выходу из строя соответствующих стержней статорной обмотки электрических машин и их дальнейшей дорогостоящей замене. Одним из способов защиты стержней обмоток статоров электрических машин с водяным охлаждением от коррозии может быть модификация поверхностей полых медных проводников поверхностно-активными веществами (ПАВ). ПАВ, адсорбируясь на поверхности металлов, образуют защитный слой. Наряду с весьма высокими ингибирующими свойствами, ПАВ эффективно способствуют удалению отложений с защищаемых поверхностей. В статье рассматривается механизм формирования отложений в полых медных проводниках обмоток статоров турбогенераторов с непосредственным водяным охлаждением. Приводится информация о существующих методах предотвращения коррозии с применением различных ингибиторов. Отдельно уделяется внимание ингибиторам на основе поверхностно-активных веществ. Приводится информация об опыте формирования покрытий на меди на основе октадециламина.

ABSTRACT

Water cooling systems are widely used in large electrical machines such as turbogenerators. The reliability of the stator winding bars and electrical machines is determined by water chemistry condition of cooling systems. Therefore, the problem of copper corrosion in cooling water is of particular importance. Under certain conditions corrosion products can form deposits on the surfaces of hollow conductors channels causing the water flow decrease or blockage. It can cause failure of the stator winding bars of electric machines and its subsequent costly replacement. Surface modification using surfactants is one of the ways to prevent the corrosion of hollow copper conductors. Surfactant adsorbed on the metal surface forms a protective layer. Surfactants have high inhibitory properties and also effectively help to remove deposits from the protected surface. The mechanism of deposits formation in the hollow copper conductors of turbogenerators stator windings with direct water cooling is considered in this paper. The information on existing methods of preventing corrosion using various inhibitors is presented. Special attention is given to surfactants based inhibitors. The information about the experience of the formation of octadecylamine based coatings on copper is presented.

Турбогенераторы в системах электроснабжения являются основным видом генерирующего оборудования, обеспечивающего свыше 80% общего мирового объёма выработки электроэнергии. Они устанавливаются на тепловых и атомных электростанциях и могут иметь единичную мощность свыше 1000 МВт. Отличительной особенностью генераторов большой мощности является непосредственное внутрипроводниковое охлаждение стержней обмотки статора дистиллированной обессоленной водой. Вода обладает теплоёмкостью, теплопроводностью и теплоотводящей способностью намного превосходящими аналогичные физические свойства воздуха и водорода. Это позволяет интенсивно отводить теплоту при более высоких плотностях тока в обмотках, а следовательно, выполнять генераторы большей мощности без существенных изменений их габаритных размеров. Важнейшим преимуществом применения полного водяного охлаждения и отказа от водорода в турбогенераторах является исключение возможности взрыва и возгорания внутри машины.

Непосредственное охлаждение обмотки статора водой применяется в отечественных турбогенераторах серий ТВВ (мощности 165-800 МВт), ТГВ (500, 800 МВт), Т3В (63-1500 МВт). В таких генераторах часть элементарных проводников стержней выполняется с внутренними каналами для циркуляции воды (полые проводники) (рис.1). Обмотка статора турбогенератора с водяным охлаждением в зависимости от типа машины содержит 1200-1500 полых проводников длиной от 8 до 12 м каждый. Размеры канала в проводнике относительно малы; например, в генераторах типа ТВВ-500 они составляют 2x5 мм.

Рисунок 1. Поперечный разрез паза статора генератора ТВВ-500-2

1 — клин (волокнит); 2 — прокладка (стеклотекстолит); 3 — изоляция «Слюдотерм»; 4 — медный проводник ПСД 2,1x10 сплошной и полый 5x10 мм; 5 — набор прокладок (стеклотекстолит полупроводящий), 6, 7 — прокладки

Для конечного потребителя важна устойчивость и бесперебойность электроснабжения, которая достигается как созданием необходимых резервов генерирующих мощностей, так и повышением надёжности электрогенераторов. Одним из путей повышения надёжности электрических машин большой мощности является не только правильный выбор в процессе проектирования их размеров, активных и конструкционных материалов, нагрузок, допустимых предельных режимов и т.д., но и знание источников дефектов, приводящих к отказам и аварийным простоям оборудования при длительной эксплуатации.

Нарушение системы охлаждения приводит к ускоренному старению изоляции вследствие увеличения температуры обмотки и авариям (межвитковым и межфазовым коротким замыканиям) с последующим выходом из строя турбогенератора.

На основе статистики аварий [6] выявлено, что в 10% случаев причинами нарушений в работе статоров явились дефекты систем охлаждения обмоток. В практике аварий, обусловленных неполадками системы охлаждения обмоток статоров турбогенераторов, выделяются:

•      закупорка полого проводника стержня;
•      коррозионные язвины и образование сквозного отверстия в стенке полого проводника стержня;
•      истирание проводников стержня посторонним ферромагнитным предметом.

Основной причиной закупорки охлаждающих каналов, уменьшения их проходного сечения и утончения стенки стержня является коррозия полых медных проводников системы охлаждения электрической машины.

Процесс коррозии может быть описан процессом, развивающимся в четыре этапа: окисление меди, её высвобождение, перенос высвободившейся меди вдоль тракта, повторное осаждение меди в тракте (рис. 2). [10] Длительность каждого этапа может занимать от нескольких недель до года в зависимости от различных факторов, таких как концентрация кислорода О₂ концентрация диоксида углерода СО₂, уровень кислотности pH, температура, электропроводность и скорость движения воды.

Рисунок 2. Механизм формирования отложений в полом медном проводнике [10]

1 – окисление меди, 2 – высвобождение частиц меди, 3 – перенос высвободившейся меди, 4 – повторное осаждение меди

На первом этапе в медном проводнике в присутствии воды и кислорода образуется равномерно распределенный слой оксидов меди. Этот слой всегда состоит из смеси окислов и некоторого количества металлической нерастворённой меди. Окислы, образуемые медью ‑ красноватый оксид меди (I) (Cu₂О) и черный оксид меди (II) (CuO).

На втором этапе происходит разрушение меди и выделение её частиц в канал. В отличие от окисных слоёв на нержавеющей стали или алюминии, которые защищают собой основной металл, слой оксида меди медленно растворяется в воде и, кроме того, является пористыми. Пористая плёнка оксида меди (II) обладает слабыми защитными свойствами и не предотвращает дальнейшего протекания основного коррозионного процесса. Скорость высвобождения зависит от нескольких факторов, и прежде всего от количества растворенного кислорода и уровня рН. Оксиды могут выделяться как в виде твёрдых частиц, так и в растворенной форме.

После того, как медь и её продукты коррозии (CuO, Cu₂O) оказываются в воде, они перемещаются вместе с потоком до тех пор, пока либо не будут удалены из системы охлаждения с помощью ионообменников и механических (сетчатых) фильтров, либо пока повторно не осядут в системе, обычно в полых проводниках обмотки генератора.

Если в некоторых областях водоохлаждающего тракта имеются благоприятные условия для кристаллизации, оксиды могут осесть в этих местах. Обычно это происходит в зонах с высокой турбулентностью и изменением скорости потока, таких как входы и выходы полых проводников, застойные участки, гибы, сетчатые фильтры системы и др. Повторное осаждение частиц меди и её оксидов может происходить под действием гравитации, центробежных или других механических сил. На осаждение также влияет такие факторы как растворимость меди и её оксидов, электродный потенциал, структура кристаллов оксида, гидродинамические условия.

Для борьбы с коррозией в охлаждающую воду вводят ингибиторы – вещества, способные связывать ионы меди в прочные комплексные соединения.

Например, обработку воды в системе водяного охлаждения гидрогенераторов по [7] производят при введении аммиака и бензотриазола. Согласно патенту присутствие бензотриазола при pH 8,5-9,1 почти в 100 раз снижает концентрацию меди в контуре. По [8] снижение коррозии достигается путём обработки контура водяного охлаждения химическими реагентами сначала бензотриазолом, а затем – карбамидом. Доказал свою эффективность комплексный ингибитор коррозии и отложений (ИКО), включающий моноэтаноламин (МЭА), бензотриазол (БТА), и формальдегид (ФАД) [1]. Введение оптимального состава ингибитора (МЭА ‑ 0,005 г/л, БТА ‑ 0,01 г/л, ФАД ‑ 0,015 г/л) приводит к уменьшению скорости коррозии в 25 раз [3]. В системах охлаждения также применяют ингибитор коррозии меди «ИНКОРАМ-75», который создаёт на поверхности меди защитный слой, препятствующего коррозии. [4] «ИНКОРАМ-75» способен снизить скорость коррозии от нескольких десятков до нескольких сотен раз в зависимости от условий его применения. [2]

Среди ингибиторов можно выделить поверхностно-активные ингибиторы коррозии (ПАИК), в основе которых используются поверхностно-активные вещества (ПАВ) — химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения. При использовании ПАИК на поверхностях защищаемого оборудования формируются защитные плёнки, препятствующие развитию коррозии.

В тепло- и электроэнергетике ПАВ широко применяются для обработки функциональных поверхностей систем теплоснабжения, а также рабочих поверхностей теплообменного оборудования. За счёт применения ПАВ повышается гидрофобность поверхности, что приводит к ряду положительных эффектов, таких как многократное снижение скорости протекания коррозионных процессов; уменьшение гидравлического сопротивления; удаление накопившихся отложений с поверхностей оборудования и трубопроводов и предотвращение образования новых отложений. [9]

Одним из таких ПАВ является октадециламин (ОДА, C₁₈H₃₉N) ‑ поверхностно-активное вещество из класса алифатических аминов. ОДА широко используется в энергетике для поверхностной консервации металлов и зарекомендовало себя как эффективное ПАВ.

Октадециламин был опробован в качестве покрытия для медных стержней обмотки турбогенератора. Был проведён эксперимент по формированию защитных покрытий ОДА на медных образцах с последующей оценкой качества покрытия.

Согласно ГОСТ 16774-78 и ГОСТ 859-2001 стержни изготавливаются из меди марок М0б, М1 и М1р. Для эксперимента из медной шины марки M1 было изготовлено четырнадцать образцов размером 25х25х1 мм.

Для формирования молекулярных слоёв ПАВ на поверхности образцов использовалась высокодисперсная эмульсия молекул ОДА. Образцы погружались в технологическую ёмкость с эмульсией при непрерывной циркуляции. Обработка проводилась при концентрации ОДА 20 мг/л и температуре 85°С. Время обработки составляло 8 часов.

После обработки образцы подверглись измерениям краевого угла смачивания – основного показателя гидрофобности поверхности, и удельной сорбции ПАВ.

Значение краевого угла смачивания после обработки образцов увеличилось с 70° (71,95°) до 100° (102,64°).

Для обеспечения надёжного защитного эффекта удельная сорбция реагента должна быть не менее 0,3 мкг/см² [5]. Значение удельной сорбции ОДА на медных образцах составило от 1,65 до 2,32 мкг/см², что превышает минимальное предельное значение. Полученные данные говорят о том, что произошло успешное формирование защитных плёнок на медных образцах.

По оценкам [11] защитный эффект ингибиторов, рассчитанный по значениям сопротивления переноса заряда анодной реакции, для меди, обработанной октадециламином, составляет 87,9%.

Заключение. Предотвращение коррозии полых медных проводников обмоток статоров турбогенераторов с водяным охлаждением является одной из важных задач обеспечения надёжности работы электростанций. Среди применяемых ингибиторов коррозии меди выделяются ингибиторы, в основе которых используются поверхностно-активные вещества. Предварительные эксперименты показали возможность формирования покрытия на основе октадециламина на медной поверхности.