액체 냉각 시스템의 부식 방지

Water and water/glycol solutions are common heat transfer fluids used in cooling systems and recirculating chillers. Although the fluids are the lifeblood for your heat transfer applications, they can also cause corrosion within your systems.

액체 냉각 시스템의 부식 방지

시스템 누출 및 성능 저하로부터 보호

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.

부식은 재료, 일반적으로 금속과 그 환경 사이의 화학 적 또는 전기 화학 반응으로 금속과 그 특성의 악화를 초래합니다. 이 기사에서는 화학 적 부식을 다룹니다. (전기 화학 적 또는 갈바닉 부식에 대한 자세한 내용은, 우리의 응용 프로그램 노트를 참조하십시오 "갈바닉 부식을 피하기.") 많은 금속이 자연적으로 물의 존재에서 산화하는 경향이 있기 때문에 금속 구성 요소의 부식은 물과 물 / 글리콜 냉각 시스템에 내재 된 문제입니다. 물에 용존 산소는 대부분의 부식 과정을 가속화. 폐쇄 루프 시스템에서용존산소는 시간이 지남에 따라 소비되며 더 이상 부식 위험이 없습니다. 그러나 개방 루프 시스템의 경우 공기에 지속적으로 노출되면 산소가 냉각수에 용해됩니다. 따라서 개방 루프 시스템은 종종 폐쇄 된 장치에 비해 더 많은 부식 문제를 겪습니다.

부식은 일반적으로 일반 또는 지역화로 분류됩니다. 일반적인 부식은 전체 표면에 균일하게 분포된 금속의 손실입니다. 일반적으로 금속 손실의 비율이 금속 파열 전에 발견 될 수 있기 때문에 빠른 시스템 고장으로 이어지지 않습니다. 반면에 국부적인 부식은 예측할 수 없습니다. 그것은 일반적으로 구멍이나 구멍을 형성, 매우 빠르게 금속을 관통 할 수있는 피팅의 형태로 나타난다. 국부적 인 부식의 또 다른 일반적인 형태는 액체에 증기 형태의 주머니때 발생하는 캐비테이션입니다. 이 과정은 금속 표면 근처의 국부 압력이 액체의 증기압 아래로 떨어질 때 발생합니다. 이러한 증기 기포가 붕괴되거나 붕괴되면 많은 양의 에너지를 생성합니다. 이로 인해 시스템 구성 요소(예: 펌프)에 심각한 피팅이 발생하고 많은 소음이 발생하며 펌프 효율이 저하됩니다.

잠재적인 부식 문제

부식은 많은 문제를 초래할 수 있으며, 가장 중요한 것은 절삭유 누출을 초래할 수 있는 천천입니다. 다른 문제로는 금속이 산소, 염화물 및/또는 냉각수의 억제제와 반응하여 금속 표면으로 다시 침전되어 열 전달 장벽역할을 하는 층을 생성할 때 발생하는 표면 스케일링으로 인한 열 전달 감소가 포함될 수 있습니다. 또한 미립자 필터의 막힘 및 기계식 씰 손상등의 우려도 있습니다.

구리가 부식되면 피팅보다 일반적인 부식에 의해 더 자주 저하됩니다. 일반적인 부식은 종종 암모니아, 산소 또는 유황 함량이 높은 유체에 노출된 구리를 공격합니다. 구리에 영향을 미치는 부식의 또 다른 원인은 염화물, 황산염 및 중탄산염과 같은 유체의 용존 염입니다.

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.

스테인레스 스틸은 일반적으로 부식성 환경에서 사용되지만 알루미늄과 마찬가지로 산화 환경에서 고농도의 염화물 (>100ppm)에 민감합니다. 핏팅은 스테인레스 스틸 합금에서 가장 흔하고 해로운 부식 형태 중 하나이지만 재료가 산소에 노출되고 가능한 한 염화물로부터 보호되도록함으로써 방지 할 수 있습니다. 크롬, 특히 몰리브덴과 질소가 많은 스테인레스 스틸은 부식에 더 강합니다.

억제되지 않은 에틸렌 글리콜에 의한 부식

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.

부식 방지

일반적으로 pH 제어 및 부식 억제제 사용을 통해 부식을 줄일 수 있습니다. 억제제는 금속 표면에 부착하여 이를 전달하고 부식을 방지합니다. 또한 부식을 일으킬 수 있는 냉각 시스템 내부의 정체 된 영역을 피하기 위해 안정적인 물 흐름을 유지하는 것이 중요합니다.

부식을 방지할 때 물의 질도 고려해야 합니다. 천연물의 부식 효과는 화학 성분에 따라 상당히 달라질 수 있습니다. 이 문서의 앞에서 언급했듯이 염화물은 부식성이며 염화물이 100 ppm 이상 포함되어 있는 경우 수돗물의 사용을 최소화하거나 피해야 합니다. 물의 경도는 또한 금속 표면에 규모를 형성하는 칼슘과 마그네슘을 도입하기 때문에 고려될 필요가 있습니다. 탈이온수, 탈염수 또는 역삼투 공정을 통해 유해한 미네랄과 염분을 제거하는 물은 염화물과 스케일 축적을 피하기 위해 적극 권장됩니다. 적절한 부식 억제제는 탈이온화 또는 탈염수와 함께 사용해야 합니다.

다른 금속과 함께 사용하기위한 다른 억제제가 있습니다, 장점과 단점각.

• 인산염은 철, 강철, 납/주석 납땜 및 대부분의 알루미늄 부품에 대한 효과적인 부식 억제제입니다. 또한 pH 제어를 위한 매우 좋은 버퍼입니다. 인산염의 한 가지 단점은 경수에 칼슘이 침전되는 데, 이는 탈이온수가 글리콜/물 냉각수를 희석하는 데 사용되는 이유 중 하나입니다.
• Tolyltriazole는 구리와 황동에 대한 일반적이고 매우 효과적인 부식 억제제입니다.
• 메르카프토벤조티아졸은 구리와 황동에도 효과가 있지만 톨리트리아졸만큼 안정적이지는 않습니다.
• 아질산염은 철에 대한 우수한 부식 억제제입니다. 고농도에서, 이 억제제는 납 /주석 솔더에 부식성.
• 규산염은 대부분의 금속에 효과적인 억제제이지만 냉각 시스템에서 두꺼운 침전물을 형성하는 경향이 있습니다. 자동차 부동액의 녹 억제제는 펌프 씰의 조기 고장을 일으킬 수 있습니다. 크로메이트 오일과 수용성 오일은 과거에 사용되었지만 독성으로 인해 사용이 크게 감소했습니다. 현대 억제제는 그(것)들을 대체했습니다.

액체 냉각 시스템 침식 - 부식

침식-부식 을 관리하여 수명 연장

열교환기 및 냉판은 물, 에틸렌 글리콜 및 물 용액, 오일 등과 같은 열 전달 유체를 사용하여 한 곳에서 다른 장소로 열을 제거하고 전달하는 냉각 응용 프로그램에 사용됩니다. 이러한 응용 분야에 사용되는 유체 및 유체 경로 재료의 조합의 수천이있다. 이러한 구성 요소에서 유체 경로 재료를 선택하는 주요 기준 중 하나는 부식에 저항하는 재료의 능력이어야합니다. 부식은 "침식 부식"을 포함하여 다양한 형태로 제공됩니다. 침식 부식을 최소화하고 시스템 성능과 수명을 최적화하기 위해서는 유체 특성과 재료 특성을 아는 것이 중요합니다.

침식 부식이란 무엇입니까?

침식 부식은 유체 및 금속 표면의 상대적인 움직임으로 인해 금속의 부식 속도에서 가속됩니다. 일반적으로 파이프 굽힘 및 팔꿈치, 튜브 수축 및 유동 방향 또는 속도를 변경하는 기타 구조에서 발생합니다. 이러한 유형의 부식 메커니즘은 유체의 연속 흐름으로 금속 표면에서 보호 필름 이나 금속 산화물을 제거합니다. 유동 스트림에서 일시 중단 된 물질이없는 상태에서 발생할 수 있습니다. 부유 물질이있는 경우, 효과는 샌드 블라스팅과 매우 유사하며, 심지어 강한 필름은 상대적으로 낮은 유체 속도로 제거 할 수 있습니다. 금속 표면이 노출되면 부식성 매체에 의해 공격을 받고 유체 마찰에 의해 침식됩니다. 금속 산화물의 수동 층이 충분히 빨리 재생될 수 없다면 상당한 손상이 발생할 수 있습니다.

일부 재료는 동일한 유체 조건에서 침식 부식에 다른 사람보다 더 저항력이 있습니다. 침식 부식은 구리 및 알루미늄과 같은 연약한 합금에서 가장 널리 퍼집니다. 냉각 응용 프로그램에서 유체의 유량을 증가시키면 성능이 향상될 수 있지만 침식 부식도 증가할 수 있습니다. 따라서 열교환기 나 냉판의 수명이 현저한 감소로 성능이 저하될 수 있으므로 유량을 증가시켜 열 성능에 미치는 영향이 얼마나 큰지 결정하는 것이 중요합니다.

표 1

침식-부식 제어

침식 부식을 최소화하기 위한 몇 가지 방법에는 디버링(예: 불규칙성 평활화)을 통해 파이프 내의 유동선을 개선하고, 굽힘이 더 큰 각도를 가질 수 있도록 하고, 파이프 직경을 갑자기 변경하지 않고 점진적으로 변경하는 것이 포함됩니다. 다른 방법으로는 유속 감속(난류 최소화), 용존 산소 의 양 감소, pH 변경, 파이프 재료를 다른 금속 또는 합금으로 전환하는 것이 있습니다.

사용되는 유체 경로 재료 외에도 유체의 온도를 고려하는 것도 중요합니다. 온도가 높을수록 침식 부식을 최소화하기 위해 유량을 낮혀야 합니다. 예를 들어, 일반적으로 물 흐름 속도는 차가운 물의 경우 8ft/sec를 초과하지 않아야 하며 온수의 경우 5ft/sec(최대 약 140°F)를 초과해서는 안 됩니다. 수온이 일상적으로 140°F를 초과하는 시스템에서는 유속이 초당 3ft를 초과해서는 안 됩니다. 다른 일반적인 튜브 재료의 권장 수속을 최대하려면 표 1를 참조하십시오. 다른 유체의 경우 다음과 같은 위치에서 최대 허용 유체 속도를 계산할 수 있습니다.

주어진 유체에 대한 허용 속도] = [물에 대한 허용 속도] x [주어진 액체의 물 밀도 / 밀도] 1/2.

모든 냉각 시스템에서열 성능과 신뢰성/수명 사이에는 항상 장단점이 있습니다. 유체 흐름을 증가시키면 최대 한 지점까지만 냉각 또는 성능이 향상됩니다. 그 후, 증가 유체 속도는 빠르게 침식하고 튜브의 내부 금속 표면을 부식하기 시작할 수 있습니다. 설계자는 응용 프로그램에 가장 적합한 솔루션을 결정하기 위해 위에서 설명한 요소와 같은 여러 가지 요소를 고려해야 합니다.

갈바닉 부식 방지

액체 냉각 루프에서 부식발생 방법

갈바닉 부식 속도는 두 금속 사이의 전기 전위에 따라 달라집니다. 갈바닉 시리즈(그림 2)는 흐르는 바닷물에서 나타나는 잠재력을 바탕으로 금속을 주문합니다. 가장 반응성이 가장 낮은 테이블의 맨 위에 있고 맨 아래에 는 가장 반응성이 가장 낮은 것입니다.

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.

갈바닉 부식을 방지하기 위해 냉각 루프 전체에서 동일한 재료 또는 전기 전위가 비슷한 재료를 사용하는 것이 좋습니다. 배관, 커넥터 및 기타 구성 요소가 시스템에 반응성 금속을 유입하지 않도록 해야 합니다.

회로 전체에서 동일한 재료를 사용한다고해서 성능을 희생해야한다는 의미는 아닙니다. Boyd는 알루미늄, 구리 및 스테인레스 스틸 유체 경로가있는 고성능 열교환기 및 냉판을 제공합니다.

Boyd의 응용 엔지니어는 부품 재료 호환성에 대해 상담 할 수 있습니다. 신중한 설계 및 구성 요소 선택을 통해 냉각 루프에서 수년간의 신뢰할 수 있고 부식없는 서비스를 보장 할 수 있습니다.

액체 냉판 및 플레이트 핀 열교환기용 알루미늄 내식성

액체 냉각 루프의 구성요소를 선택할 때는 개별 성능뿐만 아니라 재료 호환성을 고려해야 합니다. 구리 튜브 열교환기와 페어링된 알루미늄 튜브 냉판이 열 요구 사항을 충족할 수 있지만 신뢰할 수 있는 냉각 회로는 아닙니다. 구리와 알루미늄은 전기화학적 전위가 매우 다르므로 냉각 시스템에 결합하면 갈바닉 부식이 발생할 수 있습니다. 갈바닉 부식(이종금속 부식이라고도 함)은 금속을 침식시켜 시간이 지남에 따라 누출을 일으킵니다.

액체 냉판에 알루미늄의 부식

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.

액체 냉판 및 열교환기는 많은 다른 유체와 함께 사용되며 일반적으로 동일한 유체의 재순환을 포함합니다. 알루미늄 냉판 및 열교환기에서 사용해서는 안되는 유체 중 하나는 물입니다. 수돗물에는 구리, 중탄산염, 염화물 및/또는 부식을 용이하게 하는 기타 불순물과 같은 활성 이온이 포함될 수 있습니다. 또한, 폐쇄 루프에서 시간이 지남에 따라 동일한 유체의 재순환은 용액에서 나오는 용존 산소를 일으킬 것입니다. 산소의 결과 부족은 산화물 층의 형성을 억제합니다. 충분한 시간이 주어지면, 알루미늄은 결국 산소로부터 분리되어 낮은 품질의 물에 노출되면 부식됩니다.

물이 열 전달 시스템에 선호되는 경우, 증류수는 일반적으로 동결점을 줄이고 끓는 점을 증가시키기 위해 글리콜과 결합됩니다. 위에서 언급 한 이유로, 부식 억제제는 사용하는 것이 중요합니다. 부식 억제제는 부식 방지 층을 형성하는 산소의 역할을 인수 활성 이온 (일반적으로 인산염)의 양을 제어한다. 이러한 억제제는 알루미늄과의 화학 반응에 의존하기 때문에 수돗물과 같은 낮은 품질의 물을 사용하면 억제제의 효과를 줄일 수 있습니다.

내식성 설계

합금 선택은 높은 내식성의 핵심 요소입니다. 예를 들어, 플레이트 핀 열교환기에서 유체 통로를 분리하는 브레이즈 시트는 일반적으로 전체 시트 두께의 약 10%를 나타내는 내부 코어 및 외부 클래드 레이어로 구성됩니다. 클래드 레이어는 고온 및 차가운 지느러미와 브레이즈 시트를 사이드 바에 결합하는 브레이징 합금입니다. 진공 브레이징 합금은 실리콘 및 기타 원소를 사용하여 합금의 융점을 낮춥시합니다. 브레이즈 합금은 코어보다 더 무음이기 때문에 브레이즈 합금은 음극 방지 및 부식 방지기능을 제공합니다.

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.”

냉판 및 열교환기 설계에는 다른 고려 사항이 있습니다. 내부 유체 정적 압력 및 외부 응력은 핵심 구성 요소를 응력 하에 놓습니다. 이러한 응력은 종종 고강도 합금 (6xxx 시리즈)이 브레이즈 시트 및 / 또는 지느러미에 사용되어야합니다. 브레이즈 시트 두께는 성능, 중량 및 부식 방지 사이의 장단점입니다. 두꺼운 브레이즈 시트는 무겁고 열 성능을 감소시킵니다. 얇은 브레이즈 시트는 응력을 견딜 수 있는 강도가 적고 부식 방지 기능이 적습니다. 부식성 환경이 있는 경우 얇은 브레이즈 시트는 두꺼운 시트보다 적은 시간 동안 공격을 견딜 수 있습니다.

콜드 플레이트 및 열교환기 누출 테스트

제조 과정에서 냉판과 열교환기는 순수한 물로 유압 적으로 테스트 할 수 있습니다. 그러나, 물은 테스트를 수행하는 데 필요한 것보다 더 이상 장치에 남아 있지 않아야합니다. 철저한 건조 공정은 물 부식의 가능성을 제거하는 데 중요합니다. "버블 테스트"또는 가스로 장치를 가압하고 물에 담그는 것은 업계 전반에 널리 사용됩니다. 이 방법을 사용하려면 테스트 후 외부 표면을 건조시켜야 합니다. Boyd 테스트 서비스 및 절차에 대해 자세히 알아보기.

액체 냉판 및 열교환기 작동

물/글리콜 냉판 또는 열교환기를 작동할 때는 유지 관리 계획을 세우는 것이 중요합니다. 일반적인 유지 보수 활동은 억제 된 에틸렌 글리콜과 물의 적절한 혼합물로 시스템을 세척하고 리필하는 것입니다. 이 작업은 운영 평가 단계에서 시스템 수준 테스트를 통해 결정되는 간격으로 주기적으로 수행해야 합니다. 주기적으로 유체 pH 및 굴절률을 측정해야 합니다. 이러한 측정은 시간이 지남에 따라 변경됩니다. 이러한 측정에서 플러싱 주파수를 결정할 수 있습니다.

배포 하는 동안 절삭전지 시스템을 "토핑"하는 것이 일반적입니다. 이러한 관행은 글리콜 농도가 억제제의 효과를 비화하는 지점까지 희석되지 않는 한 냉판 이나 열교환기를 해치지 않아야합니다. 억제제 효과는 상판 수질, 유체 루프의 다른 금속 유형 및 시스템의 억제제 의 시대의 기능입니다. "토핑 오프"가 사용되는 경우, 유체의 pH를 모니터링하는 것이 좋습니다. pH가 4.0 이하로 떨어지거나 9.0 이상으로 상승하는 경우 가능한 한 빨리 시스템 플러시/채우기가 수행되어야 합니다.

내식성은 냉판 또는 열교환기 설계에서 시작됩니다. 또한 알루미늄 냉판 또는 열교환기의 수명을 최대화하는 유지 보수 절차를 개발하는 것도 중요합니다.

부식 방지 요약

부식을 막을 수는 없지만, 부식을 크게 제한하는 방법이 있습니다. 적절한 유체 경로 재료, 모니터링 솔루션 화학(특히 pH 수준 및 수질) 및 적절한 억제제 선택을 통해 부식으로 인한 비용 영향을 최소화하고 액체 냉각의 효과적인 작동을 보장할 수 있습니다. 년 동안 루프.