冷却ループの腐食との戦い

Rich Roser 氏、Laird Engineered Thermal Systems マネージャー | 2017 年 11 月 21 日

多くの冷却用途では、プロセス冷却液に高純度の液体が必要です。 腐食により流体が汚染されますが、これらの流体の純度要件は 10 億分の 1 単位で計算される場合があります。 ほとんどの用途では、適切な材料と防止技術を使用することで、金属腐食を管理、遅らせ、さらには停止させることができます。

液体冷却ループの腐食は、濡れた表面上の熱伝達流体による化学的、電気化学的、または研磨作用によって引き起こされる可能性があります。 腐食によって形成された化学生成物の層は、液体と濡れた金属表面の間の適切な熱伝達を妨げる可能性があります。 腐食性生成物は流体システムに破片を侵入させ、流体の流れに影響を与えたり、フィルターや厳しい制限を詰まらせたり、ポンプのコンポーネントに損傷を与えたりする可能性があります。 極端な条件では、漏れが発生する可能性があります。

適切な材料の選択

ステンレス鋼、特に 300 シリーズ (オーステナイト系) ステンレス鋼は、その表面を覆う酸化クロム (III) 不動態層の性質により、ほぼすべての熱伝達流体に対して不活性です。 脱イオン水を使用する場合、濡れた表面にはステンレス鋼とニッケルが適していると考えられます。 ステンレス鋼はほとんどの場合、耐腐食性に優れていますが、重大な欠点もあります。 ステンレス鋼は、特にアルミニウムや銅などの他の金属と比較した場合、熱伝導率がかなり低くなります。 ただし、塩化物濃度が高いとステンレス鋼の耐性を克服する可能性があります。

アルミニウムは、未精製水中の不純物により腐食や孔食を受けやすい傾向があります。 蒸留水中のグリコール溶液であっても、エチレングリコールとプロピレングリコールは両方とも酸化されると酸性化合物を形成します。 これは濡れた表面では腐食性を示し、副生成物として有機酸が生成されます。 これを防ぐために、通常、グリコールに腐食防止剤が添加されます。この場合、腐食遅延剤としての性能は普通の水よりも大幅に向上します。

濡れたアルミニウム表面の陽極酸化は、酸化アルミニウム (III) (Al2O3) の不動態化層の形成です。 これにより、露出したアルミニウム上に形成される薄い自然不動態化層よりも数桁厚い層が形成されます。 自然の層は腐食に対して効果的なバリアではありませんが、適度な pH レベルが維持され、ハロゲン化物イオン濃度が低いままであれば、陽極酸化層は効果的なバリアになる可能性があります。 他の金属は、ペイントや電気メッキなどのコーティングを使用して保護できます。 防食塗料およびコーティングは、湿気、湿度、塩水噴霧、酸化、またはさまざまな環境条件や工業用化学物質への曝露による劣化から金属を保護するために一般的に使用されます。 これらの耐食性塗料およびコーティングは、金属表面をさらに保護します。 腐食を防ぐために、金属コーティングまたはメッキを適用することもできます。

銅および銅ニッケル合金は、優れた耐腐食性と生物増殖に対する自然な耐性を備えています。 ただし、アルミニウムと同様に、酸性腐食を避けるために腐食防止剤を使用する必要があります。

ピット腐食の課題を解決する

冷却ループではピッチングも懸念されます。 低速領域では、ハロゲン化物イオンなどの腐食剤が局所的に高濃度で存在するため、ピットが形成されることがあります。 ピットが形成されると、ピット内の体積が残りの流体体積と流体を交換しないため、ピット内の腐食速度が加速し、その結果、腐食性イオンの濃度がますます増加し、ピットが拡大します。

このタイプの腐食による損傷は、外観や性能にほとんど目立った影響を与えずに発生し、表面のごく一部にのみ影響を与えるため、特に危険です。 ただし、腐食は金属の奥深くまで広がり、何の前触れもなく漏れが発生する可能性があります。

他の腐食形態と同様、ハロゲン化物濃度が高いと、特に酸素が存在し、より高いまたは低い pH レベルでは、アルミニウムや鋼に孔食が発生する理想的な条件が生じます。 流れが停滞する場所は避けるべきであり、酸素を除去するための腐食防止剤を追加することができます。

ガルバニック腐食の克服

ガルバニック腐食は、導電性経路および十分に導電性の電解液を介して接触する 2 つの異なる材料の電極電位の差の結果です。 具体的には、電子やイオンを輸送または吸収できる他のコンポーネントを含むシステム内で、材料が最も安定した状態に化学的に変化する自然な結果です。 導電経路は通常、冷却システムを構成する金属配管やハードウェアを通じて発生します。

2 つの金属のうち貴金属の低い方は時間の経過とともに腐食し、水に溶解します。 一般的に使用される熱伝達金属であるアルミニウムと銅は、熱伝達において電気腐食の問題を引き起こす傾向がある異種金属の例です。 鋼と銅合金の組み合わせでは、銅が液体に溶解して鋼の表面にめっきされると、鋼に激しいガルバニック作用が生じる場合に問題が発生する可能性があります。

電気化学的に類似した接液材料を選択すると、それらの間の電位が低下し、ガルバニック作用の速度が遅くなります。 ガルバニック シリーズを検討すると、通常は海水と淡水で使用できる、流体中の金属とその反応性のランキングが表示されます。 問題の 2 つの金属間の差が大きいほど、貴金属のより低い陽極金属の腐食速度が大きくなります。

腐食の一形態としての浸食

侵食も別の懸念事項です。 エロージョンは、固形物の破片や高い流体速度による摩耗があるときに発生します。 適切な濾過、あるいはさらに良いことに上記の方法を使用すると、処理する破片の量が減ります。 高い流体速度の問題には、さらなる解析が必要です。 局所的な腐食箇所は、不動態化された腐食生成物によって停滞した空間でさらなる腐食から保護される傾向がありますが、流体の速度が増加すると生成物が押しのけられ、その下の未反応で影響を受けやすい金属が露出します。

腐食を防ぐための戦略

保護する金属に特有の腐食防止剤を冷却液に添加することもできますが、時間の経過とともに腐食防止剤が消耗するため、再充填するための追加のメンテナンスが必要になる場合があります。 きれいな蒸留水など、さまざまな種類の液体を使用すると、腐食速度が低下する可能性があります。 プロセスおよび性能要件で誘電性熱伝達流体の使用が許可される場合、誘電性熱伝達流体を使用して腐食性金属からのイオン経路を排除できます。

陰極防食は、電気腐食を防ぐために採用される方法です。 陰極防食では、より犠牲的な反応性の金属を使用して、優先的な陽極として機能します。 これは、逆電流を印加することにより、金属表面の犠牲陽極 (活性) 領域を陰極 (受動) 領域に変換することによって機能します。 アノードおよびカソードに対して犠牲アノードを適切に配置することは複雑な問題である。 誘電体結合を使用して、異種金属間の導電経路を遮断することができます。 ハードウェアおよび配管コンポーネントについては、異種金属の腐食源とならないように特別な注意を払う必要があります。

侵食防止の場合、システム全体の体積流量が管理可能な流体速度に対応しているように見える場合でも、流れの制限と方向の変更により、局所的な高速領域が発生する機会が生じます。 チューブやパイプの直径の突然の変更、特に大きな直径から小さな直径への変更は避けてください。 方向変更では、流路内の鋭い突起や凹みを排除し、可能な限り最大の回転半径を考慮する必要があります。

耐食性と冷却効果のバランス

もちろん、冷却システムでは通常、より高い流体速度が望ましい設計特徴であり、流体と熱伝達面の間の熱伝達性能が向上します。 これには、熱伝達性能とエロージョン・コロージョンの影響に対する長期的な耐性との間のバランスを確立する必要があります。 どの場所でも 1 ～ 2 m/s を超える速度は避けてください。 さらに、許容可能な流体速度は、問題の濡れた表面の感受性、熱伝達流体の温度と攻撃性によって低下し、温度が高くなると濡れた表面に対する化学的攻撃の速度が明らかに増加します。

あらゆる環境において腐食しない金属はありません。 ただし、腐食を引き起こす主な条件を理解し、確実な監視と維持を行うことで、腐食を抑制し、さらには制御することができます。 冷却ループを金属の劣化や腐食から保護するには、表面の状態を監視し、適切な防止方法を実施することが不可欠です。

Rich Roser は、Laird Engineered Thermal Systems のマネージャーです。 Laird は、電子機器を電磁干渉や熱から保護するワイヤレス アプリケーションやアンテナ システムを介した接続を可能にするシステム、コンポーネント、ソリューションの提供に注力している世界的なテクノロジー企業です。

画像提供：レアード。

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