2024年8月22日，我院能源化学工程系叶春松教授团队在能源工程技术领域TOP期刊Applied Thermal Engineering上发表了题为“Effects of water chemistry on corrosion and plugging in the copper heat exchangers of water-cooled generators in power plants”的学术论文（论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431124018866）。我院2023届博士研究生王天平为论文第一作者，王天平博士与其导师叶春松教授为共同通讯作者。该文基于深入的理论分析和实验研究，深刻地揭示了发电机定子线棒空芯铜导线腐蚀-沉积-堵塞的根本原因和作用机制，系统地提出了解决三个阶段问题的系列发明专利技术，在国际上将大型发电机水冷空芯铜导线预防腐蚀的运行控制技术与沉积-堵塞的治理技术提升到一个新的高度和水平。

在发电机空芯铜导线冷却系统运行过程中，低电导率的高纯水高速流过定子线圈内狭窄流通截面的空芯铜导线，致使铜导线内表面产生腐蚀，腐蚀产物在狭窄流道内沉积或堵塞，不仅会恶化发电机定子线棒的冷却效果，进而引起定子线圈过热，严重时还会导致发电机跳机、烧毁等重大生产事故。为了抑制铜导线腐蚀-堵塞，现有策略是在不超过冷却水电导率要求的前提下调控冷却水的水质条件，有中性（pH 7.0）和微碱性（pH 8.0-9.0）两种。从理论上来讲，严格的中性和微碱性水化学条件都能抑制铜导线腐蚀-堵塞。然而，现场实际运行却出现了一个令人费解的现象：铜导线腐蚀-堵塞案例集中发生于中性水化学条件，而微碱性水化学条件没有相关报道。这一工程现象背后的科学机理不清晰，成为了长期困扰该领域科技人员的难题。

为解决上述问题，该文基于Cu-O₂-CO₂-H₂O多元体系的化学热力学分析，建立了冷却水pH值、氧还原电位、铜腐蚀产物溶解度、温度与CO₂渗入量的关联关系（图1a），揭示了铜导线腐蚀-堵塞倾向与水化学条件的关系：（1）铜导线在微碱性水化学条件下处于稳定的CuO钝化区，而在中性水化学条件下处于钝化与腐蚀交界的腐蚀敏感区（图1b）。由于中性水化学条件的缓冲性极差，其水质条件易受到CO₂渗入等外界冲击而变化，从而引起铜氧化层的破坏和脱落；（2）在中性水化学条件下，脱落的铜腐蚀产物由于CO₂溶蚀与温度流变的耦合效应会在高温区局部沉积，久而久之会堵塞空芯铜导线。微碱性水化学条件的缓冲性好，能显著抑制了这一耦合效应的负面影响，且抑制效果随碱化程度的提高而增强（图1c）。调控冷却水处于合适的微碱性范围，可以从根源上预防铜导线腐蚀-堵塞。

图1 发电机定子冷却水系统Cu-O₂-CO₂-H₂O多元体系的化学热力学分析

上述工作首次从化学热力学理论计算的角度，为铜导线在不同水化学条件下腐蚀-堵塞倾向差异很大的工程现象提供了科学的解释（图2）。这一研究为发电机定子冷却水系统的现场运行提供了理论指导，也为DL/T 1039-2016等相关电力行业标准的修订和完善提供了科学依据。据悉，这是发电机定子冷却水领域在Applied Thermal Engineering期刊上发表的首篇学术论文，也是自上世纪50年代水冷发电机开始应用的75年以来该领域发表的第三篇TOP论文（第一篇为法国阿尔斯通公司发表的Corros. Sci., 1990, 30: 183-188；第二篇为叶春松教授团队发表的Ind. Eng. Chem. Res., 2023, 62:14891-14900），体现了我院在该研究领域的领先地位。

图2 发电机定子空芯铜导线腐蚀-堵塞倾向与水化学条件的关系

这四年来，叶春松教授团队为解决某核电站进口发电机定子铜导线因腐蚀-堵塞而整机报废的工程问题，结合工程失效分析、化学热力学计算与动态模拟台架试验，系统开展了铜导线腐蚀-堵塞机理及高效防治技术研究并取得了系列科研成果，发表了SCI论文5篇、申请了发明专利12项（已授权7项）、英译了电力行业标准1部（图3）。该系列科研成果为发电厂大型发电机的安全经济运行提供了理论支撑和技术保障。

图3 叶春松教授团队近四年在发电机定子冷却水领域取得的系列科研成果