太陽能熱水器水箱內(nèi)膽及其防腐技術(shù)

皇明太陽能股份有限公司 ■ 王冬梅賀勝民 趙杰

太陽能熱水器水箱內(nèi)膽及其防腐技術(shù)

皇明太陽能股份有限公司 ■ 王冬梅*賀勝民 趙杰

主要介紹太陽能熱水器水箱內(nèi)膽的幾種常用防腐技術(shù)，重點(diǎn)介紹外加電流陰極保護(hù)技術(shù)的原理，結(jié)合3種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，并預(yù)測(cè)外加電流陰極保護(hù)技術(shù)在產(chǎn)品應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)。

太陽能熱水器；水箱內(nèi)膽；防腐蝕；搪瓷；不銹鋼；外加電流陰極保護(hù)

0　引言

隨著太陽能熱水器的使用越來越普及，其社會(huì)效益日益突出，決定太陽能熱水器使用壽命的是內(nèi)膽制造技術(shù)及其防腐技術(shù)。目前有多種防腐技術(shù)在使用，但對(duì)于外加電流陰極保護(hù)技術(shù)在太陽能熱水器水箱中的應(yīng)用，尚無詳細(xì)報(bào)道。本文介紹了外加電流陰極保護(hù)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)過程及保護(hù)效果，為大家了解該技術(shù)并科學(xué)合理的使用提供理論依據(jù)。

1　太陽能熱水器水箱內(nèi)膽概述

1.1不銹鋼內(nèi)膽

SUS304不銹鋼內(nèi)膽主要應(yīng)用在非承壓的太陽能熱水器水箱中。

優(yōu)點(diǎn)：1)材質(zhì)好，不銹鋼是含鉻量約≥11％的鐵合金；2)耐腐蝕，不銹鋼表面有一層能在各種環(huán)境中自行愈合的表面膜，即鈍化膜。

缺點(diǎn)：1)不銹鋼表面的鈍化膜一經(jīng)破壞，不耐Cl-離子腐蝕，易形成點(diǎn)蝕、孔蝕。2)對(duì)焊接工藝要求較嚴(yán)格。焊接前需要用清洗液充分擦拭焊縫位置，擦拭后10 min之內(nèi)進(jìn)行焊接；否則焊接時(shí)焊縫處油漬、手印中的碳原子先與不銹鋼中的鉻反應(yīng)，在焊接區(qū)域產(chǎn)生“貧鉻區(qū)”，焊縫就會(huì)成為內(nèi)膽腐蝕的薄弱區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，不銹鋼內(nèi)膽的腐蝕85％以上發(fā)生在焊縫附近。該內(nèi)膽的防腐主要依靠板材自身性能及制造工藝來保障，無需另加防腐技術(shù)。

1.2搪瓷內(nèi)膽

搪瓷內(nèi)膽主要應(yīng)用在承壓的太陽能熱水器水箱中，是在低碳鋼板(SPCC)上涂覆0.25～0.3 mm搪瓷層瓷，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，生成一層內(nèi)膽表面保護(hù)層。

優(yōu)點(diǎn)：可承受較大范圍內(nèi)的溫度變化，一般為-60～450 ℃，能承受溫度驟變，抗壓、抗張、有彈性、電絕緣、無污染、耐酸堿、耐高溫。

缺點(diǎn)：1)搪瓷對(duì)制作工藝的要求較高。瓷釉是在860 ℃的高溫環(huán)境下與鋼板粘合成形，成形以后要經(jīng)過一個(gè)循序的降溫過程，如果降溫過程處理不當(dāng)，跨度過大，易產(chǎn)生內(nèi)傷，釉層會(huì)產(chǎn)生肉眼看不見的一些細(xì)小的龜裂，影響水箱壽命。2)在工業(yè)化生產(chǎn)中，搪瓷的涂覆率不可能達(dá)到100％，不僅搪瓷表面存在肉眼不可見的微孔，而且存在搪瓷缺陷(內(nèi)膽鋼板焊縫錯(cuò)位處，普通搪瓷很難處理好)。3)在生產(chǎn)線周轉(zhuǎn)及熱水器水箱成品的運(yùn)輸過程中，難免產(chǎn)生磕碰導(dǎo)致新的缺陷出現(xiàn)。4)這些搪瓷缺陷處的金屬暴露在水中，與水中的氧發(fā)生原電池反應(yīng)，還會(huì)與水中的Cl-離子等腐蝕因子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，極易被腐蝕。這種內(nèi)膽需要另加防腐措施。

1.3塑料內(nèi)膽

塑料內(nèi)膽主要應(yīng)用在非承壓的太陽能熱水器水箱中，是一種高分子NMPP納米材料。該內(nèi)膽為一次吹塑成型，受工藝限制，內(nèi)膽厚度不是非常均勻，要求平均厚度為5 mm，確保最薄處≥3 mm。該內(nèi)膽主要在水中Cl-含量較高的區(qū)域使用，在水質(zhì)較差的區(qū)域，不銹鋼內(nèi)膽最短半年會(huì)因腐蝕漏水，而高分子塑料內(nèi)膽因其化學(xué)穩(wěn)定性較高、耐腐蝕性較好，實(shí)現(xiàn)了成功升級(jí)。

優(yōu)點(diǎn)：抗腐蝕性較好，內(nèi)膽表面不凝結(jié)水垢。

缺點(diǎn)：1)該內(nèi)膽對(duì)材料及制造工藝要求嚴(yán)格，需要注意控制內(nèi)膽的耐高溫性能、抗老化性能、機(jī)械強(qiáng)度及形變；2)該內(nèi)膽無需另加防腐技術(shù)。

2　水箱內(nèi)膽防腐技術(shù)

在搪瓷內(nèi)膽太陽能熱水器水箱中，應(yīng)用最多的防腐技術(shù)是犧牲陽極陰極保護(hù)技術(shù)。

2.1犧牲陽極陰極保護(hù)技術(shù)

目前使用的犧牲陽極多為鎂棒。搪瓷內(nèi)膽選用的鎂陽極按內(nèi)膽表面積來計(jì)算，一般約為200 g/m2，最小保護(hù)電流密度為0.002～0.016 mA/ cm2。搪瓷內(nèi)膽的保護(hù)電位為-0.85 V，鎂陽極的電位為-1.55 V，兩者的電位差為0.7 V。可以簡(jiǎn)單理解為由于鎂比鐵活潑，在兩者與水中腐蝕因子的反應(yīng)中，鎂優(yōu)先反應(yīng)，從而保護(hù)了鐵。

該防腐技術(shù)存在的缺點(diǎn)為：1)使用壽命較短。一般搪瓷內(nèi)膽約1～2年鎂棒就消耗完，鎂棒一旦消耗完，就需要及時(shí)更換，否則腐蝕因子將繼續(xù)腐蝕內(nèi)膽。2)鎂棒中的鋁分解產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致阿爾茨海默病。3)鎂棒分解物會(huì)在內(nèi)膽內(nèi)壁上形成致密的水垢，且絮狀分解物會(huì)污染水質(zhì)。

2.2外加電流陰極保護(hù)技術(shù)

外加電流陰極保護(hù)技術(shù)，也叫電子陽極保護(hù)技術(shù)，已成熟應(yīng)用在地下輸送管道、海洋船舶上100多年。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在較多領(lǐng)域，在歐洲電熱水器水箱上有近20年的應(yīng)用歷史，而在國(guó)內(nèi)熱水器水箱上應(yīng)用極少。

外加電流陰極保護(hù)技術(shù)的基本原理和利用鎂陽極防腐的原理相同：將被保護(hù)金屬與直流電源的負(fù)極相連，通過陽極構(gòu)成回路，給被保護(hù)金屬施加一定電流。當(dāng)水箱內(nèi)膽的電位小于某一電位時(shí)，水箱內(nèi)膽的腐蝕就可得到有效抑制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱內(nèi)膽的電化學(xué)保護(hù)。

圖1　外加電流陰極保護(hù)技術(shù)原理圖

優(yōu)點(diǎn)：1)使用壽命長(zhǎng)，在太陽能熱水器水箱整個(gè)使用壽命期內(nèi)無需更換。2)對(duì)水箱內(nèi)膽提供最佳保護(hù)，可以根據(jù)水質(zhì)或水溫等應(yīng)用環(huán)境的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)保護(hù)電流，從而使被保護(hù)物總是處在最佳保護(hù)狀態(tài)。3)不會(huì)產(chǎn)生水垢，無毒無害，不會(huì)污染水質(zhì)。4)經(jīng)濟(jì)性高。鎂棒等消耗性陽極需定期更換，鎂棒費(fèi)用及人工費(fèi)用較高，如不更換，則鎂棒消耗完后水箱內(nèi)膽會(huì)很快出現(xiàn)腐蝕損壞，經(jīng)濟(jì)損失較大；而電子陽極及電子防腐器的成本不高，且無需更換，整體經(jīng)濟(jì)性較高。

3　實(shí)驗(yàn)情況

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電子防腐控制器3套，電子陽極3個(gè)，太陽伴侶50 L搪瓷內(nèi)膽3個(gè)，酸洗板BTC330R試片18個(gè)，鎂棒2個(gè)，萬用表1個(gè)。

3.2實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

3個(gè)搪瓷內(nèi)膽都注滿苦咸水溶液(苦咸水配方： CaCl224 g/L，MgCl225 g/L，NaHCO424 g/L，溶劑為自來水)，在3個(gè)內(nèi)膽里同時(shí)進(jìn)行以下3個(gè)實(shí)驗(yàn)。

3.3實(shí)驗(yàn)1

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：加電子防腐保護(hù)的試片與不加保護(hù)的試片腐蝕性對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)過程：1)實(shí)驗(yàn)前稱量各試片質(zhì)量并記錄；2)受保護(hù)的試片A1～A3并聯(lián)，與電子防腐器的負(fù)極相連，正極與電子陽極相連，施加保護(hù)電位V1；試片B1～B3并聯(lián)，不加保護(hù)；3)將各試片及電子陽極放入苦咸水溶液中，實(shí)驗(yàn)時(shí)間25天；4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后稱量各試片質(zhì)量并記錄。

實(shí)驗(yàn)記錄見表1，實(shí)驗(yàn)試片用稀鹽酸清洗后的照片見圖2。由表1和圖2可知，施加電子防腐保護(hù)的試片比不加保護(hù)的試片失重小，腐蝕輕。

表1　實(shí)驗(yàn)1試片失重記錄表

圖2　實(shí)驗(yàn)1試片腐蝕實(shí)驗(yàn)后的照片

3.4實(shí)驗(yàn)2

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：同時(shí)加電子防腐與鎂棒保護(hù)的試片與不加保護(hù)的試片腐蝕性對(duì)比(施加保護(hù)電位V1)。

實(shí)驗(yàn)過程：1)實(shí)驗(yàn)前稱量各試片質(zhì)量并記錄；2)受保護(hù)的試片C1～C3并聯(lián)，與電子防腐器的負(fù)極和鎂棒1#相連，正極與電子陽極相連，施加保護(hù)電位V1；試片D1～D3并聯(lián)，不加保護(hù)；3)將各試片及電子陽極、鎂棒放入苦咸水溶液中，實(shí)驗(yàn)時(shí)間25天；4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后稱量各試片質(zhì)量并記錄。

實(shí)驗(yàn)記錄見表2，實(shí)驗(yàn)試片用稀鹽酸清洗后的照片見圖3。結(jié)合實(shí)驗(yàn)1，由表2和圖3可知，同時(shí)使用鎂棒和電子防腐器保護(hù)的試片與只加電子防腐器保護(hù)的試片保護(hù)效果相當(dāng)，說明鎂棒與電子防腐器不會(huì)相互影響。實(shí)驗(yàn)后鎂棒消耗明顯。

表2　實(shí)驗(yàn)2試片失重記錄表

圖3　實(shí)驗(yàn)2試片腐蝕實(shí)驗(yàn)后的照片

3.5實(shí)驗(yàn)3

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：同時(shí)加電子防腐與鎂棒保護(hù)的試片與不加保護(hù)的試片腐蝕性對(duì)比(施加保護(hù)電位V2，V2＆gt;V1)。

實(shí)驗(yàn)過程：1)實(shí)驗(yàn)前稱量各試片質(zhì)量并記錄；2)受保護(hù)的試片E1～E3并聯(lián)，與電子防腐器的負(fù)極和鎂棒2#相連，正極與電子陽極相連，施加保護(hù)電位V2；試片F(xiàn)1～F3并聯(lián)，不加保護(hù)；3)將各試片及電子陽極、鎂棒放入苦咸水溶液中，實(shí)驗(yàn)時(shí)間25天；4)實(shí)驗(yàn)結(jié)束稱各試片質(zhì)量并記錄。

實(shí)驗(yàn)記錄見表3，實(shí)驗(yàn)試片用稀鹽酸清洗后的照片見圖4。結(jié)合表2，由表3和圖4可知，施加保護(hù)電位V1的鎂棒比施加保護(hù)電位V2的鎂棒消耗快。

表3　實(shí)驗(yàn)3試片失重記錄表

圖4　實(shí)驗(yàn)3試片腐蝕實(shí)驗(yàn)后的照片

3.6實(shí)驗(yàn)結(jié)論

試片在相同實(shí)驗(yàn)條件下，受電子防腐保護(hù)的試片無論是在外觀還是在失重上，都明顯優(yōu)于未受保護(hù)的試片，說明電子防腐的保護(hù)效果是非常明顯的。試片可同時(shí)采用電子防腐與鎂棒陽極保護(hù)。

3.7說明

實(shí)驗(yàn)中對(duì)3個(gè)搪瓷水箱模擬了太陽能溫度變化，3個(gè)水箱加熱溫度不同，所以3組實(shí)驗(yàn)中，未加保護(hù)的試片失重不同，溫度越高、失重越大。

4　總結(jié)

通過對(duì)以上幾種水箱內(nèi)膽防腐技術(shù)在壽命、經(jīng)濟(jì)性、清潔性等方面的綜合比較，電子防腐對(duì)于搪瓷內(nèi)膽局部搪瓷缺陷的保護(hù)更為長(zhǎng)效、經(jīng)濟(jì)、清潔，克服了鎂棒防腐需頻繁更換、污染水質(zhì)的問題。電子防腐必將成為搪瓷內(nèi)膽防腐技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

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2016-03-07

王冬梅(1975—)，女，工程師，主要從事太陽能光熱利用方面的研究。hmwangdongmei@163.com