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膽及其防腐技術

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膽的幾種常用防腐技術，重點介紹外加電流陰極保護技術的原理，結合3種實驗進行分析，并預測外加電流陰極保護技術在產品應用中的發(fā)展趨勢。

太陽能熱水器；水箱內膽；防腐蝕；搪瓷；不銹鋼；外加電流陰極保護

0　引言

隨著太陽能熱水器的使用越來越普及，其社會效益日益突出，決定太陽能熱水器使用壽命的是內膽制造技術及其防腐技術。目前有多種防腐技術在使用，但對于外加電流陰極保護技術在太陽能熱水器水箱中的應用，尚無詳細報道。本文介紹了外加電流陰極保護技術的實驗過程及保護效果，為大家了解該技術并科學合理的使用提供理論依據(jù)。

1　太陽能熱水器水箱內膽概述

1.1不銹鋼內膽

SUS304不銹鋼內膽主要應用在非承壓的太陽能熱水器水箱中。

優(yōu)點：1)材質好，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：1)不銹鋼表面的鈍化膜一經破壞，不耐Cl-離子腐蝕，易形成點蝕、孔蝕。2)對焊接工藝要求較嚴格。焊接前需要用清洗液充分擦拭焊縫位置，擦拭后10 min之內進行焊接；否則焊接時焊縫處油漬、手印中的碳原子先與不銹鋼中的鉻反應，在焊接區(qū)域產生“貧鉻區(qū)”，焊縫就會成為內膽腐蝕的薄弱區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計，不銹鋼內膽的腐蝕85％以上發(fā)生在焊縫附近。該內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。

1.2搪瓷內膽

搪瓷內膽主要應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，經過高溫燒結，生成一層內膽表面保護層。

優(yōu)點：可承受較大范圍內的溫度變化，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：1)搪瓷對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，成形以后要經過一個循序的降溫過程，如果降溫過程處理不當，跨度過大，易產生內傷，釉層會產生肉眼看不見的一些細小的龜裂，影響水箱壽命。2)在工業(yè)化生產中，搪瓷的涂覆率不可能達到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(內膽鋼板焊縫錯位處，普通搪瓷很難處理好)。3)在生產線周轉及熱水器水箱成品的運輸過程中，難免產生磕碰導致新的缺陷出現(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，還會與水中的Cl-離子等腐蝕因子發(fā)生化學反應，極易被腐蝕。這種內膽需要另加防腐措施。

1.3塑料內膽

塑料內膽主要應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。該內膽為一次吹塑成型，受工藝限制，內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。該內膽主要在水中Cl-含量較高的區(qū)域使用，在水質較差的區(qū)域，不銹鋼內膽最短半年會因腐蝕漏水，而高分子塑料內膽因其化學穩(wěn)定性較高、耐腐蝕性較好，實現(xiàn)了成功升級。

優(yōu)點：抗腐蝕性較好，內膽表面不凝結水垢。

缺點：1)該內膽對材料及制造工藝要求嚴格，需要注意控制內膽的耐高溫性能、抗老化性能、機械強度及形變；2)該內膽無需另加防腐技術。

2　水箱內膽防腐技術

在搪瓷內膽太陽能熱水器水箱中，應用最多的防腐技術是犧牲陽極陰極保護技術。

2.1犧牲陽極陰極保護技術

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

該防腐技術存在的缺點為：1)使用壽命較短。一般搪瓷內膽約1～2年鎂棒就消耗完，鎂棒一旦消耗完，就需要及時更換，否則腐蝕因子將繼續(xù)腐蝕內膽。2)鎂棒中的鋁分解產物會導致阿爾茨海默病。3)鎂棒分解物會在內膽內壁上形成致密的水垢，且絮狀分解物會污染水質。

2.2外加電流陰極保護技術

外加電流陰極保護技術，也叫電子陽極保護技術，已成熟應用在地下輸送管道、海洋船舶上100多年。目前，該技術已廣泛應用在較多領域，在歐洲電熱水器水箱上有近20年的應用歷史，而在國內熱水器水箱上應用極少。

外加電流陰極保護技術的基本原理和利用鎂陽極防腐的原理相同：將被保護金屬與直流電源的負極相連，通過陽極構成回路，給被保護金屬施加一定電流。當水箱內膽的電位小于某一電位時，水箱內膽的腐蝕就可得到有效抑制，從而實現(xiàn)對水箱內膽的電化學保護。

圖1　外加電流陰極保護技術原理圖

優(yōu)點：1)使用壽命長，在太陽能熱水器水箱整個使用壽命期內無需更換。2)對水箱內膽提供最佳保護，可以根據(jù)水質或水溫等應用環(huán)境的變化，自動調節(jié)保護電流，從而使被保護物總是處在最佳保護狀態(tài)。3)不會產生水垢，無毒無害，不會污染水質。4)經濟性高。鎂棒等消耗性陽極需定期更換，鎂棒費用及人工費用較高，如不更換，則鎂棒消耗完后水箱內膽會很快出現(xiàn)腐蝕損壞，經濟損失較大；而電子陽極及電子防腐器的成本不高，且無需更換，整體經濟性較高。

3　實驗情況

3.1實驗設備

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

3.2實驗準備

3個搪瓷內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個內膽里同時進行以下3個實驗。

3.3實驗1

實驗項目名稱：加電子防腐保護的試片與不加保護的試片腐蝕性對比。

實驗過程：1)實驗前稱量各試片質量并記錄；2)受保護的試片A1～A3并聯(lián)，與電子防腐器的負極相連，正極與電子陽極相連，施加保護電位V1；試片B1～B3并聯(lián)，不加保護；3)將各試片及電子陽極放入苦咸水溶液中，實驗時間25天；4)實驗結束后稱量各試片質量并記錄。

實驗記錄見表1，實驗試片用稀鹽酸清洗后的照片見圖2。由表1和圖2可知，施加電子防腐保護的試片比不加保護的試片失重小，腐蝕輕。

表1　實驗1試片失重記錄表

圖2　實驗1試片腐蝕實驗后的照片

3.4實驗2

實驗項目名稱：同時加電子防腐與鎂棒保護的試片與不加保護的試片腐蝕性對比(施加保護電位V1)。

實驗過程：1)實驗前稱量各試片質量并記錄；2)受保護的試片C1～C3并聯(lián)，與電子防腐器的負極和鎂棒1#相連，正極與電子陽極相連，施加保護電位V1；試片D1～D3并聯(lián)，不加保護；3)將各試片及電子陽極、鎂棒放入苦咸水溶液中，實驗時間25天；4)實驗結束后稱量各試片質量并記錄。

實驗記錄見表2，實驗試片用稀鹽酸清洗后的照片見圖3。結合實驗1，由表2和圖3可知，同時使用鎂棒和電子防腐器保護的試片與只加電子防腐器保護的試片保護效果相當，說明鎂棒與電子防腐器不會相互影響。實驗后鎂棒消耗明顯。

表2　實驗2試片失重記錄表

圖3　實驗2試片腐蝕實驗后的照片

3.5實驗3

實驗項目名稱：同時加電子防腐與鎂棒保護的試片與不加保護的試片腐蝕性對比(施加保護電位V2，V2＆gt;V1)。

實驗過程：1)實驗前稱量各試片質量并記錄；2)受保護的試片E1～E3并聯(lián)，與電子防腐器的負極和鎂棒2#相連，正極與電子陽極相連，施加保護電位V2；試片F(xiàn)1～F3并聯(lián)，不加保護；3)將各試片及電子陽極、鎂棒放入苦咸水溶液中，實驗時間25天；4)實驗結束稱各試片質量并記錄。

實驗記錄見表3，實驗試片用稀鹽酸清洗后的照片見圖4。結合表2，由表3和圖4可知，施加保護電位V1的鎂棒比施加保護電位V2的鎂棒消耗快。

表3　實驗3試片失重記錄表

圖4　實驗3試片腐蝕實驗后的照片

3.6實驗結論

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

3.7說明

實驗中對3個搪瓷水箱模擬了太陽能溫度變化，3個水箱加熱溫度不同，所以3組實驗中，未加保護的試片失重不同，溫度越高、失重越大。

4　總結

通過對以上幾種水箱內膽防腐技術在壽命、經濟性、清潔性等方面的綜合比較，電子防腐對于搪瓷內膽局部搪瓷缺陷的保護更為長效、經濟、清潔，克服了鎂棒防腐需頻繁更換、污染水質的問題。電子防腐必將成為搪瓷內膽防腐技術的發(fā)展趨勢。

[1] 侯保榮. 海洋腐蝕與防護[M]. 北京: 科學出版社, 1997.

[2] 趙常就. 恒電量技術及在腐蝕測量中的應用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1995.

[3] 劉永輝, 張佩芬. 金屬腐蝕學原理[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 1993.

[4] 曹楚南. 腐蝕電化學[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 1995.

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