电子阳极与镁棒对热水器水箱阴极保护对比分析

雍文涛 方亮

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海市 519070）

1 引言

目前储水式热水器水箱上全部都安装了镁棒，用来实现阴极保护，延长水箱寿命，降低水箱出现腐蚀泄露的故障率。镁棒这种功能被称为牺牲阳极阴极保护法，这种方法是依靠消耗镁金属材料来保护水箱内胆的。镁棒在使用过程中属于消耗品，需要定期更换，随着热水器的使用，镁棒会被慢慢消耗完，如果不及时更换，水箱就失去了镁棒的保护。当前市场上常见热水器厂家均宣传镁棒寿命约2年，但根据市场调研发现，很多地区因为水质差异，热水器使用不到2年，镁棒就消耗殚尽。因为镁棒深藏在水箱的内部，无法直观的看到，用户也没留意观察，因此常无法发现镁棒已消耗完，从而导致很多水箱失去镁棒保护，进而达不到最初的设计寿命，造成损失。另外，镁棒更换所产生的费用由谁承担问题，也是造成镁棒不能及时更换的原因之一。镁棒的更换问题是储水式热水器产品多年的诟病，难以解决。虽然目前一些品牌热水器根据测量镁棒与内胆之间的电流数值设计了数字显示用来提醒用户更换镁棒，但是以上问题没有从根源上得到解决。强制电流阴极保护法俗称的电子阳极技术应运而生，这种技术在国外已经研究并应用于船舶、地埋管道、水库闸门。到了60年代初期，我国也开始在以上领域应用强制电流阴极保护技术。其中所谓的阴极保护包括牺牲阳极保护法和强制电流阴极保护法。电子阳极技术在热水器上的应用研究是近几年才开始的一项新技术。

电子阳极和镁阳极棒是通过极化水箱内胆钢板，改变内胆钢板的阴极电位值，使其达到钝态，从而减缓内胆金属腐蚀速率的一种方法，这两种方法理论都已经较为成熟，但是经过实验测试发现电子阳极与镁阳极棒对热水器水箱内胆的保护效果和适用范围大不相同。

2 阴极保护的过程及基本原理介绍

2.1 热水器水箱内胆在水中腐蚀破坏的原理分析

以搪瓷水箱内胆材料腐蚀为例，搪瓷水箱内胆基材为低碳钢板，表面均匀涂覆了一层无机玻璃质搪瓷釉材料，通过高温烧结使搪瓷釉料渗透粘附在钢板表面并与钢板牢固结合在一起，是一种新型复合材料。但是受客观工艺条件限制，搪瓷高温烧结时会产生细小气泡等缺陷，无法保证搪瓷内胆涂覆层100%覆盖，搪瓷钢板表面会有细小的孔隙，也就是说搪瓷水箱用作水箱内胆时有少量无覆盖或少覆盖的钢板直接与水接触。因此阴极保护实际就是对小块的裸钢板的保护。

不同的搪瓷钢板在一种水溶液中会有一个腐蚀电位也叫自然电位。金属作为一个整体电位是中性的。当金属与溶液接触时，由于其具有自发腐蚀的倾向，金属就会变成离子进入溶液，留下相应的电子在金属表面，结果使得金属表面带负电。而与金属表面相接触的溶液带正电。通过对对钢板在水或潮湿状态下腐蚀原理的研究发现，钢板在水溶液中的电位值与其电化学腐蚀特征有很密切的关系。因此通过改变钢板在水中的电位值来减缓钢板发生电化学腐蚀的速率是有效的防腐方法。由资料显示，当钢板电位被极化到一定程度就可以阻止腐蚀的发生。外部施加影响改变钢板电位，迫使钢板电位变化的过程称为极化；让钢板获得电子，电位变得更负的过程称为阴极极化；使钢板电位负向移动到不发生腐蚀时的电位值称为保护电位；断开外部施加的电子供给，钢板会慢慢恢复原来自然状态的自然电位，这个过程叫做去极化。

2.2 电子阳极和镁棒实现阴极保护的过程比较

电子阳极，即强制电流阴极保护法是通过一个智能调节电源负极连接水箱内胆，正极连接到水溶液中的辅助阳极，智能调节电源根据水溶液中的参比电极测试内胆的电位，内胆的电位与参比电极进行比较来调整电流大小，随着电流增大，将有更多电子移动到内胆上，使内胆获得电子电位变负，从而实现阴极极化过程，使其达到阴极保护电位区间实现被保护。

镁棒，即牺牲阳极阴极保护法的一种具体方案。镁是一种较活泼的金属，活泼金属单质具有比较强的还原性，不溶于水、碱液，溶于酸。镁是具有比被保护金属更负的腐蚀电位和高的电流效率的镁基腐蚀控制材料。除用Mg之外还常用Al-Zn等合金；在热水器中全部使用镁合金作为牺牲阳极阴极保护材料。当镁放置到水中，并用一根导线将镁与水箱内胆臂连接，依靠镁棒与钢板之间的电位差驱动，使镁棒上的电子沿着导线流向水箱内胆钢板，使内胆钢板被阴极极化而实现阴极保护作用。

2.3 电子阳极与镁棒阴极保护从原理上的差异对比

由于镁棒造价低，重量轻、储量丰富，安装简便，技术门槛低，不需要外加电源等优点而被广泛应用于当前的各种储水式热水器上。然而，随着热水器市场竞争越来越激烈，环保节能要求越来越高，技术维护人工费用越来越高等社会现实条件下，镁棒的缺点与弊端日益凸显。从有些企业在热水器上增加镁棒消耗量的显示可以看出，对现有技术的升级与改变是大势所趋。早在2010年就已经提出储水式热水器未来的阴极保护替代技术是强制电流阴极保护技术，即电子阳极技术。从电子阳极与镁棒阴极保护的工作原理分析对比，其区别如表1所示。

3 电子阳极与镁棒电位测试数据对比及分析

电化学参数对比与阴极保护效果判据判定防腐效果：

在环境温度25℃条件下采用日常普通自来水，将镁棒与电子阳极安装在150L的水箱上，静置5天，同时连接饱和甘汞参比电极连接电化学工作站测试，间隔5天为一个测试周期，分别测试三轮，求取平均值，测试数据平均值如表2所示。

表1 电子阳极与镁阳极棒阴极保护优缺点对比

表2 镁棒与电子阳极在水箱上电位参数测试数据

表3 镁棒与电子阳极在水箱上电位参数测试数据判断情况

根据德国标准对阴极保护效果电位3点判据来判断，以上测试数据全部满足阴极保护的完全保护标准需要。具体判据情况见下表3，各项判据对比都符合阴极保护标准。

根据图1可以看出镁棒与电子阳极在普通自来水状态下对钢板的阴极保护电化学趋势非常吻合，各阶段电位数值非常接近，能达到相同的阴极保护效果。

4 模拟实践应用对比测试

在三个玻璃容器中注满3%盐水，并放入等大小的低碳钢板裸板（搪瓷用钢板），钢板表面保持原始状态，不进行处理，钢板表面清洁干净。分别将钢板样品放入三个容器中进行无保护、镁棒保护、电子阳极保护三种状态实验，放置3周后，取出钢板对比观察钢板腐蚀情况。按图2所示连接实验方案进行实验测试。

根据以上实验方案进行实验对比，三种状态下搪瓷裸钢板的实际腐蚀情况如图3，在没有保护条件下的钢板锈迹斑斑，锈蚀非常严重，钢板出现明显的生锈腐蚀；在镁棒和电子阳极的保护下钢板表面完好，没有腐蚀现象，证明电子阳极与镁棒都有相同的阴极保护效果，可以有效保护钢板不受盐水侵蚀。

5 电子阳极与镁棒在不同PH值水质条件下对比

镁棒在不同的PH值条件下会发生不同的化学反应，保护电流密度随着PH值会发生较大变化，对镁棒的寿命影响较大，经过试验验证，镁棒只适合在中性水质条件下能够达到有效保护并达到设计估算寿命。镁棒腐蚀消耗速度受到PH值影响导致镁棒寿命从几个月至几年不等，甚至有达不到预期的保护效果。因为镁棒与钢板之间的电位差是恒定的，镁棒作为固体金属在不同PH值条件下不具有调节作用，只能依靠镁棒自身消耗速度加快来增大电流，特别是在PH值偏小的水溶液中镁棒寿命大大缩减；在碱性水质条件下镁棒自身消耗速度减缓，镁棒不能快速生成疏松层，导致镁棒表面凝结白色硬壳。

电子阳极配备了智能调控模块，根据检测内胆电位波动，调整输出电流大小，实时监测，动态调整。根据所需输送适量电流，既能保证保护效果，又不会造成电流浪费，因此电子阳极的保护效果在PH参数使用范围大于镁棒，适用范围更宽。

6 电子阳极与镁棒在不同水温条件下对比

随着水温的升高，溶解氧气的数量越来越少，腐蚀率随着温度的增加而提高。温度的上升会加快表面腐蚀速度。实施电化学保护过程中因为镁棒与钢板电位差不可调，只会增加腐蚀速度，导致电流增大，温度越高镁棒消耗速度越快。图4是电子阳极与镁棒随着水温变化电流变化趋势。

从图4可以看出，电子阳极在不同的水温范围内调整输出电流，适应能力强，镁棒变化范围大，适应能力弱。

7 电子阳极与镁棒在不同电导率条件下对比

水是一种混合物溶解了各种物质包括钙、钠、镁、氢等离子。日常生活中的水由于溶解了其他电解质而有较多的正负离子，导电性增强。内胆的阴极保护也取决于水的电导率。水的电导率也就等同于阴极保护回路中的电阻，电阻越小保护电流传递越容易，因为储水式水箱需要销售到全国各地，各地的水质不尽相同，电导率各地都有差异，也就是说在水箱阴极保护系统回路中连接了一个可变电阻，电阻值是不可预估的。采用牺牲阳极镁棒系统，镁棒与内胆电位差是恒定的，在任意电阻条件下都是相同的电压，这种阴极保护肯定是有不适合的条件，电导率越大，镁棒的质量损失率就会越大。但是电子阳极相当于在回路中安装了一个可调电源管理器，随着可变电阻的变化智能检测内胆电位进行判断、调整辅助阳极与内胆之间的电位值，输出适当的电流。因此电子阳极系统在储水式热水器上进行阴极保护更有效、更智能，适应性更广。

8 结语

本文从水质PH值，不同水温条件，不同电导率等状态分析对比电子阳极与镁棒阴极保护在热水机水箱上的应用差异，分析总结出采用电子阳极技术对储水式水箱内胆保护效果与镁棒保护效果一致，都可以达到完美的阴极保护效果。另外，电子阳极可以智能调节输出电参数，使被保护金属阴极极化在程序控制下进行，辅助阳极采用铂钛阳极，导电性好，耐腐蚀，性能稳定，不需要消耗有色金属，其适应范围更广，适用寿命更长，更节能环保，经济性更高。它将成为储水式水箱阴极保护的发展方向。但是电子阳极技术含量高，技术难度大，产品化首次投入成本较高、需要稳定电源持续供电等问题依然需要进一步技术攻关。

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