太阳能热水器水箱内胆及其防腐技术

皇明太阳能股份有限公司 ■ 王冬梅贺胜民 赵杰

太阳能热水器水箱内胆及其防腐技术

皇明太阳能股份有限公司 ■ 王冬梅*贺胜民 赵杰

主要介绍太阳能热水器水箱内胆的几种常用防腐技术，重点介绍外加电流阴极保护技术的原理，结合3种实验进行分析，并预测外加电流阴极保护技术在产品应用中的发展趋势。

太阳能热水器；水箱内胆；防腐蚀；搪瓷；不锈钢；外加电流阴极保护

0　引言

随着太阳能热水器的使用越来越普及，其社会效益日益突出，决定太阳能热水器使用寿命的是内胆制造技术及其防腐技术。目前有多种防腐技术在使用，但对于外加电流阴极保护技术在太阳能热水器水箱中的应用，尚无详细报道。本文介绍了外加电流阴极保护技术的实验过程及保护效果，为大家了解该技术并科学合理的使用提供理论依据。

1　太阳能热水器水箱内胆概述

1.1不锈钢内胆

SUS304不锈钢内胆主要应用在非承压的太阳能热水器水箱中。

优点：1)材质好，不锈钢是含铬量约≥11％的铁合金；2)耐腐蚀，不锈钢表面有一层能在各种环境中自行愈合的表面膜，即钝化膜。

缺点：1)不锈钢表面的钝化膜一经破坏，不耐Cl-离子腐蚀，易形成点蚀、孔蚀。2)对焊接工艺要求较严格。焊接前需要用清洗液充分擦拭焊缝位置，擦拭后10 min之内进行焊接；否则焊接时焊缝处油渍、手印中的碳原子先与不锈钢中的铬反应，在焊接区域产生“贫铬区”，焊缝就会成为内胆腐蚀的薄弱区域。据统计，不锈钢内胆的腐蚀85％以上发生在焊缝附近。该内胆的防腐主要依靠板材自身性能及制造工艺来保障，无需另加防腐技术。

1.2搪瓷内胆

搪瓷内胆主要应用在承压的太阳能热水器水箱中，是在低碳钢板(SPCC)上涂覆0.25～0.3 mm搪瓷层瓷，经过高温烧结，生成一层内胆表面保护层。

优点：可承受较大范围内的温度变化，一般为-60～450 ℃，能承受温度骤变，抗压、抗张、有弹性、电绝缘、无污染、耐酸碱、耐高温。

缺点：1)搪瓷对制作工艺的要求较高。瓷釉是在860 ℃的高温环境下与钢板粘合成形，成形以后要经过一个循序的降温过程，如果降温过程处理不当，跨度过大，易产生内伤，釉层会产生肉眼看不见的一些细小的龟裂，影响水箱寿命。2)在工业化生产中，搪瓷的涂覆率不可能达到100％，不仅搪瓷表面存在肉眼不可见的微孔，而且存在搪瓷缺陷(内胆钢板焊缝错位处，普通搪瓷很难处理好)。3)在生产线周转及热水器水箱成品的运输过程中，难免产生磕碰导致新的缺陷出现。4)这些搪瓷缺陷处的金属暴露在水中，与水中的氧发生原电池反应，还会与水中的Cl-离子等腐蚀因子发生化学反应，极易被腐蚀。这种内胆需要另加防腐措施。

1.3塑料内胆

塑料内胆主要应用在非承压的太阳能热水器水箱中，是一种高分子NMPP纳米材料。该内胆为一次吹塑成型，受工艺限制，内胆厚度不是非常均匀，要求平均厚度为5 mm，确保最薄处≥3 mm。该内胆主要在水中Cl-含量较高的区域使用，在水质较差的区域，不锈钢内胆最短半年会因腐蚀漏水，而高分子塑料内胆因其化学稳定性较高、耐腐蚀性较好，实现了成功升级。

优点：抗腐蚀性较好，内胆表面不凝结水垢。

缺点：1)该内胆对材料及制造工艺要求严格，需要注意控制内胆的耐高温性能、抗老化性能、机械强度及形变；2)该内胆无需另加防腐技术。

2　水箱内胆防腐技术

在搪瓷内胆太阳能热水器水箱中，应用最多的防腐技术是牺牲阳极阴极保护技术。

2.1牺牲阳极阴极保护技术

目前使用的牺牲阳极多为镁棒。搪瓷内胆选用的镁阳极按内胆表面积来计算，一般约为200 g/m2，最小保护电流密度为0.002～0.016 mA/ cm2。搪瓷内胆的保护电位为-0.85 V，镁阳极的电位为-1.55 V，两者的电位差为0.7 V。可以简单理解为由于镁比铁活泼，在两者与水中腐蚀因子的反应中，镁优先反应，从而保护了铁。

该防腐技术存在的缺点为：1)使用寿命较短。一般搪瓷内胆约1～2年镁棒就消耗完，镁棒一旦消耗完，就需要及时更换，否则腐蚀因子将继续腐蚀内胆。2)镁棒中的铝分解产物会导致阿尔茨海默病。3)镁棒分解物会在内胆内壁上形成致密的水垢，且絮状分解物会污染水质。

2.2外加电流阴极保护技术

外加电流阴极保护技术，也叫电子阳极保护技术，已成熟应用在地下输送管道、海洋船舶上100多年。目前，该技术已广泛应用在较多领域，在欧洲电热水器水箱上有近20年的应用历史，而在国内热水器水箱上应用极少。

外加电流阴极保护技术的基本原理和利用镁阳极防腐的原理相同：将被保护金属与直流电源的负极相连，通过阳极构成回路，给被保护金属施加一定电流。当水箱内胆的电位小于某一电位时，水箱内胆的腐蚀就可得到有效抑制，从而实现对水箱内胆的电化学保护。

图1　外加电流阴极保护技术原理图

优点：1)使用寿命长，在太阳能热水器水箱整个使用寿命期内无需更换。2)对水箱内胆提供最佳保护，可以根据水质或水温等应用环境的变化，自动调节保护电流，从而使被保护物总是处在最佳保护状态。3)不会产生水垢，无毒无害，不会污染水质。4)经济性高。镁棒等消耗性阳极需定期更换，镁棒费用及人工费用较高，如不更换，则镁棒消耗完后水箱内胆会很快出现腐蚀损坏，经济损失较大；而电子阳极及电子防腐器的成本不高，且无需更换，整体经济性较高。

3　实验情况

3.1实验设备

电子防腐控制器3套，电子阳极3个，太阳伴侣50 L搪瓷内胆3个，酸洗板BTC330R试片18个，镁棒2个，万用表1个。

3.2实验准备

3个搪瓷内胆都注满苦咸水溶液(苦咸水配方： CaCl224 g/L，MgCl225 g/L，NaHCO424 g/L，溶剂为自来水)，在3个内胆里同时进行以下3个实验。

3.3实验1

实验项目名称：加电子防腐保护的试片与不加保护的试片腐蚀性对比。

实验过程：1)实验前称量各试片质量并记录；2)受保护的试片A1～A3并联，与电子防腐器的负极相连，正极与电子阳极相连，施加保护电位V1；试片B1～B3并联，不加保护；3)将各试片及电子阳极放入苦咸水溶液中，实验时间25天；4)实验结束后称量各试片质量并记录。

实验记录见表1，实验试片用稀盐酸清洗后的照片见图2。由表1和图2可知，施加电子防腐保护的试片比不加保护的试片失重小，腐蚀轻。

表1　实验1试片失重记录表

图2　实验1试片腐蚀实验后的照片

3.4实验2

实验项目名称：同时加电子防腐与镁棒保护的试片与不加保护的试片腐蚀性对比(施加保护电位V1)。

实验过程：1)实验前称量各试片质量并记录；2)受保护的试片C1～C3并联，与电子防腐器的负极和镁棒1#相连，正极与电子阳极相连，施加保护电位V1；试片D1～D3并联，不加保护；3)将各试片及电子阳极、镁棒放入苦咸水溶液中，实验时间25天；4)实验结束后称量各试片质量并记录。

实验记录见表2，实验试片用稀盐酸清洗后的照片见图3。结合实验1，由表2和图3可知，同时使用镁棒和电子防腐器保护的试片与只加电子防腐器保护的试片保护效果相当，说明镁棒与电子防腐器不会相互影响。实验后镁棒消耗明显。

表2　实验2试片失重记录表

图3　实验2试片腐蚀实验后的照片

3.5实验3

实验项目名称：同时加电子防腐与镁棒保护的试片与不加保护的试片腐蚀性对比(施加保护电位V2，V2＆gt;V1)。

实验过程：1)实验前称量各试片质量并记录；2)受保护的试片E1～E3并联，与电子防腐器的负极和镁棒2#相连，正极与电子阳极相连，施加保护电位V2；试片F1～F3并联，不加保护；3)将各试片及电子阳极、镁棒放入苦咸水溶液中，实验时间25天；4)实验结束称各试片质量并记录。

实验记录见表3，实验试片用稀盐酸清洗后的照片见图4。结合表2，由表3和图4可知，施加保护电位V1的镁棒比施加保护电位V2的镁棒消耗快。

表3　实验3试片失重记录表

图4　实验3试片腐蚀实验后的照片

3.6实验结论

试片在相同实验条件下，受电子防腐保护的试片无论是在外观还是在失重上，都明显优于未受保护的试片，说明电子防腐的保护效果是非常明显的。试片可同时采用电子防腐与镁棒阳极保护。

3.7说明

实验中对3个搪瓷水箱模拟了太阳能温度变化，3个水箱加热温度不同，所以3组实验中，未加保护的试片失重不同，温度越高、失重越大。

4　总结

通过对以上几种水箱内胆防腐技术在寿命、经济性、清洁性等方面的综合比较，电子防腐对于搪瓷内胆局部搪瓷缺陷的保护更为长效、经济、清洁，克服了镁棒防腐需频繁更换、污染水质的问题。电子防腐必将成为搪瓷内胆防腐技术的发展趋势。

[1] 侯保荣. 海洋腐蚀与防护[M]. 北京: 科学出版社, 1997.

[2] 赵常就. 恒电量技术及在腐蚀测量中的应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 1995.

[3] 刘永辉, 张佩芬. 金属腐蚀学原理[M]. 北京: 航空工业出版社, 1993.

[4] 曹楚南. 腐蚀电化学[M]. 北京: 化学工业出版社, 1995.

2016-03-07

王冬梅(1975—)，女，工程师，主要从事太阳能光热利用方面的研究。hmwangdongmei@163.com