電子陽極與鎂棒對熱水器水箱陰極保護(hù)對比分析

雍文濤 方亮

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海市 519070）

1 引言

目前儲水式熱水器水箱上全部都安裝了鎂棒，用來實現(xiàn)陰極保護(hù)，延長水箱壽命，降低水箱出現(xiàn)腐蝕泄露的故障率。鎂棒這種功能被稱為犧牲陽極陰極保護(hù)法，這種方法是依靠消耗鎂金屬材料來保護(hù)水箱內(nèi)膽的。鎂棒在使用過程中屬于消耗品，需要定期更換，隨著熱水器的使用，鎂棒會被慢慢消耗完，如果不及時更換，水箱就失去了鎂棒的保護(hù)。當(dāng)前市場上常見熱水器廠家均宣傳鎂棒壽命約2年，但根據(jù)市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很多地區(qū)因為水質(zhì)差異，熱水器使用不到2年，鎂棒就消耗殫盡。因為鎂棒深藏在水箱的內(nèi)部，無法直觀的看到，用戶也沒留意觀察，因此常無法發(fā)現(xiàn)鎂棒已消耗完，從而導(dǎo)致很多水箱失去鎂棒保護(hù)，進(jìn)而達(dá)不到最初的設(shè)計壽命，造成損失。另外，鎂棒更換所產(chǎn)生的費用由誰承擔(dān)問題，也是造成鎂棒不能及時更換的原因之一。鎂棒的更換問題是儲水式熱水器產(chǎn)品多年的詬病，難以解決。雖然目前一些品牌熱水器根據(jù)測量鎂棒與內(nèi)膽之間的電流數(shù)值設(shè)計了數(shù)字顯示用來提醒用戶更換鎂棒，但是以上問題沒有從根源上得到解決。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)法俗稱的電子陽極技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這種技術(shù)在國外已經(jīng)研究并應(yīng)用于船舶、地埋管道、水庫閘門。到了60年代初期，我國也開始在以上領(lǐng)域應(yīng)用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)技術(shù)。其中所謂的陰極保護(hù)包括犧牲陽極保護(hù)法和強(qiáng)制電流陰極保護(hù)法。電子陽極技術(shù)在熱水器上的應(yīng)用研究是近幾年才開始的一項新技術(shù)。

電子陽極和鎂陽極棒是通過極化水箱內(nèi)膽鋼板，改變內(nèi)膽鋼板的陰極電位值，使其達(dá)到鈍態(tài)，從而減緩內(nèi)膽金屬腐蝕速率的一種方法，這兩種方法理論都已經(jīng)較為成熟，但是經(jīng)過實驗測試發(fā)現(xiàn)電子陽極與鎂陽極棒對熱水器水箱內(nèi)膽的保護(hù)效果和適用范圍大不相同。

2 陰極保護(hù)的過程及基本原理介紹

2.1 熱水器水箱內(nèi)膽在水中腐蝕破壞的原理分析

以搪瓷水箱內(nèi)膽材料腐蝕為例，搪瓷水箱內(nèi)膽基材為低碳鋼板，表面均勻涂覆了一層無機(jī)玻璃質(zhì)搪瓷釉材料，通過高溫?zé)Y(jié)使搪瓷釉料滲透粘附在鋼板表面并與鋼板牢固結(jié)合在一起，是一種新型復(fù)合材料。但是受客觀工藝條件限制，搪瓷高溫?zé)Y(jié)時會產(chǎn)生細(xì)小氣泡等缺陷，無法保證搪瓷內(nèi)膽涂覆層100%覆蓋，搪瓷鋼板表面會有細(xì)小的孔隙，也就是說搪瓷水箱用作水箱內(nèi)膽時有少量無覆蓋或少覆蓋的鋼板直接與水接觸。因此陰極保護(hù)實際就是對小塊的裸鋼板的保護(hù)。

不同的搪瓷鋼板在一種水溶液中會有一個腐蝕電位也叫自然電位。金屬作為一個整體電位是中性的。當(dāng)金屬與溶液接觸時，由于其具有自發(fā)腐蝕的傾向，金屬就會變成離子進(jìn)入溶液，留下相應(yīng)的電子在金屬表面，結(jié)果使得金屬表面帶負(fù)電。而與金屬表面相接觸的溶液帶正電。通過對對鋼板在水或潮濕狀態(tài)下腐蝕原理的研究發(fā)現(xiàn)，鋼板在水溶液中的電位值與其電化學(xué)腐蝕特征有很密切的關(guān)系。因此通過改變鋼板在水中的電位值來減緩鋼板發(fā)生電化學(xué)腐蝕的速率是有效的防腐方法。由資料顯示，當(dāng)鋼板電位被極化到一定程度就可以阻止腐蝕的發(fā)生。外部施加影響改變鋼板電位，迫使鋼板電位變化的過程稱為極化；讓鋼板獲得電子，電位變得更負(fù)的過程稱為陰極極化；使鋼板電位負(fù)向移動到不發(fā)生腐蝕時的電位值稱為保護(hù)電位；斷開外部施加的電子供給，鋼板會慢慢恢復(fù)原來自然狀態(tài)的自然電位，這個過程叫做去極化。

2.2 電子陽極和鎂棒實現(xiàn)陰極保護(hù)的過程比較

電子陽極，即強(qiáng)制電流陰極保護(hù)法是通過一個智能調(diào)節(jié)電源負(fù)極連接水箱內(nèi)膽，正極連接到水溶液中的輔助陽極，智能調(diào)節(jié)電源根據(jù)水溶液中的參比電極測試內(nèi)膽的電位，內(nèi)膽的電位與參比電極進(jìn)行比較來調(diào)整電流大小，隨著電流增大，將有更多電子移動到內(nèi)膽上，使內(nèi)膽獲得電子電位變負(fù)，從而實現(xiàn)陰極極化過程，使其達(dá)到陰極保護(hù)電位區(qū)間實現(xiàn)被保護(hù)。

鎂棒，即犧牲陽極陰極保護(hù)法的一種具體方案。鎂是一種較活潑的金屬，活潑金屬單質(zhì)具有比較強(qiáng)的還原性，不溶于水、堿液，溶于酸。鎂是具有比被保護(hù)金屬更負(fù)的腐蝕電位和高的電流效率的鎂基腐蝕控制材料。除用Mg之外還常用Al-Zn等合金；在熱水器中全部使用鎂合金作為犧牲陽極陰極保護(hù)材料。當(dāng)鎂放置到水中，并用一根導(dǎo)線將鎂與水箱內(nèi)膽臂連接，依靠鎂棒與鋼板之間的電位差驅(qū)動，使鎂棒上的電子沿著導(dǎo)線流向水箱內(nèi)膽鋼板，使內(nèi)膽鋼板被陰極極化而實現(xiàn)陰極保護(hù)作用。

2.3 電子陽極與鎂棒陰極保護(hù)從原理上的差異對比

由于鎂棒造價低，重量輕、儲量豐富，安裝簡便，技術(shù)門檻低，不需要外加電源等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的各種儲水式熱水器上。然而，隨著熱水器市場競爭越來越激烈，環(huán)保節(jié)能要求越來越高，技術(shù)維護(hù)人工費用越來越高等社會現(xiàn)實條件下，鎂棒的缺點與弊端日益凸顯。從有些企業(yè)在熱水器上增加鎂棒消耗量的顯示可以看出，對現(xiàn)有技術(shù)的升級與改變是大勢所趨。早在2010年就已經(jīng)提出儲水式熱水器未來的陰極保護(hù)替代技術(shù)是強(qiáng)制電流陰極保護(hù)技術(shù)，即電子陽極技術(shù)。從電子陽極與鎂棒陰極保護(hù)的工作原理分析對比，其區(qū)別如表1所示。

3 電子陽極與鎂棒電位測試數(shù)據(jù)對比及分析

電化學(xué)參數(shù)對比與陰極保護(hù)效果判據(jù)判定防腐效果：

在環(huán)境溫度25℃條件下采用日常普通自來水，將鎂棒與電子陽極安裝在150L的水箱上，靜置5天，同時連接飽和甘汞參比電極連接電化學(xué)工作站測試，間隔5天為一個測試周期，分別測試三輪，求取平均值，測試數(shù)據(jù)平均值如表2所示。

表1 電子陽極與鎂陽極棒陰極保護(hù)優(yōu)缺點對比

表2 鎂棒與電子陽極在水箱上電位參數(shù)測試數(shù)據(jù)

表3 鎂棒與電子陽極在水箱上電位參數(shù)測試數(shù)據(jù)判斷情況

根據(jù)德國標(biāo)準(zhǔn)對陰極保護(hù)效果電位3點判據(jù)來判斷，以上測試數(shù)據(jù)全部滿足陰極保護(hù)的完全保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)需要。具體判據(jù)情況見下表3，各項判據(jù)對比都符合陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)圖1可以看出鎂棒與電子陽極在普通自來水狀態(tài)下對鋼板的陰極保護(hù)電化學(xué)趨勢非常吻合，各階段電位數(shù)值非常接近，能達(dá)到相同的陰極保護(hù)效果。

4 模擬實踐應(yīng)用對比測試

在三個玻璃容器中注滿3%鹽水，并放入等大小的低碳鋼板裸板（搪瓷用鋼板），鋼板表面保持原始狀態(tài)，不進(jìn)行處理，鋼板表面清潔干凈。分別將鋼板樣品放入三個容器中進(jìn)行無保護(hù)、鎂棒保護(hù)、電子陽極保護(hù)三種狀態(tài)實驗，放置3周后，取出鋼板對比觀察鋼板腐蝕情況。按圖2所示連接實驗方案進(jìn)行實驗測試。

根據(jù)以上實驗方案進(jìn)行實驗對比，三種狀態(tài)下搪瓷裸鋼板的實際腐蝕情況如圖3，在沒有保護(hù)條件下的鋼板銹跡斑斑，銹蝕非常嚴(yán)重，鋼板出現(xiàn)明顯的生銹腐蝕；在鎂棒和電子陽極的保護(hù)下鋼板表面完好，沒有腐蝕現(xiàn)象，證明電子陽極與鎂棒都有相同的陰極保護(hù)效果，可以有效保護(hù)鋼板不受鹽水侵蝕。

5 電子陽極與鎂棒在不同PH值水質(zhì)條件下對比

鎂棒在不同的PH值條件下會發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，保護(hù)電流密度隨著PH值會發(fā)生較大變化，對鎂棒的壽命影響較大，經(jīng)過試驗驗證，鎂棒只適合在中性水質(zhì)條件下能夠達(dá)到有效保護(hù)并達(dá)到設(shè)計估算壽命。鎂棒腐蝕消耗速度受到PH值影響導(dǎo)致鎂棒壽命從幾個月至幾年不等，甚至有達(dá)不到預(yù)期的保護(hù)效果。因為鎂棒與鋼板之間的電位差是恒定的，鎂棒作為固體金屬在不同PH值條件下不具有調(diào)節(jié)作用，只能依靠鎂棒自身消耗速度加快來增大電流，特別是在PH值偏小的水溶液中鎂棒壽命大大縮減；在堿性水質(zhì)條件下鎂棒自身消耗速度減緩，鎂棒不能快速生成疏松層，導(dǎo)致鎂棒表面凝結(jié)白色硬殼。

電子陽極配備了智能調(diào)控模塊，根據(jù)檢測內(nèi)膽電位波動，調(diào)整輸出電流大小，實時監(jiān)測，動態(tài)調(diào)整。根據(jù)所需輸送適量電流，既能保證保護(hù)效果，又不會造成電流浪費，因此電子陽極的保護(hù)效果在PH參數(shù)使用范圍大于鎂棒，適用范圍更寬。

6 電子陽極與鎂棒在不同水溫條件下對比

隨著水溫的升高，溶解氧氣的數(shù)量越來越少，腐蝕率隨著溫度的增加而提高。溫度的上升會加快表面腐蝕速度。實施電化學(xué)保護(hù)過程中因為鎂棒與鋼板電位差不可調(diào)，只會增加腐蝕速度，導(dǎo)致電流增大，溫度越高鎂棒消耗速度越快。圖4是電子陽極與鎂棒隨著水溫變化電流變化趨勢。

從圖4可以看出，電子陽極在不同的水溫范圍內(nèi)調(diào)整輸出電流，適應(yīng)能力強(qiáng)，鎂棒變化范圍大，適應(yīng)能力弱。

7 電子陽極與鎂棒在不同電導(dǎo)率條件下對比

水是一種混合物溶解了各種物質(zhì)包括鈣、鈉、鎂、氫等離子。日常生活中的水由于溶解了其他電解質(zhì)而有較多的正負(fù)離子，導(dǎo)電性增強(qiáng)。內(nèi)膽的陰極保護(hù)也取決于水的電導(dǎo)率。水的電導(dǎo)率也就等同于陰極保護(hù)回路中的電阻，電阻越小保護(hù)電流傳遞越容易，因為儲水式水箱需要銷售到全國各地，各地的水質(zhì)不盡相同，電導(dǎo)率各地都有差異，也就是說在水箱陰極保護(hù)系統(tǒng)回路中連接了一個可變電阻，電阻值是不可預(yù)估的。采用犧牲陽極鎂棒系統(tǒng)，鎂棒與內(nèi)膽電位差是恒定的，在任意電阻條件下都是相同的電壓，這種陰極保護(hù)肯定是有不適合的條件，電導(dǎo)率越大，鎂棒的質(zhì)量損失率就會越大。但是電子陽極相當(dāng)于在回路中安裝了一個可調(diào)電源管理器，隨著可變電阻的變化智能檢測內(nèi)膽電位進(jìn)行判斷、調(diào)整輔助陽極與內(nèi)膽之間的電位值，輸出適當(dāng)?shù)碾娏?。因此電子陽極系統(tǒng)在儲水式熱水器上進(jìn)行陰極保護(hù)更有效、更智能，適應(yīng)性更廣。

8 結(jié)語

本文從水質(zhì)PH值，不同水溫條件，不同電導(dǎo)率等狀態(tài)分析對比電子陽極與鎂棒陰極保護(hù)在熱水機(jī)水箱上的應(yīng)用差異，分析總結(jié)出采用電子陽極技術(shù)對儲水式水箱內(nèi)膽保護(hù)效果與鎂棒保護(hù)效果一致，都可以達(dá)到完美的陰極保護(hù)效果。另外，電子陽極可以智能調(diào)節(jié)輸出電參數(shù)，使被保護(hù)金屬陰極極化在程序控制下進(jìn)行，輔助陽極采用鉑鈦陽極，導(dǎo)電性好，耐腐蝕，性能穩(wěn)定，不需要消耗有色金屬，其適應(yīng)范圍更廣，適用壽命更長，更節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)性更高。它將成為儲水式水箱陰極保護(hù)的發(fā)展方向。但是電子陽極技術(shù)含量高，技術(shù)難度大，產(chǎn)品化首次投入成本較高、需要穩(wěn)定電源持續(xù)供電等問題依然需要進(jìn)一步技術(shù)攻關(guān)。

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2007

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