電子陽極與鎂棒對熱水器水箱陰極保護對比分析

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，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法，這種方法是依靠消耗鎂金屬材料來保護水箱內(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。當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，進而達不到最初的設(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。強制電流陰極保護法俗稱的電子陽極技術(shù)應(yīng)運而生，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)用強制電流陰極保護技術(shù)。其中所謂的陰極保護包括犧牲陽極保護法和強制電流陰極保護法。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)膽的保護效果和適用范圍大不相同。

2 陰極保護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玻璃質(zhì)搪瓷釉材料，通過高溫燒結(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，搪瓷高溫燒結(jié)時會產(chǎn)生細小氣泡等缺陷，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。因此陰極保護實際就是對小塊的裸鋼板的保護。

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)生電化學腐蝕的速率是有效的防腐方法。由資料顯示，當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，電位變得更負的過程稱為陰極極化；使鋼板電位負向移動到不發(fā)生腐蝕時的電位值稱為保護電位；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)陰極保護的過程比較

電子陽極，即強制電流陰極保護法是通過一個智能調(diào)節(jié)電源負極連接水箱內(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，從而實現(xiàn)陰極極化過程，使其達到陰極保護電位區(qū)間實現(xiàn)被保護。

鎂棒，即犧牲陽極陰極保護法的一種具體方案。鎂是一種較活潑的金屬，活潑金屬單質(zhì)具有比較強的還原性，不溶于水、堿液，溶于酸。鎂是具有比被保護金屬更負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材料。當鎂放置到水中，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)陰極保護作用。

2.3 電子陽極與鎂棒陰極保護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替代技術(shù)是強制電流陰極保護技術(shù)，即電子陽極技術(shù)。從電子陽極與鎂棒陰極保護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

電化學參數(shù)對比與陰極保護效果判據(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)德國標準對陰極保護效果電位3點判據(jù)來判斷，以上測試數(shù)據(jù)全部滿足陰極保護的完全保護標準需要。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標準。

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電化學趨勢非常吻合，各階段電位數(shù)值非常接近，能達到相同的陰極保護效果。

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行無保護、鎂棒保護、電子陽極保護三種狀態(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行實驗測試。

根據(jù)以上實驗方案進行實驗對比，三種狀態(tài)下搪瓷裸鋼板的實際腐蝕情況如圖3，在沒有保護條件下的鋼板銹跡斑斑，銹蝕非常嚴重，鋼板出現(xiàn)明顯的生銹腐蝕；在鎂棒和電子陽極的保護下鋼板表面完好，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效果，可以有效保護鋼板不受鹽水侵蝕。

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)生不同的化學反應(yīng)，保護電流密度隨著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)條件下能夠達到有效保護并達到設(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，甚至有達不到預(yù)期的保護效果。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，既能保證保護效果，又不會造成電流浪費，因此電子陽極的保護效果在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。實施電化學保護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，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)而有較多的正負離子，導(dǎo)電性增強。內(nèi)膽的陰極保護也取決于水的電導(dǎo)率。水的電導(dǎo)率也就等同于陰極保護回路中的電阻，電阻越小保護電流傳遞越容易，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)膽電位進行判斷、調(diào)整輔助陽極與內(nèi)膽之間的電位值，輸出適當?shù)碾娏?。因此電子陽極系統(tǒng)在儲水式熱水器上進行陰極保護更有效、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在熱水機水箱上的應(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)膽保護效果與鎂棒保護效果一致，都可以達到完美的陰極保護效果。另外，電子陽極可以智能調(diào)節(jié)輸出電參數(shù)，使被保護金屬陰極極化在程序控制下進行，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)濟性更高。它將成為儲水式水箱陰極保護的發(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一步技術(shù)攻關(guān)。

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2007

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