鎂陽極與電子陽極對電熱水器水箱的腐蝕防護效果評估

馬峰 劉朝紅 曹冠忠 彭海燕 顏超

1.青島經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101；2.青島海爾智能技術研發(fā)有限公司 山東青島 266101

1 引言

當前，電熱水器、熱泵熱水器多采用犧牲鎂陽極的方式來保護由非合金或低合金碳鋼制造的搪瓷水箱，在降低水箱腐蝕速率、延長水箱使用壽命方面起到了關鍵作用。但在熱水器的實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，鎂陽極的有效使用壽命遠低于其設計壽命。根據(jù)各地水質(zhì)的不同、鎂陽極的生產(chǎn)工藝不同，長則1～2年、短則數(shù)月就需要更換一次鎂陽極，頻繁的更換鎂陽極既增加了企業(yè)的人工、時間成本，也給用戶帶來了額外的經(jīng)濟負擔；此外，鎂陽極還是水箱內(nèi)重要的水垢來源，水垢的產(chǎn)生為細菌等微生物的滋生提供了基底條件，造成水質(zhì)惡化并嚴重影響了用戶的用水體驗。

近年來，國內(nèi)外一些熱水器廠家在電熱水器、熱泵熱水器上采用了外加電流陰極保護的方案（即“電子陽極”方案）來進行儲水式熱水器水箱的腐蝕防護。方案中，采用表面涂覆有不溶性導電涂層的鈦棒作為陽極，普通鈦棒作為參比，水箱作為陰極，水作為電解質(zhì)，通過自動檢測水箱內(nèi)水的電導率和水箱內(nèi)表面搪瓷層的破損程度，該腐蝕防護系統(tǒng)可對應輸出適合該水箱的保護電流和保護電壓，有效地實施腐蝕防護，并大大延長了鎂陽極的使用壽命。電子陽極技術方案解決了傳統(tǒng)鎂陽極需要頻繁更換的問題，節(jié)省了企業(yè)與用戶的人力、時間和經(jīng)濟成本，在行業(yè)內(nèi)贏得了技術創(chuàng)新的名聲。雖然外加電流陰極保護技術在石油管道、電廠、油井等腐蝕防護方面已有數(shù)十年應用歷史，但在熱水器產(chǎn)品領域的應用不過是近三年的事，一些實際應用的技術細節(jié)和問題尚未得到揭示，尤其是某些熱水器品牌采用電子陽極方案后發(fā)生了熱水器爆炸的安全事故，也為該技術的推廣應用蒙上了一層陰影。

基于以上應用背景，本文以電熱水器水箱為例，通過電化學實驗對比評估鎂陽極和電子陽極對電熱水器水箱的腐蝕防護效果，以分析兩項技術的有效性和差異點，明確電子陽極技術應用需重點解決的問題，以期推進實施更加衛(wèi)生、安全、高效的水箱防腐技術。

2 實驗

2.1 實驗材料與試劑

（1）60L電熱水器定制水箱0#

如圖1所示，在與水箱進出水管平行的平面上開長方孔：長35cm，寬15cm（1臺，編號0#）。

（2）60L電熱水器定制水箱1#，2#，3#

如圖2所示，在與水箱進出水管垂直的方向上，水箱頂端開4個等距分布的6分管圓孔（依次命名為孔A、孔B、孔C、孔D），并接6分管，管長15cm，管頭有外螺紋（3臺，依次編號為1#，2#，3#）。

（3）60L電熱水器適用的標準鎂陽極4支（鎂陽極在水箱中已經(jīng)安裝）

（4）某公司提供的鈦陽極（電子陽極）

（5）自來水，氯化鈉（分析純AR，NaCl）

（6）主要測試設備

CS120B型電化學工作站，氫氣濃度分析儀

2.2 測試內(nèi)容及方法

（1）不同電導率水溶液的配制

考慮到各地水質(zhì)不同的影響，配置代表性電導率水溶液。在常溫常壓下，向自來水中加入分析純氯化鈉，使水的電導率分別達到400μs/cm、1000μs/cm、2000μs/cm。

（2）防腐蝕效果測試

①觀察法

在熱水器水箱的內(nèi)壁上去掉2cm2的搪瓷層，裸漏出碳鋼基體（漏鐵）；向水箱中加入一定體積、代表性電導率的水，觀察在有鎂陽極或電子陽極防腐蝕防護和無保護的情況下，漏鐵處是否發(fā)生銹蝕。

表1 60L電熱水器水箱的標準保護電流密度測試結(jié)果

表2 60L電熱水器水箱的保護電位及腐蝕速率測試結(jié)果（AgCl參比電極）

圖1 60L電熱水器定制水箱0#

圖2 60L電熱水器定制水箱及其實物圖

圖3 實驗用鎂陽極和鈦陽極

②電位判別法

測試水箱浸水面的電位，并根據(jù)電位值變化情況分析防腐蝕效果。分別在25℃、45℃、75℃三種保溫溫度和400μs/cm、1000μs/cm、2000μs/cm 三種電導率水質(zhì)（共9種工況）情況下，測量熱水器水箱4個代表點的腐蝕電位，和1個代表點的腐蝕速率。圖4為測試腐蝕電位的熱水器水箱，編號為2#。

（3）析氫測試

用氣體循環(huán)法測定熱水器水箱內(nèi)產(chǎn)生的氫氣濃度。向60L水箱中注水45L或50L（400μs/cm、1000μs/cm、2000μs/cm三種電導率），加熱到保溫溫度，在測量電位正常的情況下，逐天記錄水箱空腔中的氫氣濃度（記錄期間不換水不換氣）。

鎂陽極和電子陽極的析氫測試同時進行，用于測試的水箱分別為水箱1#和3#。為消除測試樣件的個體差異，確保測試數(shù)據(jù)的公平性，鎂陽極和電子陽極作用的水箱有幾次相互交換，數(shù)據(jù)記錄表中標明是在哪個水箱測試的數(shù)據(jù)，圖5為測試析氫的1#和3#水箱。

（4）標準保護電流密度測試

依據(jù)QB/T 2590-2003《貯水式熱水器搪瓷制件》標準附錄B，測試60L電熱水器水箱的標準保護電流值。

3 結(jié)果與討論

3.1 標準保護電流密度

按照標準方法測試60L電熱水器水箱的標準保護電流值，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，60L電熱水器水箱1#、3#的標準保護電流值分別為15.6mA/m2和22.15mA/m2，均在單搪容器標準保護電流限值（22.5mA/m2）以內(nèi)，說明實驗所采用的水箱內(nèi)表面搪瓷涂覆質(zhì)量較好，滿足后續(xù)實驗要求。

3.2 腐蝕防護效果

（1）觀察法

在70℃保溫溫度、2000μs/cm電導率情況下，觀察熱水器水箱0#漏鐵處的腐蝕情況，結(jié)果如圖6所示。當不采用鎂陽極或者電子陽極對水箱進行保護時，水箱漏鐵處在浸泡4h后即發(fā)生銹蝕（圖6b）；而采用鎂陽極或電子陽極對水箱進行保護時，水箱漏鐵處在浸泡3周后仍然呈現(xiàn)本體的金屬白色，沒有發(fā)生銹蝕（圖6c），結(jié)果表明，采用鎂陽極或電子陽極均可以對水箱起到良好腐蝕防護效果。

（2）電位判別法

在25℃、45℃、75℃三種保溫溫度，400μs/cm、1000μs/cm、2000μs/cm三種電導率水質(zhì)共9種工況條件下，獨立測試熱水器水箱2#的保護電位及腐蝕速率，并列入表2中。需要說明的是：

a.表中腐蝕速率的數(shù)據(jù)僅僅表示數(shù)量級上的值，是電化學工作站計算的結(jié)果，并不代表實際精度（腐蝕速率僅作為參考值）；

b.表中標紅的數(shù)據(jù)表示該測試條件下鎂陽極/電子陽極存在過保護現(xiàn)象；

c.水箱電位值=測試值+IR降，“IR降”是指電流流過水箱內(nèi)壁與參比電極之間溶液（水）時的電壓降，表中僅列出了代表點3處的數(shù)值。

鎂陽極和電子陽極對碳鋼搪瓷水箱實施有效腐蝕防護的判別標準是：碳鋼搪瓷水箱浸水部分陰極保護電位介于-850mV至-1150mV（以飽和硫酸銅為參比電極），或介于-730mV至-1030mV（以飽和氯化銀為參比電極）。

從表2中的測試數(shù)據(jù)可以看出：采用鎂陽極保護后的水箱電位幾乎都在該范圍內(nèi)，但有個別電位過負，即存在一定的過保護，過保護現(xiàn)象的存在將導致水箱內(nèi)表面發(fā)生析氫反應，從而破壞搪瓷層與碳鋼的界面結(jié)合力，加速搪瓷層的剝離。采用電子陽極保護后的水箱電位全部在有效保護范圍內(nèi)，且電位值比較集中，可對熱水器水箱提供有效地防護。

從腐蝕速率的數(shù)據(jù)可看出，采用鎂陽極和電子陽極進行腐蝕防護的保護效果都較明顯，保護后的腐蝕速率比保護之前可下降10倍以上，電子陽極整體表現(xiàn)優(yōu)于鎂陽極。

3.3 析氫測試

在25℃、45℃、75℃三種保溫溫度，400μs/cm、1000μs/cm、2000μs/cm三種電導率水質(zhì)共9種工況條件下獨立測試1#和3#水箱內(nèi)析出的氫氣濃度。如表3。

圖4 腐蝕電位測試水箱2#

圖5 析氫測試水箱1#，3#

圖6 腐蝕情況

在25℃保溫溫度下，鎂陽極和電子陽極的析氫濃度隨著水電導率的升高而增大，但濃度總體較低，且氫氣濃度數(shù)值隨測試時間延長有逐步降低的趨勢，這種析氫濃度由高轉(zhuǎn)低的現(xiàn)象，可能是水箱中水的溫度較低，水的對流交換不頻繁，而隨時間的增加，水箱內(nèi)壁表面pH值逐步升高（氫氧根離子增加），從而使氫離子結(jié)合概率減小，故而析氫量減少。同等條件下，鎂陽極的析氫濃度比電子陽極析氫濃度高。鎂陽極由于本身電極電位較負，化學活性高，容易與水反應生成大量氫氣，且由于雜質(zhì)成分多，眾多微小原電池反應造成自損耗，實際電流效率并不高，一般在50%左右。電子陽極不存在自損耗現(xiàn)象。

隨著保溫溫度的提高，采用鎂陽極和電子陽極保護的水箱內(nèi)部氫氣濃度不斷增大；每一時間段內(nèi)，鎂陽極析氫量比電子陽極析氫量多。

4 測試主要結(jié)論

（1）實驗中采用的60L電熱水器碳鋼搪瓷水箱標準保護電流密度為15～22mA/m2，分別采用鎂陽極和電子陽極對水箱進行腐蝕防護時，碳鋼水箱的搪瓷漏鐵處在25℃至75℃溫度范圍內(nèi)，中性（6.7＜pH＜8.2）水質(zhì)且電導率在400μs/cm至2000μs/cm范圍內(nèi)都幾乎無銹蝕發(fā)生，說明電子陽極的陰極保護效果可以到達鎂陽極保護效果。

（2）采用電子陽極保護后的水箱電位全部在有效保護范圍內(nèi)，且電位值比較集中；采用鎂陽極保護后的水箱電位幾乎都在有效保護范圍內(nèi)，但存在一定的過保護和自損耗現(xiàn)象。

（3）采用鎂陽極和電子陽極進行腐蝕防護的保護效果明顯，保護后的腐蝕速率比保護之前可下降10倍以上，電子陽極整體性能優(yōu)于鎂陽極。

（4）在25℃保溫溫度下，鎂陽極和電子陽極的析氫濃度隨著水電導率的升高而增大，但濃度總體較低，且氫氣濃度數(shù)值隨測試時間延長有逐步降低的趨勢；隨著保溫溫度的提高，采用鎂陽極和電子陽極保護的水箱內(nèi)部氫氣濃度不斷增大。同等條件下，鎂陽極的析氫濃度比電子陽極析氫濃度高。

5 技術展望

從實驗測試的總體結(jié)果來看，實驗中采用的電子陽極裝置在保護電位的控制、析氫濃度兩個關鍵指標上要優(yōu)于鎂陽極，且無過保護現(xiàn)象，實際保護效果顯著。

電子陽極技術可以作為一種有效的儲水式熱水器腐蝕防護手段，有利于減少水箱內(nèi)水垢的產(chǎn)生，延長鎂陽極的使用壽命。其技術特性的限制，如何穩(wěn)定控制保護電位，避免因析氫積累等因素誘發(fā)安全事故是需要首先解決的問題。其次，現(xiàn)有電子陽極裝置依賴于市電供電，在用戶基于安全考慮選擇斷電洗浴、節(jié)假日斷電或臨時停電等場景下，電子陽極裝置無法正常工作，因此，需要在熱水器內(nèi)部保留鎂陽極以做防腐補充。借助儲能電池等裝置實現(xiàn)持續(xù)工作、淘汰鎂陽極可能是今后電子陽極裝置發(fā)展的一個重要方向。