熱水器用電加熱管阻垢及防腐蝕研究

馬繼卿

摘要：結(jié)垢、腐蝕是目前影響熱水器用電加熱管可靠性的最主要原因，困擾行業(yè)多年。水垢堆積后，會導(dǎo)致電加熱管散熱不良，熱阻增加，繼而導(dǎo)致管體表面溫度升高，促進(jìn)點(diǎn)蝕的發(fā)生和發(fā)展。水垢堆積在電加熱管表面，由于電加熱管的加熱工作，水垢附近和水垢中的Cl和SO42-產(chǎn)生聚集，濃度增大，促進(jìn)點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕的發(fā)生，甚至?xí)霈F(xiàn)因電加熱管腐蝕穿孔漏水而引起電擊危險的安全隱患。為了解決電加熱管因腐蝕和大量結(jié)垢引起的管體爆管、腐蝕穿孔、漏電等售后問題，本文對涂搪、燒結(jié)后搪瓷電加熱管樣件的除垢和防腐蝕性能進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：電加熱管;阻垢;防腐;搪瓷

1. 電加熱管阻垢研究

1.1水垢形成機(jī)理

水垢的形成是一個復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程，當(dāng)水中含有大量的鈣、鎂離子等極性粒子時，容易粘附在極性材料的外表面。當(dāng)含有鈣、鎂離子等雜質(zhì)的水進(jìn)入加熱體后，水溫會不斷升高。當(dāng)水溫升高到一定溫度時（長時間超過60℃），水中鈣、鎂鹽類離子濃度乘積大大超過了其溶解度從而達(dá)到過飽和狀態(tài)，這些鈣、鎂鹽類物質(zhì)會從過飽和溶液中結(jié)晶析出固體從而形成水垢。熱水器工作時，電加熱管外管溫度可達(dá)90℃～120℃，水中碳酸氫鈣和碳酸氫鎂會受熱分解，放出二氧化碳，變成難溶解的碳酸鈣和氫氧化鎂沉淀下來。隨著PH值的升高，CO32-增加，進(jìn)而生成更多的碳酸鈣沉淀物。水箱加熱時，電加熱管外管溫度比水箱其他地方高很多，加上普通電加熱管表面粗糙，更容易在電加熱管上形成水垢。

1.2阻垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別在通電30h、50h后觀察內(nèi)膽中兩種電加熱管的結(jié)垢情況，發(fā)現(xiàn)普通電加熱結(jié)垢情況較搪瓷電加熱結(jié)垢情況嚴(yán)重。在實(shí)驗(yàn)過程中，加熱到第二天時，搪瓷電加熱表面水垢開始自動剝落，而普通電加熱表面的水垢逐漸積累，厚度變厚且更加致密，基本上布滿整個電加熱管的熱端。硬水實(shí)驗(yàn)后，未搪瓷的電加熱熱端有一層致密且不易去除的水垢，未搪瓷的電加熱冷端幾乎沒有水垢。電加熱搪瓷試樣熱端在電加熱運(yùn)行過程中也會有水垢依附，但是水垢和搪瓷層幾乎沒有結(jié)合力，水垢在電加熱運(yùn)行過程中可以自動脫落。

2. 電加熱管防腐蝕研究

2.1電加熱管腐蝕實(shí)驗(yàn)方案設(shè)定

將經(jīng)搪瓷處理和未經(jīng)任何處理的電加熱管同時放入靜水環(huán)境中（自來水管補(bǔ)充蒸發(fā)掉水分），持續(xù)通電8個月，進(jìn)行長期運(yùn)行可靠性實(shí)驗(yàn)。取出后，經(jīng)酸洗（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的鹽酸溶液），使用放大鏡觀察基體表面腐蝕狀況。然后在電加熱管上截取試樣，經(jīng)鑲嵌、拋光制作金相試樣，從截面觀察基體腐蝕深度。參考GB/T17897-1999配制三氯化鐵溶液，驗(yàn)證電加熱管搪瓷前后耐三氯化鐵腐蝕性能變化和耐壓壽命。

2.2防腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

首先，將兩種電加熱管通電8個月取出，用鹽酸酸洗60s。經(jīng)搪瓷處理過的電加熱管，其保護(hù)瓷層有大面積脫落，暫未脫落的瓷層與基體的結(jié)合力較小，但表面基本無水垢，有來自環(huán)境中的黃色鐵銹附著。未經(jīng)任何處理的電加熱管結(jié)滿水垢，管體出現(xiàn)大面積的腐蝕坑、孔，顏色較前者黃色偏暗，呈中褐色。搪瓷電加熱的自潔即除垢功能進(jìn)一步得到驗(yàn)證。50倍放大鏡下，有瓷層保護(hù)過的電加熱管基體表面雖有腐蝕痕跡，但腐蝕深度較淺、較均勻，表面無突出腐蝕坑，較為平整。瓷層暫未脫落處，當(dāng)人為剝落后，基體表面還留有很薄一層瓷層，即瓷層的密著層，密著層是無機(jī)瓷層依附金屬基體的過渡層，與基體連接較為密實(shí)，同樣能對基體產(chǎn)生一定時間的保護(hù)。無瓷層保護(hù)電加熱管基體腐蝕較為嚴(yán)重，表面出現(xiàn)大面積腐蝕深坑，凹凸不平，在表面目測較為平整處，也出現(xiàn)密集腐蝕深孔。40倍金相顯微鏡下，觀察基體橫截面。經(jīng)搪瓷處理過的電加熱管基體橫截面無腐蝕坑、孔，與放大鏡觀察結(jié)果相吻合，且管壁厚度均值達(dá)0.489mm，接近電加熱管設(shè)計壁厚。未經(jīng)搪瓷處理的電加熱管基體腐蝕程度嚴(yán)重，腐蝕坑、孔較深。在金相顯微鏡下測量，未經(jīng)搪瓷處理的電加熱管管壁厚度均值為0.438mm，腐蝕坑深度d1=0.1mm，腐蝕小孔底部距管內(nèi)壁厚度d2=0.228mm，基體腐蝕去除量大，搪瓷電加熱抗腐蝕功能得到驗(yàn)證。另外，參考GB/T17897-1999標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，兩個未搪瓷的電加熱管耐壓失效時間分別為4h、4.5h。經(jīng)搪瓷后的電加熱管耐壓失效時間分別為40h、42h。帶用搪瓷層的電加熱管耐壓壽命是普通電加熱管的10倍以上。

3. 搪瓷電加熱管阻垢、耐腐蝕機(jī)理分析

熱水器中碳酸鈣等水垢的析出過程，就是微溶性鹽類從溶液中結(jié)晶析出的一種過程。由結(jié)晶動力學(xué)的觀點(diǎn)可知，結(jié)晶過程分為產(chǎn)生晶核與晶核再生長成微晶粒兩個階段。微晶粒在溶液中熱運(yùn)動并不斷地碰撞，和電加熱管表面也不斷地發(fā)生碰撞，碰撞為晶體的生長提供機(jī)會，最終在搪瓷電加熱管表面形成碳酸鈣垢層。影響結(jié)垢的關(guān)鍵因素是材料的表面能。具有低表面能的材料可以減輕污染物的黏附，有效延長誘導(dǎo)期，起到阻垢的效果。搪瓷的表面能低（12～25dyn/cm），而不銹鋼材料表面能高（37～46dyn/cm）。在熱水環(huán)境中，普通的電加熱管在水中更容易黏附結(jié)垢晶粒，導(dǎo)致結(jié)垢前的誘導(dǎo)期短，結(jié)垢起始階段開始較早，同時在輸送階段和附著階段污垢更容易被附著，導(dǎo)致結(jié)垢速率快。相比普通電加熱，搪瓷電加熱表面更光滑，表面能更低，提高了晶核形成所需的形核功，降低了晶胚的成核率，可以有效避免加熱管表面水垢的形成。同時，搪瓷電加熱管表面的水垢疏松且不容易附著，且加熱過程中其表面不斷產(chǎn)生微小的水蒸氣氣泡，給予水垢剝落的力，氣泡產(chǎn)生的力大于水垢附著于電加熱表面的力，故水垢會從電加熱上剝落。因此，搪瓷層本身具有“阻垢自潔”性能。

對于普通的電加熱管，當(dāng)介質(zhì)中含有氯離子等活性陰離子時，氯離子破壞了鈍化膜溶解和修復(fù)的動態(tài)平衡，并在某些活性點(diǎn)上優(yōu)先被氧原子吸附，從而使不銹鋼表面的鈍化膜發(fā)生局部破壞，產(chǎn)生點(diǎn)蝕核。由于蝕孔內(nèi)（電位較負(fù)）與蝕孔外（電位較正）的電位不相等，孔內(nèi)和孔外會形成一個微電偶的腐蝕電池，加速點(diǎn)腐蝕孔的生長，最終造成金屬穿孔。搪瓷電加熱管有良好的耐化學(xué)侵蝕腐蝕性能，原因在于將不銹鋼電加熱管與無機(jī)非金屬釉料兩種性質(zhì)截然不同的材料經(jīng)過高溫?zé)?，使二者熔合成為一種新型抗腐蝕、耐高溫、耐磨，絕緣、表面光滑清潔的功能性復(fù)合材料。它們各自的缺點(diǎn)得到了相互補(bǔ)償，同時體現(xiàn)了優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)其受到溶液中的氯離子侵蝕時，搪瓷層起到了保護(hù)作用，在搪瓷玻璃襯里與介質(zhì)接觸后，形成一層硅氧保護(hù)膜，此膜阻止了介質(zhì)對電加熱管的腐蝕。

結(jié)論：

簡而言之，通過實(shí)驗(yàn)可知，搪瓷電加熱管降低了水垢晶核形成所需的形核功，同時降低了晶胚的成核率，減少了水垢形成的機(jī)率。同時，搪瓷電加熱管表面光滑，將金屬基材鋸齒狀表面改變?yōu)椴Ａз|(zhì)的光滑表面，大大減小了電加熱管的表面粗糙度，表面生產(chǎn)的水垢疏松且不容易附著;瓷層表面能低，不易吸附沉淀離子，阻礙晶格長大。加熱過程中表面不斷產(chǎn)生微小的水蒸氣氣泡，給予水垢剝落的力，水垢會從電加熱管上剝落，因此搪瓷電加熱管具有良好的的除垢自潔性能。

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