蒸汽清洗機(jī)結(jié)垢分析及措施

楊玉麗

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

蒸汽清洗機(jī)是將水燃燒形成水蒸汽，通過高壓輸送到噴槍清洗油污和污染物的一種設(shè)備。蒸汽清洗機(jī)使用范圍比較廣泛，甚至可以清洗高粘度油污和細(xì)小空間的殘留物。其最大的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約用水、高效節(jié)能、安全環(huán)保等。蒸汽清洗機(jī)可用于廚衛(wèi)等家電設(shè)備和汽車精洗，可實(shí)現(xiàn)無水精洗功能，目前被廣泛應(yīng)用[1]。但是由于蒸汽容易結(jié)垢的特性，且結(jié)垢后對(duì)產(chǎn)品安全和可靠性影響較大，本文針對(duì)蒸汽清洗設(shè)備結(jié)垢機(jī)理進(jìn)行失效分析，并總結(jié)其結(jié)垢后的危害情況，最后通過實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)蒸汽設(shè)備結(jié)垢的處理措施。

1 蒸汽清洗機(jī)的結(jié)垢機(jī)理

自來水經(jīng)過燃燒后，容易產(chǎn)生水垢；水垢的形成是水中鈣、鎂離子經(jīng)過受熱發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)、物理變化，導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器水中析出碳酸鈣、硫酸鈣、氫氧化鎂等沉淀物。水垢的形成容易導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器出現(xiàn)水冷壁熱、管道變形事故等。同時(shí)也會(huì)影響蒸汽發(fā)生器內(nèi)加熱效果。

1.1 蒸汽發(fā)生器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)

蒸汽發(fā)生器的水在高壓、高溫的條件下，容易導(dǎo)致一些雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。蒸汽發(fā)生器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)如下[2]：

因鈣、鎂難溶化合物大多數(shù)具有負(fù)溶解度系數(shù)的物質(zhì)，所以鍋爐的高溫、高壓條件有利于沉淀物的形成。

1.2 蒸汽發(fā)生器內(nèi)的物理變化過程

結(jié)晶過程：蒸汽發(fā)生器中的水溶液在過飽和狀態(tài)時(shí)其狀態(tài)不穩(wěn)定，當(dāng)蒸汽發(fā)生器中的水在高溫沸騰時(shí)會(huì)打破水溶液過飽和度，而導(dǎo)致局部形成初級(jí)結(jié)晶體現(xiàn)象，以該局部初級(jí)結(jié)晶體為結(jié)晶核心，使水中很多鈣、鎂等離子快速匯集到該結(jié)晶體上，導(dǎo)致結(jié)晶體長(zhǎng)大成大顆粒。隨著蒸汽發(fā)生器內(nèi)加熱面溫度不斷升高，附著在加熱面的氣泡離開受熱面時(shí)，水中鈣鎂結(jié)晶物就會(huì)殘留在金屬受熱面形成沉淀物。引起金屬受熱面受熱溫度不均勻，導(dǎo)致金屬受熱面存在電壓差。達(dá)到結(jié)晶核的條件，致使膠體向其表面聚集，而加速水垢的形成。

1.3 蒸汽發(fā)生器水垢的形成

蒸汽發(fā)生器中的沉淀物主要有兩種形態(tài)，分別為水垢和水渣。水垢的形成與水質(zhì)密切相關(guān)，不同水質(zhì)條件，水垢形成速度也不一致。并且水垢為堅(jiān)硬的結(jié)晶體附著在蒸汽發(fā)生器金屬面，影響受熱面受熱均勻性和導(dǎo)熱性。而水渣是存在于蒸汽發(fā)生器中的水的懸浮物，并且可以通過排污的方式排出。由此我們可設(shè)法讓蒸汽發(fā)生器中水生成的沉淀物為水渣，通過排污方式排查出[2]。

2 蒸汽發(fā)生器結(jié)水垢的失效分析

結(jié)有水垢的蒸汽發(fā)生器容易出現(xiàn)水冷壁熱、管道變形事故等。因?yàn)樗競(jìng)鳠嵝圆?，水垢的?dǎo)熱系數(shù)在0.05～0.7(kw/m?h?℃)范圍，管道的導(dǎo)熱系數(shù)在30～50(kw/m?h?℃)范圍，管道的導(dǎo)熱系數(shù)比水垢的導(dǎo)熱系數(shù)大70 倍～1000 倍，因此，水垢的熱阻比管道的熱阻大70 倍～1000 倍[3]。熱阻越大，導(dǎo)熱性就越差。鍋爐受熱面上結(jié)了水垢，導(dǎo)致加熱棒表面熱阻增大，加熱棒產(chǎn)生的熱量不能迅速傳給蒸汽發(fā)生器中的水，加熱棒的表面溫度也不斷升高過熱，強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致發(fā)生變形、鼓包、爆裂等現(xiàn)象。下面介紹三種典型失效模式。

2.1 加熱器結(jié)垢腐蝕，設(shè)備短路跳閘

蒸汽清洗設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)上電短路跳閘的現(xiàn)象，進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)螺紋加熱器表面有嚴(yán)重的腐蝕銹渣，電氣強(qiáng)度與絕緣電阻異常。將加熱管豎直切割，鑲樣、研磨、拋光在金相顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)加熱管外壁出現(xiàn)不同程度的腐蝕凹坑，個(gè)別位置的腐蝕孔洞幾乎已貫穿加熱管壁厚，加熱管材料異常防腐性能下降，即用戶使用了未經(jīng)處理的水源，Cl-濃度偏高，在長(zhǎng)期高溫的使用環(huán)境下加速了加熱管管壁的腐蝕，出現(xiàn)腐蝕孔洞，外部介質(zhì)進(jìn)入加熱管內(nèi)部，使螺紋加熱器電氣安全性能失效，從而出現(xiàn)短路，加熱器結(jié)垢失效圖如圖1 所示。

圖1 加熱器結(jié)垢失效圖片

2.2 蒸汽發(fā)生器內(nèi)液位傳感器結(jié)垢報(bào)警

為確保蒸汽清洗設(shè)備安全使用，會(huì)在設(shè)備內(nèi)增加液位傳感器進(jìn)行保護(hù)和邏輯控制。如果使用自來水進(jìn)行加熱清洗，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在設(shè)備運(yùn)行7 天后出現(xiàn)液位傳感報(bào)警異常。進(jìn)一步排查分析發(fā)現(xiàn)是液位傳感器上面結(jié)了水垢，水垢電阻大，導(dǎo)致電極棒導(dǎo)電回路斷路，電信號(hào)無導(dǎo)通，無法有效監(jiān)測(cè)水位，導(dǎo)致出現(xiàn)故障報(bào)警。對(duì)液位傳感器除垢后重裝進(jìn)去故障可消除。

2.3 降低傳熱效率

蒸汽發(fā)生器受熱面的水是通過管壁從高溫蒸氣中吸收熱量而被加熱蒸發(fā)。干凈的管壁傳熱比較快，水吸收的熱量也就多，容易沸騰蒸發(fā)。反之，被水垢沾污了的管壁，由于水垢熱阻大，受熱面的管壁的吸熱量比較少，為干凈受熱面的1/70 左右，這樣會(huì)減少水的吸熱，降低鍋爐的傳熱效率并增加能耗。

3 蒸汽機(jī)結(jié)垢措施研究

3.1 增加軟化水裝置技術(shù)方案

增加軟化水裝置，提前將水中的Ca2+、Mg2+（形成水垢的主要成分）置換出來，預(yù)防結(jié)垢問題。通過對(duì)不同水處理模塊進(jìn)行研究對(duì)比，離子交換樹脂水處理模塊和樹脂水處理模塊處理后的水進(jìn)行鈣鎂離子檢測(cè)劑測(cè)試和硬度測(cè)試均滿足要求[4]。另外，水處理模塊還可分為內(nèi)置型和外置型，可根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和定位選擇裝配位置，水處理模塊后水測(cè)試情況如圖2 所示。

圖2 水處理模塊后水測(cè)試情況

3.2 除垢技術(shù)方案驗(yàn)證

對(duì)已經(jīng)形成水垢的去除方法有物理除垢法、化學(xué)除垢法兩種。其中，物理除垢是指對(duì)結(jié)了水垢的物體采用鋼刷、鏟子等工具對(duì)水垢進(jìn)行清理，通過力學(xué)進(jìn)行去除。但是對(duì)密封性結(jié)構(gòu)的蒸汽清洗產(chǎn)品不適用?；瘜W(xué)除垢方法是采用化學(xué)除垢劑進(jìn)行處理，是目前行業(yè)比較成熟的方法。下面對(duì)該方案進(jìn)行對(duì)比研究。

（1）醋酸除垢：采用醋酸浸泡結(jié)構(gòu)加熱器進(jìn)行驗(yàn)證，浸泡1 天發(fā)現(xiàn)無法有效除垢，具體如圖3 所示。

圖3 醋酸除垢實(shí)物圖

（2）電磁除垢儀：裝配蒸汽清洗設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試3周無效果。

（3）除垢粉除垢：將除垢粉與自來水按1:8 進(jìn)行調(diào)配，加入結(jié)垢嚴(yán)重的蒸汽發(fā)生器內(nèi)和浸泡厚垢加熱管。溶液與水垢進(jìn)行接觸后瞬間反應(yīng)，在經(jīng)過整機(jī)4 個(gè)小時(shí)的浸泡后，明顯的有水垢掉落清除的現(xiàn)象，除垢效果明顯有效。測(cè)試結(jié)論：除垢劑能有效的去除鍋爐及電加熱器上的水垢，具體如圖4 所示。

圖4 除垢粉除垢圖片

3.3 增加設(shè)備系統(tǒng)自動(dòng)清洗功能

含有鈣成分的水垢在經(jīng)過腐蝕后，會(huì)有其他雜質(zhì)腐蝕不了或者其他的殘余，導(dǎo)致可能存在管路被堵住的情況，因整機(jī)連續(xù)使用周期時(shí)間過長(zhǎng)且結(jié)水垢比較明顯，為避免脫落水垢堵塞問題，設(shè)備在使用上需定期進(jìn)行除垢排污。為避免用戶遺忘，設(shè)計(jì)程序增加定期清洗提醒功能提醒除垢排污。在蒸汽清洗設(shè)備累計(jì)工作到一定時(shí)間（N 推薦為30 天，具體以不同設(shè)備驗(yàn)證為準(zhǔn)）后蒸汽機(jī)能自動(dòng)提醒清洗，并由用戶選擇性對(duì)設(shè)備進(jìn)行內(nèi)部自動(dòng)清洗。

4 結(jié)束語

在蒸汽發(fā)生器內(nèi)部，水經(jīng)過燃燒產(chǎn)生蒸汽并排出后內(nèi)部會(huì)形成大量的水垢，而水垢的形成是經(jīng)過多種物理化學(xué)反應(yīng)。先是蒸汽發(fā)生器中水經(jīng)過加熱揮發(fā)為水蒸汽，再經(jīng)過濃縮結(jié)晶等物理化學(xué)變化，最終導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生沉淀物，形成水垢。本文針對(duì)蒸汽清洗設(shè)備結(jié)垢機(jī)理以及結(jié)垢失效進(jìn)行分析，最后通過實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)出蒸汽設(shè)備結(jié)垢可以通過軟化水處理、化學(xué)除垢技術(shù)、設(shè)備清洗功能程序設(shè)計(jì)等措施進(jìn)行整改預(yù)防。