儲水式電熱水器防腐技術淺析

畢崇強 王伯燕 徐傳芳

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1 引言

據數據調研機構Statista統計數據顯示，2019年，全球電熱水器市場整體銷售規模達92億歐元。儲水式電熱水器能耗低，可以不受天氣影響滿足人們淋浴需求，在電熱水器中一直處于主流地位。隨著人們收入的提高和生活條件的改善，我國熱水器市場在經歷高速增長之后，逐漸由增量市場向存量市場轉變，產品普及率居世界前列。

儲水式電熱水器在電熱水器中一直屬于主流類型，不少家庭使用的都是儲水式電熱水器，儲水式電熱水器能耗低，不受天氣影響，可以滿足人們淋浴需求。隨著人們收入的提高和生活條件的改善，我國熱水器市場在經歷高速增長之后，逐漸由增量市場向存量市場轉變，產品普及率居世界前列。目前電熱水器在我國城市家庭中保有量大，但是有很大一部分電熱水器臨近或超過安全使用年限。超過安全使用年限，儲水式電熱水器的內膽、加熱管、管路等相關部件會發生銹蝕、老化，長時間不使用時未排空內膽還會降低電熱水器內膽的使用壽命，引起內膽漏水，嚴重時會導致室內積水損壞用戶房屋及室內物品設施，甚至導致電熱水器漏電或室內電路短路，引發觸電事故或火災等。

儲水式電熱水器關鍵元器件有電熱管、溫控器和熱保護器等，內膽材質主要有不銹鋼內膽、搪瓷內膽、熱鍍鋅內膽等，目前我國儲水式電熱水器內膽主要采用搪瓷內膽。搪瓷內膽的關鍵基礎材料主要是鋼板和搪瓷防腐層，其涉及到的工藝主要有內膽成型、焊接和搪瓷工藝等。目前最常見的問題是電熱管以及內膽的防腐蝕問題，一旦腐蝕漏水，輕則機器損壞不能修復，重則基本絕緣破壞危害人身安全。根據《2019年中國生態環境狀況公報》中的數據，2019年，全國10168個國家級地下水水質監測點中，I～III類水質監測點占14.4%，IV類占66.9%，V類占18.8%。超標指標為錳、總硬度、碘化物、鐵、氟化物、氨氮、鈉、硫酸鹽和氯化物等。國內因為區域不同，水質環境差異較大，水質較惡劣的區域，加熱介質對加熱管的腐蝕非常明顯，導致加熱管不良率較高。根據數據統計，目前國內超過70%的不良率均為腐蝕導致。熱水器用加熱管，目前國內市場在2000萬左右，主要以金屬管狀加熱元件為主，該種加熱方式使用簡單，熱效率高，成本較低，是目前熱水器最主要的加熱方式，已經形成穩定的產業規模。近幾年，隨著大規模自動化設備的使用，工藝穩定性越來越好，生產質量也越來越好。

2 加熱管防腐

金屬管狀加熱元件，均采用金屬管作為管體外殼，金屬管以不銹鋼為主，目前國內市場高端加熱管多使用英格萊800、英格萊825等進口高鎳鉻合金不銹鋼材料，普通加熱管使用316L、310S等不銹鋼材料，內部使用耐高溫的高純度氧化鎂粉作為絕緣材料，發熱絲置于氧化鎂粉中間，根據不同的使用位置，彎折成需要的形狀，與固定法蘭焊接或者鉚接，裝到熱水器上。國內高鎳鉻特種材料（高耐腐蝕），一直無法批量化生產，目前國內使用的英格萊800、英格萊825薄板材料均為日本、美國、德國進口。因為市場實際使用過程中，腐蝕導致的不良率較高，急需高耐腐蝕能力的新型材料應用于加熱管，作為表面管材。近幾年，有些企業將鈦金應用到了電加熱管外殼上，將帶加熱管的外殼進行氮化鈦（TiN）處理，得到了良好的防腐效果。

為了比較不同材料的防腐效果，按照GB/T 17899-1999標準對310S、316L、英格萊800、英格萊825、氮化鈦（TiN）處理不銹鋼進行擊穿電位及點蝕電位測試，以陽極電流密度達到100 μA/cm2的電位值來表示不同材料的點蝕電位，結果見表1。

從表1中可以看出，氮化鈦（TiN）處理的不銹鋼防腐效果最好，但由于成本問題，目前僅使用在高端電熱水器產品。從目前各方面的研究和實際使用來看，在不影響其他性能的前提下，鉬（Mo）、鉻（Cr）元素可以明顯提高材料的耐腐蝕能力，尤其是耐點腐蝕能力。

表1 擊穿電位及點蝕電位

3 內膽防腐

3.1 鎂陽極防腐

除了提高金屬材料的耐腐蝕性外，在內膽噴涂搪瓷和采用鎂棒來延長機器使用壽命也是行業內普遍采用的方法。然而，搪瓷并不能將金屬內壁完全遮蔽，因為即使是非常好的搪瓷涂覆與燒結工藝，也無法做到100%全覆蓋。內膽搪瓷表面會存在一些肉眼不可見的細小微孔，同時內膽鋼板焊縫處也可能存在魚鱗爆、針孔、剝瓷，以及搪瓷的沸水失重，甚至內膽在生產周轉和熱水器成品在運輸途中受到強度較大磕碰，也會產生新的缺陷。在熱水器使用過程中，內膽搪瓷直接與水接觸，搪瓷的缺陷處的鋼板直接暴露在水中，會與內膽完好涂覆搪瓷層的鋼板產生原電池效應，裸露鋼板成為陽極，其他部分形成陰極，造成大陰極小陽極的格局，加速裸露鋼板的腐蝕。熱水器內膽的腐蝕過程如圖1所示。

圖1 沒有陰極保護的熱水器內膽中的電化學反應和離子運動[6]

由圖1可以看出，熱水器內膽中裝滿水時，只要有氧氣存在，Fe內膽就必然會發生電化學腐蝕過程。因此，鋼板+搪瓷內膽通常采用主動陰極保護技術來滿足防腐蝕的要求，目前各熱水器廠家普遍采用鎂棒作為犧牲陽極。陰極保護是利用金屬活性差異，鎂的活性高于鐵，內膽和鎂棒同時處于電化學系統中，鎂棒會優先反應，從而保護熱水器內膽。其電化學反應如圖2。

圖2 有鎂陽極保護的內膽中的電化學反應和離子運動[6]

鎂棒陽極防腐技術也存在不足。首先，鎂在水中的分解產物是氫氧化鎂，容易形成致密的水垢，附著在電加熱管上，降低熱水器的熱效率。其次，鎂棒需要定期更換，操作不便。由于水質的不同，通常一根鎂棒可在2～3年內消耗殆盡，一旦做不到及時更換，內膽和電熱元件的金屬就失去了一道保護措施，會加快腐蝕速度和程度。再次，鎂棒對人體有副作用。鎂棒是鎂合金，含有錳、鋅、鋁等元素，鎂棒消耗過程中會分解出重金屬，對熱水器中的水造成污染。

3.2 電子陽極防腐

電子陽極是鎂棒陽極之外的一項創新性的防腐蝕技術。電子防腐器的基本原理是，利用一個金屬陽極，在水中形成微電流來提供水在電離過程中所需要的電子，從而避免加熱器表面和內膽的金屬的氧化。當保護電流合適，則被保護結構上的陽極就不再溶解，金屬表面只發生陰極還原反應。電子陽極材料先后經歷鐵陽極、石墨陽極、高硅鑄鐵陽極、金屬氧化物涂層陽極等發展階段。輔助陽極的電流效率、使用壽命等都隨著技術和材料的發展得到明顯提升。金屬氧化物涂層陽極采用鈦為基體，其損耗速率小、尺寸穩定、重量輕、耐腐蝕，同時具有良好的導電性，是目前理想的輔助陽極材料。

為了電子陽極持續有效的保護電熱水器的內膽，電子陽極需要一個電源控制其輸出恒定的電流。電熱水器中需要設置一個恒電位輸出調節電路，由微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）和外圍電路組成。恒電位輸出功能通過MCU實施檢測電子陽極輸出端的電位大小，判斷是否達到保護電位，再利用PWM脈寬調制或神經網絡調制功能，調節輸出占空比的大小，使電子陽極輸出電位始終穩定在規定的范圍內。同時該電路還有輸出電路開路和短路檢測功能。

目前，已知國外對儲水式電熱水器進行強制電流陰極保護的裝置只有歐洲生產的“impressed current anode”，直譯為強制電流陽極，該項技術已經申請歐洲專利。電子陽極保護壽命長，一般15年以上，可等同于電子元件的壽命，終生免維護。電子陽極為不溶性陽極，反應時不會產生分解產物，不污染水質。由于電子陽極良好的陰極保護作用，延長了熱水器的壽命，降低了由于腐蝕問題而造成的故障率和維修率，因此降低了熱水器的綜合成本，保證熱水器使用的安全性，具有很好的社會效益和經濟效益。電子陽極也存在缺點，比如需要熱水器保持在充電狀態，電子陽極才能發揮作用，會造成一定的能源浪費，且其可靠性還需要持續地跟蹤驗證。

4 結語

電熱管和內膽一旦腐蝕漏水，輕則熱水器損壞不能修復，重則基本絕緣被破壞危害人身安全。本文介紹了加熱管和內膽幾種常見的防腐措施，并對不同防腐措施進行了對比和分析。電子陽極技術是一種有效的儲水式電熱水器內膽防腐措施，有利于減少內膽內水垢，延長電熱水器安全使用年限。借助輔助電源等裝置可實現電子陽極的持續工作，替換鎂陽極，可能是儲水式電熱水器發展的一個重要方向。