镁阳极与电子阳极对电热水器水箱的腐蚀防护效果评估
马峰;刘朝红;曹冠忠;彭海燕;颜超
【摘 要】针对60L电热水器水箱,采用电化学方法研究了不同电导率水质、不同保温温度条件下,分别采用镁阳极、电子阳极保护的水箱的腐蚀电位、腐蚀速率、氢气析出浓度,并对镁阳极、电子阳极的腐蚀防护效果进行了对比评估.实验结果表明:采用电子阳极保护后的水箱电位全部在有效保护范围内,且电位值比较集中,而镁阳极保护则存在一定的过保护和自损耗现象;采用镁阳极和电子阳极进行腐蚀防护的保护效果明显,保护后的腐蚀速率比保护之前下降了10倍以上,整体而言,电子阳极优于镁阳极;镁阳极在对水箱阴极保护时所析出的氢气比电子阳极保护时析出的氢气量多,即在同等空腔体积内氢气浓度高.
【期刊名称】《家电科技》
【年(卷),期】2018(000)002
【总页数】5页(P42-46)
【关键词】热水器;电子阳极;镁阳极;腐蚀防护
【作 者】马峰;刘朝红;曹冠忠;彭海燕;颜超
【作者单位】青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101;青岛海尔智能技术研发有限公司 山东青岛 266101;青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101;青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101;青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101
【正文语种】中 文
1 引言
当前，电热水器、热泵热水器多采用牺牲镁阳极的方式来保护由非合金或低合金碳钢制造的搪瓷水箱，在降低水箱腐蚀速率、延长水箱使用寿命方面起到了关键作用。但在热水器的实际使用过程中发现，镁阳极的有效使用寿命远低于其设计寿命。根据各地水质的不同、镁阳极的生产工艺不同，长则1～2年、短则数月就需要更换一次镁阳极，频繁的更换镁阳极既增加了企业的人工、时间成本，也给用户带来了额外的经济负担；此外，镁阳极还是水箱内重要的水垢来源，水垢的产生为细菌等微生物的滋生提供了基底条件，造成水质恶化并严重影响了用户的用水体验。
近年来，国内外一些热水器厂家在电热水器、热泵热水器上采用了外加电流阴极保护的方案（即“电子阳极”方案）来进行储水式热水器水箱的腐蚀防护。方案中，采用表面涂覆有不溶性导电涂层的钛棒作为阳极，普通钛棒作为参比，水箱作为阴极，水作为电解质，通过自动检测水箱内水的电导率和水箱内表面搪瓷层的破损程度，该腐蚀防护系统可对应输出适合该水箱的保护电流和保护电压，有效地实施腐蚀防护，并大大延长了镁阳极的使用寿命。电子阳极技术方案解决了传统镁阳极需要频繁更换的问题，节省了企业与用户的人力、时间和经济成本，在行业内赢得了技术创新的名声。虽然外加电流阴极保护技术在石油管道、电厂、油井等腐蚀防护方面已有数十年应用历史，但在热水器产品领域的应用不过是近三年的事，一些实际应用的技术细节和问题尚未得到揭示，尤其是某些热水器品牌采用电子阳极方案后发生了热水器爆炸的安全事故，也为该技术的推广应用蒙上了一层阴影。
基于以上应用背景，本文以电热水器水箱为例，通过电化学实验对比评估镁阳极和电子阳极对电热水器水箱的腐蚀防护效果，以分析两项技术的有效性和差异点，明确电子阳极技术应用需重点解决的问题，以期推进实施更加卫生、安全、高效的水箱防腐技术。
2 实验
2.1 实验材料与试剂
（1）60L电热水器定制水箱0#
如图1所示，在与水箱进出水管平行的平面上开长方孔：长35cm，宽15cm（1台，编号0#）。
（2）60L电热水器定制水箱1#，2#，3#
如图2所示，在与水箱进出水管垂直的方向上，水箱顶端开4个等距分布的6分管圆孔（依次命名为孔A、孔B、孔C、孔D），并接6分管，管长15cm，管头有外螺纹（3台，依次编号为1#，2#，3#）。
（3）60L电热水器适用的标准镁阳极4支（镁阳极在水箱中已经安装）
（4）某公司提供的钛阳极（电子阳极）
（5）自来水，氯化钠（分析纯AR，NaCl）
（6）主要测试设备
CS120B型电化学工作站，氢气浓度分析仪
2.2 测试内容及方法
（1）不同电导率水溶液的配制
考虑到各地水质不同的影响，配置代表性电导率水溶液。在常温常压下，向自来水中加入分析纯氯化钠，使水的电导率分别达到400μs/cm、1000μs/cm、2000μs/cm。
（2）防腐蚀效果测试
①观察法
在热水器水箱的内壁上去掉2cm2的搪瓷层，裸漏出碳钢基体（漏铁）；向水箱中加入一定体积、代表性电导率的水，观察在有镁阳极或电子阳极防腐蚀防护和无保护的情况下，漏铁处是否发生锈蚀。
表1 60L电热水器水箱的标准保护电流密度测试结果60L电热水器定制水箱的参数筒体长度L（cm）60L水箱接触表面积（m2）45 35 8.8 2.5 0.815水箱编号 1# 3#电压（V） 1.5 1.5
阳极材料 镁阳极 镁阳极阳极长度（mm） 267 267阳极直径（mm） 21.6 21.6测试电流（mA） 16.1 24.1 ms/mR 1.18 1.18标准保护电流（mA/m2） 15.6 22.15筒体直径D（cm）封头曲面深度Hi（cm)封头直边高度H（cm)
表2 60L电热水器水箱的保护电位及腐蚀速率测试结果（AgCl参比电极）测试条件 阳极类型 时间 1电位(mV)2电位(mV)3电位(mV)测试数据 水箱电位(AgCl mV)4电位(mV)IR降(mV)腐蚀速率(mm/a)实测温度(℃)
图1 60L电热水器定制水箱0#
图2 60L电热水器定制水箱及其实物图
图3 实验用镁阳极和钛阳极
②电位判别法
测试水箱浸水面的电位，并根据电位值变化情况分析防腐蚀效果。分别在25℃、45℃、75℃三种保温温度和400μs/cm、1000μs/cm、2000μs/cm 三种电导率水质（共9种工况）
情况下，测量热水器水箱4个代表点的腐蚀电位，和1个代表点的腐蚀速率。图4为测试腐蚀电位的热水器水箱，编号为2#。
（3）析氢测试
用气体循环法测定热水器水箱内产生的氢气浓度。向60L水箱中注水45L或50L（400μs/cm、1000μs/cm、2000μs/cm三种电导率），加热到保温温度，在测量电位正常的情况下，逐天记录水箱空腔中的氢气浓度（记录期间不换水不换气）。

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