淺析間接式換熱系統(tǒng)緩蝕

摘要:本文針對間接式太陽能熱水的換熱系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行全面論述，分析腐蝕發(fā)生的原因并提出應對措施，全面闡述太陽能專用導熱介質應具備的性能和衡量標準，總結得出導熱介質應當為集環(huán)保、長效、阻垢、防腐、緩蝕、防凍、防沸、低泡、熱穩(wěn)定性好和導熱效率高等多種優(yōu)異性能為一體的換能液；針對市場上良莠不齊的導熱介質，本文進行詳細對比和鑒別，以期能提供有益的參考和幫助。 　　0前言 　　近幾年來間接式太陽能熱水器得到快速發(fā)展，普通的真空管太陽能熱水器市場份額下滑速度快，綜其原因有以下幾點： 　　1. 我國人多的國情決定了城鎮(zhèn)化過程中必須走高層住宅的道路，既保障了住房這一民生需要，又實現(xiàn)節(jié)約用地，提高土地的利用效率，高層住宅的大量興建限制了太陽能一體機的使用，只能在平板式（或分體式）太陽能這一選項上做出抉擇。 　　2. 我國空氣污染嚴重，太陽能與建筑相結合是節(jié)能減排和改善大氣環(huán)境的一項重要舉措，因為平板太陽能具有平面結構、良好的承壓性能、系統(tǒng)穩(wěn)定、安全耐用、易與建筑物美觀性相統(tǒng)一等特點，決定其占居主流的趨勢。 　　3. 平板太陽能熱水器經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，技術已經(jīng)更趨成熟和完善，熱效率有了大幅度的提高，我國的平板式太陽能熱水器迎來了發(fā)展的黃金時期。 　　隨著間接式（平板式或真空管式）太陽能熱水系統(tǒng)的迅猛發(fā)展和普及，很多問題擺在面前，比如如何選擇間接式換熱系統(tǒng)金屬材質、換熱系統(tǒng)中金屬存在哪種類型的腐蝕、如何對腐蝕進行預防以及如何選擇適宜的導熱介質等。本文將從以下三個方面闡述間接式太陽能換熱系統(tǒng)的腐蝕及解決方案： 　　1.對整個系統(tǒng)中存在的金屬材質逐一剖析，說明腐蝕原因并提出預防措施。 　　2.列舉換熱系統(tǒng)所用的導熱介質應該具備的性能和衡量標準。 　　3.對各種不同的導熱介質（防凍液）進行對比，為大家在選擇工作介質時提供有益的參考和幫助。 　　1換熱系統(tǒng)的腐蝕及預防 　　金屬材料受周圍介質（太陽能系統(tǒng)介質既包括導熱介質又包括空氣）的作用而腐蝕，稱為金屬腐蝕。腐蝕時，在金屬的界面上發(fā)生化學或電化學多相反應，使金屬轉入氧化（離子）狀態(tài)，從根本上來說就是金屬單質被氧化形成化合物，如鐵制品生銹、鋁制品表面出現(xiàn)白斑、銅制品表面產(chǎn)生銅綠、銀器表面變黑等都屬于金屬腐蝕。這種腐蝕過程一般通過兩種途徑進行：化學腐蝕和電化學腐蝕。化學腐蝕指金屬表面與周圍介質直接發(fā)生化學反應而引起的腐蝕；電化學腐蝕指金屬材料（合金或不純的金屬）與電解質溶液接觸，通過電極反應產(chǎn)生的腐蝕。 　　目前，大部分間接式太陽能熱水系統(tǒng)的金屬材質主要為紫銅、黃銅、碳鋼和不銹鋼，有少數(shù)廠家為了節(jié)約成本使用鋁壓鑄流道集熱板，但這不是主流，存在很多隱患。下面就每種材質的腐蝕問題逐項說明。 　　2銅的腐蝕及預防 　　在換熱系統(tǒng)中用到的銅為紫銅和黃銅，紫銅通常為純銅，黃銅為銅鋅合金（銅的含量超過80%）。紫銅具有良好的導熱性、焊接性、柔韌性和耐蝕性，黃銅色澤美觀，具有良好的工藝和力學性能，導熱性較高，在大氣、淡水和海水中耐腐蝕，易切削和拋光。 　　在電化學順序中，銅熱力學穩(wěn)定性較高，不會發(fā)生氫的去極化反應，被列為耐腐蝕金屬之一，但是在濕度較高、腐蝕性介質（如含二氧化硫的空氣、含氧的水、氧化性酸以及在含有CN-、NH4+等能與銅形成絡合離子的液體）中，銅則發(fā)生較為嚴重腐蝕。銅合金表現(xiàn)出比純銅更高的耐腐蝕性。銅合金在一般介質中以均勻腐蝕為主，在有氨存在的溶液中有較強的應力腐蝕敏感性，也存在電偶腐蝕、點蝕、磨損腐蝕等局部腐蝕形式。黃銅脫鋅是銅合金獨有的腐蝕形式，就太陽能換熱系統(tǒng)而言，黃銅發(fā)生這種腐蝕的幾率很小。 　　針對以上情況，預防銅發(fā)生腐蝕應該采取如下措施： 　　1.保持溶液的適度堿性，避免酸化。 　　2. 環(huán)境的濕度高是無法避免的，必須添加高效的銅專用有機緩蝕劑來降低腐蝕速率。 　　3.避免導熱介質溶液中含有能使銅發(fā)生絡合反應的離子，也就是說在體系內避免NH4+離子的存在。 　　4.降低導熱介質溶液中氧的含量。 　　3 碳鋼的腐蝕及預防 　　碳鋼在酸性條件下容易發(fā)生腐蝕，在堿性條件下較穩(wěn)定，但也會存在如下幾種腐蝕的可能性： 　　1.均勻腐蝕：這種腐蝕形態(tài)表現(xiàn)為與導熱介質接觸的整個金屬表面上以相同的速度進行腐蝕，少數(shù)碳鋼的腐蝕為此狀態(tài)，該種腐蝕不可完全避免，但可以降低腐蝕速率。 　　2.局部腐蝕：表現(xiàn)為點蝕（金屬表面產(chǎn)生點狀或坑狀腐蝕，且從表面向內部擴展，形成孔穴）或蜂窩狀腐蝕（蝕點或蝕坑連成片，縱向發(fā)展形成類似蜂窩形狀），形成原因是受局部微電池作用。 　　3.電偶腐蝕：如果太陽能系統(tǒng)為夾套式換熱，那碳鋼與銅管有可能形成電偶腐蝕，這是由于不同電極電位的兩種金屬在導熱介質中接觸產(chǎn)生電位差，而構成宏電池。 　　預防措施： 　　1. 控制導熱介質的pH 值在9～11之間，以保證碳鋼的穩(wěn)定環(huán)境。 　　2. 選用易發(fā)生均勻腐蝕的碳鋼，盡量避免使用易發(fā)生點蝕的碳鋼。 　　3. 添加特效的碳鋼專用緩蝕助劑，抑制腐蝕的發(fā)生。 　　4.與銅管連接時，盡量做到絕緣，降低電偶腐蝕發(fā)生的概率。 　　4不銹鋼的腐蝕及預防 　　在大家的觀念中認為不銹鋼有良好的防腐蝕效果，防腐性能優(yōu)于碳鋼，但在氯離子存在的情況下，這一觀念被徹底否定了。不銹鋼在堿性導熱介質中可能發(fā)生的腐蝕基本特征為局部腐蝕，腐蝕狀態(tài)主要有點蝕和縫隙腐蝕兩種。腐蝕是由大面積鈍化狀態(tài)表面為陰極區(qū)與局部無鈍化表面為陽極區(qū)組成閉塞電池體系，由氯離子對不銹鋼鈍化膜的破壞而引起。 　　對于奧氏體不銹鋼（304屬于此種類型）而言，氯離子是最大殺手，形成腐蝕的原因為氯離子破壞不銹鋼的鈍化膜氧化鉻，由于氯離子優(yōu)先被金屬吸附，并從金屬表面把氧排掉，形成可溶性的金屬氯化物，這樣導致腐蝕的加速，結果在基底金屬上生成小蝕坑，孔蝕形成，即向深處自動加速。縫隙腐蝕與坑點腐蝕機理一樣，是由于縫隙中存在閉塞電池的作用，導致氯離子富集而出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象；這類腐蝕一般發(fā)生在法蘭墊片、搭接縫、螺栓螺帽的縫隙，以及換熱管與管板孔的縫隙部位縫隙腐蝕與縫隙中靜止溶液的濃縮有很大關系，一旦有了縫隙腐蝕環(huán)境，誘導應力腐蝕的幾率很高。 　　對于奧氏體不銹鋼在氯離子環(huán)境下的腐蝕，各種權威的書籍均有說明，氯離子含量很小，不會發(fā)生應力腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕。因此，對于304不銹鋼腐蝕的預防應采取如下措施： 　　1.嚴格控制導熱介質的氯離子濃度。 　　2.加入特效的有機緩蝕助劑，增加鈍化膜的穩(wěn)定性或有利于受損鈍化膜得以再鈍化。 　　3.采用外加陰極電流保護，抑制孔蝕。 　　5鋁的腐蝕及預防 　　鋁是一種活潑金屬，極容易和空氣中的氧氣發(fā)生化學反應生成氧化鋁，氧化鋁在鋁合金表面生成一層灰色致密極薄的薄膜，這層薄膜十分堅固，能使里面的金屬和外界空氣完全隔開，從而保護內部的鋁不再受空氣中氧氣的侵蝕。但是，鋁和氧化鋁薄膜能和許多酸性或堿性物質起反應而被腐蝕，其在中性環(huán)境下較穩(wěn)定。如用在太陽能集熱系統(tǒng)中，鋁潛在的腐蝕有以下幾種： 　　1.點蝕：是陽極反應的一種獨特形式，是一種自催化過程。 　　2.均勻腐蝕：在酸性過大或堿性過大的介質中，其表面的氧化膜發(fā)生反應溶解，溶解速度是均勻的，溶液溫度越高，腐蝕越厲害。 　　3.晶間腐蝕：在導熱介質中，鋁合金的晶間腐蝕多發(fā)生在蝕坑內側，腐蝕沿晶間向縱方向發(fā)展，有時還會形成隧道狀。 　　4. 電偶腐蝕：鋁與不銹鋼、碳鋼、銅這三種金屬的電位差很大，所以鋁易失去電子而發(fā)生電化學腐蝕。 　　預防措施： 　　1.導熱介質的pH 值不宜偏大，控制在7～8為宜，這也是汽車防凍液或基于汽車防凍液配方的導熱介質必須兩年左右就要更換的主要原因。 　　2.受汽車散熱器和發(fā)動機系統(tǒng)使用橡膠管的啟發(fā)，連接集熱板和水箱時一定做到絕緣，切斷形成宏電池的電子通道，抑制電偶腐蝕的發(fā)生,否則，鋁流道集熱板將成為類似于普通家用電熱水器的“鎂棒”。 　　3.添加適宜的緩蝕助劑，降低腐蝕的發(fā)生。雖然采取了上述有效措施，鋁合金仍然是最易腐蝕的金屬，建議慎重采用。 　　如前所述，太陽能熱水系統(tǒng)專用導熱介質在設計配方時應該針對系統(tǒng)本身所具有的材質添加如下專用緩蝕劑：紫銅緩蝕劑、黃銅緩蝕劑、碳鋼緩蝕劑、不銹鋼緩蝕劑，有必要時添加鋁緩蝕劑，保證溶液的pH值在8～11并且具有較強的緩沖能力，嚴格控制氯離子濃度，使導熱介質具有很強的緩蝕能力，這樣才能有效的預防和減緩腐蝕發(fā)生。（田勝軍李剛）