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

1.青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101；2.青岛海尔智能技术研发有限公司 山东青岛 266101

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

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）

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）。

镁阳极和电子阳极的析氢测试同时进行，用于测试的水箱分别为水箱1#和3#。为消除测试样件的个体差异，确保测试数据的公平性，镁阳极和电子阳极作用的水箱有几次相互交换，数据记录表中标明是在哪个水箱测试的数据，图5为测试析氢的1#和3#水箱。

（4）标准保护电流密度测试

依据QB/T 2590-2003《贮水式热水器搪瓷制件》标准附录B，测试60L电热水器水箱的标准保护电流值。

3 结果与讨论

3.1 标准保护电流密度

按照标准方法测试60L电热水器水箱的标准保护电流值，结果如表1所示。从表中可以看出，60L电热水器水箱1#、3#的标准保护电流值分别为15.6mA/m2和22.15mA/m2，均在单搪容器标准保护电流限值（22.5mA/m2）以内，说明实验所采用的水箱内表面搪瓷涂覆质量较好，满足后续实验要求。

3.2 腐蚀防护效果

（1）观察法

在70℃保温温度、2000μs/cm电导率情况下，观察热水器水箱0#漏铁处的腐蚀情况，结果如图6所示。当不采用镁阳极或者电子阳极对水箱进行保护时，水箱漏铁处在浸泡4h后即发生锈蚀（图6b）；而采用镁阳极或电子阳极对水箱进行保护时，水箱漏铁处在浸泡3周后仍然呈现本体的金属白色，没有发生锈蚀（图6c），结果表明，采用镁阳极或电子阳极均可以对水箱起到良好腐蚀防护效果。

（2）电位判别法

在25℃、45℃、75℃三种保温温度，400μs/cm、1000μs/cm、2000μs/cm三种电导率水质共9种工况条件下，独立测试热水器水箱2#的保护电位及腐蚀速率，并列入表2中。需要说明的是：

a.表中腐蚀速率的数据仅仅表示数量级上的值，是电化学工作站计算的结果，并不代表实际精度（腐蚀速率仅作为参考值）；

b.表中标红的数据表示该测试条件下镁阳极/电子阳极存在过保护现象；

c.水箱电位值=测试值+IR降，“IR降”是指电流流过水箱内壁与参比电极之间溶液（水）时的电压降，表中仅列出了代表点3处的数值。

镁阳极和电子阳极对碳钢搪瓷水箱实施有效腐蚀防护的判别标准是：碳钢搪瓷水箱浸水部分阴极保护电位介于-850mV至-1150mV（以饱和硫酸铜为参比电极），或介于-730mV至-1030mV（以饱和氯化银为参比电极）。

从表2中的测试数据可以看出：采用镁阳极保护后的水箱电位几乎都在该范围内，但有个别电位过负，即存在一定的过保护，过保护现象的存在将导致水箱内表面发生析氢反应，从而破坏搪瓷层与碳钢的界面结合力，加速搪瓷层的剥离。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，可对热水器水箱提供有效地防护。

从腐蚀速率的数据可看出，采用镁阳极和电子阳极进行腐蚀防护的保护效果都较明显，保护后的腐蚀速率比保护之前可下降10倍以上，电子阳极整体表现优于镁阳极。

3.3 析氢测试

在25℃、45℃、75℃三种保温温度，400μs/cm、1000μs/cm、2000μs/cm三种电导率水质共9种工况条件下独立测试1#和3#水箱内析出的氢气浓度。如表3。

图4 腐蚀电位测试水箱2#

图5 析氢测试水箱1#，3#

图6 腐蚀情况

在25℃保温温度下，镁阳极和电子阳极的析氢浓度随着水电导率的升高而增大，但浓度总体较低，且氢气浓度数值随测试时间延长有逐步降低的趋势，这种析氢浓度由高转低的现象，可能是水箱中水的温度较低，水的对流交换不频繁，而随时间的增加，水箱内壁表面pH值逐步升高（氢氧根离子增加），从而使氢离子结合概率减小，故而析氢量减少。同等条件下，镁阳极的析氢浓度比电子阳极析氢浓度高。镁阳极由于本身电极电位较负，化学活性高，容易与水反应生成大量氢气，且由于杂质成分多，众多微小原电池反应造成自损耗，实际电流效率并不高，一般在50%左右。电子阳极不存在自损耗现象。

随着保温温度的提高，采用镁阳极和电子阳极保护的水箱内部氢气浓度不断增大；每一时间段内，镁阳极析氢量比电子阳极析氢量多。

4 测试主要结论

（1）实验中采用的60L电热水器碳钢搪瓷水箱标准保护电流密度为15～22mA/m2，分别采用镁阳极和电子阳极对水箱进行腐蚀防护时，碳钢水箱的搪瓷漏铁处在25℃至75℃温度范围内，中性（6.7＜pH＜8.2）水质且电导率在400μs/cm至2000μs/cm范围内都几乎无锈蚀发生，说明电子阳极的阴极保护效果可以到达镁阳极保护效果。

（2）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；采用镁阳极保护后的水箱电位几乎都在有效保护范围内，但存在一定的过保护和自损耗现象。

（3）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可下降10倍以上，电子阳极整体性能优于镁阳极。

（4）在25℃保温温度下，镁阳极和电子阳极的析氢浓度随着水电导率的升高而增大，但浓度总体较低，且氢气浓度数值随测试时间延长有逐步降低的趋势；随着保温温度的提高，采用镁阳极和电子阳极保护的水箱内部氢气浓度不断增大。同等条件下，镁阳极的析氢浓度比电子阳极析氢浓度高。

5 技术展望

从实验测试的总体结果来看，实验中采用的电子阳极装置在保护电位的控制、析氢浓度两个关键指标上要优于镁阳极，且无过保护现象，实际保护效果显著。

电子阳极技术可以作为一种有效的储水式热水器腐蚀防护手段，有利于减少水箱内水垢的产生，延长镁阳极的使用寿命。其技术特性的限制，如何稳定控制保护电位，避免因析氢积累等因素诱发安全事故是需要首先解决的问题。其次，现有电子阳极装置依赖于市电供电，在用户基于安全考虑选择断电洗浴、节假日断电或临时停电等场景下，电子阳极装置无法正常工作，因此，需要在热水器内部保留镁阳极以做防腐补充。借助储能电池等装置实现持续工作、淘汰镁阳极可能是今后电子阳极装置发展的一个重要方向。