高压电极锅炉电极材料耐久性试验研究

陈卫波 陈志高 张大长 汪喆

摘 要：本文通过开展不同电极材料耐久性试验，考察5种电极材料在等浓度磷酸钠溶液中的耐腐蚀性能。研究结果表明石墨电极、不锈钢电极、Q235铁片、钢筋均有不同程度的电解，而钛电极表现出较强的耐腐蚀性，该研究成果可为高压电极锅炉电极材料的设计提供参考。

关键词：高压电极锅炉;电极材料;耐久性试验

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.004

0 概述

随着国家对电能替代工作的高度重视，电极锅炉在国内迎来了前所未有的发展，电极锅炉因具有效率高、无噪声、环保无污染、占地面积小、启动速度快、可在低负荷下长期作用等特点，在供暖行业等领域得到了广泛的应用。

其中，高压电极作为电极锅炉的核心构件，国内外对这方面的研究都非常少，已有的研究主要从总体角度分析电极形状和电极排列位置、方式对炉水加热效率的影响，缺少对高压电极材料耐腐蚀性的研究。吴炳晨[1]对浸入式锅炉汽水参数进行研究，阐述了三相电极设计成曲棍球球杆形状的原因：加热时，配合炉水上下螺旋运动，可使锅炉在电功率较低时仍然可以实现液位的线性调节，使电功率线性调节范围达到0.5%～100%。郭峰[2]研究了浸没式电极锅炉的原理，电极两极几乎周长相等，这样所形成的电场强度比较均匀，不会产生水的电解作用，因而不会产生氢气，保证了锅炉的安全。但两者均未考虑到电解质溶液对电极的腐蚀作用。因此，对高压电极耐久性的研究显得尤为重要。

本文开展了不同电极类型耐久性试验，重点探究了在配置浓度为0.003%的磷酸钠溶液中5种电极材料的电解程度，为浸没式电极锅炉高压电极的设计与改进提供参考[3-5]。

1 高压电极锅炉原理

1.1 高压电极锅炉的产汽流程

浸没式电极蒸汽锅炉的运行主要利用电极直接加热带有一定电导率的炉水的方式，锅炉内筒的水作为电阻，在电流的作用下迅速加热，聚集一定热量后，就产生了高质量的蒸汽。锅炉内循环泵将外筒水流打入内筒，不断地给内筒补水。锅炉正常运行或在热备用状态时，需要将保持内外筒总水量维持恒定，所以需要通过给水泵向锅炉外筒补给除氧水。

1.2 高压电极锅炉的产汽原理

浸没式电极锅炉的内筒分成相同的三部分，中心点即为内筒的中心;在内筒的中心，3个分区以120°的角度均分相交，同时通过内筒底部连通，电极锅炉的内筒结构如图1所示。

在浸没式电极锅炉的内筒四周，电场分布如图2所示，具有如下的特点：

（1）增加了电流的导通体积。（2）三相导电的两极为电极表面端与内筒端，面积都比较大，而且电极两极几乎周长相等。所以，形成了均匀的电场强度，确保了电极锅炉的安全性;（3）在三相电极所围成的区域之内，电场的强度几乎为0;（4）在内筒的底部，溶液的离子在内筒内壁和各电极之间电压的作用下，会形成一个如图2所示的均匀电磁场，在电磁场的作用下，溶液中的离子做上下运动，形成电流，加速了水分子的汽化;（5）在内筒的底部，在各电极之间电场的作用下，在3个电极之间形成一个电磁场，随着三相电流的相差，溶液中的导电离子形成复杂的漩涡，增强了液体流动，加速了水的蒸发，也起到了减少内筒底结垢的作用。

2 高压电极耐久性试验

2.1 试验概况

（1）电极类型。根据现有锅炉电极类型，选取5种较为常见的

材料，分别为石墨电极棒（Φ20×500）、不锈钢电极片（400×40×2）、Q235鐵片（400×50×0.35）、钢筋（Φ8×500）和镀铂钛电极。

（2）试验方法。如下图3所示，配置浓度为0.003%的磷酸钠溶液，分别将石墨电极、不锈钢电极片、Q235铁片、钢筋电极悬浮于铁桶的中心位置（钛电极用烧杯），电极顶部接通220V的交流电。筒的内部安装浮球阀装置，外部连接储水箱，可始终保持铁桶中水位的恒定，每个电极加热3天。

（3）测试方法。通过肉眼观察电极表面的颜色变化及溶液的浑浊程度初步判断电解程度，随后用电子天平准确量出电极的质量变化。

2.2 试验结果

（1）溶液及桶壁变化。试验过程中电极周围有大量气体出现，大约20小时之后，除钛电极之外的4种电极试验装置中的溶液均开始变得浑浊，且桶内周围有大量的黄色锈斑依附在桶壁上。

钛电极因材料有限采用烧杯加热，试验3天之后可以看出烧杯周围的铁丝网有明显生锈的现象，溶液没有浑浊和沉淀物，试验前后杯壁变化如图4所示。

（2）电极变化。经过3天的试验，5组电极均有不同程度的电解，Q235电极片和不锈钢电极片表面有不同颜色的物质析出，且厚度变薄，由于附着物的产生，Q235电极片重量由76.5g变为76.6g;石墨电极棒和钢筋电极棒略微变细，且颜色变深;钛电极表面有变黑的迹象，但尺寸没有发生变化。5种电极材料的质量均没有明显改变，试验后电极变化如图5所示：

3 结论

（1）电极耐久性试验中，桶内有大量的黄色锈斑依附在桶壁上，这说明交流电的阴阳极在火线与零线之间交替变换，桶壁也有一半的时间充当阳极，因此也会发生电解，而镀铂钛电极要远比铁丝网稳定，同时内筒壁的抗腐蚀性也是需要研究的方向之一;

（2）Q235电极片、不锈钢电极片、石墨电极棒、钢筋电极棒尺寸均发生不同程度缩小，且表面有物质析出，说明这4种电极材料在电解质溶液的环境下耐腐蚀性较差，不能满足高压电极锅炉的要求。钛电极的表面也有明显变黑的迹象，但尺寸并没有发生变化，说明钛表面生成了致密的氧化物保护膜，使其具有消光特性，改善材料的耐腐蚀性能[6]。

因此可得出如下结论：钛电极有更强的耐腐蚀性，更适于作为高压电极锅炉的电极材料。

参考文献：

[1]吴炳晨，吴航宇.核电电极浸入式锅炉汽水参数反向控制电功率方法[J].中国电力，2017，50（02）：107-112+123.

[2]郭锋，夏青扬，刘杨.浸没式电极锅炉原理及应用[J].能源研究与管理，2012（02）：65-67.

[3]和平志，刘红，朱鹏飞，宋文君.辊式钛电极制造工艺的改进[J].钛工业进展，2017，34（03）：40-42.

[4]杨琴.钛合金与钛铝合金的扩散连接工艺研究[D].华北电力大学，2015.

[5]秦维，姚建林，顾仁敖.纯钛电极上的表面增强拉曼光谱研究[J].光谱学与光谱分析，2009，29（12）：3300-3303.

[6]姚惕予.钛及钛合金的表面发黑[J].南京528厂机械制造分厂工艺所，2002.

[7]王岩峰.钛合金表面发黑工艺研制及机理研究[D].沈阳工业大学，2009.

作者简介：陈卫波（1981-），男，浙江台州人，硕士研究生，高级工程师，从事热浸镀锌、电极锅炉工程设计和研究工作。