蒸汽清洗机结垢分析及措施

杨玉丽

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

蒸汽清洗机是将水燃烧形成水蒸汽，通过高压输送到喷枪清洗油污和污染物的一种设备。蒸汽清洗机使用范围比较广泛，甚至可以清洗高粘度油污和细小空间的残留物。其最大的优点是节约用水、高效节能、安全环保等。蒸汽清洗机可用于厨卫等家电设备和汽车精洗，可实现无水精洗功能，目前被广泛应用[1]。但是由于蒸汽容易结垢的特性，且结垢后对产品安全和可靠性影响较大，本文针对蒸汽清洗设备结垢机理进行失效分析，并总结其结垢后的危害情况，最后通过实验研究总结蒸汽设备结垢的处理措施。

1 蒸汽清洗机的结垢机理

自来水经过燃烧后，容易产生水垢；水垢的形成是水中钙、镁离子经过受热发生复杂的化学、物理变化，导致蒸汽发生器水中析出碳酸钙、硫酸钙、氢氧化镁等沉淀物。水垢的形成容易导致蒸汽发生器出现水冷壁热、管道变形事故等。同时也会影响蒸汽发生器内加热效果。

1.1 蒸汽发生器内的化学反应

蒸汽发生器的水在高压、高温的条件下，容易导致一些杂质发生化学反应。蒸汽发生器内的化学反应如下[2]：

因钙、镁难溶化合物大多数具有负溶解度系数的物质，所以锅炉的高温、高压条件有利于沉淀物的形成。

1.2 蒸汽发生器内的物理变化过程

结晶过程：蒸汽发生器中的水溶液在过饱和状态时其状态不稳定，当蒸汽发生器中的水在高温沸腾时会打破水溶液过饱和度，而导致局部形成初级结晶体现象，以该局部初级结晶体为结晶核心，使水中很多钙、镁等离子快速汇集到该结晶体上，导致结晶体长大成大颗粒。随着蒸汽发生器内加热面温度不断升高，附着在加热面的气泡离开受热面时，水中钙镁结晶物就会残留在金属受热面形成沉淀物。引起金属受热面受热温度不均匀，导致金属受热面存在电压差。达到结晶核的条件，致使胶体向其表面聚集，而加速水垢的形成。

1.3 蒸汽发生器水垢的形成

蒸汽发生器中的沉淀物主要有两种形态，分别为水垢和水渣。水垢的形成与水质密切相关，不同水质条件，水垢形成速度也不一致。并且水垢为坚硬的结晶体附着在蒸汽发生器金属面，影响受热面受热均匀性和导热性。而水渣是存在于蒸汽发生器中的水的悬浮物，并且可以通过排污的方式排出。由此我们可设法让蒸汽发生器中水生成的沉淀物为水渣，通过排污方式排查出[2]。

2 蒸汽发生器结水垢的失效分析

结有水垢的蒸汽发生器容易出现水冷壁热、管道变形事故等。因为水垢传热性差，水垢的导热系数在0.05～0.7(kw/m•h•℃)范围，管道的导热系数在30～50(kw/m•h•℃)范围，管道的导热系数比水垢的导热系数大70 倍～1000 倍，因此，水垢的热阻比管道的热阻大70 倍～1000 倍[3]。热阻越大，导热性就越差。锅炉受热面上结了水垢，导致加热棒表面热阻增大，加热棒产生的热量不能迅速传给蒸汽发生器中的水，加热棒的表面温度也不断升高过热，强度降低，最终导致发生变形、鼓包、爆裂等现象。下面介绍三种典型失效模式。

2.1 加热器结垢腐蚀，设备短路跳闸

蒸汽清洗设备运行一段时间后出现上电短路跳闸的现象，进一步排查发现螺纹加热器表面有严重的腐蚀锈渣，电气强度与绝缘电阻异常。将加热管竖直切割，镶样、研磨、抛光在金相显微镜下观察，发现加热管外壁出现不同程度的腐蚀凹坑，个别位置的腐蚀孔洞几乎已贯穿加热管壁厚，加热管材料异常防腐性能下降，即用户使用了未经处理的水源，Cl-浓度偏高，在长期高温的使用环境下加速了加热管管壁的腐蚀，出现腐蚀孔洞，外部介质进入加热管内部，使螺纹加热器电气安全性能失效，从而出现短路，加热器结垢失效图如图1 所示。

图1 加热器结垢失效图片

2.2 蒸汽发生器内液位传感器结垢报警

为确保蒸汽清洗设备安全使用，会在设备内增加液位传感器进行保护和逻辑控制。如果使用自来水进行加热清洗，通过实验验证在设备运行7 天后出现液位传感报警异常。进一步排查分析发现是液位传感器上面结了水垢，水垢电阻大，导致电极棒导电回路断路，电信号无导通，无法有效监测水位，导致出现故障报警。对液位传感器除垢后重装进去故障可消除。

2.3 降低传热效率

蒸汽发生器受热面的水是通过管壁从高温蒸气中吸收热量而被加热蒸发。干净的管壁传热比较快，水吸收的热量也就多，容易沸腾蒸发。反之，被水垢沾污了的管壁，由于水垢热阻大，受热面的管壁的吸热量比较少，为干净受热面的1/70 左右，这样会减少水的吸热，降低锅炉的传热效率并增加能耗。

3 蒸汽机结垢措施研究

3.1 增加软化水装置技术方案

增加软化水装置，提前将水中的Ca2+、Mg2+（形成水垢的主要成分）置换出来，预防结垢问题。通过对不同水处理模块进行研究对比，离子交换树脂水处理模块和树脂水处理模块处理后的水进行钙镁离子检测剂测试和硬度测试均满足要求[4]。另外，水处理模块还可分为内置型和外置型，可根据产品结构和定位选择装配位置，水处理模块后水测试情况如图2 所示。

图2 水处理模块后水测试情况

3.2 除垢技术方案验证

对已经形成水垢的去除方法有物理除垢法、化学除垢法两种。其中，物理除垢是指对结了水垢的物体采用钢刷、铲子等工具对水垢进行清理，通过力学进行去除。但是对密封性结构的蒸汽清洗产品不适用。化学除垢方法是采用化学除垢剂进行处理，是目前行业比较成熟的方法。下面对该方案进行对比研究。

（1）醋酸除垢：采用醋酸浸泡结构加热器进行验证，浸泡1 天发现无法有效除垢，具体如图3 所示。

图3 醋酸除垢实物图

（2）电磁除垢仪：装配蒸汽清洗设备进行测试，测试3周无效果。

（3）除垢粉除垢：将除垢粉与自来水按1:8 进行调配，加入结垢严重的蒸汽发生器内和浸泡厚垢加热管。溶液与水垢进行接触后瞬间反应，在经过整机4 个小时的浸泡后，明显的有水垢掉落清除的现象，除垢效果明显有效。测试结论：除垢剂能有效的去除锅炉及电加热器上的水垢，具体如图4 所示。

图4 除垢粉除垢图片

3.3 增加设备系统自动清洗功能

含有钙成分的水垢在经过腐蚀后，会有其他杂质腐蚀不了或者其他的残余，导致可能存在管路被堵住的情况，因整机连续使用周期时间过长且结水垢比较明显，为避免脱落水垢堵塞问题，设备在使用上需定期进行除垢排污。为避免用户遗忘，设计程序增加定期清洗提醒功能提醒除垢排污。在蒸汽清洗设备累计工作到一定时间（N 推荐为30 天，具体以不同设备验证为准）后蒸汽机能自动提醒清洗，并由用户选择性对设备进行内部自动清洗。

4 结束语

在蒸汽发生器内部，水经过燃烧产生蒸汽并排出后内部会形成大量的水垢，而水垢的形成是经过多种物理化学反应。先是蒸汽发生器中水经过加热挥发为水蒸汽，再经过浓缩结晶等物理化学变化，最终导致蒸汽发生器产生沉淀物，形成水垢。本文针对蒸汽清洗设备结垢机理以及结垢失效进行分析，最后通过实验研究总结出蒸汽设备结垢可以通过软化水处理、化学除垢技术、设备清洗功能程序设计等措施进行整改预防。