储水式电热水器防腐技术浅析

毕崇强 王伯燕 徐传芳

1.中国质量认证中心 北京 100070；2.中家院（北京）检测认证有限公司 北京 100176；3.安徽中认倍佳科技有限公司 安徽滁州 239000

1 引言

据数据调研机构Statista统计数据显示，2019年，全球电热水器市场整体销售规模达92亿欧元。储水式电热水器能耗低，可以不受天气影响满足人们淋浴需求，在电热水器中一直处于主流地位。随着人们收入的提高和生活条件的改善，我国热水器市场在经历高速增长之后，逐渐由增量市场向存量市场转变，产品普及率居世界前列。

储水式电热水器在电热水器中一直属于主流类型，不少家庭使用的都是储水式电热水器，储水式电热水器能耗低，不受天气影响，可以满足人们淋浴需求。随着人们收入的提高和生活条件的改善，我国热水器市场在经历高速增长之后，逐渐由增量市场向存量市场转变，产品普及率居世界前列。目前电热水器在我国城市家庭中保有量大，但是有很大一部分电热水器临近或超过安全使用年限。超过安全使用年限，储水式电热水器的内胆、加热管、管路等相关部件会发生锈蚀、老化，长时间不使用时未排空内胆还会降低电热水器内胆的使用寿命，引起内胆漏水，严重时会导致室内积水损坏用户房屋及室内物品设施，甚至导致电热水器漏电或室内电路短路，引发触电事故或火灾等。

储水式电热水器关键元器件有电热管、温控器和热保护器等，内胆材质主要有不锈钢内胆、搪瓷内胆、热镀锌内胆等，目前我国储水式电热水器内胆主要采用搪瓷内胆。搪瓷内胆的关键基础材料主要是钢板和搪瓷防腐层，其涉及到的工艺主要有内胆成型、焊接和搪瓷工艺等。目前最常见的问题是电热管以及内胆的防腐蚀问题，一旦腐蚀漏水，轻则机器损坏不能修复，重则基本绝缘破坏危害人身安全。根据《2019年中国生态环境状况公报》中的数据，2019年，全国10168个国家级地下水水质监测点中，I～III类水质监测点占14.4%，IV类占66.9%，V类占18.8%。超标指标为锰、总硬度、碘化物、铁、氟化物、氨氮、钠、硫酸盐和氯化物等。国内因为区域不同，水质环境差异较大，水质较恶劣的区域，加热介质对加热管的腐蚀非常明显，导致加热管不良率较高。根据数据统计，目前国内超过70%的不良率均为腐蚀导致。热水器用加热管，目前国内市场在2000万左右，主要以金属管状加热元件为主，该种加热方式使用简单，热效率高，成本较低，是目前热水器最主要的加热方式，已经形成稳定的产业规模。近几年，随着大规模自动化设备的使用，工艺稳定性越来越好，生产质量也越来越好。

2 加热管防腐

金属管状加热元件，均采用金属管作为管体外壳，金属管以不锈钢为主，目前国内市场高端加热管多使用英格莱800、英格莱825等进口高镍铬合金不锈钢材料，普通加热管使用316L、310S等不锈钢材料，内部使用耐高温的高纯度氧化镁粉作为绝缘材料，发热丝置于氧化镁粉中间，根据不同的使用位置，弯折成需要的形状，与固定法兰焊接或者铆接，装到热水器上。国内高镍铬特种材料（高耐腐蚀），一直无法批量化生产，目前国内使用的英格莱800、英格莱825薄板材料均为日本、美国、德国进口。因为市场实际使用过程中，腐蚀导致的不良率较高，急需高耐腐蚀能力的新型材料应用于加热管，作为表面管材。近几年，有些企业将钛金应用到了电加热管外壳上，将带加热管的外壳进行氮化钛（TiN）处理，得到了良好的防腐效果。

为了比较不同材料的防腐效果，按照GB/T 17899-1999标准对310S、316L、英格莱800、英格莱825、氮化钛（TiN）处理不锈钢进行击穿电位及点蚀电位测试，以阳极电流密度达到100 μA/cm2的电位值来表示不同材料的点蚀电位，结果见表1。

从表1中可以看出，氮化钛（TiN）处理的不锈钢防腐效果最好，但由于成本问题，目前仅使用在高端电热水器产品。从目前各方面的研究和实际使用来看，在不影响其他性能的前提下，钼（Mo）、铬（Cr）元素可以明显提高材料的耐腐蚀能力，尤其是耐点腐蚀能力。

表1 击穿电位及点蚀电位

3 内胆防腐

3.1 镁阳极防腐

除了提高金属材料的耐腐蚀性外，在内胆喷涂搪瓷和采用镁棒来延长机器使用寿命也是行业内普遍采用的方法。然而，搪瓷并不能将金属内壁完全遮蔽，因为即使是非常好的搪瓷涂覆与烧结工艺，也无法做到100%全覆盖。内胆搪瓷表面会存在一些肉眼不可见的细小微孔，同时内胆钢板焊缝处也可能存在鱼鳞爆、针孔、剥瓷，以及搪瓷的沸水失重，甚至内胆在生产周转和热水器成品在运输途中受到强度较大磕碰，也会产生新的缺陷。在热水器使用过程中，内胆搪瓷直接与水接触，搪瓷的缺陷处的钢板直接暴露在水中，会与内胆完好涂覆搪瓷层的钢板产生原电池效应，裸露钢板成为阳极，其他部分形成阴极，造成大阴极小阳极的格局，加速裸露钢板的腐蚀。热水器内胆的腐蚀过程如图1所示。

图1 没有阴极保护的热水器内胆中的电化学反应和离子运动[6]

由图1可以看出，热水器内胆中装满水时，只要有氧气存在，Fe内胆就必然会发生电化学腐蚀过程。因此，钢板+搪瓷内胆通常采用主动阴极保护技术来满足防腐蚀的要求，目前各热水器厂家普遍采用镁棒作为牺牲阳极。阴极保护是利用金属活性差异，镁的活性高于铁，内胆和镁棒同时处于电化学系统中，镁棒会优先反应，从而保护热水器内胆。其电化学反应如图2。

图2 有镁阳极保护的内胆中的电化学反应和离子运动[6]

镁棒阳极防腐技术也存在不足。首先，镁在水中的分解产物是氢氧化镁，容易形成致密的水垢，附着在电加热管上，降低热水器的热效率。其次，镁棒需要定期更换，操作不便。由于水质的不同，通常一根镁棒可在2～3年内消耗殆尽，一旦做不到及时更换，内胆和电热元件的金属就失去了一道保护措施，会加快腐蚀速度和程度。再次，镁棒对人体有副作用。镁棒是镁合金，含有锰、锌、铝等元素，镁棒消耗过程中会分解出重金属，对热水器中的水造成污染。

3.2 电子阳极防腐

电子阳极是镁棒阳极之外的一项创新性的防腐蚀技术。电子防腐器的基本原理是，利用一个金属阳极，在水中形成微电流来提供水在电离过程中所需要的电子，从而避免加热器表面和内胆的金属的氧化。当保护电流合适，则被保护结构上的阳极就不再溶解，金属表面只发生阴极还原反应。电子阳极材料先后经历铁阳极、石墨阳极、高硅铸铁阳极、金属氧化物涂层阳极等发展阶段。辅助阳极的电流效率、使用寿命等都随着技术和材料的发展得到明显提升。金属氧化物涂层阳极采用钛为基体，其损耗速率小、尺寸稳定、重量轻、耐腐蚀，同时具有良好的导电性，是目前理想的辅助阳极材料。

为了电子阳极持续有效的保护电热水器的内胆，电子阳极需要一个电源控制其输出恒定的电流。电热水器中需要设置一个恒电位输出调节电路，由微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）和外围电路组成。恒电位输出功能通过MCU实施检测电子阳极输出端的电位大小，判断是否达到保护电位，再利用PWM脉宽调制或神经网络调制功能，调节输出占空比的大小，使电子阳极输出电位始终稳定在规定的范围内。同时该电路还有输出电路开路和短路检测功能。

目前，已知国外对储水式电热水器进行强制电流阴极保护的装置只有欧洲生产的“impressed current anode”，直译为强制电流阳极，该项技术已经申请欧洲专利。电子阳极保护寿命长，一般15年以上，可等同于电子元件的寿命，终生免维护。电子阳极为不溶性阳极，反应时不会产生分解产物，不污染水质。由于电子阳极良好的阴极保护作用，延长了热水器的寿命，降低了由于腐蚀问题而造成的故障率和维修率，因此降低了热水器的综合成本，保证热水器使用的安全性，具有很好的社会效益和经济效益。电子阳极也存在缺点，比如需要热水器保持在充电状态，电子阳极才能发挥作用，会造成一定的能源浪费，且其可靠性还需要持续地跟踪验证。

4 结语

电热管和内胆一旦腐蚀漏水，轻则热水器损坏不能修复，重则基本绝缘被破坏危害人身安全。本文介绍了加热管和内胆几种常见的防腐措施，并对不同防腐措施进行了对比和分析。电子阳极技术是一种有效的储水式电热水器内胆防腐措施，有利于减少内胆内水垢，延长电热水器安全使用年限。借助辅助电源等装置可实现电子阳极的持续工作，替换镁阳极，可能是储水式电热水器发展的一个重要方向。