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标题: 二次循环太阳能热水器循环介质缓蚀性能研究 [打印本页]

作者: 无时停 时间: 2012-4-5 20:58
标题: 二次循环太阳能热水器循环介质缓蚀性能研究
摘要：在对二次循环太阳能热水器的研究与运用过程中，作为集热器与水箱的热量传递者、有防腐及防冻功能的循环介质尤为重要，特别是循环介质对热水器内胆的缓蚀作用，更是需要引起高度重视，本文分析和研究了循环介质对碳钢材质内胆的缓蚀效果。
关键词：循环介质；缓蚀；碳钢板；太阳能热水器

1 前言
内胆是太阳能热水器的心脏，其特性影响着产品整体寿命。碳钢板搪瓷内胆具有承压耐用、防腐蚀、防吸瘪、水质洁净等特性，目前已经在电热热水器领域普及。夹层胆技术为搪瓷内胆运用到二次循环太阳热水器提供了一条便捷之路，由于内胆内部可以实现搪瓷，而夹层胆和内胆之间的间隙只有10mm左右，无法实现夹层内部的搪瓷，要实现夹层胆的防腐，就要利用好循环介质的缓蚀性能，找到合理的循环介质。
为了对循环介质缓蚀效果做出比较和判定，并对内胆和夹层胆所用材料寿命做出评估，获取比较精确的实验数据，我们采用了金属腐蚀研究中常用的失重法和电化学极化曲线法进行实验对比研究。
由于整个内胆采用了2种材质焊接而成（内胆为2mm厚热轧板，夹层胆为1.5mm厚冷轧板），所以对整个内胆做了三部分切片来研究：规格为30×50×2mm热轧钢、规格为30×50×1.5mm冷板钢、焊接件。
循环介质也选用了不同的三种：F型汽车防冻液、T型太阳能专用防冻液、P型循环介质、A型太阳能专用防冻液、W蒸馏水。
二次循环太阳能热水器循环介质缓蚀性能研究.jpg

2 试验方法
失重法：试验前，对试样进行清洗、干燥、拍照、称重。试验按照国标JB／T 7901-2001金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法进行，试样分别在5种不同的体系中浸泡1个月。试验结束后，取出试样拍照，并按照GB／T 16545-1996金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除方法进行清洗。清洗后试样干燥称重。试样的称重均使用精度为0.1mg的TG328A分析天平准确称量，计算材料的失重平均腐蚀速率。焊接试样失重试验结束进行电镜观察。
电化学极化曲线法：实验采用经典三电极体系，工作电极为委托者提供的试样，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂铌丝，实验介质为5种不同的浸泡体系，实验温度保持60℃。电化学测试设备为IM6电化学测试仪，极化曲线的数据采用origin软件分析。在体系中材料的瞬时腐蚀速率的测量采用强极化法，扫描电位范围为开路电位±200mv，扫描速度0.333mv/s，分别对浸泡1d，7d，15d和30d的试样进行极化曲线测量。

3 试验结果
3.1失重法
实验按照标准进行，实验时间30d，实验条件60℃。实验结束后，去除清洗、称重，用腐蚀失重计算腐蚀率。表1列出了内胆中桶用热轧钢、内胆外筒用冷板钢和两种材料焊接在静态全浸试验条件下失重的平均腐蚀速率以及各种缓蚀体系的缓蚀效果。
二次循环太阳能热水器循环介质缓蚀性能研究1.jpg
表1为材料在全浸实验中的平均腐蚀速率，由表1可以看出，四种循环介质均有很高的缓蚀率。在对于热轧钢材料，缓蚀率最高的是F型汽车防冻液，达到了99.09%，虽然T型太阳能专用防冻液的缓蚀率最小，但是也高达98.32%。冷板钢材料，缓蚀率最高的依然是F型汽车防冻液，但要低于热轧钢材料在该体系中的缓蚀率，为98.05%，缓蚀率最低的是A型太阳能专用防冻液，也高达97.57%。焊接件的缓蚀率最高为F型汽车防冻液，缓蚀率为97.8%，最低为T型太阳能专用防冻液，缓蚀率为93.68%。四种循环介质均具有较高的防腐蚀的效果，每个体系对于热轧钢料的缓蚀率均要高于冷板钢材料，而对于热轧钢材料的缓蚀率均要好于焊接材料。因此，建议冷板钢材料和焊接材料在设计厚度时，厚度应考虑到加厚一些。按SY/T0087.1-2006钢制管道及储罐腐蚀评价标准，最小剩余安全壁厚应>0.9原始壁厚，所以不加循环介质条件下，几年内就需要更换材料，而加入循环介质后，基本上都能够达到10年的使用寿命要求。
在没有添加循环介质体系中，热轧钢和冷板钢以及焊接件的腐蚀均较严重，而加入循环介质的体系中，材料的腐蚀大大减缓。四种循环介质中，T型太阳能专用防冻液的效果略逊于其他三种循环介质，特别是对焊接件的保护效果是最差的。
按SY/T0087.1-2006钢制管道及储罐腐蚀评价标准，最小剩余安全壁厚应>0.9原始壁厚计算:
不加循环介质(蒸馏水)中:--保守估计
外筒(冷板钢): 1.5×0.1/0.2674=0.56年
中桶(热轧钢):2.0×0.1/0.2552=0.78年
加循环介质(F型汽车防冻液)中:--保守估计
外筒(冷板钢): 1.5×0.1/0.0051 >> 10年
中桶(热轧钢):2.0×0.1/0.0023 >> 10年
但实际情况更为复杂，铜螺栓的电偶腐蚀，中高温氧化腐蚀,循环介质失效，外壁涂层失效等等,都会减少使用寿命。实验发现，两种材料中冷板钢的腐蚀速率稍大，设计时应该增加其厚度（建议改为2mm）。四种缓蚀液均具有较高的防腐效果，对于热轧钢料的缓蚀率均要高于冷板钢材料，对焊接区缓蚀率最低。
热水器内胆、夹层胆在不加循环介质条件下，可能不到一年就需要更换材料，而加入循环介质后，基本上都能够达到10年的使用寿命要求。
3.2 电化学极化曲线法
由图2极化曲线可知，在水中材料的腐蚀电流密度最大，而加入循环介质的体系中，腐蚀电流密度均有减小，腐蚀电位均正移，阴极极化曲线变化不大，阳极极化曲线有钝化特征，尤其是F型汽车防冻液的钝化效果最为明显，说明几种腐蚀剂为阳极抑制型循环介质，可能在材料表面形成氧化性保护膜。
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图3为内胆中桶材料在五种体系中浸泡30d的极化曲线。相对水的阳极极化曲线，在循环介质体系中阳极极化曲线也都出现了钝化，循环介质为阳极抑制型循环介质。
二次循环太阳能热水器循环介质缓蚀性能研究4.jpg
因此，循环介质无论是对热轧钢材料，还是冷板钢材料而言，循环介质均为抑制阳极过程的循环介质。
对冷板钢材料，F型汽车防冻液体系中腐蚀电流密度的变化由小变大，说明循环介质可能会部分的失效，因此可以向体系中添加该溶剂，以维持较好的保护作用；T型太阳能专用防冻液体系中变化，腐蚀电流密度先有大变小再变大，也有必要通过加入溶剂以维持循环介质的较好的保护作用；P型循环介质体系的腐蚀电流密度的也出现了和T型太阳能专用防冻液体系类似的规律，但后期的腐蚀电流密度要大的多；A型太阳能专用防冻液体系的腐蚀电流密度有大到小，再有小变大。
对热轧钢材料，F型汽车防冻液体系中腐蚀电流密度由小变大，T型太阳能专用防冻液体系中腐蚀电流密度由大到小再到大，P型循环介质体系中腐蚀电流密度持续增大，A型太阳能专用防冻液体系中腐蚀电流密度由大到小再到大，都说明了循环介质的保护作用减弱，应该适量的加入循环介质，维持较好的保护效果。
电化学实验结果发现，四种缓蚀液均属于阳极缓蚀型，电化学数据与失重数据基本吻合，但电化学数据反映的是瞬时腐蚀速率，失重数据是平均腐蚀速率。
其中F型汽车防冻液和P型循环介质属于吸附型循环介质，缓蚀效率高（最高可达98%），缓蚀效果快，但失效也较快，1个月实验周期后缓蚀率下降为95%左右。
T型太阳能专用防冻液和A型太阳能专用防冻液属于钝化型循环介质，起始缓蚀效率较低（92%左右），缓蚀效果慢，但失效也慢，一个月实验时间后缓蚀率仍维持在92%左右。

4 结语
（1）失重实验表明，四种循环介质均具有较高的缓蚀效果，并且同一循环介质对于热轧钢的保护均优于对冷板钢的防护，对焊接件的防护效果最差。对热轧钢的缓蚀率由低到高排列一次为：T，A，P，F，对于冷板钢的缓蚀率由低到高排列依次为：A，P，T，F，对焊接件的缓蚀率由低到高一次为：T，P，A，F。
（2）由电化学极化曲线实验结果看出，四种循环介质均属于抑制阳极过程的循环介质，与失重结果类似，其中F型汽车防冻液的缓蚀效果最好。另外在循环介质的失效评价试验中，P型循环介质体系的循环介质相对于其他三种体系的失效速度稍大，但在一个月的实验时间内，其缓蚀效率仍能够达到95%以上。
（3）两种钢板材料在蒸馏水的工作介质中，腐蚀速率较快，几年内就会发生腐蚀穿孔的危险，当加入规定浓度的循环介质时，其使用寿命都可以达到10年以上，满足使用要求。
综上，因此T，A，F三种循环介质是比较适合的循环介质，建议从中选取价格合理的循环介质，同时建议冷板钢的设计厚度要多预留安全厚度。

作者: 分丝 时间: 2012-4-5 20:58
非常有用的信息，谢谢！

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