太阳能热水器水箱常见腐蚀失效状况

太阳能热水器在中国发展已经有二十几年的时间，技术上也渐趋完善。家用太阳能主流产品是带有承压储水水箱的静态加热式太阳能热水器。水箱是太阳能热水器的核心部件之一。其内胆技术是热水器的关键技术，内胆的好坏直接影响太阳能热水器的寿命、安全性和可靠性。目前市场上常见的水箱内胆类型主要有搪瓷内胆，搪塑内胆和不锈钢内胆。调查显示，水箱内胆腐蚀失效主要是局部腐蚀失效，具体有晶间腐蚀，应力腐蚀和孔蚀三种类型，也有这几种腐蚀类型同时发生的失效情况。  1常见局部腐蚀  1.1晶间腐蚀与应力腐蚀  晶间腐蚀和应力腐蚀本属于两种不同的腐蚀类型，但是在太阳能热水器水箱上都和金属晶粒组织有着密切的联系，两种腐蚀失效经常同时发生，因此放在一起陈述。晶间腐蚀是腐蚀沿着晶粒边界或它的邻近区域发展的一种腐蚀形式。而应力腐蚀指的是材料在介质和力的共同作用下引起的失效或者机械性能变化。晶间腐蚀往往是应力腐蚀的先导。  不锈钢水箱是利用不锈钢不容易生锈腐蚀的原理来保障内胆的使用寿命，由于其加工设备投资小，加工工序少，工艺相对简单，在非承压的水箱上应用较多，在承压水箱上的应用却出现过很多问题。不锈钢的不锈，一般意义上指的是其抗均匀腐蚀的能力，应用在太阳能水箱上，其最主要的问题焊接后焊接及其热影响区的金相组织发生变化，承压场合的应用容易出现晶间腐蚀和应力腐蚀。如图1所示，不锈钢在焊接后，会产生高温，焊缝温度经过敏化温度区间时，会析出碳化物，在晶界上形成(Fe.Cr)23C6。而碳化物的析出会导致不锈钢焊接区域元素分布不均匀，再加上焊接区经过高温熔化，金相组织发生变化，晶粒变得粗大，在某些环境中产生晶间腐蚀（焊接侵蚀）。另外，当水箱承受自来水压力和水箱中冷水被加热后附加的膨胀压力时，又会产生应力腐蚀，应力的存在同时会加剧晶间腐蚀，从而加速焊接区域的破坏，水箱使用2~3年后会出现一定比例的焊接区域的漏水问题。  搪瓷水箱和搪塑水箱的防腐蚀原理都是在金属和水之间涂覆一层不导电的材料，以隔断水和金属的化学反应。其区别在于搪塑水箱采用塑料作为隔断材料，目前市场上使用的较少在这里不做探讨。而搪瓷水箱是将无机玻璃质材料通过熔融凝于基体金属上并与金属牢固结合在一起的一种产品，工艺相对复杂。由于搪瓷起到隔绝水的作用，搪瓷配料和工艺做的好则可避免晶间腐蚀和应力腐蚀的破坏。而搪瓷如何能和基材精密结合，防止出现鳞爆、剥瓷、铜头、针孔等缺陷，和搪瓷材料配方好坏以及工艺水平有很大关系。  1.2孔蚀 孔蚀是指在金属的表面出现向材料深处发展的腐蚀小孔，其余区域不腐蚀或者腐蚀轻微，孔蚀也称为小孔腐蚀、点蚀等。水箱上另外一个常见的腐蚀是孔蚀。这种腐蚀往往并非在焊接区域。一般直径只有数微米，这种腐蚀的另一个显著特征是孔口多数有腐蚀产物覆盖。热水器水箱上产生孔蚀的最主要的元凶是氯离子，孔蚀的过程中并不消耗氯离子，因而氯离子对孔蚀主要起诱导作用，其机理是氯离子能优先地吸附在钝化膜上，把氧原子排挤掉，然后和钝化膜中的阳离子形成可溶性氯化物，从而破坏金属的自钝化能力。在使用次氯酸消毒的自来水中，即使使用无缝不锈钢，也难以完全避免孔蚀的破坏。有研究表明在金属表面有伤痕，内部有硫化物夹杂，晶界上有碳化物沉积时，这些特定部位更容易形成孔蚀。图2是不锈钢在充气NaCl溶液中孔蚀的示意图。  2太阳能水箱防腐蚀方法  抑制腐蚀的常用方法主要有：1)使用更耐腐蚀的材料、增加材料的厚度或者提高焊接工艺；2）避免腐蚀环境如降低水中氯离子含量，减少水溶氧含量；3）涂覆防腐涂层和采用牺牲阳极或外加电流相结合的阴极保护法；4）采用阳极氧化等增加防腐氧化膜的阳极保护法；5）增加阳极性、阴极性和混合性的缓蚀剂保护法等。具体针对不锈钢水箱的腐蚀问题，常见解决有：1）更换不锈钢材质，使用更耐蚀的不锈钢如316L不锈钢和增加不锈钢的厚度，此措施会使厂家成本大幅度提高；2）严格控制保证焊接工艺和使用更好的焊接工艺，此措施虽可减小腐蚀问题，但不能从机理上避免水箱腐蚀；3）避免在水质较差地区销售，此措施需牺牲很大的市场。所以现在还未找到一个非常行之有效的减少不锈钢水箱腐蚀的方法。  而搪瓷水箱除了本身非常耐蚀的无机涂层保证外，还采用牺牲阳极或外加电流相结合的阴极保护法，通过简单工艺在内胆上装配上牺牲阳极即俗称的阳极棒，即可延长搪瓷水箱的寿命，并且阳极棒易与更换，在合适的时间更换阳极棒可从根本上解决水箱腐蚀问题。而相同的阳极棒解决方案装配在不锈钢水箱上，阳极棒会因需要保护不锈钢面积很大，而造成消耗非常快，所以此方案不适用不锈钢水箱。  3结束语  综上所述，搪瓷水箱应用在太阳能热水器的承压水箱上具有明显优势，具有优异的抗腐蚀性能。可大大提高太阳能热水器运行的安全性、可靠性，充分保证太阳能热水器的寿命。但搪瓷水箱由于搪瓷粉原材料成分配比要求严格，搪瓷内胆工艺复杂，对热水器制造厂家的专业度要求更高，需要厂家投入更多的资源才能做出优异性能的长寿命的太阳能热水器水箱。