濟南鼎隆化工科技有限公司 田勝軍
濟南鼎隆化工科技有限公司 李 剛
凡是傳熱類型為間接方式的太陽能熱水系統(tǒng)，其換熱循環(huán)系統(tǒng)都用到導(dǎo)熱介質(zhì)，關(guān)于換熱系統(tǒng)的腐蝕及預(yù)防是眾多平板式太陽能廠家所擔(dān)心和關(guān)心的至關(guān)重要的問題，本文將從多方面剖析腐蝕發(fā)生的原因并有針對性的提出預(yù)防措施。
金屬材料受周圍介質(zhì)（對于太陽能系統(tǒng)而言，介質(zhì)既包括導(dǎo)熱介質(zhì)又包括空氣）的作用而損壞，稱為金屬腐蝕。腐蝕時，在金屬的界面上發(fā)生了化學(xué)或電化學(xué)多相反應(yīng)，使金屬轉(zhuǎn)入氧化（離子）狀態(tài)，從根本上來說就是金屬單質(zhì)被氧化形成化合物，如鐵制品生銹（Fe2O3·xH2O），鋁制品表面出現(xiàn)白斑（Al2O3），銅制品表面產(chǎn)生銅綠[Cu2(OH)2CO3]，銀器表面變黑（Ag2S,Ag2O）等都屬于金屬腐蝕。這種腐蝕過程一般通過兩種途徑進行：化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕指金屬表面與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕；電化學(xué)腐蝕指金屬材料（合金或不純的金屬）與電解質(zhì)溶液接觸，通過電極反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕。
目前，大部分間接式太陽能熱水系統(tǒng)的金屬材質(zhì)主要為紫銅、黃銅、碳鋼和不銹鋼；有極個別的廠家在嘗試鋁壓鑄流道的集熱板，但這不是主流，存在很多隱患。下面就每種材質(zhì)的腐蝕問題逐項說明。
1、銅的腐蝕及預(yù)防
在換熱系統(tǒng)中用到的銅分為紫銅和黃銅，紫銅通常為純銅，黃銅為銅鋅合金（銅的含量超過80%）。紫銅具有良好的導(dǎo)熱性、焊接性、柔韌性和耐蝕性，黃銅色澤美觀，具有良好的工藝和力學(xué)性能，導(dǎo)熱性較高，在大氣、淡水和海水中耐腐蝕，易切削和拋光。
在電化學(xué)順序中，銅的標(biāo)準電極電位為+0.35V，其熱力學(xué)穩(wěn)定性較高，不會發(fā)生氫的去極化反應(yīng)，被列為耐腐蝕金屬之一，但是在濕度較高、腐蝕性介質(zhì)（如含二氧化硫的空氣、含氧的水、氧化性酸以及在含有CN-、NH4+等能與銅形成絡(luò)合離子的液體）中，銅則發(fā)生較為嚴重的腐蝕。銅合金表現(xiàn)出比純銅更高的耐腐蝕性。銅合金在一般介質(zhì)中以均勻腐蝕為主，在有氨存在的溶液中有較強的應(yīng)力腐蝕敏感性，也存在電偶腐蝕、點蝕、磨損腐蝕等局部腐蝕形式。黃銅脫鋅是銅合金獨有的腐蝕形式，就太陽能換熱系統(tǒng)而言，黃銅發(fā)生此種腐蝕的幾率很小。
針對以上情況，預(yù)防銅發(fā)生腐蝕應(yīng)該采取如下措施：（1）保持溶液的適度堿性，避免酸化；（2）環(huán)境的濕度高是無法避免的，必須添加高效的銅專用有機緩蝕劑以降低腐蝕率；（3）避免導(dǎo)熱介質(zhì)溶液中含有能使銅發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的離子，也就是說在體系內(nèi)避免NH4+等離子的存在；（4）降低導(dǎo)熱介質(zhì)溶液中氧的含量。
2、碳鋼的腐蝕及預(yù)防
碳鋼在酸性條件下容易發(fā)生腐蝕，在堿性條件下較穩(wěn)定，但也會存在如下幾種腐蝕的可能性：（1）均勻腐蝕，這種腐蝕形態(tài)表現(xiàn)為與導(dǎo)熱介質(zhì)接觸的整個金屬表面上的幾乎以相同的速度進行腐蝕，少數(shù)碳鋼如10CrMoAl的腐蝕為此狀態(tài)，該種腐蝕不可完全避免，但可以降低腐蝕速率；（2）局部腐蝕，表現(xiàn)為點蝕（金屬表面產(chǎn)生點狀或坑狀腐蝕，且從表面像內(nèi)部擴展，形成孔穴）或蜂窩狀腐蝕（蝕點或蝕坑毗連成片，向縱深發(fā)展形成類似蜂窩形狀），形成原因是受局部微電池作用的結(jié)果；（3）電偶腐蝕，如果太陽能系統(tǒng)為夾套式換熱，那碳鋼與銅管有可能形成電偶腐蝕，這是由于不同電極電位的兩種金屬在導(dǎo)熱介質(zhì)這種電解質(zhì)溶液中相互接觸時產(chǎn)生電位差，而構(gòu)成宏電池導(dǎo)致腐蝕。
預(yù)防措施：（1）控制導(dǎo)熱介質(zhì)的pH值在9-11之間，以保證碳鋼的穩(wěn)定環(huán)境；（2）選用易發(fā)生均勻腐蝕的碳鋼牌號，盡量避免使用易發(fā)生點蝕的碳鋼牌號；（3）添加特效的碳鋼專用緩蝕助劑，抑制腐蝕的發(fā)生；（4）在與銅管連接時，盡量做到絕緣，降低電偶腐蝕發(fā)生的概率。
3、不銹鋼的腐蝕及預(yù)防
從大家的觀念中以為不銹鋼有著良好的防腐蝕效果，要優(yōu)于碳鋼，但是在氯離子存在的情況下，這一觀念被徹底顛覆了。不銹鋼在堿性導(dǎo)熱介質(zhì)中可能發(fā)生的腐蝕基本特征為局部腐蝕，腐蝕狀態(tài)主要有點蝕和縫隙腐蝕兩種。腐蝕是由大面積鈍化狀態(tài)表面為陰極區(qū)與局部無鈍化表面為陽極區(qū)組成閉塞電池體系，由氯離子對不銹鋼鈍化膜的破壞作用而引起的。
對于奧氏體不銹鋼（304屬于此種類型）而言，氯離子可謂是其最大殺手，形成腐蝕的原因為氯離子破壞不銹鋼的鈍化膜氧化鉻，由于氯離子有很強的可被金屬吸附的能力，它們優(yōu)先被金屬吸附，并從金屬表面把氧排掉，形成可溶性的金屬氯化物，這樣導(dǎo)致了腐蝕的加速結(jié)果在基底金屬上生成孔徑為20-30微米的小蝕坑，孔蝕一旦形成，即向深處自動加速?？p隙腐蝕與坑點腐蝕機理一樣，是由于縫隙中存在閉塞電池的作用，導(dǎo)致氯離子富集而出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象；這類腐蝕一般發(fā)生在法蘭墊片、搭接縫、螺栓螺帽的縫隙，以及換熱管與管板孔的縫隙部位，縫隙腐蝕與縫隙中靜止溶液的濃縮有很大關(guān)系，一旦有了縫隙腐蝕環(huán)境，其誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕的幾率是很高的。
對于奧氏體不銹鋼在氯離子環(huán)境下的腐蝕，各種權(quán)威的書籍均有嚴格的要求，氯離子含量要小于25ppm，否則就會發(fā)生應(yīng)力腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕。因此，對于304不銹鋼腐蝕的預(yù)防采取如下措施：（1）嚴格控制導(dǎo)熱介質(zhì)的氯離子濃度，必須小于25ppm；（2）加入特效的有機緩蝕助劑，增加鈍化膜的穩(wěn)定性或有利于受損鈍化膜得以再鈍化；（3）采用外加陰極電流保護，抑制孔蝕。
4、鋁的腐蝕及預(yù)防
鋁是一種活潑金屬，極容易和空氣中的氧氣起化學(xué)反應(yīng)生成氧化鋁，氧化鋁在鋁合金表面結(jié)一層灰色致密的極薄的薄膜，這層薄膜十分堅固，能使里面的金屬和外界完全隔開，從而保護內(nèi)部的鋁不再受空氣中氧氣的侵蝕。但是，鋁和氧化鋁薄膜能和許多酸性或堿性物質(zhì)起反應(yīng)而被腐蝕，其在中性環(huán)境下較穩(wěn)定。如用在太陽能集熱系統(tǒng)中，其潛在的腐蝕有以下幾種：（1）點蝕，是陽極反應(yīng)的一種獨特形式，是一種自催化過程；（2）均勻腐蝕，在酸性過大或堿性過大的介質(zhì)中，其表面的氧化膜發(fā)生反應(yīng)溶解，溶解速度也是均勻的，溶液溫度越高，腐蝕越厲害；（3）晶間腐蝕，在導(dǎo)熱介質(zhì)中，鋁合金的晶間腐蝕多發(fā)生在蝕坑內(nèi)側(cè)，腐蝕沿晶間向縱橫方向發(fā)展，有時還會形成隧道狀；（4）電偶腐蝕，鋁的標(biāo)準電極電位-1.18V，與不銹鋼、碳鋼、銅這三種金屬的電位差均超過了0.25V，因鋁易失去電子而發(fā)生電化學(xué)腐蝕。
預(yù)防措施：（1）導(dǎo)熱介質(zhì)的pH不宜偏大，控制在7-8為宜，這也是汽車防凍液或基于汽車防凍液配方的導(dǎo)熱介質(zhì)必須兩年左右就要更換的主要原因；（2）受汽車散熱器和發(fā)動機系統(tǒng)連接使用橡膠管的啟發(fā)，連接集熱板和水箱時一定做到絕緣，切斷形成宏電池的電子通道，抑制電偶腐蝕的發(fā)生,否則，鋁流道集熱板將成為類似于普通家用電熱水器中的“鎂棒”，成為陽極被腐蝕犧牲掉以致保護了碳鋼材質(zhì)的水箱；（3）添加適宜的緩蝕助劑，降低腐蝕的發(fā)生。雖然采取了上述有效措施，在太陽能行業(yè)鋁合金這種材質(zhì)仍然是最易腐蝕的金屬，建議慎重采用。
以上講的是浸泡在導(dǎo)熱介質(zhì)溶液的金屬表面的緩蝕應(yīng)對措施，對于夾套或者銅管內(nèi)預(yù)留的膨脹空間部分，因為氧氣的存在，這一部分發(fā)生腐蝕的概率更大，唯一可采取的措施就是用惰性的氮氣將空氣進行置換并完全密封換熱系統(tǒng)，隔絕氧氣降低腐蝕發(fā)生的可能性。
綜上所述，太陽能熱水系統(tǒng)專用導(dǎo)熱介質(zhì)在設(shè)計配方時應(yīng)該針對系統(tǒng)本身所具有的材質(zhì)添加如下專用緩蝕劑：紫銅緩蝕劑、黃銅緩蝕劑、碳鋼緩蝕劑、不銹鋼緩蝕劑，保證溶液的pH值在8-11之間并且具有較強的緩沖能力，嚴格控制氯離子濃度在20ppm以下，這樣才能使導(dǎo)熱介質(zhì)具有很強的緩蝕能力。導(dǎo)熱介質(zhì)的防腐蝕能力應(yīng)該符合如下要求：
玻璃器皿腐蝕（88±2℃，336±h，試片變化值，mg/片）
紫銅 -5～+5
黃銅 -5～+5
碳鋼 -10～+10
不銹鋼（304） -10～+10
*鑄鋁 -30～+30
*平板太陽能體系中一般沒有該材質(zhì)，如有可對這一指標(biāo)進行檢測，從該項指標(biāo)的范圍可以看出鑄鋁容易受腐蝕。
