Описание процессов в нагревательных системах, которые влияют на эксплуатацию нагревательных элементов и резервуаров с водой.
При хранении воды в металлических емкостях, а также во всех нагревательных системах, как с проточной водой, так и в замкнутых отопительных системах, происходят различные формы и виды химической, электрохимической коррозии, которые направлены на разрушение стенок резервуара, стенок трубки нагревательного элемента, в некоторых случаях на разрушение фланца элемента. Эти процессы коррозии - неотвратимые, они перетекают из одного в другой в зависимости от факторов или условий эксплуатации систем. Вот некоторые из условий возникновения коррозии:
Во-первых, присутствие свободного кислорода вызывает химическую коррозию, причинной которого является растворенный в воде кислород, обычно около 5 мг/л при высокой и около 12 мг/л при низкой температуре. Коррозия проходит в три этапа:
1) Растворенный в воде кислород контактирует с внутренней поверхностью бака;
2) Железо бака имеет тенденцию к взаимодействию с кислородом, (атом теряет два электрона, превращаясь в ион (Fe++);
3) Ионы железа, вступая во взаимодействие с кислородом, покидают поверхность бака, образуя при этом оксиды (FeO);
Таким образом, начинается коррозия бака, которая приводит к сквозным дырам.
- молекулы растворенного кислорода (O2);
- молекулы воды (H2O);
- атом железа (основного материала бака водонагревателя);
- оксид железа (ржавчина), результат коррозии.
При заполнении резервуара водой, проблема усугубляется увеличенным генерированием кислорода, вследствие быстрого, турбулентного движения воды.
Во-вторых, электрохимический состав воды влияет на ее электропроводность и может ускорить процесс коррозии. Электрохимическая коррозии усиливается в воде с высоким содержанием ионов солей, кислот и т.п., так называемая электрохимическая коррозия в электролитах. Чем больше содержится солей металлов в воде (вода из скважины, вода с различными примесями, которые необходимо использовать по требованию санстанции и т.д.), тем выше электропроводность воды, и тем интенсивнее протекает процесс коррозии. Насыщенность воды различными примесями можно определить тем, что в такой воде на нагревательном элементе образуется накипь, которая негативно влияет на работу элемента. Теплоотдача уменьшается, что может привести к перегреву нагревательного элемента и выхода его со строя.
Сильная накипь в процессе нагрева проточной воды с высоким содержание примесей.
В-третьих, внутри закрытой системы, такой, как внутренний резервуар водонагревателя или иной емкости, присутствие различных материалов с различными потенциалами вызывает образование гальванических пар. При соприкосновении двух металлов с различными окислительно-восстановительными потенциалами и погружении их в раствор электролита, например, проточной воды с растворенным кислородом O2 и примесями солей или дождевой воды с растворенным углекислым газом СO2, образуется гальванический элемент, так называемый коррозионный элемент. Он представляет собой не что иное, как замкнутую гальваническую ячейку. В ней происходит медленное растворение металлического материала с более низким окислительно-восстановительным потенциалом; второй электрод в паре, как правило, не коррозирует. И если у Вас в баке нет анода (коррозионного элемента), то металл с более низким потенциалом принимает функцию анода. Это означает, что если металл стенок резервуара имеет более низкий потенциал, чем материал трубки нагревательного элемента или фланца, это должно вызвать электролиз, притягивающий к стенкам бака свободные ионы кислорода.
В-четвертых, при нагреве воды в металлической емкости, с помощью ТЭНов, возникает одна из форм электрохимической коррозии - коррозия металлов под воздействием блуждающих токов, которая в первую очередь направлена на разрушение металла трубки нагревательного элемента, во вторую, металла стенок резервуара. Коррозия усиливается в областях, где сконцентрирована высокая температура. Таким образом, быстрее и более выражено, коррозия протекает на трубке нагревательного элемента и в верхней области резервуара.
Выраженный коррозионный процесс трубки нагревательного элемента.
При эксплуатации нагревательного элемента без защиты от коррозии, происходят следующие процессы, которые разрушают металл элемента:
- вследствие электрохимической коррозии под воздействием блуждающих токов, на трубке появляются микротрещины, в которые при остывании просачиваются капли воды.
Появление микротрещин и поглощение влаги Разбухание нагревательного элемента
- при включении элемента капли воды преобразуются в пар, который разрывает трубку.
Нагревательный элемент использовался без анода Нагревательный элемент после растворения анода
- между спиралью, по которой течет ток, и металлом трубки, которая является землей, происходит короткое замыкание, срабатывает аварийное отключение нагревательного элемента.
В худшем случае, если в системе нагрева воды нет аварийной защиты от короткого замыкания, то происходит сварочный процесс. И как в процессе сварки, металл трубки оплавляется по линии разрыва трубки или имеет вид прожженного пятна.
Из всего выше написанного можно сделать вывод о необходимости защиты от коррозии. Существует огромное количество способов борьбы с коррозией, которые применимы в зависимости от условий.
1) Защитить с помощью расположенного рядом "жертвенного" или "протекторного" анода (цинк, магний, алюминий).
2) Подать напряжение на объект с помощью источника постоянного тока, при этом "минус" подается на защищаемый металл - катодная защита;
3) Подать повышенное напряжение противоположной полярности - анодная защита. Когда подают повышенное напряжение, в некоторых случаях, происходит пассивация поверхности.
4) Сделать покрытия на поверхность металла. Существуют два типа покрытий:
а) коррозийностойкие, с помощью более благородных металлов (никелирование, омеднение, освинцовывание, хромирование), при этом не допускается наличие пор в покрытии.
б) протекторные (цинковые, алюминиевые, оловянные).
5) Покрыть поверхность изолятором. Это эмалирование, например, посуды, покраска, покрытие лаком.
Резервуары с гальванизированным покрытием (цинк, никель и т.д.) или покрытые эмалью, защищены только в начале их использования. В течение длительного воздействия перепадов температур, на покрытии появляются микротрещины, которые в дальнейшем будут являться отправной точкой коррозийного процесса.
Использование резервуара из нержавеющей стали, может защитить от коррозии только в теории, когда не нарушена идеальная кристаллическая решетка металла. Нержавеющая сталь теряет свои свойства, когда подвергается перегреву (во время процесса сварки, по шву выгорает никель) или, когда подвергается изгибу (во время процесса гибки металла, нарушается кристаллическая решетка, металл напряжен). Таким образом, это является одной из причин, почему коррозийная «звезда» обычно поблизости сварочных швов и близкими с ними областями.
Коррозия вдоль шва Коррозионная «звезда»
В данный момент все нагревающие элементы из нержавеющей стали делаются из шовной трубы, но это, ни в коем случае не уменьшает значимость применения нагревательных элементов из нержавейки. В некоторых регионах Украины из-за электрохимического состава воды необходимо использования только элементов из нержавеющей стали, так как использование медных элементов невозможно из-за быстрого окисления меди даже без использования элемента по назначению. Вы, может быть, встречали медные элементы, которые приобретали зеленый налет на трубке даже без включения в работу, т.е. медь подверглась гальваническому процессу, а при работе элемента электрогальваническому процессу.
Медный нагревательный элемент использовался в водонагревателе с водой со скважины
Самая доступная и недорогая защита от коррозии, это использование магниевого анода. Его использование в водонагревателях и в различных системах отопления, необходимо не только для того, чтобы защитить внутренний резервуар, но и для защиты нагревательного элемента.
Анод должен использоваться в каждой нагревательной системе, где присутствует металлический резервуар для воды. И особенно в таких системах нагрева, где нет никакой другой защиты металла, и коррозия может нанести большой ущерб, который, прежде всего, трудно восстановить. Цена анода может быть 1/1000 от цены нагревательной системы, но это может спасти от больших проблем.
Качество анода является так же существенным. Не качественный магниевый анод может разрушиться, как очень быстро (в течение 3-х месяцев), так и практически не коррозировать в течение нескольких лет. Оба варианта очень не желательны для Вашей водонагревательной системы.
