关键词：燃气采暖热水炉；防垢；除垢；防腐；活化原水
引言
随着燃气采暖热水炉市场的扩大、占有率提高，用户在使用过程中遇到的问题也暴露出来。燃气采暖热水炉是一种通过燃气燃烧释放的热能，并将热能用于采暖和热水的设备。设备的舒适节能、使用安全、寿命是燃气采暖热水炉质量好坏的重要因素，而直接影响这些性能的因素，不仅仅是设备本身的结构设计，零部件的特性，同时外部的使用条件也可能是直接影响因素，如：较硬的水质、酸性物质、氧含量等。
1 采暖热水炉水路系统杂质对燃气采暖热水炉的危害及原理
大部分液体中的固体随温度升高溶解度增大，而极少数物质溶解度随温度升高反而减小，如氢氧化钙。因为氢氧化钙有两种水合物〔Ca(OH)2•2H2O和Ca(OH)2•12H2O〕。这两种水合物的溶解度较大，无水氢氧化钙的溶解度很小。随着温度的升高，这些结晶水合物逐渐变为无水氢氧化钙，所以，氢氧化钙的溶解度就随着温度的升高而减小。当燃气采暖热水炉水路系统中的水在高温位置的管路内流过时，因为溶解度减小水中的溶解盐类常会在壁面上析出，沉积而形成一定厚度的垢层，有时系统管路壁面也会因腐蚀而受损变质。这种表面结垢或形成腐蚀都会降低传热系数，特别是当流体发生沸腾时，由于污垢迅速发展会导致垢下腐蚀，必然会造成换热设备结垢，金属腐蚀，出力不足，同时加剧这种情况的发生，使用寿命缩短等。如图1所示，在热水炉主换热器管路的结垢情况。
以下我们分别从技术上介绍燃气采暖热水炉水路系统中杂质的特点：
1.1 以离子或分子状态溶解于水中的杂质危害
（1）钙盐类在水中的主要构成有Ca（HCO3）2、CaCl2、CaSO4、CaSiO3等。钙盐是造成换热器结垢的主要成分。其中，CaSO4是一种质硬、结晶细密的水垢，结构松散，附着力小，是一种比较松软的泥渣，从水中分离出来的具有流动性，即使附着在受热面上也容易清除。（2）镁盐在水中的主要构成有Mg(HCO3)、MgCl2、MgSO4等。镁溶解在水中后，在受热分解后生成Mg(OH)2沉淀，Mg(OH)2也是泥渣式水垢。溶解在水中的MgCl2、MgSO4，在水pH<7时，由于水解作用会造成金属壁的酸性腐蚀。（3）钠盐主要构成有NaCl、Na2SO4、NaHCO3等。NaCl不生成水垢，但在水中有游离氧存在，会加速金属壁的腐蚀。Na2SO4的含量过高，会在蒸发器后的附件上结盐，影响安全运行；水中的NaHCO3在温度和压力的作用下会分解出NaCO3、NaOH、CO2，会使金属晶粒受损。（4）其他杂质的危害，水中溶解氧是铜管腐蚀的一大因素。每升水中的溶解氧是30毫升，占水的3%，这是由于铜材料对氧化剂的钝化作用弱造成的，水管中的空气泡也是不可避免的，同样对铜管起着氧化腐蚀作用。在流速快的部位上，由于水和铜管内壁的摩擦力使氧化保护膜不能形成而造成物理损失，同时在那个压力高的部位形成阳极后产生电化学腐蚀。
铜在极个别情况下的热水系统中偶尔也会产生点蚀，主要是由水质引起的。引起点蚀的原因主要有下面几个方面。硫酸根离子和氯离子是腐蚀性阴离子，根据实验数据和实例统计，当[SO42-]/[HCO3-]>1时容易产生点蚀，小于1不容易产生点蚀，最好是小于0.5，所以必须要控制[SO42-]与[HCO3-]的比例。水的流速过快会产生冲刷腐蚀，反之流速过慢也会产生点蚀，如图2所示。根据实验，流速小于0.5m/s容易产生点蚀，这可能是因为附着在金属表面的水层不动为氧化反应创造了条件。反之，水的流速越快，水内含的各种杂质破坏了铜表面的氧化层，对铜管的冲刷越厉害，当保护膜被冲刷掉后，又会形成新的保护膜，然后又被冲刷掉，最终导致铜管被腐蚀。日本的《建筑用管道腐蚀对策指南》认为，水中如果存在大量硫化物、氧、氨，会产生较大的腐蚀性。总之，尽管铜管用于供暖是公认的好材料，在热水系统中发生点蚀的情况也极个别，但是也应引起注意。以往应用中的经验值得借鉴，在使用的过程中，应当特别重视水质，使水质达到标准要求，保证系统设备及管道的使用寿命。
2 燃气采暖热水炉水路系统的防垢、防腐处理
2.1 燃气采暖热水炉水路系统的防垢处理
燃气采暖热水炉运行一定时间以后,在燃气采暖热水炉内外壁上粘附一层白色水垢，水垢形成的主要原因是由于水中含有溶解度较小的钙、镁盐类。这种盐类有共同特性，其溶解度随着水温升高而下降，且变成难溶的盐类，这种盐类的存在，对燃气采暖热水炉会产生以下几点后果：
（1）水垢导热性能很差，它比钢铁导热能力小30～50倍。有水垢存在就会使受热面传热变坏，因而使传热面不能达到理想的温度降。根据有关资料介绍，经实验，产生1mm厚的水垢，换热器将会下降10%左右效率。（2）水垢附在传热面上，难于清除，增加了检修费用，不仅耗费人力、物力，而且会使受热面受到损伤，降低燃气采暖热水炉寿命。（3）水垢产生后，会减小传热面内外流通截面，增加了传热面内外循环水的流通阻力，严重时流通截面很小，甚至完全被堵塞，就会使燃气采暖热水炉不能正常运行。
为防止以上后果的发生，目前设计单位或运行单位经常采用加药软化处理、磁化及离子棒防垢处理、钠离子交换处理等方法。为便于大家对这些软化处理方法进一步了解，下面将对这些处理方法的原理、配方及操作方法分别介绍。
2.1.1 加药软化处理—硅磷晶技术
加药软化处理，具有方法简单、效率高、经济性好和不需要专门的制水设备等特点，是一种实用性很强的防垢水处理方法。根据加药的方法不同，分校正剂处理和防垢处理两种。硅磷晶是由苏打、磷酸、碳酸钙等活性成分，原料在1200～1700℃高温技术烧制而成的玻璃状小球（见图3）。符合国家标准的一种磷酸盐，它无味、无毒不仅能够饮用而且用于食品制造工程也对人体无害。
水中含有的钙(Ga)、镁(Mg)、铁(Fe)等金属离子，容易在供水管道内壁形成碳酸钙、碳酸镁等不溶性物质，导致腐蚀、水垢。硅磷晶可以与上述金属离子反应形成可溶性络合物，抑制碳酸钙与碳酸镁生成，并分散到水中，与铁离子反应后，在管道内壁形成动态保护膜，以达到防腐蚀、防水垢。硅磷晶能够祛除水中的重金属物质（铅、锌、锰、镉），而且专门解决因管道腐蚀发生的锈水、黄水问题，保护管道、对管道及供水设备防腐、阻垢，防止二次污染、延长使用寿命，保护水源不受管线污染和保证源水水质。
2.1.2 磁化防垢处理
磁化防垢处理是一种新型的防垢方式，目前有出现在热水炉的产品中，其原理是利用水分子具有的极性，即水分子是共价化合。水的单个分子由极性和氢键的作用，聚合成双分子缔合体(H2O)2或多分子缔合体(H2O)n。（见图4）当水流通过高强度的磁场之后，水中的多分子缔合体和离子磁场的作用，原来单散的多离子组成的缔合体被拆散为单个的或短键的缔合体，它们以一定的速度垂直切割外界磁场的磁力线而产生感应电流。因此，每个离子按与外界磁场同方向建立新的磁场，相邻的带极性的离子分子，就有秩序地相互压缩和吸引，从而导致结晶条件的改变，形成的结晶物很松弛，抗压、抗拉能力差，并且很脆，其粘结力和附着力也很弱，它们不易附着在受热面上形成水垢。
燃气采暖热水炉属于小型锅炉，因此可以采用永久磁铁式除垢装置（见图5）进行除垢，装置结构简单，而且容易安装，不占空间。磁化除垢采用永久磁铁式除垢装置，无能源消耗，无需维护。循环水温度在60℃左右时，磁化除垢具有最佳的除垢效果，而燃气采暖热水炉内循环水的温度也在60℃左右，因而磁化除垢在燃气采暖热水炉内应用时可以达到最佳的除垢效果。磁化除垢不仅能防止燃气采暖热水炉循环水管道结垢，逐渐除去管道中存在的老垢，而且还能够抑制管道内微生物的滋生，对提高燃气采暖热水炉管道内的换热效率及保持健康用水有着重大意义。磁化除垢具有在经济上较大的优势、安装简便、无能耗、无污染、除垢效果好等优点，因而磁化除垢在燃气采暖热水炉内的应用具有明显优势。
2.1.3 离子棒防垢水处理
离子棒防垢水处理是一种新兴、先进的水处理设备。在热水循环系统、中央空调系统、循环冷却水路系统中应用，均取得满意的防垢效果。离子棒水处理器是水处理领域中一种新型的先进的水处理设备，最初由加拿大约克能源公司研制成功并在北美、欧洲、日本等工业发达国家和地区被广泛采用。离子棒通过高压静电场的直接作用，改变水分子中的电子结构，水偶极将水中阴、阳离子包围，并按正负顺序链状整齐排列，使之不能自由运动，水中所含阳离子不致趋向器壁，阻止钙、镁离子在器壁上形成水垢，从而达到防垢目的。由于静电的作用，在结垢系统中能破坏分子间的电子结合力，改变晶体结构，促使硬垢疏松，并且会增大水偶极子的偶极距，增强其与盐类离子的水合能力，从而提高水垢的溶解速率，使已经产生的水垢能逐渐剥蚀、脱落，从而达到除垢之目的。离子棒产生一定量活性氧如O2、OH、O3，这些活性氧能有效破坏生物细胞，改变细菌和藻类生存的生物场，影响细菌生理代谢，起到杀菌灭藻作用，而且活性氧对无垢系统中的金属表面产生一层氧化被膜防止腐蚀。离子棒水处理器是物理作用，在水中不发生化学作用，不会产生化学物质，排放出来的水对人类赖以生存的环境不产生影响，符合国际环境法规有关标准。
2.1.4 钠离子交换软化处理
当含有的钙(Ca2+)、镁(Mg2+)离子的硬水通过离子交换剂(NaS)时，与吸附在交换剂上的Na+离子发生交换反应，被置换于水中，转化成钠的盐类。由于钠的盐类溶解度大，且在温度升高时溶解度进一步增加，所以不会生成水垢。这个过程称为软化。但水中的钙、镁离子置换到交换剂上，使钠型交换剂(NaR)变成钙型(CaR)，因而失去了与钙、镁离子再进行交换反应的能力，这一现象称之为钠离子交换失效。将失效的交换剂用食盐(NaCl)溶液使之还原成钠型交换剂，以便继续生产软水，这种现象称之为再生。钠离子交换器通过软化——失效——再生还原——软化的循环过程，使原水得到软化，供给燃气采暖热水炉水路系统提供合格的软化水。组成水中硬度的钙、镁离子与软化器中的离子交换树脂进行交换，水中的钙、镁离子被钠离子交换，使水中不易形成碳酸盐垢及硫酸盐垢，从而获得软化水。
2.2 燃气采暖热水炉水路系统的防腐处理
在分户供暖的系统中，热水炉设备与末端采暖系统，采用的金属部件，如容积式换热器、板式换热器、铜材主换热器、阀体和管材等，在周围环境介质的化学反应或电化学反应导致的金属腐蚀。这些腐蚀的破坏性非常大。如何防腐，延长材料的寿命尤为重要。以下是锅炉常用防腐的控制。
2.2.1 PH值控制
在给水循环系统中，pH<7时，在金属表面形成的氧化膜，失去了保护作用。为了防止给水循环系统中H+的极化作用所造成的电化学腐蚀，将PH值控制到9以上，一般采用的方法是在系统中加入氨水或瓶装的气态氮，其化学反应如下：
氨水： NH4OH+CO2→NH4HCO3 NH4OH+NH4HCO3→(NH4)2CO3H2O
气态氨： NH3+H2O→NH4OH
一般热水锅炉系统采用加碱性药剂的方法来提高pH值，以防止H或者CO2的腐蚀。
以上两种方法，均在介质中加入缓蚀剂以及碱性药剂，是腐蚀电池的阳极过程减慢，金属腐蚀速度降低，提高燃气采暖热水炉水路系统的防腐性能。
2.2.2 氯离子对不锈钢的腐蚀
不锈钢的主要化学成分是铁铬合金，铬使钢的耐腐蚀能力大为提高。在铬钢中加入镍、钼、钛、锰等其它金属时，可进一步改善其耐腐蚀性和工艺加工性能。不锈钢中铬的含量一般在12%以上。常见的不锈钢品种有两大类：一类是含铬在12%的铬不锈钢；另一类是含铬为16%～20%，含镍为8%～14%的铬镍不锈钢。铬镍不锈钢的典型代表是含铬18%，含镍8%的不锈钢，目前在热水炉采暖系统中不锈钢材料的用途增长迅速，如冷凝炉的不锈钢主换热器、不锈钢连接管等。
燃气采暖热水炉水路系统中的水主要来源于自来水，自来水中的氯离子会对不锈钢的腐蚀起促进作用，如盐酸对不锈钢有强烈的腐蚀作用。次氯酸盐水溶液中的活性氯含量在200mg/kg以上时会对不锈钢有显著的腐蚀作用，水溶液中活性氯含量在10mg/kg时经过长时间接触也会使不锈钢表面稍变粗糙。处于钝态的金属仍有一定的反应能力，即钝化膜的溶解和修复（再钝化）处于动平衡状态。当介质中含有活性阴离子（常见的如氯离子）时，平衡便受到破坏，溶解占优势。其原因是氯离子能优先地有选择地吸附在钝化膜上，把氧原子排挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物，结果在新露出的基底金属的特定点上生成小蚀坑（孔径多在20～30μm），这些小蚀坑称为孔蚀核，亦可理解为蚀孔生成的活性中心。氯离子的存在对不锈钢的钝态起到直接的破环作用。并且向孔的深度方向发展，直至形成穿孔，造成点蚀(孔蚀)。在氯离子含量较高的地区对不锈钢冷凝炉的破坏发生较多，因此关注氯离子的含量，应当是设备厂家和销售部门的重要工作，同时也需要针对产品的材料特性选择相应的材料。下表1是各类不锈钢材料，均有一定的含氯离子使用范围。
采暖热水炉水路系统中不锈钢材料的选用必须结合系统中的氯离子含量以及水路系统中的最高温度，提高燃气采暖热水炉水路系统的防腐能力，延长设备的使用寿命。
3 燃气采暖热水炉水路系统的清洗
无论采用加药除垢水处理或者钠离子交换软水处理，虽能消除或减缓结构的形成，但由于先用水处理设备或者管理不善，并不能完全防止不结水垢。因此，运行一定时间就需要进行清洗，去除水垢及沉积物。目前清洗水垢及沉积污物的方法有机械法、碱性法和酸性法等，清洗燃气采暖热水炉主要是以管道换水的形式来完成。可以用燃气采暖热水炉自身的水泵和压力，从出水口将水放出，然后放入清水增压，再放出，反复三四次即可完成，之后将污水放出。清洗水垢可以采用专业清洗剂，加入管道中，循环去除水垢。在清洗燃气采暖热水炉前一定要了解它的内部结构以及换热方式，针对不同结构和不同的材质的燃气采暖热水炉采取不同清洗方式。

（1）清水清洗。将清洗设备和燃气采暖热水炉连接好后，采用清水循环清洗10分钟，检查系统状态，是否有泄漏，同时将浮锈清洗掉。（2）剥离防腐清洗。按比例在清洗槽循环水内加入表面剥离剂和缓释剂，循环清洗20分钟，使垢质和清洗的各部件的分离，同时对没有结垢的物体表面进行防腐处理，防止除垢清洗时清洗剂对清洗部件产生腐蚀。（3）除垢清洗。在清洗槽循环水内按比例加入配置好的除垢清洗剂，进行清洗除垢，根据垢量的多少确定清洗循环的时间和加入药剂多少，确认全部垢质清洗下来之后转入下一步清洗程序。（4）钝化镀膜处理。加入钝化镀膜剂，对清洗系统进行钝化镀膜处理，防止管路和部件腐蚀以及新的锈垢生成。再次采用净水清洗。将系统内的药剂残液彻底清除。
各大品牌燃气采暖热水炉自己针对不同地区、不同的水质和不同的垢质进行分析和化验，针对不同的材质和不同的垢质，配置了不同的化学清洗药剂，制定科学合理的燃气采暖热水炉品牌清洗方案。
4 结束语
随着燃气采暖热水炉市场的快速发展，燃气采暖热水炉的使用量也在迅速增加，燃气采暖热水炉水路系统的防垢、防腐和清洗问题也越来越受到重视，在防垢和防腐的问题上，利用本文提到方法可解决以上问题。类似汽车行业，汽车的首保公里数是五千公里，每一万公里需定期到4S店保养，该产品也是一种设备，售后部门也应需要向用户宣贯定期对热水炉的保养的必要性和重要性，确保系统以最佳工况运行，减少事故发生，延长设备的使用寿命。
参考文献
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[4]隋郁.氯离子对压力容器腐蚀的影响及预防措施.太原科技.2001.4
主编点评：
广州迪森家用锅炉制造有限公司的这篇论文就燃气采暖热水炉杂质的产生机理和采暖热水系统的结垢现象进行分析，提出了防垢、防腐和清洗的方法。