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供暖水质与散热器应用
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内容提示：我国是供暖大国，按我国现行政策，集中供热为城镇最主要的供热方式，而建筑物采暖的最主要方式仍为热媒为热水的散热器供暖。由于城市集中供热的出现，集中供热的外网和建筑物内的供暖系统逐步分为两个技术范畴。所以，就建筑物内采暖系统而言，由于热源的不同，出现一户一炉、一楼一炉、一区一炉及城市集中供热的供暖系统等四种情况。其供热方式可归结为锅炉直供和换热器供热两类供热方式。前者热媒水通过锅炉及散热器实现循环；后
1、供暖与供热方式简述
我国是供暖大国，按我国现行政策，集中供热为城镇最主要的供热方式，而建筑物采暖的最主要方式仍为热媒为热水的散热器供暖。由于城市集中供热的出现，集中供热的外网和建筑物内的供暖系统逐步分为两个技术范畴。所以，就建筑物内采暖系统而言，由于热源的不同，出现一户一炉、一楼一炉、一区一炉及城市集中供热的供暖系统等四种情况。其供热方式可归结为锅炉直供和换热器供热两类供热方式。前者热媒水通过锅炉及散热器实现循环；后者是换热后的二次热媒水通过散热器与换热器实现循环，而不与锅炉直接相通。换热器的热源侧与锅炉实现一次热媒水循环，或由蒸汽加热。由于锅炉和换热器对热媒水质的要求不同，所以处于以上两种供热方式下的散热器，分别承受着不同水质的热媒。锅炉直供的供暖系统，水质按锅炉水质控制；换热器供热的供暖系统，水质按换热器控制，按密闭式循环冷却水水质采用。至于那些水质特别恶劣的水（如一些地下水，某些工业废水等），因其腐蚀性太强而不应作为供暖系统的热媒用水。（参考《建筑中文网》）
2、我国现行标准中有关供暖水质的内容
除个别地方法规外，我国目前尚无明确的采暖系统热媒的水质要求。现将现行标准中有关供暖水质的内容简述于后。
2.1工业锅炉水质标准（GB1576-2001）
本标准中除了悬浮物、总硬度、含油量指标之外（从略），与供暖直接相关的水质要求为：炉外化学处理时：给水PH（25℃）≥7、溶解氧≤0.1mg/L；锅水PH（25℃）为10~12，并规定额定功率<4.2MW的承压锅炉和常压热水锅炉应尽量除氧；额定功率≥4.2MW的承压热水锅炉应除氧。
2.2射频式物理场水处理设备技术条件（HG/T3729-2004）
密闭式循环水（空调、供暖）应符合如下水质要求：酸碱度PH=7.5~9.5；总硬度（以CaCO3计）≤700mg/L；总碱度（以CaCO3计）≤500mg/L；铁细菌≤100个/ml；含铁Fe2 ≤1.0mg/L.同时要求当系统中C1-、SO42-含量分别大于100mg/L或C1- SO42->300mg/L时，特别是系统材质为不锈钢、铜合金时应采取措施，控制其含量。处理后的水质，对缓蚀型（SF型）设备，碳钢的年腐蚀速率应小于0.125mm/a，不锈钢、铜合金的年腐蚀速率应小于0.005mm/a.
2.3工业循环冷却水处理设计规范（GB50050-95）
换热设备的冷却水侧管壁的腐蚀率，当工艺无要求时宜符合下列规定：碳钢管壁的腐蚀率宜小于0.125mm/a，铜、铜合金和不锈钢管壁的腐蚀率宜小于0.005mm/a.对敞开式循环冷却水的水质要求如下：悬浮物（板式换热器）≤10mg/L；PH=7~9.2；甲基橙碱度≤500mg/L；Ca2 =30~200mg/L；Fe2 <0.5mg/L；碳钢换热设备C1-≤1000mg/L；不锈钢热热设备C1-≤300mg/L；C1- SO42-≤1500mg/L；游离氧（在回水总管处）=0.5~1.0mg/L.密闭式循环系统的水质标准应根据生产工艺条件确定。
2.4城市热力网设计规范（CJJ34-2002）
规定了以热电厂和区域锅炉房为热源的热水热力网，补给水水质应符合，悬浮物≤5mg/L，总硬度≤0.6mmal/L，溶解氧≤0.1mg/L，PH=7~12.如为开式热网，其补水水质除符合以上要求外，还应符合“生活饮用水卫生标准”（GB5749）的规定。按以上四个标准的条文，结合供暖系统热源情况的不同，大致可划分为：
（1）锅炉直供的供暖系统，水质可按2.1和2.4控制；
（2）换热器供热的供暖系统，水质可按2.2和2.4控制，两者差别为2.4中有除氧要求（O2≤0.1mg/L），2.2中没有除氧要求。对钢制散热器而言，只能按2.4要求的水质控制，方能控制氧腐蚀问题。铜、铝及铸铁散热器并不强调除氧，但除氧会更有利于减少腐蚀。
3、钢制及铜管散热器的均匀腐蚀分析
散热器在热水介质中的腐蚀，有均匀腐蚀和局部穿孔腐蚀两种形态。对钢制散热器而言，工程中出现问题最严重的是局部穿孔腐蚀，这与材料、制造及水的含氧量等多种因素有关。本文先重点探讨钢、铜散热器的均匀腐蚀问题。后面的分析，引用了暖通空调2004年第9期发表的“集中供暖主管道腐蚀速率测定及防腐蚀方法”的研究成果及北京科技大学的相关试验数据。
3.1钢制散热器的均匀腐蚀分析
图1为上述文献中提供的钢管在不同PH值的热水介质中的相对腐蚀速率曲线图。可以反映其腐蚀速率的变化。
上述结果是运行情况的水质检测，水温为80±10℃，工作压力为0.35±0.5Mpa，硬度0.075mmol/L，热网补水PH=6.7~7.3，碱度0.7mmol/L，C1-为110±10mg/L，补水未除氧。如果我们把图1作为钢在水中均匀腐蚀速率变化的趋势分析图，而按HG/T3729-2004所述在密闭循环水质条件下的年腐蚀率在PH=7.5~9.5时，为0.125mm/a.可以看出这一数值应当是针对PH=7.5而言，因为PH=7.5时的腐蚀速率约为PH=9时的两倍以上。
分析图1，可得出以下的认识：
（1）在符合GB1576-2001的水质中，PH=10~12，O2≤0.1mg/L，这也正是钢的钝化区，钢的年腐蚀率最低，应视为钢制散热器的适用区。
（2）在PH=7.5~9.5的区域，钢的年腐蚀率变比较大，随着PH值的减小而升高，PH=7.5时的年腐蚀率约为PH=10时的四倍，此时，如执行工业循环冷却水相应标准（HG/T3729-2004、或GB50050-95）则无除氧的要求，这样的水质对钢制散热器而言，只能视为可用区，要慎重的区别情况对待。显然，薄壁（δ≤1.5mm）钢制散热器不适用于这一区域；厚壁（δ=2.5mm上下）钢管散热器尚可使用，按年腐蚀率0.125mm/a考虑，尚能达到与采暖系统所用钢管等寿命的基本要求。我国散热器行业“十一五”发展规划已明确提出散热器应努力实现十五年使用寿命的要求。但是，如果执行CJJ34-2002标准，其在PH=7~12的范围内都要求除氧（O2≤0.1mg/L），这就满足了钢制散热器（包括薄壁及厚壁）的使用条件，而成为钢制散热器的适用区。问题是PH=7.5~9.5是用于换热器供热系统的水质要求，而在此系统中极难实施除氧，很难保证O2≤0.1mg/L的要求，这就限制了钢制散热器的使用范围，迫使一些生产厂家采用各种内防腐措施，这又面对着如何才能做到全效防护的工艺技术问题。
（3）对钢制散热器而言，比较关键的问题是控制水的溶解氧含量及保持较高的PH值两大问题。按相关资料介绍，钢的钝化区为PH=9~12，北欧国家供暖水质的PH=9.5~10，而PH=8.2为德国工程师协会认为的极端下限。而从我国的调查情况看来，很大部分的供暖系统是在PH<9.0的状态下运行，又加水的含氧量未予控制，这对钢制散热器是很不利的。水的溶解氧控制问题是极为严重的问题，我国相关标准中要求的O2≤0.1mg/L，尽管这已比北欧国家的标准低了很多，但目前在供暖系统中能达到的不多，有的高达5.3mg/L.所以需要采取补水除氧、系统密闭、控制PH值及满水养护等措施。
3.2铜管散热器均匀腐蚀分析
3.2.1铜管散热器的年腐蚀速本文所指的铜管散热器，包括现有的容水部件均为铜管的各式散热器。
如铜铝复合柱翼型、铜管铝片对流型、铜管柱型、铜管卫浴专用型散热器等等。由于铜在水中的抗腐能力较强，所以这些散热器也有很好的耐用性。
图2是前述文献提供的铜合金在90℃热水中其腐蚀与水的PH值的关系图。它反映了铜在水中腐蚀速率的变化趋势。
从图2可以看出铜在热水中腐蚀速率随水的PH值的变化，大致为下凹形抛物线，其最低点出现在PH=8.5附近，其后在两翼都会升高。由于图2未给出铜在水中的年腐蚀率数值和PH>11时的腐蚀速率值，特由北京科技大学对PH=12、水温=85℃、不除氧时钢及铜的年腐蚀率进行了试验。本项试验按正常要求应作90天以上，但由于时间的限制，本次只作了19天，其测试结果为初始阶段的腐蚀情况，会高于90天测试的数值。测试结果为：钢管的年腐蚀率为0.3874mm/a；紫铜管为0.0178mm/a，黄铜管为0.0212mm/a.钢的腐蚀率高达紫铜的21倍。但如果供暖水质是按锅炉要求的PH=10~12、O2≤0.1mg/L，则不仅是钢制散热器的适用条件，也会是铜质散热器更为有利的使用条件，可更好的延长钢、铜散热器使用寿命。按HG/T3724-2004中所述在密闭式供暖循环水质条件下铜的年腐蚀率不高于0.005mm/a，结合图2所示的铜的年腐蚀率变化趋势，铜在PH=7.5~9.5的水质中，会有很长的耐蚀年限。
3.2.2铜管散热器的使用寿命
散热器采用的铜管，为TP2、TU2挤压轧制拉伸紫铜管，不能用上引法生产的紫铜管，更不能用黄铜管。散热器的使用年限等于壁厚计算中的腐蚀余量除以年腐蚀率。也就是在有效使用期内，尽管因均匀腐蚀会使管壁减薄，但所余壁厚仍能保证散热器的承压能力，保证安全可靠的使用。对于φ20紫铜管、工作压力1.0MPa时承压所需的壁厚数值，按强度计算为0.246mm.在此基础上，加上铜管的壁厚偏差≤0.04mm（铜管标准规定）、机械胀管时壁厚减薄量约为0.03mm（实测值为壁厚的5%上下），该项值总和为0.316mm.也就是说，只要保证这一壁厚，就可保证散热器在压力1.0MPa的条件下安全使用。我国现在推广生产的铜铝复合柱翼型散热器，其立柱铜管的最小壁厚定为0.6mm，减去上述的承压所需壁厚0.316mm，尚余0.284mm，这就是计算公式中的附加余量数值。根据北科大试验所得数据，PH=12时的年腐蚀率为0.0178mm/a，两者相除，约等于15年。这就说明，现有的铜铝复合柱翼型散热器，在高碱度水质，且未除氧的条件下仍可有15年的安全使用寿命。参照图2，在PH7.5~9.5的中碱度水质条件下，如果年腐蚀率按0.005mm/a分析，可有50年的耐蚀年限，在此条件下留有充分的余地，也可保证散热器的使用寿命30年以上。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200803/8815.htm
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