供暖水质与散热器应用

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　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。

　　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。

　　4、不同材质的散热器对供暖水质的适应性分析

　　我国目前的散热器年需量约4.0亿片（每片标准散热量128W），铁、钢、铜、其他等四类散热器的市场比率约为58：22：11：9.“十一五”后有可能逐步调整到37：37：17：9的市场比率，总产量将达5.0亿片以上。随着轻型散热器，特别是钢制散热器的扩大，会更注重水质的保证。从工程使用的安全可靠角度出发，应当是多方面采取措施，共同创造和提供散热器安全工作的良好条件。取其所长，合理选用，减少损失和浪费，保证散热器有一定的使用寿命。根据以往的使用经验及本文以上的论述，我国现有的各类散热器在不同水质条件下的使用情况及对水质的适应情况分析如下：

　　4.1铸铁散热器可适应PH=7~12、不除氧的供暖水质，其腐蚀较轻。

　　4.2钢制散热器情况比较复杂，大致有以下几种情况。

　　（1）PH=10~12、O2≤0.1mg/L，这是钢制散热器的适用区，在此条件下，各种薄壁（δ=1.2~1.5mm）及厚壁（δ=2.5mm上下）的钢制散热器均可使用。

　　（2）PH=7.5~9.5或PH=10~12但不除氧的条件下，δ≤1.5mm的薄壁钢制散热器就不能适应。厚壁钢制散热器尚可使用。

　　（3）在O2≤0.1mg/L的前提下，薄壁钢制散热器，可用于PH>8.5，厚壁钢制散热器可用于PH>7.5.

　　4.3铜管散热器（包括铜铝复合柱翼型、铜管铝片对流型散热器等），可以用于PH=7~12不除氧的热水采暖系统，但其最佳适用区应为PH=7.5~10，这时的使用寿命最长，可达30年以上；PH=10~12可视为可用区，能有15年以上的使用寿命。对热媒水中的C1-、SO42-含量必须控制。在热媒水有除氧时会改善铜质散热器的工作条件。

　　4.4铝制散热器按其材料特性，适用于PH=5~8.5的热水采暖系统。高碱度水质时会产生严重的碱性腐蚀。此外，也要求对热媒水中的C1-、SO42-进行控制。

　　4.5内防腐型的钢制及铝制散热器的耐蚀能力受工艺水平的影响很大。适宜的形体和良好的机加工工艺可保证内腔光滑，有利于涂料涂装或镀膜的牢固；严格的予处理及涂装、烘烤工艺、更是成败的关键。良好而完善的内涂（或镀镍）防腐，可以扩大钢制或铝制散热器对水的PH值的适应性，扩大应用范围。但不完善、不严格的内涂防腐工艺，不能使产品达到完全防护，只可能是相对减少了腐蚀，这正是目前内涂防腐技术的难点，有待于进一步研究、改进和提高。因此，内防腐型钢制或铝制散热器的使用范围和可靠性，只能因厂而异，不能一概而论。目前，根据相关单位对形体适宜、内防腐工艺严格的主要散热器生产厂的产品使用情况调查统计，其内防腐的不保证率，按片（柱）计算约在万分之二以内。如果全国各厂都达到这一水平，将对我国轻型散热器的发展提供很大的支持。

　　5、对改善供暖水质及散热器工作条件的几点看法

　　5.1推广密闭式供暖系统，不采用敞开式高位膨胀水箱以及与大气相通的回水系统，避免采用渗氧塑料管道，减少漏水（及失水）率，保证系统中水的含氧量处于较低水平。主管部门应制定供暖系统安全运行规程及相应的管理规定，逐步提高供暖系统的运行管理水平。在大、中型热网中，多数会遇到钢、铁、铜几种散热器混装的情况，应当特别注意。

　　5.2研究与制定供暖水质标准。前述的工业锅炉水质标准是偏重于锅炉的要求；而密闭式循环冷却水标准又不完全符合供暖水质的需要；现有的城市热力网设计规范（CJJ34-2002）中仅对补充水的水质作了规定，而对热网运行水质没有明确要求。所以建议根据供暖系统的实际需要制定适合供暖要求的全国及地方水质标准，以使散热器的使用和研究有所遵循，提高供暖的安全性。拒绝使用那些特别恶劣的水作为供暖热媒用水。

　　5.3加强除氧、防蚀剂等新的水处理技术的研究，寻求价廉、有效、对散热器（特别是钢制散热器）有利的水质控制新技术，使特殊处理的热媒水成为供暖系统专用的工质，这样既能减少腐蚀，又能减少失水。

　　5.4建筑物的采暖系统应尽量采用换热器换热的热水供暖系统，把供暖系统与锅炉供热系统隔离，采取分而治之的策略。集中供热的调峰锅炉，最好亦能如此处理。

　　5.5由于供暖水质的全面改善还将有一个很长的时间过程，所以，散热器生产厂应从严格选材开始，提高工艺水平和散热器自身的耐蚀能力，扩大对水质的适应范围，提供适应现实建设需要、安全可靠的产品，保证散热器的使用寿命不低于15年。

　　5.6散热器的选用及销售，应首先明确和强调对热媒水的要求，作到适销对路。尽量减少工程建设和使用中因水质不对路而导致的损失，提高运行的可靠度。