搪瓷内胆水箱

定义

搪瓷内胆水箱指以钢板卷制或拼装成内胆、并在与水接触的表面烧结搪瓷釉层的储水容器,通常由内胆、外壳和介于两者之间的保温层构成。按产品形态可分出圆桶单胆、超薄双胆、太阳能夹套内胆、盘管换热水箱和缓冲水箱等类型,容量从小型家用机的数十升到工程用的大容量规格不等。

在中国的能源行业标准体系中,它被归入储热水箱一类:NB/T 34042-2017《供暖搪瓷储热水箱》适用于容水量不大于600L、用于供热系统储热并含生活用水的搪瓷内胆承压水箱,标准对其术语定义、分类标记、技术要求、试验方法和检验规则作了规定^[1][2]。内胆是这类设备的关键部件,其状态基本决定了整台设备的可用寿命^[3]。

原理

搪瓷本身是一种复合材料:把无机玻璃质的瓷釉熔融后凝结在金属基体上,使两者牢固结合^[4]。生产时先将钢板的油污与氧化物清除,再喷搪或滚搪瓷浆,随后在800℃以上的高温中烧结并急冷,釉层与钢板界面处的离子互相渗透,形成厚度约200~300微米的扩散层,由此获得附着强度^[5][4]。瓷层主要由二氧化硅等成分构成,可耐受酸、碱与高温水的侵蚀,并把水与碳钢基体隔开,从而阻断电化学腐蚀所需的电解质与金属接触条件^[6]。

承压运行是此类水箱区别于开式水箱的地方。开式水箱靠安装高度形成的落差出水,承压水箱则由自来水压力把热水顶出,流量较大且不受楼层高度限制^[7][8]。因此内胆的结构设计承压能力需要留出裕量,并要通过反复加压的脉冲压力试验验证^[7]。

搪瓷层并非完全致密,微孔与焊缝等缺陷处会露出钢板。工程上采用牺牲阳极保护作为补充:镁的化学活性高于铁,水中腐蚀性离子优先消耗镁棒,从而让内胆成为被保护的一极^[7]。NB/T 34042-2017 要求储热水箱配置阴极腐蚀防护设施,使用镁合金牺牲阳极时其总质量与搪瓷表面积的比值不小于200g/m²,并要求安装位置便于维护和更换；标准同时规定水箱须设置安全泄压阀,其压力设定不得大于额定工作压力^[9]。

早年的相关专利文献给出的结构可以反映典型布置:外壳与搪瓷内胆之间填充聚氨酯发泡保温层,内胆下部设置盘管换热器,冷、热水进出口与循环介质进出口分开,内胆顶部与下部各设镁棒,顶部另设安全阀接口,盘管使换热介质与使用水分隔,避免介质污染生活用水^[10]。

发展历程

热水器内胆的技术路线大致经过三代:第一代为镀锌钢板或铜板内胆,保护层薄、易结垢、寿命短；第二代为不锈钢内胆,材质不易生锈,但焊缝处原有成分被破坏,易受水中氯离子侵蚀；第三代为搪瓷内胆^[3][4]。按行业资料的记述,搪瓷内胆热水器在20世纪60年代的德国开始生产,与牺牲阳极技术结合之后才在应用中确立地位。

电热水器领域较早普及搪瓷内胆,太阳能热水器则长期以不锈钢内胆为主^[3]。2009 年前后住宅建设转向高层,不适合安装在屋顶的直插式太阳能热水器让位于阳台壁挂平板式系统,这类系统要求内胆闭式承压、耐高温水腐蚀并承受冷热水交替带来的温差急变,搪瓷内胆因此在承压太阳能工程中获得发展空间^[6]。

标准层面,2017 年 8 月 2 日发布的 NB/T 34042-2017《供暖搪瓷储热水箱》于同年 12 月 1 日实施,由能源行业农村能源标准化技术委员会归口、国家能源局主管^[11][1]。行业资料还提到,国内已建成大容量商用搪瓷水箱流水线,采用等离子弧焊等工艺,相关装备实现自主制造。

应用

储热水箱是其主要用途。在电热水器与分体承压式太阳能热水器中,搪瓷内胆水箱承担储水和承压供水的功能；在太阳能系统中,它常与盘管换热器配合,把集热器侧的循环介质与生活用水隔离,进行间接换热,以保持水质并稳定系统运行^[10][12]。

在供暖与热水工程中,搪瓷内胆水箱用于供热系统储热并兼顾生活热水,标准对这类用途的容水量、热损因数、盘管式热交换器压力降以及额定工作压力下的密封性都提出了要求^[2][9]。另有采用内外搪瓷的常压供水与储水设备,用于小区、学校、宾馆等场所的给水储水^[13]。

在太阳能与建筑一体化项目中,承压式搪瓷水箱被视为中高层建筑适用系统的组成部分,前提是当地对新建公共建筑推行太阳能热水系统^[4]。热泵采暖系统中也有同类水箱的使用,主要用于承压蓄热与缓冲。

局限

搪瓷层无法把金属内壁完全遮蔽,漏搪、微孔、气泡等制造缺陷在国内外产品中普遍存在,焊缝错位处的搪瓷尤其难以处理好,运输和安装中的磕碰还会带来新缺陷^[14]。欧洲标准 PREN12897 对单个缺陷的最大尺寸和皮下缺陷总面积设了限值,反映的正是这种缺陷无法完全消除的现实^[14]。裸露钢板与周围完好瓷层会构成腐蚀电池,裸露处成为阳极而被加速腐蚀。

镁棒保护本身也有代价:阳极消耗较快,需要定期检查更换,其化学反应产生的絮状分解物还可能影响用水卫生^[14]。另有资料指出,水温自60℃起搪瓷的溶解速度明显加快,而生活热水常在60℃左右运行,因此高温工况对内胆寿命不利^[14]。

工艺层面,瓷层厚度需控制在一定区间,过薄易被快速侵蚀,过厚则在压力波动冲击下容易开裂爆瓷；钢板的厚度、屈服强度、内胆直径与封头结构,以及焊接质量与筒体圆度,都直接影响承压能力。盘管上的瓷层导热性较差会形成热阻,刚性涂层在热胀冷缩下也可能产生裂纹。此外,搪瓷工艺要求较高、成本不低,早期国内企业对瓷粉配方等核心技术掌握并不充分^[15]。

市场上以钛金、金圭、蓝钻等名称宣传的内胆,多数仍是搪瓷工艺的不同商品命名,并不代表材质类别上的区别^[6][15]。

参见

• 搪瓷 —— 本词条内胆所依赖的无机玻璃质涂层材料及其烧结工艺。

• 牺牲阳极 —— 以镁棒等活性金属优先腐蚀来保护钢制内胆的电化学防腐方法。

• 太阳能热水器 —— 搪瓷内胆水箱的主要应用设备之一。

• 电热水器 —— 搪瓷内胆较早普及并延续使用的产品类别。

• 不锈钢水箱 —— 与搪瓷内胆水箱在防腐路线和市场定位上相互竞争的另一类储水设备。

• 聚氨酯保温层 —— 位于内胆与外壳之间、决定水箱热损水平的保温结构。