蒸汽清洗機結垢分析及措施

楊玉麗

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

蒸汽清洗機是將水燃燒形成水蒸汽，通過高壓輸送到噴槍清洗油污和污染物的一種設備。蒸汽清洗機使用范圍比較廣泛，甚至可以清洗高粘度油污和細小空間的殘留物。其最大的優點是節約用水、高效節能、安全環保等。蒸汽清洗機可用于廚衛等家電設備和汽車精洗，可實現無水精洗功能，目前被廣泛應用[1]。但是由于蒸汽容易結垢的特性，且結垢后對產品安全和可靠性影響較大，本文針對蒸汽清洗設備結垢機理進行失效分析，并總結其結垢后的危害情況，最后通過實驗研究總結蒸汽設備結垢的處理措施。

1 蒸汽清洗機的結垢機理

自來水經過燃燒后，容易產生水垢；水垢的形成是水中鈣、鎂離子經過受熱發生復雜的化學、物理變化，導致蒸汽發生器水中析出碳酸鈣、硫酸鈣、氫氧化鎂等沉淀物。水垢的形成容易導致蒸汽發生器出現水冷壁熱、管道變形事故等。同時也會影響蒸汽發生器內加熱效果。

1.1 蒸汽發生器內的化學反應

蒸汽發生器的水在高壓、高溫的條件下，容易導致一些雜質發生化學反應。蒸汽發生器內的化學反應如下[2]：

因鈣、鎂難溶化合物大多數具有負溶解度系數的物質，所以鍋爐的高溫、高壓條件有利于沉淀物的形成。

1.2 蒸汽發生器內的物理變化過程

結晶過程：蒸汽發生器中的水溶液在過飽和狀態時其狀態不穩定，當蒸汽發生器中的水在高溫沸騰時會打破水溶液過飽和度，而導致局部形成初級結晶體現象，以該局部初級結晶體為結晶核心，使水中很多鈣、鎂等離子快速匯集到該結晶體上，導致結晶體長大成大顆粒。隨著蒸汽發生器內加熱面溫度不斷升高，附著在加熱面的氣泡離開受熱面時，水中鈣鎂結晶物就會殘留在金屬受熱面形成沉淀物。引起金屬受熱面受熱溫度不均勻，導致金屬受熱面存在電壓差。達到結晶核的條件，致使膠體向其表面聚集，而加速水垢的形成。

1.3 蒸汽發生器水垢的形成

蒸汽發生器中的沉淀物主要有兩種形態，分別為水垢和水渣。水垢的形成與水質密切相關，不同水質條件，水垢形成速度也不一致。并且水垢為堅硬的結晶體附著在蒸汽發生器金屬面，影響受熱面受熱均勻性和導熱性。而水渣是存在于蒸汽發生器中的水的懸浮物，并且可以通過排污的方式排出。由此我們可設法讓蒸汽發生器中水生成的沉淀物為水渣，通過排污方式排查出[2]。

2 蒸汽發生器結水垢的失效分析

結有水垢的蒸汽發生器容易出現水冷壁熱、管道變形事故等。因為水垢傳熱性差，水垢的導熱系數在0.05～0.7(kw/m?h?℃)范圍，管道的導熱系數在30～50(kw/m?h?℃)范圍，管道的導熱系數比水垢的導熱系數大70 倍～1000 倍，因此，水垢的熱阻比管道的熱阻大70 倍～1000 倍[3]。熱阻越大，導熱性就越差。鍋爐受熱面上結了水垢，導致加熱棒表面熱阻增大，加熱棒產生的熱量不能迅速傳給蒸汽發生器中的水，加熱棒的表面溫度也不斷升高過熱，強度降低，最終導致發生變形、鼓包、爆裂等現象。下面介紹三種典型失效模式。

2.1 加熱器結垢腐蝕，設備短路跳閘

蒸汽清洗設備運行一段時間后出現上電短路跳閘的現象，進一步排查發現螺紋加熱器表面有嚴重的腐蝕銹渣，電氣強度與絕緣電阻異常。將加熱管豎直切割，鑲樣、研磨、拋光在金相顯微鏡下觀察，發現加熱管外壁出現不同程度的腐蝕凹坑，個別位置的腐蝕孔洞幾乎已貫穿加熱管壁厚，加熱管材料異常防腐性能下降，即用戶使用了未經處理的水源，Cl-濃度偏高，在長期高溫的使用環境下加速了加熱管管壁的腐蝕，出現腐蝕孔洞，外部介質進入加熱管內部，使螺紋加熱器電氣安全性能失效，從而出現短路，加熱器結垢失效圖如圖1 所示。

圖1 加熱器結垢失效圖片

2.2 蒸汽發生器內液位傳感器結垢報警

為確保蒸汽清洗設備安全使用，會在設備內增加液位傳感器進行保護和邏輯控制。如果使用自來水進行加熱清洗，通過實驗驗證在設備運行7 天后出現液位傳感報警異常。進一步排查分析發現是液位傳感器上面結了水垢，水垢電阻大，導致電極棒導電回路斷路，電信號無導通，無法有效監測水位，導致出現故障報警。對液位傳感器除垢后重裝進去故障可消除。

2.3 降低傳熱效率

蒸汽發生器受熱面的水是通過管壁從高溫蒸氣中吸收熱量而被加熱蒸發。干凈的管壁傳熱比較快，水吸收的熱量也就多，容易沸騰蒸發。反之，被水垢沾污了的管壁，由于水垢熱阻大，受熱面的管壁的吸熱量比較少，為干凈受熱面的1/70 左右，這樣會減少水的吸熱，降低鍋爐的傳熱效率并增加能耗。

3 蒸汽機結垢措施研究

3.1 增加軟化水裝置技術方案

增加軟化水裝置，提前將水中的Ca2+、Mg2+（形成水垢的主要成分）置換出來，預防結垢問題。通過對不同水處理模塊進行研究對比，離子交換樹脂水處理模塊和樹脂水處理模塊處理后的水進行鈣鎂離子檢測劑測試和硬度測試均滿足要求[4]。另外，水處理模塊還可分為內置型和外置型，可根據產品結構和定位選擇裝配位置，水處理模塊后水測試情況如圖2 所示。

圖2 水處理模塊后水測試情況

3.2 除垢技術方案驗證

對已經形成水垢的去除方法有物理除垢法、化學除垢法兩種。其中，物理除垢是指對結了水垢的物體采用鋼刷、鏟子等工具對水垢進行清理，通過力學進行去除。但是對密封性結構的蒸汽清洗產品不適用?；瘜W除垢方法是采用化學除垢劑進行處理，是目前行業比較成熟的方法。下面對該方案進行對比研究。

（1）醋酸除垢：采用醋酸浸泡結構加熱器進行驗證，浸泡1 天發現無法有效除垢，具體如圖3 所示。

圖3 醋酸除垢實物圖

（2）電磁除垢儀：裝配蒸汽清洗設備進行測試，測試3周無效果。

（3）除垢粉除垢：將除垢粉與自來水按1:8 進行調配，加入結垢嚴重的蒸汽發生器內和浸泡厚垢加熱管。溶液與水垢進行接觸后瞬間反應，在經過整機4 個小時的浸泡后，明顯的有水垢掉落清除的現象，除垢效果明顯有效。測試結論：除垢劑能有效的去除鍋爐及電加熱器上的水垢，具體如圖4 所示。

圖4 除垢粉除垢圖片

3.3 增加設備系統自動清洗功能

含有鈣成分的水垢在經過腐蝕后，會有其他雜質腐蝕不了或者其他的殘余，導致可能存在管路被堵住的情況，因整機連續使用周期時間過長且結水垢比較明顯，為避免脫落水垢堵塞問題，設備在使用上需定期進行除垢排污。為避免用戶遺忘，設計程序增加定期清洗提醒功能提醒除垢排污。在蒸汽清洗設備累計工作到一定時間（N 推薦為30 天，具體以不同設備驗證為準）后蒸汽機能自動提醒清洗，并由用戶選擇性對設備進行內部自動清洗。

4 結束語

在蒸汽發生器內部，水經過燃燒產生蒸汽并排出后內部會形成大量的水垢，而水垢的形成是經過多種物理化學反應。先是蒸汽發生器中水經過加熱揮發為水蒸汽，再經過濃縮結晶等物理化學變化，最終導致蒸汽發生器產生沉淀物，形成水垢。本文針對蒸汽清洗設備結垢機理以及結垢失效進行分析，最后通過實驗研究總結出蒸汽設備結垢可以通過軟化水處理、化學除垢技術、設備清洗功能程序設計等措施進行整改預防。