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天然水中溶解有各種鹽類，如重碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物、矽酸鹽等，其中以溶解的重碳酸鹽如Ca (HCO3)2和Mg (HCO3) 2最不穩定，受熱容易分解生成碳酸鹽。因此，如果使用重碳酸鹽含量較多的水作為循環水，隨着水溫的升高會發生下列反應:Ca(HCO3)2→CaCO3↓+H20+CO2↑

如果水中有磷酸鹽時，將會生成磷酸鈣, 2P043-+3Ca2+→Ca3(P04)2

上述反應中生成的碳酸鈣和磷酸鈣均屬微溶性鹽，同時它們的溶解度隨着溫度的升高而降低，因此這些微溶性鹽很容易達到過飽和狀態並由水中結晶析出。當循環水流速較小或換熱面較粗糙時，這些結晶沉澱物就容易沉積在傳熱表面上。此外水中溶解的硫酸鈣、矽酸鈣、矽酸鎂等,當其離子濃度的乘積超過其本身溶度積時，也會生成沉澱，沉積在管道和換熱面上。

垢的產生會引起水冷設備換熱效率下降，管線的阻力增大，導致循環水量減少或換熱管的堵塞等。

敞開式循環冷卻水系統中影響結垢的主要因素是冷卻水pH、Ca2+、 總鹼度、水溫、換熱器表面溫度、表面狀態等。

鰲合增溶作用：水溶性的阻垢分散劑分子能與水中離子形成鰲合物(如EDAT可與Ca2+、Mg2+形成鰲合物)，而這種鰲合物往往是可溶於水的而提高了冷卻水中Ca2+、Mg2+離子的允許濃度, 相對來說就增大了鈣、鎂鹽的溶解度。例如CaSO4在25℃時的正常溶解度為2100mg/L,當加入微量的ATMP後，其水溶液含有6500 mg/L的CaSO4, 仍不產生沉澱。 

凝聚與隨後的分散作用:對於聚羧酸鹽類聚合物阻垢劑，在水溶液中解離生成的陰離子在與CaCO3微晶碰撞時，會發生物理化學吸附現象而使微晶表面形成雙電層。聚羧酸鹽的鏈狀結構可吸附多個相同電荷的微晶，它們之間的靜電斥力可阻止微晶的相互碰撞，從而避免了大晶體的形成。在吸附產物又碰到其它聚梭酸鹽離子時，會把已吸附的晶體轉移過去，出現晶粒的均勻分散現象。從而阻礙晶粒間及晶粒與金屬表面間的碰撞,減少溶液中的晶核數，進而將CaCO3穩定在水溶液中。 

晶格畸變作用:水垢CaCO3微晶成長過程中，抑制劑被吸附在結晶成長格子中，此吸附作用會改變結晶正常形態，而阻礙其成長為較大晶體。由於晶格中吸附有阻垢分散劑分子，大大破壞了結晶的規整性，使結晶的晶格變形，導致水垢結晶的強度降低，變得較為鬆散而易被水流沖刷，使水垢從傳熱表面剝落。

閾值效應:在水中投加幾種阻垢劑(數量級為每升數毫克)可將，比按化學計量比高得多的鈣離子穩定在水中。一般認為產生這一現象的原因在於阻垢劑的陰離子和金屬陽離子的螯合作用並非按化學計量比而進行。而有些人則認為是由於CaCO3微晶吸附上阻垢劑後可抑制CaCO3晶體的析出。

由於碳鋼在冷卻水接觸過程中，會形成許多微小的腐蝕電池，從而受到腐蝕，其反應如下:

按保護膜的類型可分為兩種理論，即吸附理論和成膜理論。