Korrosjon i varme - og kjøleanlegg

Transkript

1 Korrosjon i varme - og kjøleanlegg Korrosjon kan enkelt uttrykkes som en nedbrytning eller forandring av ett materiale på grunn av faktorer i dets omgivelse. Den vanligst forekommende væsken i våre kjøle- og varmesystemer utgjøres av vann eller vannbaserte løsninger, som f.eks. glykoler eller salter. De fleste korrosjonsproblemer er således relatert til vann. Gjennom endrede forutsetninger og driftsforhold i kjøle- og varmesystemene har korrosjonsproblemene økt i utbredelse de siste årene. Den utløsende faktoren er hovedsakelig overgangen til lavtemperatursystemer og lukkede ekspansjonstanker. Lavere temperatur og høyere trykk i systemvannet medfører at større mengder oksygen bindes i væsken. Dette fører til økede korrosjonsangrep på rørvegger og metalldeler i anleggene. Den kjemiske reaksjonen mellom jern og oksygen danner svartrust (magnetitt), som følger med systemvæsken og gir skader på ventiler, pumpehjul, akslinger og tetninger gjennom slipevirkning. I kjølesystemer med glykolvann eller andre kjøleoverføringsmidler tilkommer ytterligere komponenter som har betydning for hendelsesforløpet og funksjonen i anlegget. Disse komponenter brytes ned av oksygenet og skaper en aggressiv væske og kan dessuten danne krystalldannelser, som fester seg på de varmeutvekslende overflatene. Foruten korrosjonsproblemer skapes da også en væske som ikke gir ønsket frostbeskyttelse. Hvor kommer oksygenet (luften) fra? Oksygenet kommer hovedsakelig fra vannet som fylles på eller via lekkasjer. Kommunalt drikkevann tilsettes oksygen for å være friskt og velsmakende. Vann ved atmosfærisk trykk og 10 C kan inneholde opptil drøyt 20 ml luft per liter vann. Kommunalt drikkevann med typisk trykk på 4 bar kan ved 10 C inneholde drøyt 110 ml luft per liter. Dette betyr at vannet kan inneholde opptil 10% gasser. Dersom vannet i tillegg inneholder kullsyre, (som ikke er uvanlig i drikkevann), så kan innholdet av gasser være enda høyere.

2 Luftproblenene vises i følgende graf. Mens nitrogen forårsaker bobleproblem kan det løste oksygenet føre til korrosjon Under den første påfyllingen av systemet tar vannet opp luft fra omgivelsene. Luften består av 78% nitrogen og 21% oksygen samt 1% sporgasser. Ca. 22,1 ml/l luft og små mengder karbondioksid (CO2), trenger inn i systemet i løst form. Luft kan også komme inn i systemet gjennom vanlig benyttede plast- eller gummimaterialer eller via undertrykk. Nitrogengass bygges opp som en inert gass etter første påfylling av systemet og under drift. Dette forårsakes ofte av at det finnes innestengt luft som løses med økende trykk. Det er blitt målt opp til 40ml/l i systemer, noe som er 3 ganger høyere enn den naturlige konsentrasjonen. Dette overskrider løseligheten i vannet under oppvarmingsfasen. Resultatet blir frie nitrogenbobler, som er en av hovedårsakene til klassiske "luftproblemer". Oksygen er en meget reaktiv gass. I systemer med en høy andel stål reduseres oksygeninnholdet som følge av korrosjon fra 7,8 mg/l til 0,07 mg/l på noen få timer etter påfyllingen. Dette tilsvarer grenseverdien for korrosjon på 0,1 mg/l og er et tydelig tegn på oksygenets farlige egenskaper. Andre gasser, f.eks. metan (CH4) eller hydrohen (H2) oppdages stadig oftere. Ulike materialer kan sammen med korrosjonshemmer lede til dannelse av slike gasser og til korrosjon. Korrosjonens elektrokjemiske natur Metallers korrosjon i vann og fuktig miljø er et elektrokjemisk fenomen. Korrosjonen skapes av galvaniske celler. Et velkjent eksempel på en galvanisk celle er ett vanlig tørrbatteri. I tørrbatteriet utgjøres anoden eller -polen av sink, katoden eller +polen utgjøres av en kullstav. Opphører -polen eller +polen å fungere slutter batteriet å avgi strøm. I den galvaniske cellen jern - kobber utgjør jernet anode og går i løsning gjennom anodeprosessen under dannelse av jernioner og elektroner. Elektronene passerer gjennom den metalliske delen av cellen til katoden, som i dette tilfellet utgjøres av kobber. Der strømmen forlater anoden ruster det. Det uedlere metallet blir alltid anode og det edlere katode. Andre korrosjonsformer Dersom et metall senkes ned i en vannløsning med varierende innhold av løst oksygen, blir den delen som er i kontakt med det oksygenrike vannet katode og den delen som er i kontakt med i kontakt med det oksygen fattigere vannet anode. Man snakker da om en luftningscelle. Et typisk eksempel på dette har man i vannlinje korrosjon på en båt der katoden befinner seg i det oksygenrike vannet, mens angrepet skjer rett under vannlinjen der anoden dannes.

3 Hit hører også spaltekorrosjon, der angrepet foregår inne i den oksygenfattige spalten samt avleiringskorrosjon, der anoden og angrepet dannes under selve avleiringen, der oksygenproduksjonen er begrenset. Ved grop etsning utvikles anoden i en punkt i metallet mens den omliggende overflaten blir katode. Ettersom anodeoverflaten er mye mindre enn katodeoverflaten blir angrepet desto intensivere. Oksygenforbrukende og hydrogengassutviklende korrosjon Den oksygengassforbrukende korrosjonen i vannvarmesystemer skjer gjennom en anodeprosess og en katodeprosess. Den drivende kraften for jernets oksygen forbrukende korrosjon kan sies å motsvare ca. 1, 3 V ved ph 7. Primært kan korrosjonsproduktet anses å være Fe(OH)2, jern(ii)hydroksid. Ved litt oksygenoverskudd dannes svartrust eller magnetitt, ved stort oksygenoverskudd dannes rødrust. Ved stort oksygenoverskudd blir vannet dermed rustfarget mens det ved litt oksygenoverskudd forblir klart med noe innhold av sorte magnetitt partikler. Selv i et helt tett varmesystem uten noen form for oksygentilførsel foregår det korrosjon av jern. Den drivende kraften for jernets hydrogengassutviklende korrosjon i vannløsninger tilsvarer kun noen hundredels volt. Dette betyr imidlertid ikke at denne korrosjonsmekanismen kan ses bort fra sammenlignet med den oksygen forbrukende korrosjonen. Mens denne hemmes av a) lav oksygengehalt i vannet og b) lav diffusjonshastighet for oksygenet, kan den hydrogengassutviklende korrosjonen foregå helt uten slike hemninger ettersom vannet alltid finnes i stort overskudd og i umiddelbar kontakt med ståloverflaten. Også ved den hydrogengassutviklende korrosjonen kan primærproduktet anses å være Fe(OH)2, mens sluttproduktet blir svartrust. I gunstige tilfeller dannes et tett og beskyttende magnetittsjikt. Hele varmesystemteknikken bygger på forutsetningen at det dannes tette og beskyttende sjikt av magnetitt. Temperaturens innvirkning på korrosjon i varmesystemer For åpne systemer finner vi først en økning av korrosjonshastigheten ved økning av temperaturen opp til ca. 80 C, hvoretter den avtar. Dette kommer av vannets viskositet. Ved temperaturer som nærmer seg vannets kokepunkt kokes oksygenet ut av vannet. I helt lukkede systemer der trykket øker med temperaturen og det løste oksygenet dermed ikke drives ut og forblir i løsning i vannet, finner vi derimot en kontinuerlig økende korrosjonshastighet ved økning av temperaturen, også over 100C. Korrosjon i vannvarmesystemer skaper flere ugunstige effekter: Slamdannelse og tilstopping Vannskader Belegg av korrosjonsprodukter på varmeoverførende overflater, Slitasje på sirkulationspumper, Gassutvikling og redusert sirkulasjon. Nedbrytning av kjølemiddel (glykoler osv.)

4 Tegn på korrosjon - Sort eller rødbrun væske i radiatorsystemer, kjølesystemer og varmegjenvinningssystemer - Hyppig mating av spevann - Hyppig behov for lufting av radiatorer og rørsystemer - Tette ventiler, termostater og rørsystemer - Problem med sirkulasjonspumper - Lekkasje i pumpetetninger, ventiler og anslutninger - Skumdannelse og misfarging av systemvæsken - Belgen i lukkede ekspansjonstanker kan ikke å prøve trykke - Det går ikke å få ut nødvendig kjøling/varme ved toppbelastning - Problem med innregulering av flow - Dårlig varmegjenvinningsgrad - Redusert frostbeskyttelse i kuldebæresystem Typiske skader som følge av korrosjon - Lekkasje på rørsystem og anslutninger - Pumpehavarier - Tette ventiler og termostater - Økt slitasje på systemkomponenter - Dårligere virkningsgrad

5 TILTAK Tiltak kan bestå av å foreta en endring i selve det metalliske materialet, av en endring i korrosjonsmediet eller av en endring av grenseoverflaten mellom metallet og korrosjonsmediet. En endring av metallet kan innebære bedre konstruktiv utforming, valg av et annet materiale liksom egnet varmebehandling av det metalliske materialet. En endring av korrosjonsmediet kan enten bestå av fjerning av korrosive bestanddeler, f.eks. oksygen og klorider, eller i en tilsats av korrosjonsinhibitorer til vannet. ANBEFALTE GRENSEVERDIER For vannanalyser anbefales følgende grenseverdier innhold Konduktivitet Oppfølging av avvik fra normalnivå. Dette varierer fra anlegg til anlegg avhengig av fødevannet. Parameter Anbefalt område Konsekvens ved avvik fra grenseverdi ph- verdi ph < 9: Oksygen korrosjon på stålet øker ph > 10: korrosjon på kobber og messing øker. Det samme er tilfelle med stålets evne til spenningskorrosjon ph-verdien er mål på vannets innhold av hydrogenioner (H + ) og angis på en skala fra En phverdi på 7 indikerer nøytralt vann, mens ph-verdier under 7 er sure og ph-verdier over 7 er basiske. Vann med lav ph-verdi kan virke tærende på metall. Utseende Utseende på vannet skal være blankt, evt. lett strågult om det er tilsatt inhibitor. Kjølevæsker er som regel tilsatt farge, og avvik i fargen vil indikere tilstand, (leverandørspesifikt). Svarte eller brune partikler tilsier korrosjon. Hvitt/grått bunnfall/belegg tilsier kalkholdige produkter. Total hardhet Direkte kobling < 0,5 dh Indirekte kobling < 0,8 dh Hardheten måles i dh. 0 2 = bløtt. 2 4 = middels bløtt. 4 7 = middels hardt = hardt. >10 = meget hardt Høy hardhet kan forårsake kjelsten. Hardhet skyldes innhold av magnesium og/eller kalsium. Innholdet varierer fra vannverk til vannverk og det er etter hvert blitt vanlig å tilsette kalk i drikkevannet for å hindre korrosjon på rør. Konsekvenser er at hardheten blir høyere. Oksygen < 0,02 mg/l (eller <2%) Oksygenet forårsaker korrosjon i sirkulasjonssystemer Økning i konduktiviteten øker risikoen for korrosjon i oksygenrikt vann. Konduktiviteten (ledningsevnen) er et mål på stoffets evne til å lede elektrisk strøm. I metaller går den elektriske strømmen gjennom elektroner, menns den i vann går gjennom ladede ioner. Ledningsevnen bestemmes av antall ladede ioner, hvor hurtig de beveger seg og hvor stor ladning hvert enkelt ion har. I vandige løsninger får man høyere ledningsevne jo høyere konsentrasjoner av oppløste salter man måler. Høyere konsentrasjon av salter leder til større mengder ioner, som gir høyere ledningsevne, (konduktivitet).

6 Parameter Anbefalt område Konsekvens ved avvik fra grenseverdi Totalt jerninnhold < 0,2 mg/l Forhøyede verdier som følge av korrosjon i systemet Totalt kobberinnhold < 0,2 mg/l Forhøyede verdier som følge av korrosjon i systemet Totalt oljeinnhold < 1 mg/l Forårsaker avleiringer som hindrer varmeoverføring Suspendert stoff < 0,5 mg/l Suspendert stoff kan forårsake erosjon, tetningsproblemer og redusere utstyrets holdbarhet. Klorider < 0,1 mg/l Klorider forårsaker at vannet blir aggressivt og skaper således korrosjon. Kloridinnholdet gir oss indikasjon på om det er salter i vannet. Salter kan enten felle ut som belegg eller bidra til korrosjon. Silisium < 0,1 mg/l Kommer fra tilsetting av vannglass i vannverkene for å hindre korrosjon i vannrør. Ugunstig for varmeoverførende flater Alkalitet Øker ved tilsats av kjemikalier,(inhibitorer osv.) Alkaliteten er vannets evne til å nøytralisere sterk syre ved en bestemt ph-verdi, og er definert som vannets innhold av negative ioner med base egenskaper. Alkaliteten sier oss noe om hvor stabil ph-verdien er Turbiditet < 4 Ftu Turbiditeten er et mål på partikkel innholdet i væsken