Problem pga innvendig korrosjon

Transkript

1 1-27/08/2003 KORROSJONSKONTROLL Stein W. Østerhus Sementbaserte materialer Mest aktuelle rørmaterialer jernbaserte materialer Typisk norsk vannkvalitet Kobber Overflatevann: Lav ph, lav alkalitet og lavt kalsium innhold, samt humusholdig og saltfattig. Grunnvann: Lav ph og høyt CO 2 -innhold. Saltinnhold, samt kalsium, jern og mangan kan variere en del. Som oftest korrosivt overfor de fleste rørmaterialene som benyttes. 2-27/08/2003 Formål med korrosjonskontroll Typiske ledningsmaterialer Redusere problemer med forringelse av vannkvaliteten på nettet. Øke rørenes levetid. Forenkle driften av ledningsnettet og redusere kostnadene forbundet med den. Jern baserte grått støpejern, duktilt støpejern og stål Sement baserte Betongrør, asbestsementrør, sementmørtelforede støpejernsrør (portland-, slagg-, flygeaske- og aluminatsement) Ulike plast materialer Kobber Andre 3-27/08/ /08/2003

2 5-27/08/2003 Materials in the distribution system Corrosion of water distribution systems Ductile cast iron Grey cast iron Cement mortar lining Copper Other (asbestos cement, concrete, galvanized steel, plastic, etc) Many different materials in the distribution system Different pipe ages Variable flow conditions (stagnant flow) Variable water quality Bacterial growth Deposits 6-27/08/2003 Problems caused by internal corrosion Deterioration of the water quality Cu, heavy metals, Fe, turbidity, ph, etc. High costs Reduced lifetime of the distribution system High maintenance and repair costs Increased operational costs Problem pga innvendig korrosjon Redusert levetid for ledningsnettet. Økt utskiftningstempo av ledninger, mer lekkasjer, redusert kapasitet, osv. Økte driftskostnader, driftsforstyrrelser, osv. Vannkvalitetsforringelse. Drikkevannsforskriften tilfredsstilles ikke (f.eks. mhp jern, ph, turbiditet, osv). Helsemessig betenkelig vann (høye konsentrasjoner av tungmetaller, kobber, aluminium, osv). Bruksmessige ulemper (brunt vann, dårlig lukt og smak). Høye tungmetallkonsentrasjoner i kloakkslam. 7-27/08/ /08/2003

3 9-27/08/2003 Korrosjon/nedbrytning Metallisk korrosjon (elektrokjemiske reaksjoner) Oksydasjon (anodereaksjon): Me = Me n+ + ne - Reduksjon (katodereaksjon): O 2 + H 2 O + 4e - = 4OH - eller reduksjon av f.eks. Klor, H +, Cu 2+, Fe 3+, osv Sekundærreaksjoner Dannelse korrosjonsbeskyttende belegg: f.eks. CaCO 3, FeCO 3, Fe 3 O 4, Cu 2 O, CuO, Fe/Ca/Siforbindelser Utfelling av andre forbindelser: f.eks. FeOOH, Andre reaksjoner: f.eks. oksydasjon, reduksjon, kompleksdannelse, oppløsningsreaksjoner, osv Andre oppløsningsreaksjoner Utvasking av sementbaserte materialer Valg av prosess Ledningsnettet Hvilke materialer består ledningsnettet av og hvilke ønsker en primært å beskytte? Hvilke vannhastigheter og oppholdstider har man på nettet? Ønsker man primært å opprettholde vannkvalitet eller øke levetid? Råvannskvalitet ph, alkalitet, kalsium og evt humus Overflatevann eller grunnvann Annen vannbehandling Humusfjerning Lufting, jern- eller manganfjerning Desinfeksjon 10-27/08/2003 Eksempler på anbefalt vannkvalitet Drikkevannsforskriften ph= , alkalitet= mmol/l, mg Ca/l Material spesifikk anbefaling Fe: Høy bufferkapasitet (ph<7.5 og høy TIC) DFI >0.5 (relativt høy ph, alkalitet og Ca) Cu: Høy ph og lavt CO 2 -innhold (og lav TIC) Sement baserte material: Høy ph, alkalitet og Ca Material spesifikk optimal vannkvalitet (Svensk anbefaling) Fe: Høyt CO 2 -innhold (lav ph og høy TIC) Ved svært lav alkalitet: høy Ca og ph Cu: Lavt CO 2 -innhold og høy Ca (dvs høy ph og lav TIC) Hvilken vannkvalitet bør velges? I henhold til drikkevannsforskriften? Kompromiss mhp material spesifikk anbefaling? Dvs høy ph med DFI>0.5 (høy ph og relativt høy alkalitet og Ca). Optimal vannkvalitet mhp bestemte material? Beskyttelse av Fe eller Cu? Beskyttelse av Fe og Cu: svært lav alkalitet ( mmol/l) og høy ph (>8.5-9) og høy Ca (80 mg/l). Dette gir imidlertid en lite stabil vannkvalitet som er vanskelig å oppnå). Bruk av korrosjonsinhibitor? F.eks vannglass. VALG? Karbonatisering?? Kompromiss kvalitet?? Vannglass?? Avhengig av material i ledningsnettet og behov for korrosjonskontroll. God vannkvalitet for alle vanlige ledningsmaterial er vanskelig å oppnå. Fortsatt mangelfull kunnskap om effekt av vannkvalitet /08/ /08/2003

4 13-27/08/2003 Innvendig korrosjonsbeskyttelse Korrosjonsbeskyttende belegg. Sementmørtelforing, epoxy, ulike polymer og plast materialer, osv Vannbehandling for korrosjonskontroll. Justere ph, kalsium og alkalitet (karbonatisering). Tilsette korrosjonsinhibitor. Metoder for korrosjonskontroll Manipulere med karbonatsystemet, dvs ph, alkalitet og kalsium karbonatisere (f.eks. CO 2 + marmorfilter, kalk + CO 2, mikronisert marmor + CO 2 + lut) ph-justere (f.eks. Lut, kalk eller soda) Dosere korrosjonsinhibitor Vannglass 14-27/08/2003 Korrosjonskontroll i drikkevann Karbonatisering eller Vannglass dosering (silikat) Effekt på jern, kobber og sement Effekt av og på vannkvalitet Dose og prosess optimalisering Prosesser for korrosjonskontroll Nye prosesser og kjemikalier Prosess optimalisering Kombinert NOM-fjerning og korrosjonskontroll Ca-holdig koagulant, koagulant+caco 3 -slurry, koagulant+caco 3 -filter, osv. Nye prosesser og kjemikalier Prosess optimalisering Aktuelle prosesser for korrosjonskontroll Kalk + CO 2 Marmorfilter + CO 2 (+ lut) Mikronisert marmor + CO 2 + lut Vannglass Andre ph-justering (f.eks. Lut) ph- og alkalitetsjustering (f.eks. Soda) 15-27/08/ /08/2003

5 17-27/08/2003 Marmor + CO 2 + lut CaCO 3 -filter + CO 2 +NaOH CO 2 added (before filter) to achieve desired Ca-concentration. EBCT of min normally required Effluent ph adjusted with NaOH Design considerations: up-flow/down flow, grain size, EBCT, desired effluent quality, etc. Klor CO 2 Klorkontakt NaOH CaCO 3 filter basseng 18-27/08/2003 Mikronisert marmor + CO 2 + lut Coagulation/direct filtration + CaCO 3 -slurry Samme kjemiske prosessene som i et CaCO 3 -filter. Anbefales normalt ikke uten etterfølgende koagulering og separasjon pga fare for høy turbiditet i rentvannet. Krever lang oppholdstid og/eller høy CO 2 - og lut-dose for å gi tilfredsstillende vannkvalitet uten etterfølgende koagulering. Oppløsningshastighet vs oppholdstid og ønsket rentvannskvalitet vs mulig rentvannskvalitet bør vurderes nøy før denne prosessen evt velges. CaCO 3 -slurry, CO 2 and coagulant added before filter Effluent ph adjusted with NaOH CaCO 3 -slurry to reach desired Ca-concentration CO 2 to achieve desired coagulation ph Important design/operation considerations: required CO 2 dose to reach coagulation ph 19-27/08/ /08/2003

6 21-27/08/2003 Coagulation/direct filtration on CaCO 3 -filter 2M sandfilter on top of CaCO 3 -filter Coagulant before filter Effluent ph adjusted with NaOH A coagulant containing acid is preferred Fe-coagulant normally preferred Important design/operation considerations: Acid containing coagulant vs. CO 2 Possible problems with residual coagulant Hva er vannglass Vesentlig ringformede polymerer av natrium silikat (Na 2 O * nsio 2 ) med forskjellige Na 2 O:SiO 2 -forhold. Ved tilsetning til vann danner de polymere forbindelsene monomerer (f.eks. Na 4 SiO 4, H 4 SiO 4, evt ulike silikat ioner). H 4 SiO 4 dissosierer i liten grad ved normal ph. Silikatenes kjemiske formel er imidlertid dårlig kjent. En har lite kunnskap om silikat kjemien. Vannglass er basisk /08/2003 Hvordan virker vannglass Eksempler på reaksjoner med vannglass Kan kompleksbinde metall ion (f.eks. Fe 2+, Mn 2+, osv) slik at oksydasjon av disse unngås og misfarget vann og turbiditets problemer ikke oppstår. Reagere med belegg (metall oksyder) og danne løslige forbindelser slik at f.eks. gammel rust fjernes. Silikat reagerer med korrosjonsprodukter og/eller kalsium og danner en korrosjonsbeskyttende film av metall-silikat. Filmen er selvbegrensende, dvs at den ikke bygger seg opp i tykke lag, og at det er nødvendig med en vedlikeholds dose for å opprettholde beskyttelsen. Fe 2+ + Si(OH) 4 = FeOSi(OH) 3+ + H + Mn 2+ + Si(OH) 4 = MnOSi(OH) 3+ + H + Me OH Me O + Si(OH) 4 = O O Si OH Me OH Me O OH 23-27/08/ /08/2003

7 25-27/08/2003 Generelt : Internasjonale erfaringer med vannglass Korrosjonsbeskyttelsen som oppnås skyldes ph-økning og dannelse av beskyttende belegg. God beskyttelse er oppnådd i mange forskjellige vannkvaliteter med doser på 4-30 mg SiO 2 /l. Mest effektiv i surt og bløtt vann. Høy konsentrasjon av hardhet, klorid, DS eller høy temperatur krever høyere SiO 2 dose. Fosfat-, fosfat/silikat, o.l. er mer effektive enn silikat alene. Lite kunnskap om beskyttelses mekanismene til silikat. Dårlig effekt har forekommet i noen tilfeller. Undersøkelser bør derfor gjennomføres i hvert enkelt tilfelle. Kobber : Internasjonale erfaringer med vannglass Mye brukt med god effekt i varmtvannssystem. God effekt også i kaldtvannssystem. Disse gode effektene skyldes antaglig økning i ph. Uenighet om silikat reduserer risikoen for pitting. Jern : Svært effektiv til å løse brunt vann problemer og til å fjerne belegg. Korrosjonsbeskyttelsen forårsakes av ph-økning og dannelse av beskyttende jern-silikat belegg. Uenighet om belegget som dannes gir særlig beskyttelse. Effekten forbedres vesentlig ved å inkludere fosfat eller zink /08/2003 Norske erfaringer Vannglass Stabiliserer ph ute på nettet. Ved å tilføre base samt beskytte mot korrosjon. Løser opp rustknoller i ledninger og på ventiler. Reduserer tungmetallinnholdet i vannet (f.eks. Cu, Al). Ved å beskytte husinstallasjoner og ledninger mot korrosjon. Fjerner/reduserer belegg og biofilm fra ledningene. Fjerner/reduserer rødt vann problemer. Reduserer behovet for spyling og pluggkjøring. Lite dokumentasjon på effekt på korrosjonshastighet. Bortsett fra Orkdal, Skullerud og NFR-prosjekt. I enkelte tilfeller har det vært problemer med at slam og korrosjonsprodukter løsner i for store mengder slik at vannkvaliteten blir dårlig (pga for høye silikatdoser). Klor Klorkontakt basseng Vannglass 27-27/08/ /08/2003