Žárově pozinkované ocelové potrubí a koroze
V posledních letech se na stavbách vyskytují poruchy (převážně důlková koroze) na ocelovém pozinkovaném potrubí. Zřejmě se vytratila historická paměť. Obdobná situace byla v letech 1960–1970. Na základě poruch vnitřních vodovodů z ocelových pozinkovaných trubek důlkovou korozí byla tehdy přijímána různá technická opatření.
1 Úvod
V posledních letech se na stavbách vyskytují poruchy (převážně důlková koroze) na ocelovém pozinkovaném potrubí. Zřejmě se vytratila historická paměť. Obdobná situace byla v letech 1960–1970. Na základě poruch vnitřních vodovodů z ocelových pozinkovaných důlkovou korozí byla tehdy přijímána různá technická opatření:
- zvětšování průřezu potrubí (snížení rychlosti vody) proti vypočtené hodnotě o 1 stupeň
- snížení výstupní teploty na ohřívačích na 55 °C
- úprava vody před jejím ohřátím
Popsaná řešení způsobují problémy v oblasti mikrobiologického rizika v rozvodech vody. Omezování mikrobiologického rizika se dnes věnuje až přehnaná pozornost. Rozvoj biologických společenství v rozvodech vody probíhal vždycky. Voda ve vnitřních vodovodech nikdy nebyla a ani v budoucnu nebude sterilní. V dobách menší mobility obyvatelstva a horších možností zdravotnictví (legionelózy byly patrně připisovány jiným plicním onemocněním, transplantace se neprováděly) byly usazené populace navyklé na „své“ mikroorganismy. Problém mikrobiologie není předmětem této statě přesto, že může přispívat k průběhu koroze.
Podle počtu poruch na rozvodech vody provedených z různých důvodů z ocelového žárově pozinkovaného potrubí v současné době se zdá, že projektanti, investoři a dodavatelé přestali vnímat podmínky a rizika spojená s navrhováním ocelového žárově pozinkovaného potrubí. Bylo by zajímavé zjistit, co vede investory k použití ocelového žárově pozinkovaného potrubí ve stavbách. Náklady na potrubí nepřesahují 1 % celkových nákladů stavby, přičemž rozdíl v nákladech mezi nerezovým potrubím a potrubím PP (při optimálně dimenzovaných rozvodech vody) nepřesahuje 0,02 % celkových nákladů stavby. Výměna potrubí vnitřního vodovodu z ocelových pozinkovaných trub dokonce v záruční době ukazuje, že kvalitnější materiál potrubí by byl v konečném důsledku levnější.
2 Historický exkurs
V roce 1742 popsal francouzský chemik Paul Jacques Malouin způsob, jak vytvořit ochrannou zinkovou vrstvu na železném povrchu jeho ponořením do roztaveného zinku. Skoro o sto let později (v roce 1836) jiný francouzský chemik Stanislas Sorel získal patent na žárové zinkování. Žárové zinkování je způsob pokovování, při kterém se pokrývají železné, ocelové nebo hliníkové výrobky tenkou vrstvou zinku průchodem lázní roztaveného zinku při teplotě 460 °C. Při styku se vzduchem reaguje čistý zinek s kyslíkem a vytváří ZnO, který dále reaguje s kysličníkem uhličitým a vytváří ZnCO3. Tento uhličitan je šedý, dosti pevný materiál, který v mnoha případech zabraňuje další korozi zinkem pokrytému materiálu. [1]
Mohlo by se zdát, že po skoro 180 letech žárového zinkování je výsledný produkt natolik znám, že technickou veřejnost nemůže nic překvapit. Ocelové pozinkované potrubí se začalo používat koncem 19. století a v masovém měřítku se u nás navrhovalo do staveb až do 90. let minulého století. Do šedesátých let se používalo ocelové pozinkované potrubí zejména pro rozvody studené vody. Rozvody teplé vody byly převážně menšího rozsahu, teplá voda byla k dispozici jen několik dní v týdnu. V 60. letech začala hromadná panelová výstavba a rozvody tepla a teplé vody byly navrhovány z centrálních výměníkových stanic nebo kotelen většinou s nepřetržitou obsluhou. Pro ohřívání vody se využívaly velkoobjemové zásobníkové ohřívače. Později se přecházelo na rychloohřev v protiproudových ohřívačích (někdy bez zásobníků, jindy s „boulemi“ na potrubí). Trubkovnice byly vyrobeny z ocelových trubek, k jejich zkorodování docházelo za dva až tři roky. V roce 1970 se dostal v Chile k moci prezident Salvador Allende Gossens. Za podporu, kterou mu komunisté v naší zemi nabídli, se začala v období 1970 až 1973 do republiky dovážet měď. Velmi rychle nahrazovaly ocelové trubkovnice trubkovnicemi z mědi nebo jejích slitin.
Do té doby poměrně stabilní trubní rozvody z ocelových pozinkovaných trub začaly rychle korodovat a důlková koroze se projevila i v plášti ohřívačů vody. Doba životnosti potrubí se rychle zkracovala až na pouhých několik let. Začátkem roku 1989 byl vydán komentář k výpočtové normě [2], ve kterém se na okraj hlavního tématu upozorňuje na problematiku koroze ocelového pozinkovaného potrubí. V té době nebyl pro rozvody vody k dispozici jiný materiál než ocelové pozinkované potrubí. (Pro výjimečné stavby odsouhlasily stranické orgány možnost nákupu měděného potrubí pro rozvody vody.)
Autoři uvádí (cit.):
„….V rozvodných sítích vody obecně, a teplé užitkové vody zvláště, se projevují korozní a inkrustační jevy jako jedna z mnoha příčin zkracování životnosti ocelového pozinkovaného potrubí… …kde se vytváří tvrdé inkrustace nepravidelných tvarů, za kterými pak následně dochází ke kavitaci, jejímž důsledkem je důlková koroze stěny potrubí…V současné době jsou k dispozici zařízení, která sledují odstranění nebo zpomalení těchto jevů s cílem prodloužit životnost potrubí. Nejčastěji se používají úpravny vod, které vyrábí ČKD Dukla Praha...“
Úprava vody spočívala v osazení permanentního magnetu, filtru s náplní polovypáleného dolomitu a dávkování polyfosfátu vápenatého. Tyto úpravny prodloužily životnost pozinkovaného ocelového potrubí až na 25 let. S nástupem plastových materiálů pro vnitřní vodovod se účinnost této metody přestala sledovat, výroba zařízení byla zrušena.
3 Příčiny koroze
Koroze v distribučních systémech pitné vody souvisí s chemickými, fyzikálně-chemickými a biologickými procesy, které probíhají v potrubí. Jejím průvodním znakem jsou změny jakosti pitné vody v celé řadě ukazatelů. K nejvýznamnějším patří obsah Fe, Zn, Cu, pH, konduktivita, zákal barva, obsah suspendovaných látek, DOC, CHSK, AOC, BDOC a řada mikrobiologických ukazatelů. Charakteristickým znakem korozních procesů je pokles koncentrace rozpuštěného kyslíku ve vodě. Korozí se rozumí přeměna kovů chemickými nebo elektrochemickými reakcemi za přítomnosti účinných látek z prostředí. Tyto změny povrchu kovů vedou jednak k vytváření ochranné vrstvy, jako např. u zinkových, měděných a hliníkových plechů, na druhé straně však vedou i k destrukci kovových součástí, např. koroze ocelových žárově pozinkovaných trubek (obr. 1, 2).
Rozlišuje se koroze oxidací, působením kyselin a zásad, tvorbou elektrochemických článků, koroze erozí, koroze bludnými proudy a mikrobiologická koroze. V praxi probíhá koroze potrubí kombinací více typů současně.
Při plošné korozi dochází k rovnoměrnému celoplošnému úbytku na povrchu kovu. Probíhá rozdílně podle druhu materiálu, kvality povrchu a množství látek obsažených ve vodě. Plošná koroze má svou příčinu v působení kyselin. Koroze je o to silnější, o co více se hodnota pH vody odchyluje od neutrální hodnoty směrem ke kyselejší.
Důlková koroze nastává, jestliže reakce probíhá značnou rychlostí na malé ploše. Příčinou je tvorba článků, při kterých je plocha anody (čistý povrch kovu) ve srovnání s plochou katody (zoxidovaná plocha kovu) velmi malá. Takové místní nebo provzdušňovací články mohou vznikat, jestliže jsou na vnitřním povrchu trubek zbytky okují (případně vystupující svár trubek) nebo se na povrchu kovu usazují malé částice přitékající z vnějších rozvodů vody, odloupnuté částice ochranné vrstvy, zbytky tavidel nebo pájecího tuku. Zabraňuje se tvorbě stejnoměrné ochranné vrstvy a je to jedna z příčin koroze tvorbou článků.
K dotykové korozi dochází, jestliže se dva kovy přímo dotýkají a je přitom k dispozici elektricky vodivá kapalina. Jestliže je propojena pozinkovaná ocelová trubka s mosaznou armaturou, dochází za přítomnosti vody k dotykové korozi. K vytvoření článku může dojít i v mikroskopické oblasti mezi rozdílnými krystaly kovů ve slitině. Taková koroze se nazývá korozí mezikrystalickou. Dotyková koroze nastává i na vnějším povrchu potrubí při jeho nevhodném uložení. Příčinou je vápenná malta a výplně stavebních konstrukcí, které obsahují chloridy a sírany, ve spojení s kondenzací vody na povrchu kovových potrubí.
Pod pojmem koroze erozí se rozumí místní mechanický úbytek materiálu uvnitř trubky. Příčina koroze erozí spočívá v příliš vysoké rychlosti průtoku vody. Vysoká rychlost vody brání vytvoření ochranné vrstvy a způsobuje ztenčování tloušťky stěny potrubí kavitačními jevy. K příliš vysoké rychlosti průtoku vody dochází, jestliže potrubí a čerpadla nebyla správně dimenzována nebo v důsledku zmenšení průřezu při nesprávně prováděné montáži.
Koroze bludnými proudy vzniká při průchodu stejnosměrného proudu vodou a kovovým potrubím. Tento typ koroze se může vyskytovat v oblastech s tramvajovou dopravou, ve vnitřních vodovodech nebývá hlavní příčinou poškození kovových potrubí.
Pozn. Při zkoumání jednotlivých případů poruch potrubí se vždy jedná o kombinaci různých druhů koroze a lze jen obtížně zjistit jednoznačnou příčinu každé poruchy.
Při průtoku vody ocelovým pozinkovaným potrubím dochází v důsledku elektrochemické koroze k odstraňování zinku z vnitřního povrchu potrubí a současně se na vnitřním povrchu potrubí stěnách usazují železité inkrustace. V dodávce kvalitní vody se po čase projevují závady. U velmi tvrdých podzemních vod může docházet k vylučování tvrdých vápenatých vrstev, které chrání vnitřní povrch potrubí před plošnou korozí, mohou však způsobit zmenšení průřezu. Inkrustace na vnitřním povrchu potrubí vytvářejí vhodné prostředí pro rozvoj mikrobiologického osídlení. Korozní napadení materiálu potrubí není možné ve všech případech vysvětlit pouze na základě fyzikálně chemických procesů. Na stimulaci korozních dějů se také podílejí mikroorganizmy. Ve vodním prostředí se u nich projevuje tendence přilnout k povrchu pevných látek a rozvíjet se na něm. Výsledkem interakce mikroorganizmů s povrchem potrubí je vytvoření biofilmu na povrchu potrubí. Charakter biofilmu závisí na složení vody, její teplotě, rychlosti vody a na kvalitě povrchu potrubí. Aktivita mikroorganizmů v biofilmu na povrchu materiálu přímo ovlivňuje průběh koroze. Některé bakterie jsou schopny se přímo zapojit do oxidace nebo redukce kovových iontů.
Důležitou úlohu při vzniku biofilmu má stav povrchu potrubí, na němž biofilm vzniká. Velmi vhodná místa pro pevné uchycení biofilmu poskytují hydratované oxidy kovů (okuje, náběhové oxidy apod.). Korozní produkty málo lpící na povrchu naopak vedou k porušování soudržnosti biofilmu s povrchem. Pro usazování mikroorganismů jsou příznivější podmínky na drsnějším povrchu. Velmi vhodným místem pro uchycení a další činnost kolonií mikroorganismů jsou póry na povrchu potrubí [3].
Teplota vody[°C] | 0 | 10 | 20 | 30 |
Množství kyslíku[mg/l] | 14,7 | 11,3 | 9 | 7,6 |
Při zahřátí vody dochází ke snižování množství rozpuštěných plynů ve vodě (včetně kyslíku). Množství rozpuštěných plynů je také závislé na tlaku vody a obsahu solí. Například při tlaku vody 100 kPa je obsah kyslíku ve vodě v závislosti na teplotě uveden v tab. 1 [4]. Pokud tedy do vnitřního vodovodu přitéká voda o teplotě 15 °C a při stagnaci se oteplí na 25 °C, bude pro korozi k dispozici cca 2,3 mg/l (samozřejmě při vyšším tlaku ho bude méně). Při zvýšení teploty na 70 °C už voda obsahuje jen velmi malé množství rozpuštěného kyslíku. Problém se zjištěním skutečných hodnot v soustavě spočívá v obtížném odebrání adekvátního vzorku vody z potrubí – při odběru a stanovení se podstatně mění tlak vody.
Plynný O2 reaguje s Fe2+ (železo rozpuštěné ve vodě) za vzniku Fe3+ (železo, které je již ve vodě nerozpuštěné). Vlivem vyšší hmotnosti dochází při snížení rychlosti vody k usazování deoxidovaného Fe na dně potrubní trasy. Dalším podílem korozních zplodin je nepochybně množství již nerozpuštěného Fe, které se do systému dostává při změnách cirkulace v páteřním rozvodu dodavatele vody, nebo při opravách, úpravách nebo rozšiřování páteřní soustavy veřejného vodovodu. Během opravy se vypouští voda z opravované části veřejného vodovodu. Po jeho opětovném zprovoznění nedojde ze strany dodavatele vody k dostatečnému odkalení. Pod takto vzniklou vrstvou dochází následně k výměně iontů a k další skryté korozi (obr. 4).
Na povrchu, kde nejsou vytvořeny vrstvy úsad korozních zplodin dochází k plošné korozi, která nezpůsobí proděravění stěny potrubí ale postupně zbaví vnitřní povrch potrubí vrstvy zinku. Tato koroze je přirozeným jevem a je s ní počítáno z hlediska životnosti potrubí (obr. 1, 2) [5]. Na obr. 1 je vidět, že ochranná vrstva zinku je zcela zkorodovaná. Na 80 % povrchu vrstva zinku odbourána plošnou korozí, na asi 20 % ve spodní části probíhá intenzivní koroze důlková. Vzorky potrubí byly odebrány po dvou letech provozu z potrubí teplé vody (PWH) v bytovém objektu.
Prvek | Chemická značka | Napětí[V] |
---|---|---|
Zlato | Au | 1,50 |
Stříbro | Ag | 0,80 |
Měď | Cu | 0,35 |
Vodík | H | 0 |
Olovo | Pb | −0,12 |
Nikl | Ni | −0,22 |
Železo | Fe | −0,43 |
Zinek | Zn | −0,76 |
Hliník | Al | −1,70 |
Hořčík | Mg | −2,40 |
Podstatou elektrochemické koroze je vytvoření galvanického článku (do vodivé kapaliny jsou umístěny dva kovy o rozdílném potenciálu – viz tab. 2). Vytvořeným článkem dochází k přechodu méně ušlechtilého kovu do roztoku za současného vytváření volných elektronů. Toho se využívá při ochraně vnitřního vodovodu z ocelového pozinkovaného potrubí obětovanou hořčíkovou elektrodou. V minulosti se používaly hliníkové teploměrné jímky vsazené do tvarovek ocelového pozinkovaného potrubí. Jímky musely být po velmi krátké době vyměňovány, protože se proděravěly elektrochemickou korozí (vznikla tím hliníková elektroda).
K urychlení koroze přispívá také použití mědi na různé části vnitřního vodovodu. Z měděných součástí (např. teplosměnné plochy ohřívačů vody) se uvolňují ionty mědi, které se zachycují nebo ukládají v potrubí, kde vznikne galvanický článek, jehož důsledkem je intenzivní elektrochemická důlková koroze potrubí. Největším „zdrojem“ měděných iontů v rozvodech teplé vody a cirkulace jsou nerezové deskové výměníky, které jsou pájeny čistou mědí (obr. 5).
Rozvody teplé vody centrálně ohřívané jsou vždy vybaveny cirkulací s nuceným oběhem. Pokud je voda ohřívána průtočným způsobem, protéká veškerá ohřívaná i cirkulační voda ohřívačem a její rychlost v čase dramaticky kolísá. Někdy bývá na potrubí teplé vody osazena „boule“ na potrubí dokonce bez možnosti odkalování (obr. 6). Při maximálním průtoku vody ohřívačem může za určitých podmínek docházet dokonce k mikroabrazi mědi v místě pájení desek. Poněkud výhodnější řešení je ohřívání vody v ochozu zásobníku. Rychlost vody v okruhu ohřívače je možno stanovit a její kolísání závisí pouze na teplotě vody v zásobníku. Do okruhu je možné osadit odlučovač splavenin s odkalením, tím se vnitřní vodovod může zbavit velké části usaditelných látek.
Dalším typem koroze kovových potrubí je abraze. Tento typ koroze souvisí s překračováním rychlosti vody v potrubí v místech náhlé změny profilu potrubí nebo změny směru proudění vody. V místě víru dochází k podtlaku, který způsobuje kavitaci. Tomuto typu koroze velmi často podléhá měděné potrubí při překračování rychlosti vody doporučené výrobcem potrubí nebo normou [5] doporučené rychlosti vody.
4 Pozinkované ocelové potrubí
Žárové zinkování trubek se provádí podle normy ČSN EN 10240 [6]. Poskytuje dlouhodobou ochranu proti korozi v závislosti na tloušťce povlaku, korozní agresivitě prostředí a provozních podmínkách. Jakost povlaku pro vodovodní potrubí rozvádějící pitnou vodu musí být podle [7] typu A.1. pro vnitřní vodovod lze použít ocelové trubky pouze středně těžké nebo těžké řady (podle ČSN EN 10255 [8]) pozinkované jakostí A.1 [6]. Musí být použity pozinkované tvarovky.
Odběratel musí výrobci povlaku v objednávce uvést následující údaje:
- číslo normy [6]
- označení jakosti povlaku
- normu na výrobek, podle níž byly vyrobeny trubky, které mají být zinkovány.
Pokud odběratel požaduje speciální úpravu po zinkování nebo požaduje, aby povlak nebyl po zinkování speciálně upraven, musí tyto požadavky uvést v objednávce. Trubky, které mají být zinkovány, musí mít hladký povrch, odpovídající způsobu výroby, a nesmí mít
- znečistění, které není možno odstranit úpravou před zinkovací lázní (např. některé oleje, tuky)
- vady, jako jsou přeložky, zvrásnění, šupiny, škrábance a zaválcované nečistoty.
Pro jakost povlaku A.1 musí být vnitřní svarová housenka svařovaných ocelových trubek taková, aby minimální místní tloušťka povlaku v kterémkoli místě svarové housenky odpovídala požadavku podle tabulky 1 (55 μm).
ČSN EN 806-2 uvádí v kapitole 5, že pro vnitřní vodovod lze použít pouze trubky středně těžké nebo těžké řady (podle ČSN EN 10255 [8]) pozinkované podle [6] pouze jakosti A.1. Musí se použít pozinkované tvarovky.
Výrobce ocelových pozinkovaných trub uvádí (cit.) [9]:
„…Životnost Zn povlaku závisí na korozní agresivitě prostředí. Zn povlak se nemá používat pro rozvody horké vody! V horké vodě nefunguje katodická ochrana zinku – velice krátká životnost povlaku – bodová koroze. Na nevhodnost použití pozinkovaných výrobků pro distribuci a skladování horké vody z hlediska rizika vzniku bodové koroze upozorňují normy EN 12502-3 [10] a EN ISO 14713 [11] pro projektování korozní ochrany výrobků (včetně potrubí pro rozvody TV).
První z těchto norem se specializuje přímo na distribuci a skladování vody druhá norma je obecná směrnice pro ochranu ocelových konstrukcí proti korozi….“
…„Příklady nesprávného použití trubek
Příčinou problému někdy bývá nesprávné použití výrobku – buď z důvodu neznalosti nebo ignorování technických specifikací, podle kterých byl výrobek objednán, nebo podle kterých má být provozován:
….Zákazník použije pozinkované trubky na rozvody teplé užitkové*) vody a cca po 2 letech se diví, že došlo k prorezavění pozinkovaných trubek vlivem bodové koroze, zatímco obyčejné černé trubky zabudované v ústředním topení jsou bez poruchy v provozu třeba 30 let. Proč dochází k intenzivní bodové korozi u pozinkovaného potrubí v teplé užitkové vodě je popsáno v normách EN 12502-3 a EN ISO 14713.“
*) Nesprávný termín – podle ČSN EN 806 se používá termín teplá voda (PWH). Pozn. autor
5 Závěr
Ocelové pozinkované potrubí je možno bez rizika použít pro rozvody vnitřního požárního vodovodu. S jistým rizikem lze použít toto potrubí pro rozvody studené vody (PWC) do max. teploty vody 35 °C. Pro rozvody teplé vody (PWH) a pro cirkulační potrubí teplé vody (PWHC) je ocelové pozinkované potrubí nevhodné vzhledem k silné korozi. Naprosto nevhodné je používat ve vnitřním vodovodu provedeném z ocelového pozinkovaného potrubí termickou dezinfekci. I krátkodobým překročením výrobcem doporučené teploty vody 35 °C se výrazně zkracuje životnost potrubí.
Zkušenosti posledních let ukazují, že životnost ocelového pozinkovaného potrubí je velmi krátká. Na potrubí teplé vody a cirkulace se první poruchy důlkovou korozí se projeví nejpozději za 3 roky. Při pravidelné termické dezinfekci systému (1× týdně přehřátí TV na 70 °C) se první poruchy objeví i dříve než za 2 roky.
Závěrem lze konstatovat, že používání ocelového pozinkovaného potrubí pro rozvody teplé vody (PWH) a cirkulace (PWHC) není vhodné. Pravidelně prováděná termodezinfekce velmi urychluje rychlost koroze. (Termodezinfekce je ekonomicky a ekologicky nevhodná metoda ochrany vnitřního vodovodu proti mikrobiologickému riziku při rozvádění pitné vody.)
Literatura
- [1] http://en.wikipedia.org/wiki/Hot-dip_galvanizing
- [2] Žabička Z., Baláž M., Výpočet vnitřních vodovodů, komentář k ČSN 73 6655, Vydavatelství norem, Praha 1989
- [3] http://www.vscht.cz/met/stranky/vyuka/labcv/korozni_inzenyrstvi_se/koroze/p_mikrob.htm
- [4] http://planta.aquariana.cz/plyny_ve_vode.htm
- [5] Koudelný J., Hodnocení vzorků potrubí, Chemická obchodní společnost, s. r. o., Třeboň, 2011
- [6] ČSN 75 5455 Výpočet vnitřních vodovodů
- [7] ČSN EN 10240 Vnitřní a/nebo vnější ochranné povlaky na ocelových trubkách – Požadavky na povlaky nanášené žárovým zinkováním ponorem v automatizovaných provozech
- [8] EN 806-2 Vnitřní vodovod pro rozvod vody určené k lidské spotřebě – Část 2: Navrhování
- [9] ČSN EN 10255 Trubky z nelegované oceli vhodné ke svařování a řezání závitů – Technické dodací podmínky
- [10] J. Sláma, Výroba, zkoušení a příklady použití podélně svařovaných, za tepla redukovaných trubek, verze 05/2010, ArcerolMittal Tubular Produkts, Karviná a.s.
- [11] ČSN EN 12502-3 Ochrana kovových materiálů proti korozi – Návod na stanovení pravděpodobnosti koroze v soustavách pro distribuci a skladování vody – Část 3: Faktory ovlivňující žárově zinkované železné materiály
- [12] ČSN EN ISO 14713-1,2 Zinkové povlaky – Směrnice a doporučení pro ochranu ocelových a litinových konstrukcí proti korozi – Část 1: Všeobecné zásady pro navrhování a odolnost proti korozi, Část 2: Žárové zinkování ponorem
- [13] Pospíchal Z., Dr. Ing., Studie proveditelnosti k řešení problému kvality vody pro UNISTAV Brno, a.s., květen 2011
In recent years, there have been faults in construction (mainly pitting) on galvanized steel pipe. Apparently it is lost historical memory. A similar situation was in the years 1960-1970. Based on faults of interior galvanized steel water pipes with pitting corrosion, various technical measures were adopted.