Vodíková koroze potrubí sprinklerových zařízení
Prvním varujícím případem byl požár vodíkové směsi, která unikla z potrubní soustavy sprinklerového zařízení (potrubí mezi ventilovou stanicí a sprinklery) v roce 2014 v Dánsku. Později se ukázalo, že nešlo o ojedinělý případ. V roce 2020 se stal stejný incident při údržbě sprinklerového zařízení v Helsinském městském divadle. V norském Kristiandsandu v roce 2022 došlo při vypouštění mokré sprinklerové soustavy dokonce ke dvěma explozím vodíkové směsi.
Vodík se vytváří v potrubí s vnitřní galvanickou protikorozní ochranou zinkem při chemické reakci mezi zinkovou vrstvou a kyslíkem. Kromě vodíku vzniká při této reakci i hydroxid zinečnatý. Tento jev, doprovázený nárůstem tlaku vodíku v potrubí, se označuje jako „vodíková koroze“ [2]. Po úplném rozpuštění vnitřní zinkové vrstvy pokračuje koroze vlastní ocelové trubky. To má za následek snížení pevnosti trubky, její destrukci a únik vodíku z potrubí do atmosféry. Pokud se v blízkosti nachází iniciační zdroj, může dojít ke vzplanutí nebo explozi vodíku a závažnému ohrožení zdraví osob. To je důvod, proč se na tuto problematiku související se stále větším používáním pozinkovaných trubek zaměřila pozornost několika renomovaných expertních pracovišť.
U suché soustavy (potrubí je natlakované vzduchem) je kyslík obsažen ve vzduchu, kterým se soustava plní kompresorem, a ve zbytkové vodě z kondenzátu, kterou nebylo možné ze suché soustavy vypustit. Kompresor se spíná při každém úbytku tlaku v potrubí suché soustavy pod stanovenou hodnotu. Tím se do potrubí opakovaně dostává další kyslík.
U mokré soustavy (potrubí je zavodněné tlakovou vodou) je zdrojem kyslíku voda, kterou se pod tlakem plní potrubí této soustavy. Kyslík obsahují i vzduchové bubliny nacházející se v potrubí v místech, která nelze úplně odvodnit. V nich se navíc shromažďuje sediment obsahující bakterie. Ty jsou zdrojem mikrobiologické koroze. K obnově kyslíku v mokré soustavě dochází při každém novém natlakování potrubí soustavy při opravách a předepsaných kontrolách nebo po požáru, kdy je potřeba mokrou soustavu znovu uvést do funkčního stavu.
Je patrné, že se vodíková koroze týká trubek s vnitřním povrchem upraveným galvanickým pozinkováním za tepla, bez ohledu na to, zda jde o mokrou nebo suchou soustavu (dále jen „uvnitř pozinkovaných trubek“). K faktorům, které ovlivňují vznik a průběh vodíkové koroze, patří zejména:
- Tvrdost vody. Tvrdost vody závisí zejména na obsahu vápníku a hořčíku, což souvisí s geologickým složením půdy. V Praze má například voda tvrdost až o 50 % vyšší než v jižních Čechách. Nejznámějším projevem tvrdé vody je vznik vodního kamene. Koroze zinkové ochranné vrstvy probíhá u tvrdé vody pomaleji než u vody měkké. Podle zkušební laboratoře Factory Mutual (FM) odolává korozi zinková vrstva o tloušťce 50 µm v případě destilované vody zhruba 0–2 roky, u říční vody 3–5 roků, u pitné vody měkké 5–13 roků a u pitné tvrdé vody 13–25 roků.
- Kyselost a zásaditost vody. Za optimální se považuje voda s pH 10–11. Při vyšším pH je průběh koroze až pětkrát rychlejší. Korozi urychluje rovněž voda s pH 2,5 až 10. Čím je nižší hodnota pH, tím je rychlejší průběh biologické degradace.
- Teplota. Zvýšená teplota náplně potrubí například pod stropem, světlíky nebo nad horkými provozy zvyšuje reakci mezi kyslíkem a zinkem. Ta může být při zvýšení teploty vody o 10 °C dvakrát rychlejší.
- Stav náplně. U stojaté vody dochází k důlkové korozi. Jde o dlouhodobý proces. U proudící vody je pravděpodobnější plošná koroze.
- Obsah různých solí rozpuštěných ve vodě, například chloridu sodného nebo chloridu vápenatého.
- Montáž nového potrubí, u kterého se uvnitř potrubí ještě nestačila vytvořit ochranná vrstva označovaná jako patina.
Foto © nukies1234, Fotolia.com
Na výzkum reálného stavu sprinklerových zařízení z hlediska tvorby vodíku se v roce 2021 zaměřila německá organizace BVFA e.V. (Bundesverband Technischer Brandschutz). Podrobila zkoumání celkem 130 sprinklerových zařízení, u kterých se provádělo systematické měření koncentrace vodíku v mokrých a suchých soustavách. Ze získaných dat lze odvodit, že jde v Německu o závažný problém širšího rozsahu, který souvisí s nárůstem používání pozinkovaného potrubí. Bylo zjištěno, že u mokrých soustav jsou koncentrace vodíku až pětkrát vyšší než u soustav suchých. U sprinklerových zařízení s mokrou soustavou a podílem pozinkovaného potrubí 40 % a více byla zhruba u 75 % mokrých soustav zjištěna koncentrace vodíku rovná nebo vyšší než 50 % spodní meze výbušnosti vodíku (4 %). U zhruba 65 % mokrých soustav byla naměřena koncentrace vodíku rovná nebo vyšší, než je spodní mez výbušnosti vodíku. Nejvyšší koncentrace byly změřeny v nejvyšších místech potrubí soustavy. U suchých soustav se potvrdil předpoklad, že zvýšená koncentrace vodíku je způsobena zbytkovým množstvím vody, které zůstalo v potrubí po odvodnění soustavy.
Dosavadní poznatky ukazují, že s ohledem na možné ohrožení osob v důsledku vodíkové koroze je potřeba zaměřit se zejména na mokré soustavy. To je zásadní změna proti minulosti, kde byla pozornost naopak zaměřena na soustavy suché. Současně je patrná složitost problematiky koroze a nutnost jednotlivé druhy koroze včas identifikovat a vhodnými opatřeními eliminovat.
K možnostem, jak předejít možnému ohrožení osob v důsledku vodíkové koroze, zejména patří:
- Omezit používání uvnitř pozinkovaných trubek.
- Omezit množství kyslíku jeho naředěním dusíkem u mokré soustavy nebo natlakováním suché soustavy dusíkem, případně v ní vytvořit podtlak.
- Instalovat na kritických místech potrubí přetlakové a odvodňovací armatury.
- Průběžně monitorovat stav potrubí.
- Stanovit postup zavodňování mokrých soustav a plnění suchých soustav inertním mediem, obvykle dusíkem.
Na problematiku vodíkové koroze reagovala německá zkušební laboratoř a autorizovaná osoba VdS dvěma poznámkami v technických podmínkách pro navrhování sprinklerových zařízení VdS CEA 4001:2021-01:
Poznámka 1: Národní a mezinárodní zprávy o škodách a výsledky výzkumu ukazují, že se v trubkách s vnitřním povrchem opatřeným zinkovou vrstvou použitých v mokrých soustavách může vytvářet vodík. To by mohlo vést u potrubí zeslabeného korozí k prudkému úniku vodíku nebo k jeho explozi, zejména v průběhu údržby a rekonstrukčních prací. Praktický výzkum tohoto problému nebyl ještě ukončen. Všeobecný zákaz používání uvnitř pozinkovaných trubek může v mokrých soustavách být vydán v dohledné době. Před přijetím případného zákazu by se mělo vycházet z relevantních zdrojů informací a případné pochybnosti by měly být projednány s příslušnými orgány.
Poznámka 2: Ocelové uvnitř pozinkované trubky se nedoporučují pro použití v suchých soustavách z důvodu potencionálního rychlejšího průběhu koroze.
VdS současně uvádí následující doporučení týkající se potrubí s vnitřní ochrannou zinkovou vrstvou:
- U sprinklerových zařízení s mokrou soustavou jednou za týden kontrolovat tlak. Zvýšený tlak může být způsoben vodíkem. Zvyšování tlaku v soustavě není náhlé, ale probíhá po dlouhou dobu. Jakmile se zvýšení tlaku v soustavě zaznamená, měla by se potrubní soustava vypustit.
- Osoby provádějící údržbu sprinklerového zařízení musí být seznámeny s možným ohrožením zdraví vyplývajícím z tvorby vodíku v mokré soustavě.
- Pro údržbu pozinkovaného potrubí v mokrých soustavách se musí použít nářadí vhodné pro práci v explosivním prostředí. Zvláštní pozornost se musí věnovat vrtání otvorů pro odvodňovací armatury.
- Provádět kontrolu pH vody použité k plnění mokré soustavy. Za optimální se považuje pH 10. Vyšší hodnoty pH mohou vést k poškození pryžových těsnění. Navíc korozi urychlují.
- K měření koncentrace vodíku požít detektor, kterým lze zjistit dosažení spodní meze výbušnosti.
- Při pracích na potrubní soustavě zajistit adekvátní odvětrání prostoru. Práce mohou být na potrubí zahájeny až po úplném vyprázdnění potrubí, kdy se žádný vodík nemůže uvolnit do atmosféry.
- Během odvodňování soustavy se musí věnovat pozornost jakémukoliv zdroji požáru, který by inicioval vznícení vodíku nebo jeho explozi. Tuto práci mohou provádět jenom zaškolené osoby montážní firmy schválené VdS.
Bohužel, norma ČSN EN 12845 – Sprinklerová zařízení – Navrhování, instalace a údržba nereflektuje rozdílný průběh koroze v mokré a suché soustavě z hlediska současných poznatků týkajících se vodíkové koroze. Jenom se doporučuje provádět prohlídku potrubí soustavy formou tlakové zkoušky po 25 letech. Tato podmínka je uvedena v informativní příloze, a je tudíž nezávazná. Navíc iluzorní, jelikož životnost potrubí je podstatně kratší než 25 let. Nejsou ojedinělé případy kdy se musí potrubí vyměnit po deseti letech.
Zásadní přístup k uvedené problematice zaujala americká zkušební laboratoř Factory Mutual. Ta se systematicky věnuje výzkumu a vývoji sprinklerové ochrany s několikaletým předstihem oproti jiným zkušebním laboratořím nebo institucím, zabývajícím se sprinklerovou ochranou. Důvodem je, že jde současně o pojistitele s celosvětovým kreditem, který koncipuje pojistné podmínky na základě analýzy databáze majetkových škod a jejich příčin.
Factory Mutual vydala již v roce 2001 technické podmínky FM 2-1 týkající se kontrol vnitřní koroze ve sprinklerových zařízeních. V roce 2016 byly doplněny o doporučení nepoužívat pozinkované trubky v mokrých soustavách, zmíněny soustavy podtlakové a uvedeny podmínky pro montáž dusíkových generátorů. Tato a další doporučení vycházela z obsáhlé studie FM:2014 zaměřené na korozi a možnosti jejího omezení u vodních stabilních hasicích zařízení [15]. Poslední revize dokumentu FM 2-1 z roku 2022 obsahuje informace o použití dusíkových generátorů v mokrých soustavách sprinklerových zařízení a použití ocelových trubek se zvýšenou odolností vůči korozi. K omezení vodíkové koroze uvádí tento dokument [7] následující doporučení:
- U mokrých soustav s dusíkem se nemají používat uvnitř pozinkované trubky. Soustava musí být na nejvyšším místě opatřena samočinnou odvzdušňovací armaturou s průměrem minimálně 13 mm.
- Zdrojem vody nesmí být znečištěná voda nebo voda obsahující chemické čisticí přípravky nebo inhibitory koroze.
- U suchých, předstihových a zaplavovacích soustav s dusíkovou náplní se mají použít černé trubky, pokud je soustava plněna dusíkem po dobu životnosti potrubí. Pokud tomu tak není, použijí se trubky s polymerovou ochrannou vrstvou nebo trubky uvnitř pozinkované.
- U suchých, předstihových a zaplavovacích soustav bez dusíkové náplně se použijí trubky s polymerovou ochrannou vrstvou nebo trubky uvnitř pozinkované. Černé trubky lze použít jenom v podtlakové vakuové soustavě.
- Na nejnižším místě soustavy se musí instalovat odvodňovací ventily k odstranění zbytkové vody, která by mohla zůstat v suché soustavě po zkouškách nebo aktivaci soustavy. Odvodňovací ventily musí být průchodné. Kondenzát je třeba pravidelně vypouštět, aby se zabránilo jeho kumulaci.
- Potrubí musí být spádované k odvodňovací armatuře.
- Ke spojování potrubí se nemají používat mechanické spojky s válcovanou drážkou. Ty zadržují vodu, kterou nelze při odvodňování soustavy vypustit. V místech se zvýšenou vlhkostí je potřeba instalovat vysoušeč vzduchu.
- Je potřeba pravidelně kontrolovat těsnost soustavy. Místa úniku je potřeba opravit.
- Svařované trubky by se měly namontovat tak, že šev trubek bude na spodní straně, avšak minimálně 45° od svislé osy trubky. Pokud se nachází níže směrem k podlaze, může dojít k podstatně rychlejší korozi kolem švu trubky. Příčinou je kontakt švu trubky s možnými usazeninami, které jsou zdrojem koroze.
- Během roku se nedoporučuje měnit soustavy z mokré na suchou a opačně.
- Mokré soustavy s dusíkem.
- Nelze použít trubky (nebo sprinklery) uvnitř pozinkované.
- Na nejvyšším místě potrubní soustavy se musí instalovat automatická odvzdušňovací armatura.
- Potrubní soustavu je potřeba odvzdušnit po každém vypuštění vody a plnění soustavy.
- Je potřeba pravidelně vypouštět z potrubí usazeniny a kaly, které jsou zdrojem mikrobiologické koroze.
Uvedené podmínky, včetně podmínek pro podtlakové soustavy a mrazírenské sklady, byly zapracovány do dokumentu FM 2-0:2023 [16], který stanovuje návrhové požadavky na projektování a údržbu sprinklerových zařízení. V něm jsou uvedeny i podmínky pro použití plastového potrubí. Některé z nich, týkající se materiálového provedení a protikorozní ochrany trubek, jsou uvedeny dále.
Čl. 2.4.1.1.2.1 V mokrých a zaplavovacích soustavách lze použít ocelové černé potrubí nebo potrubí odolávající vnitřní oxidaci. V ostatních soustavách lze použít trubky odolávající vnitřní oxidaci nebo trubky ocelové s dusíkovou náplní za předpokladu splnění dalších podmínek. K těm patří například nepřekročení stanovené maximální doby aktivace sprinklerů a plnění soustavy dusíkem apod. V suché soustavě lze použít vzduch, pokud je k soustavě připojeno maximálně 20 sprinklerů nebo je na přívodním potrubí pro natlakování soustavy instalován vysoušeč.
Čl. 2.4.1.1.2.2 V soustavách jiných než mokrých a zaplavovacích lze použít jenom ocelové potrubí odolávající vnitřní oxidaci nebo ocelové černé potrubí s plynným médiem.
Čl. 2.4.1.1.2.3 V mokrých soustavách nelze použít ocelové potrubí uvnitř pozinkované stejně jako v místech s teplotou vyšší než 54 °C (pokud FM nestanoví jinak).
| Soustava | FM 2-0:2023 | Součinitel C | ČSN EN 12845:2018 | Součinitel C |
|---|---|---|---|---|
| Mokrá | ocelové černé | 120 | ocelové černé, ocelové s nátěrem, plastové, pozinkované korozivzdorné a další – viz tab. 2 Pozn.: podmínky pro použití suché soustavy s dusíkem nejsou definovány | 120 |
| ocelové PZO 1) | 140 | |||
| plastové 2) | 150 | |||
| pozinkované | ||||
| Suchá a Předstihová | ocelové černé s náplní inertním plynem (dusíkem) | 120 | ||
| ocelové černé | 100 | |||
| pozinkované 3) | 120 | |||
| ocelové PZO | 140 | |||
| Podtlaková | ocelové černé | 100 | Pozn.: podmínky pro použití podtlakové nejsou definovány | |
| ocelové černé s podmínkami 4) | 120 | |||
| pozinkované | 120 | |||
| ocelové PZO | 140 | |||
Vysvětlivky:
| ||||
Dokument FM 2-0:23 stanovuje rovněž hodnoty součinitele C, který vyjadřuje v Hazen-Wiliamsově rovnici „drsnost“ potrubí. Z tabulky 1 je patrné, jak se hodnota součinitele C mění v závislosti na druhu protikorozní ochrany. Za povšimnutí stojí, že součinitel C podle FM zohledňuje budoucí stav vnitřního povrchu potrubí, nikoliv stav nového potrubí v době montáže. U mokré soustavy má potrubí ocelové černé součinitel C hodnotu 100 a pokud je soustava dotlakovaná dusíkem, hodnotu 120. Vyšší hodnota součinitele C znamená ve svých důsledcích menší průměr potrubí a u rozsáhlých instalací výrazně nižší pořizovací náklady. U podtlakových suchých soustav se připouští použít ocelové černé trubky s tím, že C = 100. Pokud jsou splněny podmínky FM, lze pro výpočet tlakových ztrát a za podmínek stanovených FM použít C = 120. Kromě jiného se v tomto případě nepřipouští okruhové a sítové uspořádání potrubí, překročení stanovené doby reakce sprinkleru na nejvzdálenějším místě a použití spojek, které zadržují vodu.
V tabulce 1 jsou uvedeny i možnosti použít trubky se zvýšenou protikorozní vnitřní ochranou označované jako „Polymer Enhanced Steel Pipe“ (dále jen „PZO“). Za ty se podle dokumentu FM 2-1 považují trubky, jejichž odolnost vůči korozi je minimálně stejná jako u pozinkovaných trubek. Tím se otevřela cesta k použití jiné adekvátní protikorozní ochrany, než představuje vnitřní galvanická ochrana zinkem. Trubky PZO se vyrábějí pod obchodním označením Fendium v plně automatizovaném závodě ve Wittenbergu.
Trubky Fendium schválilo VdS a FM. Včetně technologického postupu. Ten je převzat z automobilového průmyslu. Zahrnuje odmaštění ocelové trubky a její ponoření do polymerové lázně, kde se vytvoří vnitřní a vnější polymerová protikorozní vrstva. Garantovaná životnost trubek Fendium je 10 let. Tyto trubky akceptuje FM jako alternativní náhradu za pozinkované trubky.
| Druh potrubí | Koeficient C |
|---|---|
| Litina | 100 |
| Kujná ocel | 110 |
| Pozinkovaná ocel | 120 |
| Cementové tlakové roury | 130 |
| Potrubí z vyztužených skleněných vláken | 140 |
| Korozivzdorná ocel | 140 |
| Měď | 140 |
Závěr
Obr. 1 Vzorky potrubí naplněného vzduchem a dusíkem po 20 měsících
Obr. 2 Vypouštěcí armatura
Záludnost koroze se projeví až po delší době únikem vody, vzduchu nebo vodíkové směsi z potrubní soustavy. V krajním případě požárem nebo explozí vodíku. Sprinklerové zařízení musí být odstaveno na dlouhou dobu z provozu, což vede ke snížení předpokládané úrovně ochrany majetku. Pro majitele objektu je výměna potrubí spojena s nemalými a nepředpokládanými náklady. Mnohdy žije v přesvědčení, že životnost potrubí je 50 let. V případě působení vodíkové koroze nelze nezmínit zejména potencionální ohrožení zdraví osob. V této souvislosti je potřeba zmínit ČSN EN 12845:2019, která v dostatečné míře problematiku koroze zatím neřeší. Jako nerelevantní lze uvést zejména požadavky na tloušťku stěny potrubí, termíny kontrol stavu potrubí až po 25 letech a jejich uvedení v nezávazné informativní příloze, jakož i chybějící podmínky pro použití pozinkovaných trubek a suchých soustav s inertním plynem. V neposlední řadě vyloučení možnosti používat plastové potrubí. V této souvislosti lze připomenout stanovisko britské sprinklerové asociace Bafsa: „Kombinace kyslíku a vlhkosti vytváří podmínky pro vznik koroze ocelových trubek. Další enviromentální faktory jako přítomnost bakterií, tvrdost vody, použití inhibitorů koroze a rozpuštěný kyslík a oxid uhličitý ovlivňují průběh koroze. Vzájemné působení uvedených faktorů je třeba posuzovat komplexně. Místo trubek s vnitřním povrchem upraveným galvanickým pozinkováním za tepla by se měly používat trubky černé. To se týká i prostředí s teplotou vyšší než 60 °C. Za dostatečnou protikorozní ochranu nelze považovat vnější nátěry červenou barvou, které slouží jenom k identifikaci potrubí.“ [11]. Patrně překvapí, že toto stanovisko bylo uveřejněno v roce 2010!
Literatura
- P. Rybář, Koroze sprinklerových zařízení, časopis 112/č. 4, 2019.
- J. Nikola, Galvanised pipes in sprinkler systems internationally, Outlook 2, 2022.
- ČSN EN 12845 Stabilní hasicí zařízení – Sprinklerová zařízení – Navrhování, instalace, údržba.
- VdS CEA 4001 Richtlinien fuer Sprinkleranlagen, Planung, und Einbau.
- VdS 3891 2021-04 (01) Galvanised Pipework in Sprinkler Systems.
- VdS 2091, Maitenance of oparetional readiness of water extinguishing systems.
- FM Global, Propety Loss Prevention Data Sheets 2-1, Corrosion in Automatic Sprinkler Systems, 2022.
- Finish Safety and Chemicals Agency (Tukes), Hydrogen explosion caused the Helsinki City Theatre Incident 25.01.2021.
- CH. Gill, Tacling corrosion in active fire protection systems, Outlook 2, 2022.
- B. Tyler, Dispelling Common Myth, Outlook-2, 2022.
- Information File, Steel tube and fittings for sprinkler systems, Bafsa, Issue 1 BIF No 8E, 2011.
- Corrosion of zinc, https://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=ktn&NM=40.
- Prezentace Letś remind ourselves what corrosion is, Viking.
- J. Tihen, prezentace Corrosion in Fire Sprinkler Systems, IFSA konference 2014.
- D. B. Fuller, Corrosion and Corrosion Mitigation in Fire Protection Systems, 2014.
- FM 2-0:23 Installation Guidelines.
Příspěvek navazuje na celou řadu odborných pojednání z oblasti stabilních hasicích zařízení tohoto renomovaného autora. Obsahově je zaměřen na problematiku spojenou s působením vodíkové koroze na zavodněné potrubní rozvody sprinklerových stabilních hasicích zařízení. Jedná se o věcný souhrn mezinárodních poznatků a o doporučení opatření, zaměřených na eliminaci těchto provozních rizik.
Článek je logicky vhodně uspořádán, má velmi dobrý vypovídací charakter i obsah, založený na současných poznatcích.