INSTALLATIE EN GEREEDSCHAP  
Install Magazine 951 – juni 2018

Corrosie in gesloten watercircuits

Watervoerende circuits voor verwarming en koeling in gebouwen staan bloot aan corrosie, met slechte werking, verlies aan rendement of zelfs uitval tot gevolg. Om die schadelijke processen beter te begrijpen, werden in het kader van het onderzoeksproject EQM-Hydraulik 64 watervoerende systemen in 21 gebouwen chemisch geanalyseerd. Bovendien werd een nieuw ontwikkeld sensorsysteem getest, dat corrosieprocessen detecteert, nog voor er schade optreedt. Van de onderzochte installaties was er in meer dan de helft van de gevallen corrosie, waarbij er in sommige gevallen al schade werd vastgesteld. Koelsystemen waren daarbij schadegevoeliger dan verwarmingsinstallaties.

Corrosieproblemen en remedies

Watervoerende circuits voor verwarming en koeling hebben dikwijls af te rekenen met corrosie. Typische tekenen zijn zwart of bruin gekleurd water, sedimenten, vastzittende ventielen, voortijdig defecte pompen en verstoppingen van verwarmingslichamen en andere delen van de installatie. Om daaraan te verhelpen, is er vaak een dure mechanische of chemische reiniging nodig, meestal als onderdeel van een product-servicecombinatie met waterbehandeling en corrosie-inhibitor. Het resultaat van dergelijke behandelingen wisselt. Een inhibitorbehandeling na een schadegeval leidt niet altijd tot de gewenste vermindering van de corrosie en sedimentvorming. Soms blijft het onduidelijk hoe het tot corrosie is kunnen komen en hoe dit had kunnen vermeden worden. De bestaande regels van de kunst schieten dan te kort. Voor het ontwerp, opstart en beheer van installatie bestaan er een aantal normen en regels om corrosie te vermijden.

Doorgaans wordt de nadruk gelegd op het vermijden van het binnendringen van zuurstof en op de beperking van het zoutgehalte, dat laatste vooral als de installatie zowel koper als staal bevat. Het Duitse voorschrift VDI 2035 legt bovendien grenzen aan de hardheid op, om kalkafzetting tegen te gaan. Hoewel VDI 2035 de meest uitgebreide maatregelen tegen corrosie in watervoerende circuits bevat, slaat dit alleen op warmwaterinstallaties. Voor koelinstallaties zijn er recent nieuwe regels ingevoerd in Duitsland (BTGA Regel 3.003) die veel gedetailleerder zijn dan VDI 2035.

De BTGA-regel 3.003 schrijft een analyse van de waterkwaliteit voor in het kader van de jaarlijkse inspectie, om acute corrosieverschijnselen op te sporen. Een continu bewaking van de pH-waarde is aanbevolen. Een bijkomende monitoringsmethode is een corrosiecoupon. Daarbij wordt de corrosie gemeten aan de hand van een coupon die in de watercirculatie wordt geplaatst. De coupon reageert in functie van het zuurstofgehalte, de pH-waarde en andere factoren die de corrosie bevorderen. Deze methode kan echter plaatselijke corrosieproblemen, bijvoorbeeld ten gevolge van biofilm, niet opsporen. Een coupon alleen is dus geen detectiemethode voor alle mogelijke oorzaken van corrosie.

Onderzoeksproject

Het doel van het onderzoeksproject was dan ook om instrumenten en methoden te ontwikkelen voor een kwaliteitsbewakingsysteem om corrosie te vermijden. Het centrale element daarvan is het FeQuan-sensorsysteem dat continu parameters van de waterkwaliteit meet en daarmee de corrosiesnelheid berekent. Op basis van vier aparte meetparameters wordt het gehalte aan opgelost ijzer(II) bepaald. De methode werd tot nu toe alleen in labo-omstandigheden getest. In dit project werd ze voor de eerste keer in gebouwen toegepast. Open vragen zijn de stabiliteit op lange termijn (vervuiling) en storingen die optreden als het sensorsysteem in een actief werkende installatie geplaatst wordt.

Er werden verschillende installatietypes van verwarming en koeling onderzocht, evenals gecombineerde installaties in grote tertiaire gebouwen, meestal kantoren. Het zwaartepunt van het onderzoek was de veldstudie van 21 gebouwen met 64 installaties. Deze veldstudie verliep in drie fasen:

Fase I: bij 64 installaties werd een eenmalig corrosie-onderzoek uitgevoerd (analyse van de installatie, meting van de waterkwaliteit zowel ter plaatse als in een laboratorium)

Fase II: uit deze installaties werden er acht gekozen voor een monitoring qua energieverbruik en corrosie. Een FeQuan-sensor werd gemonteerd en aangesloten op een online-analyse. Dit dient zowel als veldtest voor de sensor en als voorbereiding voor de meting van het effect van remediërende maatregelen.

Fase III: drie installaties met een FeQuan-sensor waar al schade was opgetreden, werden gesaneerd onder wetenschappelijk toezicht. Er werden verschillende maatregelen uitgetest om hun effect te beoordelen.

Onderzochte installaties en analysemethodes

Om de corrosieprocessen in watervoerende installaties te onderzoeken, werden analyses ter plaatse uitgevoerd, aangevuld met labotests aangaande waterkwaliteit en biochemie.

Waterchemische analyses ter plaatse en staalnames

De parameters zuurstof, pH-waarde, geleidbaarheid, temperatuur en redox-potentieel worden bepaald aan de hand van een mobiel meettoestel met doorstroming (Fase I). In Fase II en III gebeurden deze tests met behulp van een vast ingebouwd toestel. Het mobiele meettoestel werd op de installatie aangesloten door middel van RVS-ribbelslangen, zodat elk contact met de omgevingslucht was uitgesloten. Op basis van deze gegevens werd de kans op corrosie bepaald. Het gehalte aan opgelost ijzer(II) werd ook op deze manier berekend. Vanaf fase II werden de meetgegevens in realtime naar een server gestuurd. De meetwaarden, het berekende gehalte aan ijzer(II) evenals de corrosiesnelheid die op basis hiervan kon worden afgeleid, werden voorgesteld op een online dashboard en waren te raadplegen via een https-adres. (Figuur 1)

Voor de laboratoriumtests werden er per circuit meerdere stalen genomen en getest op de parameters vermeld in tabel 1. Als er zichtbaar grote hoeveelheden corrosieproducten voorhanden waren, werd daar ook een staal van genomen. In functie van de omvang van de installatie werd voor de staalname ofwel gekozen voor een hoger gelegen tapkraan, ofwel liet men het water stromen tot men een optisch homogeen staal verkreeg. Bij vermoeden van microbiologisch veroorzaakte corrosie werden stalen genomen voor een genetische profielanalyse van de micro-organismen in kwestie.

Laboratoriumtests van de waterkwaliteit

In het laboratorium werden de corrosieproducten in het water (ijzer, zink, koper en ander metalen uit de legeringen) geïdentificeerd door middel van elementanalytische methodes. Om opgeloste corrosieproducten te kunnen onderscheiden van niet-opgeloste, werden zowel gefilterde (0,2 μm filter) als niet-gefilterde stalen geanalyseerd. Om het risico op kalkafzetting te bepalen, werd de hardheid gemeten. Calcium en magnesium zijn niet alleen van belang voor ketelsteenvorming maar ook voor de microbiologie.

Behalve de bovenvermelde metaalkationen kunnen ook sulfaten en nitraten (SO₄^2- en NO₃^-) voedingsstoffen vormen voor microbengroei, wat kan leiden tot corrosie. De beschermlaag die gevormd wordt door corrosieproducten, kan worden aangetast door chloride, zodat verdere corrosie wordt bevorderd. Bovendien werd het gehalte aan anorganische koolstof, organische koolstof en niet-purgeerbare organische koolstof (NPOC) bepaald.

Over het algemeen verhoogt de aanwezigheid van de onderzochte zouten de geleidbaarheid van het water, wat elektrochemische corrosie versnelt. De resultaten van de analyse staan in tabel 1.

Biochemische analyses in het laboratorium

Microbiologische processen hebben een directe invloed op het corrosierisico. Zo kan microbiologische activiteit de pH-waarde doen dalen. In gunstige omstandigheden zal de corrosie-activiteit bij de opstart van de installatie het systeemwater voldoende alkaliseren om verdere corrosie tegen te gaan. Door de activiteit van sulfaatreducerende, fermenterende en stikstofbindende bacteriën zullen er echter zuren ontstaan, die de beschermende alkalisering verhinderen.

Sequencing (Polymerase-kettingreactie van het genetisch materiaal 16S rRNA) maakt het mogelijk om de genetische code van de bacteriën uit het staal te vergelijken met de sequenties die reeds in de databank voorhanden zijn. Zo krijgt men inzicht in de aard van de bacteriepopulaties in de HVAC-systemen.

Evaluatieschema

De resultaten van de analyse van de waterkwaliteit worden geëvalueerd ten opzichte van grenswaarden. Deze laatste zijn gebaseerd op de grenswaarden van VDI 2035, eventueel met een aanpassing op basis van de ervaringen in de veldtest. De belangrijkste waarde is het gehalte aan opgelost ijzer, wat een indicatie is voor actieve corrosieprocessen. Verder spelen ter plaatse gemeten parameters zoals het zoutgehalte een beslissende rol in de beoordeling van de kans op corrosie en de snelheid ervan. Als de grenswaarde voor een van de opgeloste metalen werd overschreden, of als de pH-waarde te laag was, dan kreeg de installatie de beoordeling ‘kritieke toestand’. Werden de grenswaarden van meer dan een metaal overschreden, dan werd de beoordeling ‘slechte toestand’ gegeven.

Wordt vervolgd ...

Door: Prof. Dr. Oliver Opel (FH Westküste), Dr. Stefan Plesser (SIZenergie+), Marlies Wiegand (Leuphana Universität Lüneburg, Mani Zargari (SIZenergie+)