INSTALLATIE EN GEREEDSCHAP  
Install Magazine 952 – augustus 2018

Corrosie in gesloten watercircuits (deel 2)

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.

Resultaten

Analyse ter plaatse

De waarden voor ijzer(II) op basis van de FeQuan-procedure ter plaatse werden vergeleken met de resultaten van de laboratoriumanalyses. Al in Fase I (eenmalige meting bij 64 installaties) waren er geen valse negatieven of valse positieven vastgesteld door de FeQuan-sensor. Anders gezegd, als er verse corrosieproducten in het water waren, gaf de sensor dit aan. Als de toestand van de installatie goed was, toonde de sensor dat eveneend betrouwbaar aan, wat naderhand bevestigd werd door de labo-analyse. Fase II leverde meer gegevens ter vergelijking (Figuur 2).

Figuur 3 vergelijkt het ijzergehalte dat gemeten werd door de FeQuan-sensor met de resultaten van de labo-analyses. De waarden van de FeQuan-sensor stemmen in grote mate overeen met laboratoriumwaarden. Het verhoogde ijzergehalte bij de opstart wordt overschat, als gevolg van het ontstaan van reactieve complexe stoffen en van veranderingen in de waterkwaliteit door microbiologische activiteit. De ijzerconcentratie in de analyse stijgt met de daling van de pH-waarde en met de microbiële kolonisering. Daarna lopen ze weer gelijk met de data uit de sensor (zie ook Figuur 6.)

Laboratoriumanalyse van de waterkwaliteit

Uit de analyse bleek dat enkele koelinstallaties gevuld waren met onthard water. Ontharding verlaagt het chloridegehalte van het water niet. De vergelijking van het gehalte aan opgelost ijzer en het chloridegehalte in figuur 4 is gebaseerd op de meetwaarden. Vanaf een chloridegehalte van 15 mg/l neemt het aantal gevallen met een hoog ijzergehalte duidelijk toe. Onder deze drempel treedt er geen noemenswaardige corrosie op.

Een ander factor is de pH-waarde. Een pH-waarde van <8,5 met een chloridegehalte van > 15  mg/l leidt tot een hoger ijzergehalte dan bij installaties met een pH-waarde van > 8,5.

Een lineaire correlatie tussen zuurstofgehalte en ijzergehalte is niet te vinden (Figuur 4). Als men geen rekening houdt met de installaties met een zuurstofgehalte tussen 0,01 en 0,1 mg/l, ziet men wel een samenhang tussen zuurstofgehalte en corrosiesnelheid. Die samenhang treedt echter alleen maar bij zeer hoge zuurstofgehaltes op.

Biochemische laboratoriumanalyses

Volgens een online-enquête zien professionals microbiologische processen amper als een oorzaak van corrosie. Toch konden we bij de analyses 800 types micro-organismen identificeren. Op basis van de stofwisseling kunnen we de volgende groepen onderscheiden:

• sulfaatreductie en ijzeroxidatie
• nitraatreductie, stikstofbinding
• biofilmvorming
• fermenterende acetogene organismen (deels complexe die ook gehalogeneerde organische stoffen afbreken; hierdoor is de afbraak van inhibitoren/biociden mogelijk)

Beoordeling van de resultaten

Corrosieprocessen

Dat sommige koelinstallatie gevuld werden met onthard water wijst erop dat men, bij gebrek aan een specifiek reglement voor koelinstallaties, terugvalt op de voorschriften van VDI 2035 voor verwarmingsinstallaties. In verwarmingsinstallaties wordt ontharding toegepast om kalkaanslag te voorkomen. Dat fenomeen treedt op als hard water dat waterstofcarbonaat bevat, wordt opgewarmd. In koelsystemen levert ontharding niets op, omdat de watertemperatuur nooit hoog genoeg wordt om kalkafzetting te veroorzaken. Daarentegen heeft ontharding geen invloed op de geleidbaarheid of op de aanwezigheid van voedingsstoffen voor micro-organismen.

De invloed van chloride op de kans op corrosie is duidelijk: chloride is de belangrijkste individuele factor in het optreden van corrosie. Worden chloridegehaltes van meer dan 15 mg/l gecombineerd met pH-waardes van minder dan 8,5, dan stijgt de kans op corrosie sterk. Het gemeten zuurstofgehalte in het water heeft weinig invloed op de kans op corrosie bij lage zuurstofconcentraties, in tegenstelling tot wat men zou kunnen afleiden uit de nadruk die de voorschriften op zuurstof leggen. Zeer hoge zuurstofgehaltes (> 1 mg/l) leiden zeker tot corrosie (Figuur 5). Ook bij lage zuurstofgehaltes < 0,1 mg/l kan het echter tot sterke corrosie komen. De meeste installaties situeren zich tussen 0,01 mg/l en 0,1 mg/l zuurstof. Bij deze waarden is er geen duidelijke samenhang te zien tussen het zuurstofgehalte en het ijzergehalte. De verschillen in het optreden van corrosie kunnen wellicht verklaard worden door het verschillend zoutgehalte. Een laag zuurstofgehalte is dus geen garantie voor het uitblijven van corrosie. Omgekeerd betekenen hoge zuurstofgehaltes (> 1 mg/l) zo goed als zeker corrosie. In de zone waarin zich de meeste installaties bevinden, zijn andere factoren zoals zoutgehalte en waarschijnlijk vooral het chloridegehalte, belangrijker.

Invloed van de microbiologie met voorbeelden.

Nitraat- en sulfaatreducerende bacteriën beïnvloeden het ontstaan van corrosie in ijzerhoudende materialen. Dit is een verder argument, naast het beperken van het chloridegehalte, voor een volledige ontzouting van het vulwater. Als er geen zouten zijn, vinden de bacteriën geen voeding. Inhibitoren en restconcentraties aan glycol kunnen eveneens als voedingsbodem dienen voor micro-organismen, voorzover de concentratie aan biocides te laag is. De sterkst aangetaste installaties uit de veldtest hadden dikwijls vulwater waarin nog sporen van glycol en inhibitoren uit voorgaande behandelingen te vinden waren.

Figuur 6 toont de chemische processen in een testinstallatie in het laboratorium (installatie-inhoud 3 l) na de opstart. De pH-waarde stijgt binnen twee maanden van 7,5 naar 9,3, terwijl het zuurstofgehalte daalt van het verzadigingspeil tot 50 μg/l, als gevolg van de corrosieprocessen na de opstart. In de volgende drie maanden leidt een lagere temperatuur tot een verhoging van het zuurstofgehalte van 50 naar 68 μg/l. Ongeveer een maand daarna begin de pH-waarde te dalen, om twee maanden later onder pH 9 te zakken.

De microbiologische analyse toont behalve de stikstofbindende soort Azospira ook de nitraatafhankelijke ijzeroxidator Acidovorax aan. Beide bacteriën komen in de bodem en in het grondwater voor en zijn aangepast aan temperaturen van 10-18°C.

Figuur 7 toont de chemische processen in een installatie met continu zuurstoftoevoer en groei van micro-organismen. De pH-waarde stijgt in korte tijd naar pH 9,3 en daalt dan constant tot pH 8,4. De microbiologische analyse toont dat de biofilmvormende Pseudomonas en de stikstofbindende Bradyrhizobium de dominerende bacteriesoorten zijn.

Evaluatie van de corrosietoestand

De meeste installaties uit het onderzoek bevinden zich uit corrosie-oogpunt minstens in kritieke toestand. Ze lopen een duidelijk hoger risico op corrosieschade. Installaties in goede, kritieke of slechte toestand komen allemaal ongeveer even veel voor, waarbij koelinstallatie zich toch minder vaak in goede toestand bevinden dan verwarmingsinstallaties (Figuur 8). Behalve een beoordeling van de toestand van de installatie, wordt ook rekening gehouden met een eventuele behandeling van het vulwater, aan de hand van een analyse van de waterkwaliteit. Daarbij valt op dat de helft van de koelinstallaties gevuld was met onthard water. Een klein deel van de installaties heeft volledig ontzout water (Figuur 9). Er werd geen duidelijke samenhang tussen een eventuele behandeling en de toestand van de installatie vastgesteld. Men kan alleen zeggen dat de installaties met ontzout water zich zonder uitzondering in goede toestand bevonden. Gezien het kleine aantal (4 installaties) kan men hier echter geen algemene conclusies aan verbinden.

Conclusies en vooruitzichten

Koelinstallaties zijn dikwijls gevuld met water van de verkeerde kwaliteit, en zijn dus kwetsbaarder dan verwarmingsystemen. Dat is onder meer te wijten aan onduidelijkheid over de voorschriften. Het chloridegehalte van het vulwater is de belangrijkste factor in het optreden van corrosie. Een te lage pH-waarde als gevolg van sulfaatreducerende of stikstofbindende bacteriën in combinatie met een hoog chloridegehalte vergroot de kans op corrosie nog meer. Om het gehalte aan chloriden en andere zouten als mogelijke voedingsbodem voor bacteriën te beperken, is het aan te bevelen om zowel verwarmings- als koelinstallaties te vullen met ontzout water. Eventueel kan men ook onbehandeld zoutarm water gebruiken, of onbehandeld water, vermengd met ontzout water. De BTGA Regel 3.003 schrijft onder meer voor dat het chloridegehalte van het vulwater onder 15 mg/l moet liggen. Een continu bewaking van de waterkwaliteit is verder een goede manier om corrosie te voorkomen.

Dat laatste is de beste methode om het risico op corrosie op te sporen, nog voor er schade ontstaat. Het meest eenvoudige is de controle van de pH-waarde. In de reglementen wordt een jaarlijkse controle aanbevolen. Toch is een continu bewaking aan te raden, omdat een wijziging dan sneller kan worden ontdekt zodat men tijdig de oorzaak kan opsporen en ingrijpen.

De eerste ervaringen met de FeQuan Sensor in de praktijktest zijn positief. De meetwaarden en de berekende corrosiesnelheid zijn goed geschikt om te toestand van een installatie te beoordelen, vooral in verband met veranderingen in gebruiksomstandigheden of om het effect van anticorrosiemaatregelen na te gaan, zoals spoelingen of vulling met behandeld water.

Referenties

• VDI 2035 Blatt 2: Vermeidung von Schäden in Warmwasseranlagen.
• DIN EN 14868 (2005): Korrosionsschutz metallischer Werkstoffe – Leitfaden für die Ermittlung der Korrosions-wahrscheinlichkeit in geschlossenen Wasser-Zirkulationssystemen.
• BTGA-Regel 3.003: Geschlossene wassergeführte Kalt- bzw Kühlwasserkreisläufe in Gebäuden. Zuferlässiger Betrieb unter wassertechnischen Aspekten.
• VDI 2035 Blatt 1: Steinbildung in Trinkwassererwarmungs- und Warmwasser-Heizungsanlagen.
• Opel, Oliver: Detektion von Verockerungsprozessen, Korrosion und Belagbildung – Monitoring der Eisenoxidation in Brunnen, Gebäuden, Leitungen und Anlagen mithilfe des Redoxpotentials.
• Wiegand, Marlies: Untersuchungen zum Korrosionsverhalten geschlossener hydraulischer Anlagen moderner Installationssysteme mithilfe von wasser- und elektrotechnischer Analytik freigesetzer Metallionen.
• Fritsche, Olaf: Mikrobiologie.

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