Korozja rur wodociągowych – jakie czynniki ją powodują i jak jej zapobiegać?
Korozja rur wodociągowych to problematyczne zjawisko, które wpływa na trwałość instalacji oraz może pogarszać jakość wody przez uwalnianie produktów korozji. Proces korozji w instalacjach wodnych może być wywołany przez szereg czynników, takich jak np. parametry fizykochemiczne wody, warunki eksploatacyjne.
Spis treści
- Korozja rur wodociągowych: definicja i rodzaje korozji
- Przyczyny korozji rur wodociągowych
- Korozja rur wodociągowych ze stali, miedzi, żeliwa, tworzywa sztucznego
- Jak zapobiegać korozji rur wodociągowych?
- Normy i regulacje dotyczące ochrony rur wodociągowych przed korozją
Korozja rur wodociągowych: definicja i rodzaje korozji
Zgodnie z definicją zawartą w normie PN-EN ISO 8044 „Korozja metali i stopów. Podstawowe terminy i definicje” – korozją nazywa się „oddziaływanie fizykochemiczne między metalem a środowiskiem, w wyniku którego powstają zmiany we właściwościach metalu, mogące prowadzić do znaczącego pogorszenia funkcji metalu, środowiska lub układu technicznego, którego są częściami”.
Innymi słowy, korozja rur wodociągowych to proces stopniowego niszczenia materiału instalacji m.in. na skutek procesów elektrochemicznych, chemicznych, mechanicznych i biologicznych zachodzących przede wszystkim na styku materiału rury z wodą. Zjawisko to prowadzi do osłabienia struktury przewodów, powstawania wycieków, zmniejszenia przepływu na skutek odkładania się produktów korozji, a w skrajnych przypadkach – do całkowitej awarii systemu. Korozja w instalacjach wodnych może przyjmować różne formy – wyróżnia się np. korozję ogólną, wżerową, elektrochemiczną, biologiczną czy erozyjną; a jej intensywność zależy m.in. od materiału rur, składu chemicznego wody czy warunków eksploatacyjnych instalacji.
Korozja rur wodociągowych dotyczy głównie rur wykonanych ze stali, ale także bardziej odpornych na degradację rur z żeliwa i miedzianych. Instalacje wodne z tworzywa sztucznego (PVC, PE, PEX), chociaż nie ulegają korozji w ujęciu klasycznym, są podatne na degradację, której skutki są podobne do korozji i obejmują np. osłabienie materiału, skrócenie żywotności i zwiększoną awaryjność instalacji.
Najpowszechniejszym rodzajem degradacji metali zachodzącym w środowisku wodnym jest korozja elektrochemiczna. Ma ona miejsce wówczas, gdy występuje różnica potencjałów elektrochemicznych między obszarami instalacji wodociągowej, co prowadzi do utleniania metalu. W procesie tym utlenione żelazo rozpuszcza się w roztworze i tworzy warstwę tlenków na powierzchni metalu, które mogą być ochronne lub prowadzić do dalszej degradacji.
Związki żelaza o różnej strukturze i składzie chemicznym tworzą się w zależności od warunków występujących w wodzie, szybkości utleniania. Stanowią one podstawowy budulec osadów korozyjnych, które zmniejszają przekroje rur, pogarszają jakość wody. W wyniku reakcji zachodzących w procesach anodowym i katodowym następuje ubytek materiału przewodu oraz podwyższenie pH wody przepływającej w korodującej instalacji. W pewnych warunkach może również nastąpić wydzielanie wodoru gazowego.
Czynnikami przyspieszającymi korozję elektrochemiczną są np. wysoka zawartość tlenu w wodzie, obecność jonów chlorkowych i siarczanowych, niski lub wysoki odczyn pH wody, oddziaływanie prądów błądzących (gdy instalacja znajduje się w pobliżu źródeł prądów elektrycznych). Tego typu korozja rur wodociągowych powoduje ich osłabienie i tworzenie się perforacji. Korozja elektrochemiczna i osady korozyjne tworzą środowisko sprzyjające rozwojowi bakterii. W zależności od materiału wykonania rur może też powodować uwalnianie się metali ciężkich do wody.
Działalność życiowa mikroorganizmów, zwłaszcza tych tworzących tzw. biofilm na powierzchni metalu, związana z niszczeniem materiału nazywana jest korozją mikrobiologiczną (biologiczną). Biofilm to warstwa śluzowatych osadów zawierających bakterie, ich produkty przemiany materii oraz osady mineralne. Powoduje on lokalne zmiany środowiska chemicznego na powierzchni metalu, prowadząc do przyspieszenia korozji. W przewodach wodociągowych zwykle występują bakterie żyjące w zróżnicowanych koloniach, odpowiedzialne głównie za korozję wżerową. Wśród nich można wyszczególnić takie grupy, jak:
- bakterie redukujące siarczany;
- bakterie redukujące metale;
- bakterie redukujące metale;
- bakterie produkujące śluz;
- bakterie produkujące kwasy.
Korozji mikrobiologicznej sprzyjają m.in. warunki beztlenowe, niska prędkość przepływu wody, wysoka temperatura, obecność siarczanów, żelaza i manganu. Mikroorganizmy przyczyniają się do korozji w rurach wodnych na kilka sposobów.
Po pierwsze, bakterie wydzielają kwasy organiczne, obniżają pH, powodując korozję kwasową. Niektóre z nich przyspieszają rozpuszczanie metali, np. bakterie żelazowe utleniają Fe²⁺ do Fe³⁺, prowadząc do powstawania osadów rdzy. Bakterie redukujące siarczany produkują siarkowodór, który reaguje z metalami, a następnie powoduje korozję siarczanową. Oprócz tego, tworzący się na powierzchni rur biofilm może wytwarzać lokalne różnice potencjału elektrochemicznego, co w rezultacie prowadzi do korozji wżerowej.
Korozja mikrobiologiczna niszczy strukturę przewodów, zmniejsza średnicę rur i generuje straty finansowe, ale przede wszystkim zanieczyszcza wodę i stwarza zagrożenie zdrowia dla ludzi (głównie za sprawą rozwoju bakterii chorobotwórczych, takich jak np. Legionella).
Innym przykładem degradacji materiału zachodzącym w rurach wodnych jest korozja erozyjna. Zjawisko to powstaje w wyniku połączenia procesów mechanicznego ścierania i elektrochemicznej korozji metalu. Do korozji erozyjnej rur wodociągowych dochodzi, gdy woda przepływa z dużą prędkością lub zawiera cząstki stałe, które powodują uszkodzenie powierzchni rur i przyspieszają ich niszczenie.
Takiej korozji sprzyja intensywny ruch wody (często pod wysokim ciśnieniem lub w zmiennych warunkach przepływu), kawitacja i nieodpowiednio dobrany materiał instalacji. Silny przepływ wody lub obecność zawiesin uszkadza naturalną, ochronną warstwą tlenków na powierzchni metalowych rur. Następnie odsłonięty metal wchodzi w reakcje, tworząc wżery, rowki i perforacje na powierzchni materiału. Oprócz typowych skutków degradacyjnych, korozja erozyjna powoduje przedwczesne zużycie i częstsze awarie pomp i armatury instalacyjnej.
Korozja rur wodociągowych obejmuje także wiele innych procesów korozyjnych. Wśród nich należy wskazać:
- korozję chemiczną: występuje na skutek reakcji chemicznych między składnikami wody a materiałem rury;
- korozję szczelinową: tworzy się w trudno dostępnych miejscach, np. na połączeniach;
- korozję wżerową: punktowa forma korozji, powodująca głębokie ubytki materiału;
- korozję naprężeniową: pojawia się w materiałach podatnych na naprężenia mechaniczne (np. w wyniku działania ciśnienia, temperatury, źle dobranej instalacji);
- korozję selektywną: specyficzną dla niektórych stopów (np. usunięcie warstwy cynku z rur ocynkowanych).
Przyczyny korozji rur wodociągowych
Materiały stosowane w systemach wodociągowych wykazują odmienną odporność na procesy korozyjne. Stal węglowa jest podatna na korozję elektrochemiczną, zwłaszcza w obecności tlenu i agresywnych jonów, takich jak chlorki czy siarczany. Uszkodzenia warstwy cynku w rurach ocynkowanych może przyczyniać się do powstawania lokalnych ogniw korozyjnych przyspieszających degradację metalu. Wysoce odporna na korozję jest stal nierdzewna (AISI 304, AISI 316), ale w obecności chlorków szybciej dochodzi do korozji wżerowej i naprężeniowej.
Rury miedziane są bardziej podatne na degradację w środowisku niskiego pH, wysokiej prędkości przepływu wody, a także obecności siarkowodoru i amoniaku. Wówczas dochodzi do korozji erozyjnej lub wżerowej. Rury żeliwne i betonowe stosowane w systemach wodno-kanalizacyjnych ulegają korozji w wyniku działania wody agresywnej (o niskim pH), obecności bakterii siarkowych, długotrwałego kontaktu z substancjami chemicznymi i niewystarczającą ochroną przed erozją mechaniczną.
Istotny wpływ korozję rur wodociągowych mają właściwości wody. Do najważniejszych czynników powodujących degradację rur zalicza się:
- pH wody – zbyt kwaśne pH intensyfikuje procesy utleniania, a zbyt zasadowe prowadzi do odkładania się osadów węglanowych, a następnie do zmiany warunków przepływu;
- twardość wody – w wodzie twardej, zawierającej wysokie stężenia jonów wapnia i magnezu tworzą się osady węglowe częściowo chroniące powierzchnie rur; zasadniczo jednak twarda woda oraz osady mogą powodować skomplikowane mechanizmy korozyjne; korzystnego działania nie ma również woda miękka, która co prawda nie wytrąca kamienia, ale jest bardziej narażona na korozję elektrochemiczną i może sprzyjać większej rozpuszczalności metali, co również prowadzi do procesów korozyjnych;
- obecność tlenu rozpuszczonego – tlen rozpuszczony w wodzie przyspiesza korozję elektrochemiczną, zwłaszcza w metalach podatnych na utlenianie, jak stal węglowa czy żeliwo;
- zawartość chlorków i siarczanów – jony chlorkowe powodują korozję wżerową i naprężeniową stali, siarczany powodują szybsze wytrącanie się osadu, a także sprzyjają tworzeniu się korozji mikrobiologicznej;
- obecność bakterii korozyjnych – w instalacjach wodociągowych mogą rozwijać się bakterie siarkowe, nitryfikacyjne, tlenowe; mikroorganizmy tworzą biofilm, a poza tym wytwarzają agresywne związki chemiczne, jak np. kwas siarkowy.
Polecany artykuł:
Korozja rur wodociągowych zależy także od warunków eksploatacji instalacji wodociągowej, znaczenie mają w szczególności:
- wysoka temperatura wody – przyspiesza procesy elektrochemiczne i zwiększa rozpuszczalność agresywnych gazów;
- prędkość przepływu wody – nadmierna prędkość przepływu sprzyja korozji erozyjnej, a zbyt niska przyczynia się do gromadzenia osadów;
- zmienne ciśnienie – duże wahania ciśnienia w sieci wodociągowej mogą powodować pęknięcia naprężeniowe oraz inicjować procesy korozyjne w miejscach osłabienia strukturalnego;
- długie przestoje w eksploatacji – stagnacja wody to dobre warunki do rozwoju mikroorganizmów korozyjnych, a w efekcie do rozwoju korozji mikrobiologicznej.
Korozja rur wodociągowych ze stali, miedzi, żeliwa, tworzywa sztucznego
Instalacje wodociągowe ze stali, miedzi, żeliwa i tworzyw sztucznych różnią się pod względem odporności na korozję, ale też wpływu na jakość wody.
Instalacje stalowe są stosunkowo podatne na korozję, zwłaszcza w obecności wody agresywnej. Ochrona w formie malowania czy cynkowania nie jest przecież absolutna, powłoki te mogą ulegać uszkodzeniom np. na skutek tarcia, temperatury czy kontaktu z czynnikami chemicznymi. Ponadto, korozja stali powoduje, że materiał rury zaczyna się rozkładać pod wpływem reakcji z wodą i tlenem, co prowadzi do powstawania tlenków żelaza (brązowego osadu), wprowadzając zanieczyszczenia do wody.
Korozja rur wodociągowych zachodzi nieco rzadziej w instalacjach z żeliwa. Jest tak za sprawą specjalnej struktury grafitowej oraz pasywnej warstwy tlenków żelaza, które ograniczają szybkość korozji. Jednocześnie jednak pomimo większej odporności żeliwa na korozję, rury żeliwne częściej ulegają specyficznym typom degradacji, jak np. korozja grafityzacyjna. Proces ten polega na wypłukiwaniu żelaza z osnowy metalicznej, co prowadzi do osłabienia struktury grafitowej. W efekcie żeliwo staje się kruche i porowate.
Rury miedziane cechują się wysoką odpornością na korozję, zwłaszcza elektrochemiczną. Tworzą na swojej powierzchni warstwę pasywacyjną tlenków i węglanów miedzi, która zabezpiecza przed dalszą degradacją. Jednak w środowisku wodnym o bardzo niskim pH może dochodzić do korozji poprzez uwalnianie się jonów miedzi, które w dużych ilościach są szkodliwe dla zdrowia. Korozja miedzi w kwaśnym środowisku przyspiesza też w obecności rozpuszczonego tlenu i chlorków. W normalnych warunkach rury miedziane nie wprowadzają takich zanieczyszczeń do wody – miedź może się uwalniać, ale jej ilość jest zazwyczaj kontrolowana i zgodna z normami jakości wody pitnej.
W przypadku rur z PVC, PE czy PEX mówimy nie o korozji, lecz o procesach degradacji materiału, które mogą zagrażać ich długoterminowej trwałości i właściwościom. Degradacja rur z tworzywa sztucznego przyjmuje poniższe formy:
- niszczenie pod wpływem promieniowania UV (rury niezabezpieczone);
- degradacja termiczna i utlenianie prowadzące do kruchości;
- biodegradacja wywołana działaniem mikroorganizmów;
- działanie agresywnych substancji chemicznych;
- osadzanie się zanieczyszczeń i biofilmu;
- migracja plastyfikatorów (w niektórych tworzywach sztucznych);
- ścieranie powierzchniowe w wyniku przepływu wody zawierającej cząstki stałe.
Autor: Archicom
Olimpia Port, inwestycja firmy Archicom. Zakończenie przedsięwzięcia nad Odrą
Jak zapobiegać korozji rur wodociągowych?
Aby zapobiec korozji rur wodociągowych ze stali stosuje się następujące metody:
- powlekanie cynkiem;
- powlekanie zewnętrzne i wewnętrzne (powłoki epoksydowe, cementowe, polietylenowe);
- ochronę katodową: polega na zmianie potencjału elektrochemicznego chronionego metalu, dzięki czemu zamiast rury koroduje inny, specjalnie dobrany materiał;
- dobór stali nierdzewnej w instalacjach o podwyższonej agresywności wody.
Ochrona przed korozją w instalacjach z rur miedzianych obejmuje przede wszystkim dostosowanie właściwości wody (odpowiednie pH, unikanie związków agresywnych), dbanie o prawidłowe warunki przepływu, unikanie bezpośrednich połączeń ze stalą ocynkowaną. Niekiedy stosuje się też inhibitory korozji w formie związków fosforanowych.
Rury z tworzywa sztucznego chroni się przed degradacją poprzez:
- barwienie tworzyw;
- stabilizatory UV;
- montaż w osłonach lub pod ziemią;
- unikanie przegrzewania;
- unikanie nadmiernych obciążeń;
- dobór odpowiedniego materiału w zależności od składu chemicznego wody;
- stosowanie rur z powłokami antybakteryjnymi;
- dobór rur o odpowiedniej klasie PN;
- stosowanie zaworów redukujących ciśnienie;
- unikanie gwałtownych zmian przepływu.
Normy i regulacje dotyczące ochrony rur wodociągowych przed korozją
Poniżej wyszczególniono ważne normy i regulacje dotyczące ochrony instalacji wodociągowych przed korozją:
- PN-EN 806 – Wymagania dla instalacji wodociągowych do wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi;
- PN-EN 1717 – Ochrona przed wtórnym zanieczyszczeniem wody w instalacjach wodociągowych;
- PN-EN 12502 – Ochrona materiałów metalowych przed korozją – Wskazówki dotyczące oceny ryzyka korozji w systemach dystrybucji wody pitnej;
- PN-EN 1057+A1 – Miedź i stopy miedzi – Rury miedziane okrągłe bez szwu do wody i gazu;
- PN-EN ISO 9223 – Korozyjność atmosferyczna – Klasyfikacja i określanie korozyjności;
- PN-EN 12873 – Wpływ materiałów na wodę przeznaczoną do spożycia przez ludzi;
- Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 7 grudnia 2017 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi.
