Ako obmedziť koróziu v kovových vodovodných potrubiach

V súčasnosti vo zvýšenej miere korodujú distribučné systémy ohriatej pitnej vody, a to už niekoľko rokov od ich realizácie. Požadovaná životnosť vodovodného potrubia je pritom podľa STN EN 806-2 až 50 rokov.

Tento nežiaduci jav je ovplyvnený najmä nevhodným výberom materiálu na rozvody teplej vody, pričom ide najmä o pozinkované oceľové potrubia. Vo vodovodných potrubiach prebieha elektrochemická korózia, ktorú spôsobujú elektrolytické prostredie a termodynamická nestabilita kovu. Prav­depodobnosť vzniku korózie sa zvyšuje s rastúcou teplotou prúdiacej vody, preto sú najviac postihnuté rozvody teplej vody a cirkulácie. V cirkulačnom potrubí sa zvyšuje riziko korózie aj v dôsledku malej rýchlosti prúdenia vody. Vznik korózie ovplyvňuje aj usadzovanie rôznych častíc v potrubí, ktoré sa tu dostanú z iných častí distribučného systému, alebo vznikajú ako produkt korózie [16].

Korózia kovov
Koróziu kovov možno vo všeobecnosti definovať ako samovoľný proces rozrušovania kovových materiálov v dôsledku oxidačno-redukčnej reakcie kovu s okolitým agresívnym prostredím. Vnútorný povrch vodovodného potrubia vytvára spolu s prepravovanou vodou vhodné prostredie na elektrochemické reakcie, ktoré vznikajú na fázovom rozhraní elektróda – elektrolyt. Na to, aby medzi elektrolytom a elektródou prechádzal prúd, sú potrebné aspoň dve elektródy, ktoré vytvoria elektrochemický článok. Elektródou môže byť každá pevná alebo kvapalná fáza, ktorá je elektrónovo alebo iónovo vodivá [1].

Koróziu nemožno úplne potlačiť, dá sa ovplyvniť len jej rýchlosť tak, aby mal výrobok garantované vlastnosti počas požadovanej životnosti. Pri vodovodnom potrubí je to podľa STN EN 806-2 až 50 rokov [16].
Rýchlosť korózie závisí od kombinácie jednotlivých faktorov, ktoré ju ovplyvňujú. Sú to:

• rýchlosť prúdenia vody (vhodná rýchlosť je od 1,0 do 2,5 m/s v závislosti od materiálu potrubia),
• chemické vlastnosti vody (minerálne zloženie, pH, vodivosť, kyselinová kapacita vody),
• obsah rozpusteného kyslíka O₂,
• fyzikálne vlastnosti vody (teplota, tlak),
• prevádzkové podmienky systému (prevádzková teplota, zmeny teploty, prevádzkový tlak v systéme),
• vlastnosti použitého materiálu potrubia,
• správna kombinácia materiálov potrubia [11].

Vo vodovodnom potrubí sa často zapájajú kovy s rozdielnymi elektrickými potenciálmi, čo vedie ku korózii kovu so záporným potenciálom. Príkladom môže byť zapojenie z pozinkovanej ocele za prvkom obsahujúcim meď, keď nastáva korózia pozinkovaného potrubia. K rozdielu potenciálov dochádza aj pri usadzovaní rôznych častíc v potrubí a koróznych produktov alebo nečistôt, ktoré sa dostali do systému z verejného vodovodu. Tieto častice môžu byť elektródou, ktorá v spolupôsobení s čistým povrchom kovu vytvorí elektrochemický článok. Ten je potom predpokladom vzniku bodovej korózie.

Bodová korózia
Bodová korózia (obr. 1) vzniká v otvorených a uzavretých systémoch, zvlášť v cirkulačnom potrubí, kde je nízka rýchlosť prúdenia vody, pod nánosom vodného kameňa a nerozpustných látok a pod nánosom mikrobiologického pôvodu.

Vznik bodovej korózie výrazne znižuje životnosť vodovodného systému. V štúdii [15] sa uvádza model rýchlosti poškodenia systému pôsobením jednotlivých druhov korózie. Tento model potvrdil, že zníženie hrúbky steny vplýva na pravdepodobnosť poruchy pri klznom namáhaní a hĺbka koróznej jamy má väčší vplyv na pravdepodobnosť poruchy ako jej plocha.

V dôsledku bodovej korózie vznikajú drobné, ale hlboké poruchy v stene potrubia, preto ide v tomto prípade o nebezpečný typ korózie.

Príčiny vzniku bodovej korózie:

• tvorba nánosu na kovových materiáloch organického alebo anorganického pôvodu (chýbajúca alebo nevhodná úprava vody),
• nevhodný výber materiálu,
• nedodržanie predpísaných technických parametrov systému (malý prietok vody – tvorba nánosov),
• kombinácia týchto faktorov a teploty (z toh­to dôvodu je najviac ohrozené rozvodné potrubie teplej vody a cirkulácia teplej vody).

Po vytvorení nánosov je ťažké zabrániť korózii pod nánosmi, keďže nemožno zabezpečiť aplikovanie inhibítora korózie na povrch kovu [4].

Na obr. 2 je znázornený vznik a vývoj bodovej korózie vo vybranej časti vodovodného systému. Príčinou vzniku bodovej korózie je oxidačno-redukčná reakcia kovu (železa) v elektrolyte. Rôzne chyby, ktoré vznikli pri výrobe potrubia, ale aj usadené nečistoty spôsobujú, že hodnota elektrického poten­ciálu nie je na celom vnútornom povrchu potrubia rovnaká. Preto môže byť časť povrchu potrubia katódou a inde anódou, takže dochádza k prúdeniu elektrónov medzi týmito dvoma bodmi. Na obr. 2a je znázornený vstup koróznych častíc do úseku potrubia. Tieto častice môžu pochádzať z verejného vodovodu alebo iných častí vnútorného vodovodu a v tých častiach vnútorného roz­vodu, kde je nízka rýchlosť prúdenia vody, sa potom usádzajú. Usadené častice môžu na povrchu potrubia spôsobiť oxidačno-redukčnú reakciu kovu v elektrolytickom prostredí.

Chemický princíp bodovej korózie
Z povrchu kovu sa v elektrolytickom prostredí uvoľňujú 2 elektróny (2e–), ktoré sa spotrebujú pri redukcii kyslíka podľa rovnice

1/2 O₂ +  H₂O+ 2e– → 2 OH–      (1)

Vzniknutý hydroxidový anión reaguje so železnatým katiónom, pričom vznikne hydroxid železnatý

2 OH– + Fe²⁺ → Fe(OH)₂    (2)

Hydroxid železnatý je biela kryštalická látka, ktorá je nestála a hneď oxiduje podľa vzorca

Fe(OH)₂ +O₂ → Fe(OH)₃ + H₂O    (3)

Vzniká tak oxid železitý, čo je hnedá, vo vode nerozpustná látka – hrdza [12].

Na obr. 2b je znázornené usádzanie vzniknutého oxidu železitého (hrdze) a vznik korózne­ho povlaku na vnútornom povrchu potrubia. Korózny povlak vytvára dobré podmienky na usadzovanie a rozmnožovanie bak­térií vo vodovodnom potrubí, pričom bakteriálny mi­krofilm je z povrchu potrubia prakticky neodstrániteľný [10].

Na obr. 2c vidieť ďalší postup korózie – odplavovanie koróznych častíc a ich usadzovanie v iných miestach systému. Korózne usadeniny sa odplavujú napríklad pri špičkovom odbere vody, keď sa výrazne zvyšuje rýchlosť prúdenia vody oproti nočnému útlmu.

Simulácia usadzovania koróznych častíc
V programe Ansys Fluent sa uskutočnila ­simulácia ustáleného prúdenia vody v distribučnom systéme, ktorý bol navrhnutý s prihliadnutím na problematické úseky v jestvu­júcich rozvodoch vody (obr. 3). Potrubný rozvod bol dimenzovaný podľa STN EN 73 6655 na výpočtový prietok v prívodnom potrubí v objemoch 3,0 a 4,0 l/s. Simuláciou sa pri zvolených prietokoch vybrali v systéme miesta, kde bola najnižšia rýchlosť vody, a v týchto úsekoch sa simulovalo usadzovanie častíc (obr. 3) [16]. Za referenčné častice sa zvolili guľôčky s priemerom 1, 5, 20, 80, 100 µm, čo zodpovedá jemnosti používaných filtrov. Potrubie bolo reprezentované povrchom geometrickej schémy. Vzhľadom na tvorbu bakteriálneho mikrofilmu vo vodovodnom potrubí, ktorý je v podstate neodstrániteľný [11], sa pri simulácii počítalo s nekonečnou priľnavosťou referenčných čas­tíc na povrchu potrubia. Vodovodný sys­tém a usadzovanie častíc sa simulovali diskrétnym fázovým modelom, ktorého výstupom sú trajektórie častíc v potrubí a koncentrácia referenčných častíc na povrchu potrubia. Trajektórie častíc sú opísané Lagrangiovou referenčnou rovnicou [2].

Obr. 3 Schéma vodovodu s vybranými úsekmi, kde je najvyššia pravdepodobnosť usadzovania častíc

Výsledky simulácie
Na obr. 4 sú znázornené výsledky simulácie rýchlosti prúdenia vody pri prietoku 0,6 l/s na odbočke v osi potrubia. Modrou farbou je zobrazená najnižšia rýchlosť prúdenia vody, červenou farbou najvyššia rýchlosť (m/s). V označenej oblasti 1 je nízka rýchlosť prúdenia vody a je tu aj najvyššia koncentrácia usadených častíc, čo vidieť na obr. 5, kde je znázornený výsledok simulácie kon­centrácie častíc na vnútornom povrchu potrubia. V oblasti 2 je takisto nízka rýchlosť prúdenia vody, tu sa však neusadzujú častice v dôsledku geometrie potrubia a ani sa neusadzujú častice na hrane zmeny smeru.

Pohyb častíc sedimentu je vyvolaný silami pôsobiacimi na jednotlivé častice, ktoré sú väčšie ako gravitačné. To znamená, že musíme poznať rozloženie síl pôsobiacich na častice. Na pohyb častíc pôsobí rýchlosť prúdenia vody v systéme, ale aj geometria systému a rozloženie už usadených častíc (obr. 4). Pri vyhodnotení usadzovania častíc v prúdiacej tekutine sa podľa [14] uvádza, že v „tieni usadených častíc“ sa ďalšie častice neukladajú. Na obr. 4 je výsledok simulácie trajektórií prúdiacich referenčných častíc, ktorý potvrdzuje vznik zóny bez usadenín v mieste odbočenia, oblasť 2.

Obr. 4 Rýchlosť prúdenia vody (m/s) v odbočke vodovodného potrubia

Obr. 5 Trajektórie častíc vnútri potrubia v odbočke vodovodného potrubia

Obr. 6 Koncentrácia usadených častíc na vnútornom povrchu potrubia v odbočke vodovodného potrubia

Na obr. 6 sú znázornené výsledky simulácie usadzovania častíc. Oranžová a červená farba upozorňujú na zvýšenú koncentráciu usadených častíc na vnútornom povrchu potrubia. Vo vyznačenej oblasti 1 je vysoká koncentrácia usadených častíc a, ako je zrejmé, v oblasti 2 sa častice vôbec neusádzajú.

Na obr. 7 je porovnanie rýchlosti prúdenia vody v zhybke na cirkulačnom potrubí pri prietokoch 3,0 l/s (obr. 7a) a 4,0 l/s (obr. 7b). Tmavomodrá farba znázorňuje nulovú rýchlosť prúdenia vody, červená farba predstavuje rýchlosť 2,6 m/s. Vo vyznačenej oblasti 1 s nízkou rýchlosťou prúdenia vody je vysoká pravdepodobnosť usadzovania koróznych častíc.

Obr. 7 Simulácia rýchlosti prúdenia vody pri rôznych prietokoch v potrubí teplej vody v zhybke na cirkulačnom potrubí
a) prietok 3,0 l/s, b) prietok 4,0 l/s

Obr. 8 Simulácia koncentrácie usadených častíc v zhybke na cirkulačnom potrubí teplej vody
a) prietok 3,0 l/s, b) prietok 4,0 l/s

Na obr. 8 je porovnanie koncentrácie usadených častíc na povrchu potrubia pri zvolených prietokoch. Oblasť 1 označuje miesto s vysokou koncentráciou usadených častíc.
 
Vyplývajúce odporúčania
Na obr. 4 až 8 sú znázornené simulácie koncentrácie usadených látok pri zvolenom prietoku v miestach, kde sa predpokladala najvyššia koncentrácia usadených častíc. Pri zvýšení rýchlosti prúdenia vody sa znižuje koncentrácia usadených častíc na stene potrubia. Vzhľadom na tieto zistenia boli vypracované odporúčania na realizáciu vodovodných systémov rozvodov vody na obmedzenie korózie v kovových vodovodných potrubiach, ktoré uvádzame ďalej:

Správny výber materiálu potrubia
V [5] sú uverejnené požiadavky na vlastnosti materiálov potrubia podľa platnej legislatívy.

Kontrola kvality vody
Vplyvom kvality vody sa mení pravdepodobnosť korózie vodovodných potrubí. Podľa normy STN EN 12502 časti 1 až 5 sa vypočítajú hodnoty ukazovateľov (pomerov koncentrácií určitých minerálnych látok), podľa ktorých sa určí pravdepodobnosť korózie vplyvom prepravovanej vody. V článku TZB Hautechnik č. 1/2011, na s. 40, je uverejnený komentár k tejto norme.

Správny návrh distribučného systému teplej vody
Správny návrh sa musí realizovať s ohľadom na prevádzkovú rýchlosť, teplotu a tlak vody v systéme. V simulácii možno vidieť pokles koncentrácie usadených látok v potrubí pri dodržaní normových požiadaviek na rýchlosť prúdenia vody. Pri rozvodoch teplej vody a cirkulácie sa pridáva riziko korózie spôsobenej zvýšenou teplotou. V [11] sa uvádza teplota vody nad 35 °C, pričom so zvýšením teploty o 5 °C rastie riziko korózie 5-násobne. Z tohto dôvodu nie je oceľové pozinkované potrubie vhodné na rozvody teplej vody a cirkulácie.

Správna kombinácia materiálov
Pri zapojení kovov s nižším elektrickým potenciálom (menej ušľachtilý kov – napríklad pozinkovaná oceľ) za ušľachtilejší kov (napríklad meď) nastane vplyvom bimetalickej korózie degradácia menej ušľachtilého kovu (TZB Haustechnik č. 1/2011, s. 40).

Osadenie jemného filtra na vstupe do objektu
Okrem mechanického filtra, ktorý sa odporúča osadiť do vodomernej šachty pred objektom, treba na vstupe do objektu osadiť aj jemný filter podľa STN EN 806-2, dokonca sa odporúča osadiť filter aj na cirkuláciu teplej vody. Zo systému sa tak odstránia častice, ktoré po usadení môžu spôsobiť koróziu potrubia.

Odkaľovací ventil
V najnižších častiach systému, ako aj v častiach obchádzania prievlakov alebo iných potrubí v najnižšom mieste sa musí osadiť odkaľovací ventil. Častice usadené v týchto miestach sa môžu zo systému odstrániť [16].

Z uvedeného vyplýva, že realizácia distribučných systémov teplej vody z oceľových pozinkovaných rúr je v konečnom dôsledku investične aj prevádzkovo náročnejšia, než pri použití kvalitnejších materiálov [5]. V niektorých krajinách Európy, napríklad v Rakúsku, je rozvod teplej vody z pozinkovaného potrubia zakázaný. Vzhľadom na význam problematiky sa jej preto priebežne opakovane venujeme.

Článok bol spracovaný v rámci projektu VEGA 1/0511/11.

Obrázky: archív autorky

Literatúra
1.    Novák, P.: Základní principy koroze kovů v elekrolytech. In: Korózia v energetike 2006. Zborník prednášok, Košice. 2006, s. 1.
2.    Richardson, J. R. – Zaki, W. N.:  Sedimentation and Fluidization, part 1. Tans. Inst. Chem Eng. 3235531954.
3.    Baldyga, J.: Turbulent Mixer Model with Application to Homogenous Instantaneous Chemical Reactions. Chem. Eng. Sci. 44:11751182, 1989.
4.    Lukáč, J. – Vanovčan, J. – Madej, J.: Korózia pod nánosmi; Mechanizmy, Príčiny, Prevencia. In: Korózia v energetike 2008. Zborník prednášok, Košice, 2008, s. 44.
5.    Valášek, J.: Pozinkované potrubia vodovodov v budovách. In: TZB Haustechnik č. 1, 2011, s. 40 – 43.
6.    Valášek, J.: Príčiny vzniku korózie. In.: Stavebné materiály č. 2 – 3, 2005, s. 47.
7.    Valášek, J.: Stavba a obnova vodovodov vnútri budov. In.: Projekt – stavba, č. 4, 2005, s. 47.
8.    Valášek, J. a kol.: Technické zariadenia budov. Odborný CD-ROM. Bratislava: Verlag Dashofer, 2006 – 2008.
9.    Valášek, J.: Úprava vody pre ZTI podľa STN EN 806-2 a pre vykurovacie systémy. Bratislava: ART PROJEKT. 
10.    Vranayová, Z.: Korózia a inkrustácia oceľového po­trubia. In: Zborník SANHYGA, Piešťany, 1996, s. 144.
11.    Ilavský, J. – Barloková, D. – Biskupič, F.: Chémia vody a hydrobiológia. Bratislava: STU, 2008.
12.    Kocich, J. – Tuleja, S.: Korózia a ochrana kovov. Bratislava: ALFA, 1988.
13.    Košičanová, D.: Ochrana potrubí pred koróziou a inkrustáciou. In: Zborník SANHYGA, Piešťany 1996, s. 157.
14.    Gyr, A.: Old and New Concepts Based on Coherent Structures for Understanding Sediment Transport. In: International Journal of Sediment Research, No. 3, 2011, pp. 378 – 386.
15.    Lee, O. S. – Pyun, J. S.: Failure Probability of Corrosion Pipeline with Varying Boundary Condition. In: KSME International Journal, No. 7, 2002, pp. 889 – 895.
16.    Jeleníková, I.; Analýza príčin korózie kovových potrubí v budovách. Dizertačná práca. Bratislava: SvF STU, 2012.

Ing. Ivana Jeleníková

Autorka pôsobí na Katedre TZB SvF STU v Bratislave.

Recenzovala: doc. Ing. Jana Peráčková, PhD.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.