Zjawiska korozji i tworzenia się kamienia w instalacjach c.o. w budynkach wielorodzinnych – możliwe przyczyny

Porady udzielił:
Bartosz Świetliński
Szef Serwisu
Unical Polska

Wskazówki techniczne zawarte w niniejszym artykule dotyczą komunalnych i przemysłowych instalacji centralnego ogrzewania na gorącą wodę, o temperaturze roboczej do 100°C.
W tych instalacjach (w odróżnieniu od instalacji parowych i na wodę przegrzaną potencjalne dysfunkcje i uszkodzenia powodowane przez brak właściwego uzdatniania wody i błędów związanych z łącznikami rurowymi są często niedoceniane. Niestety, wynikiem tego jest niemal zawsze uszkodzenie kotła i całej instalacji.

W instalacjach c.o. można stwierdzić:

- defekty przegrzewania powierzchni wymiany ciepła, wskutek izolacji cieplnej spowodowanej przez osady kamienia kotłowego na stronie wodnej;
- korozję wynikającą z obecności tlenu;
- korozję powodowaną przez osady spodnie;
- korozję wskutek prądów błądzących (bardzo rzadko);
- prądy kwasowe, rozproszone i zlokalizowane (wskutek agresywności wody o pH < 7).

Osady kamienia kotłowego

Tworzenie się kamienia kotłowego następuje, ponieważ w trakcie podgrzewania wody wodorowęglany wapnia i magnezu rozpuszczone w wodzie podlegają przemianie chemicznej.
Wodorowęglan wapnia ulega przemianie do węglanu wapnia, wody i bezwodnika węglanowego, podczas gdy wodorowęglan magnezu przechodzi w wodzian magnezu i bezwodnik węglanowy.

Wodorowęglan wapnia Ca (HCO3)2—> wzrost temperatury —>CaCO3+H2O+CO2

Wodorowęglan magnezu Mg (HCO3)2—> wzrost temperatury —>Mg (OH)2+ 2CO2

Węglan wapnia oraz wodzian magnezu wytrącają się, formując przylegający i zwarty, nierozpuszczalny osad (kamień kotłowy), o dużej izolacyjności cieplnej: współczynnik wymiany ciepła dla warstwy kamienia kotłowego o grubości 3 mm jest taki sam, jak płyty stalowej o grubości 250 mm.

Obliczono, że jednorodny osad kamienia wapiennego o grubości 2 mm, powoduje wzrost zużycia paliwa o 25%!

Szybkość reakcji, których skutkiem jest formowanie osadów wapnistych, rośnie wraz ze wzrostem temperatury: znaczna większość wody w kraju, szczególnie bogatej w sole wapnia i magnezu (i dlatego „twardej”), jest w stanie tworzyć osady wapienne już w temperaturze nieznacznie przekraczającej 40°C.
Osad kamienia wapiennego w kotle następuje przede wszystkim w najgorętszych strefach, poddanych intensywnemu ogrzewaniu: z tego powodu bardzo często znajduje się osady zlokalizowane tylko w pewnych punktach, w strefach o wysokim obciążeniu cieplnym.
Warstewka kamienia wapiennego o grubości 0,01 mm już zaczyna ograniczać chłodzenie leżącej pod nim płyty. Dalszy wzrost grubości kamienia wapiennego powoduje przegrzewanie metalowych części oraz ich defekty wskutek naprężeń cieplnych.
Wodorowęglany wapnia i magnezu zawarte w objętości wody pierwszego napełnienia nie są w stanie wytworzyć ilości kamienia kotłowego zdolnego narazić na szwank integralność kotła: tylko ciągłe dodawanie wody może powodować powstanie osadów kamienia prowadzących do awarii.

Korozja spowodowana obecnością tlenu

Korozja spowodowana obecnością tlenu jest konsekwencją naturalnego zjawiska: utleniania stali.
W naturze żelazo nie występuje w stanie czystym, ale zawsze w formie połączonej i zawsze związane z tlenem (tlenek żelaza).
Oddzielenie żelaza od tlenu jest możliwe i następuje tylko w wielkich piecach, gdy minerał zostaje stopiony.
Z chwilą ponownego zakrzepnięcia w formie stali, złożonej więc z innych pierwiastków, będzie próbować absorbować tlen z powietrza lub z wody, w celu ustanowienia pierwotnej równowagi (utlenienia). W przypadku płyt stalowych lub rur stalowych kotłów lub rurociągów systemu c.o., stal pochłania tlen nie tylko z cząsteczek wody (H2O), ale z mikropęcherzyków powietrza, w sposób naturalny rozpuszczonych w wodzie.
Pamiętamy, że powietrze rozpuszczone w wodzie ma zawartość tlenu o około 35% wyższą niż gdy występuje w stanie wolnym. W wyniku tego stal w kontakcie z wodą absorbuje tlen zawarty w mikro pęcherzykach powietrza, tworząc tlenek żelaza Fe2O3 (rdzę) o charakterystycznym czerwonym kolorze.

4Fe + 3O2 = 2Fe2O3 (tlenek żelaza, tj. rdza)

Ciągłe utlenianie w nieunikniony sposób prowadzi do zmniejszenia grubości ścianek, aż do całkowitej ich perforacji.

Korozja jest rozpoznawana po tworzeniu kolistych zagłębień (podobnych do kraterów) w powierzchni metalowej.

Gdy korozja sięga głębokości perforacji, utrata wody jest stała. Korozja wskutek obecności tlenu dotyczy całej masy metalicznej systemu c.o., a nie tylko pewnych jego punktów: z tej przyczyny jest ona bardzo niszcząca, nienaprawialna i może powodować ciągłe straty wody z obwodu centralnego ogrzewania.
Jeżeli w przeciwieństwie do tego, instalacja jest dobrze zabezpieczona przed wpływami zewnętrznymi i nie występuje ciągłe uzupełnianie nowej wody, zawartość tlenu ulegnie stopniowemu zmniejszeniu, tj. zachodzić będzie częściowe utlenianie wskutek braku tlenu, i będzie powstawać magnetyt o czarnym kolorze (Fe3O4) który wykazuje działanie ochronne przed możliwą korozją.

3Fe + 2O2 = Fe3O4 (czterotlenek trójżelazowy, magnetyt)

Korozja powodowana przez osady spodnie

Korozja wskutek osadów spodnich jest zjawiskiem elektrochemicznym, wskutek występowania ciał obcych wewnątrz masy wody (piasek, rdza, itp.). Te substancje stałe ogólnie są osadzane na dnie kotła (błoto).
W tym punkcie, wskutek różnicy potencjału elektrochemicznego, który jest tworzony pomiędzy materiałem (stal) w kontakcie z zanieczyszczeniem i wszystkim co go otacza, może zostać  zainicjowana reakcja mikrokorozji.

Korozja wywołana prądami błądzącymi

Korozja wywołana prądami błądzącymi jest obecnie bardzo rzadka; może zachodzić z uwagi na różne potencjały elektryczne pomiędzy wodą kotła a masą metaliczną kotła lub rurociągu, wskutek efektu katody/anody.
Dlatego też wygodnie jest podłączyć różne metalowe elementy do dobrego punktu uziemiającego, nawet jeżeli dobrze się wie, że te korozje są manifestowane przy przepływie ciągłego prądu, obecnie stosowanego tylko w pewnych dziedzinach. To zjawisko pozostawia ślady, których nie można pomylić z niczym innym, w formie małych regularnych stożkowych otworów.

Prądy kwasowe, rozproszone i zlokalizowane

Są one mniej oczywiste niż inne rodzaje korozji, ale potencjalnie równie niebezpieczne, ponieważ dotyczą całej instalacji centralnego ogrzewania, a nie tylko kotła.
Wynikają one głównie z kwasowości wody (pH <7), powodowanej przez:

– nieprawidłowe zmiękczanie wody i obecność bezwodnika węglowego (który zmniejsza wartość pH). Bezwodnik węglowy uwalnia się sam łatwiej w wodzie zmiękczonej i również tworzy w procesie formowania kamienia wapiennego. Ta korozja jest rozproszona i dotyka w większym lub mniejszym stopniu cały system;
– przez nieprawidłowo wykonane przemywanie kwasujące: bez pasywacji). W tym wypadku mogą zachodzić zlokalizowane korozje perforacyjne, wskutek braku prawidłowego płukania pewnych punktów w instalacji.
Obecność procesu korozyjnego jest łatwa do wykrycia dzięki chemicznej analizie wody: najmniejsza zawartość żelaza w wodzie układu jest wskaźnikiem, że korozja zachodzi.

Instalnews - bezpłatny biuletyn e-czasopisma InstalReporter 4/2017 6/2016 2/2016