Miedź w instalacjach wodociągowych. Korozja zminimalizowana

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Problematyka korozji materiałów stosowanych w instalacjach wodociągowych była w ostatnich latach kilkakrotnie poruszana na łamach „Magazynu Instalatora”. Czytelnicy mieli okazję zapoznać się z opisem agresywnych własności wody ocenianych na podstawie kilku istotnych parametrów jakościowych: zawartości wapnia, wodorowęglanów i węglanów, a także ogólnej mineralizacji wody, odczynu pH i zasadowości oraz obliczanego na tej podstawie indeksu Langeliera określającego stan równowagi węglanowo-wapniowej. Indeks Langeliera, pozwalając ocenić stabilność chemiczną wody, informuje przede wszystkim o jej agresywności w stosunku do betonu, a także innych materiałów, a jednocześnie pozwala ustalić, czy dana woda ma skłonność do wytrącania węglanu wapnia, który – w sprzyjających warunkach – na powierzchni różnych materiałów stykających się z wodą tworzy ochronną warstewkę zapobiegającą korozji.

Opisaliśmy również złożone procesy elektrochemiczne tłumaczące korozyjne oddziaływanie wody na metale najczęściej stosowane do budowy rurociągów i innych elementów instalacji wodociągowych. Mechanizm tych procesów można w uproszczeniu opisać jako tworzenie się lokalnych mikroogniw, w których anodą jest metal, a katodą tlenki metalu lub inne elementy jego niejednorodności. Czynnikami stymulującymi ten proces są przede wszystkim utleniacze: tlen rozpuszczony w wodzie, a także dezynfektanty, takie jak chlor lub dwutlenek chloru. W drugiej kolejności wśród czynników stymulujących korozję elektrochemiczną wymienia się dwutlenek węgla, jony chlorkowe i siarczanowe, które utrudniają tworzenie się ochronnych warstewek węglanu wapnia, a także jony niektórych metali. Inhibitorami korozji metalowych przewodów wodociągowych – oprócz jonów wapnia w warunkach umożliwiających tworzenie się ochronnej warstewki węglanu wapnia – mogą być preparaty fosforowe: ortofosforan sodu, polifosforany sodu lub krzemiany.

Czynniki stymulujące korozję Omawiając problem miedzi, stwierdziliśmy, że jest ona materiałem coraz powszechniej stosowanym do budowy wewnętrznych instalacji wody zimnej i ciepłej i z tego względu stała się przedmiotem szczególnego zainteresowania. Ogólnie uważana jest za materiał bardziej odporny na korozję niż stal ocynkowana, czy – stosowany w przeszłości w niektórych krajach – ołów. Efektem procesów korozji instalacji miedzianych jest zazwyczaj podwyższenie stężenia tego metalu w transportowanej wodzie. Aktualnie obowiązujące w Polsce przepisy, dotyczące jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, dopuszczają stężenie miedzi na poziomie 2,0 mg/l z zastrzeżeniem, że jest to „wartość dopuszczalna, jeżeli nie powoduje zmiany barwy wody spowodowanej agresywnością korozyjną wody dla rur miedzianych” [1]. Z tego względu należy pamiętać, że czynnikami stymulującymi korozję instalacji miedzianych są: niski odczyn pH i niska zasadowość wody oraz obecność wolnego dwutlenku węgla. Są to parametry jakości, które można łatwo ustalić prostymi metodami analitycznymi. Dodatkowo korozję miedzi stymuluje obecność chloru wolnego w stężeniach rzędu 0,2 mg/l lub wyższych, szczególnie przy niskim pH wody. Efektowi temu można zapobiec, podwyższając pH wody do 7,8-8,0, przy czym należy sprawdzić, czy zabieg ten nie zakłóci równowagi węglanowo-wapniowej, co jest szczególnie ważne w przypadku wody o wysokiej twardości wapniowej i zasadowości. Może to bowiem prowadzić do zbyt intensywnego wytrącania się węglanu wapnia i „zarastania” instalacji.
Opisano również przypadki tzw. korozji mikrobiologicznej, której efektem jest również podwyższenie stężenia jonów miedzi w transportowanej wodzie. Wywoływana jest ona rozwojem kolonii bakterii na powierzchni metalu, czemu sprzyja podwyższona temperatura, zbyt niskie stężenie dezynfektanta oraz niski odczyn pH, niska twardość i zasadowość oraz obecność w wodzie rozpuszczonej materii organicznej w stosunkowo wysokich stężeniach. Korozję mikrobiologiczną zaobserwowano w szpitalach i innych budynkach użyteczności publicznej, w których występują okresy stagnacji wody. Badania wykazały, że zjawiskom korozji mikrobiologicznej można zapobiegać, utrzymując stężenie dezynfektanta (najczęściej chloru) na poziomie > 0,1 mg/l, unikając okresów stagnacji wody, a w przypadku instalacji wody ciepłej – utrzymując temperaturę wody na poziomie nie niższym niż 60oC.

Pod ciągłą obserwacją Coraz powszechniejsze stosowanie instalacji miedzianych, spowodowane licznymi zaletami tego materiału, pociąga za sobą pojawianie się w prasie fachowej licznych publikacji odnoszących się zarówno do długookresowych obserwacji eksploatacyjnych, jak i do badań związanych z definiowaniem czynników sprzyjających korozji miedzi w kontakcie z transportowaną wodą bądź też zapobiegających tym niekorzystnym procesom. W tym kontekście warto zacytować wyniki badań nad zależnością między stężeniem miedzi w transportowanej wodzie a czasem, jaki upłynął od momentu włączenia instalacji miedzianej do eksploatacji [2]. W oparciu o obserwacje instalacji eksploatowanych przez okres od jednego do 44 lat potwierdzono jednoznacznie, że stężenie miedzi w transportowanej wodzie maleje w miarę upływu czasu eksploatacji. Badania wnętrza wycinków instalacji od pierwszych godzin kontaktu z wodą wykazały, że z chwilą, kiedy metal wejdzie w kontakt z wodą zawierającą tlen lub inny utleniacz (najczęściej chlor lub inny dezynfektant), zapoczątkowany zostaje proces korozji prowadzący do powstawania i odkładania się na powierzchni metalu stosunkowo dobrze rozpuszczalnego tlenku miedziawego – kuprytu [Cu2O(s)]. W tym okresie notuje się wyraźny wzrost stężenia miedzi w przepływającej wodzie.
W miarę zwiększenia się grubości warstwy kuprytu na jego powierzchni, pozostającej w kontakcie z utleniaczami obecnymi w wodzie, zachodzą procesy utleniania prowadzące do tworzenia się trudno rozpuszczalnych osadów związków miedzi dwuwartościowej, najczęściej tenorytu [CuO] w wodach o niskiej zasadowości lub malachitu [Cu2CO3(OH)2], którego tworzeniu sprzyja wysoka zasadowość wody. W obu przypadkach prowadzi to do obniżenia zawartości miedzi w transportowanej wodzie, gdyż osady te, zazwyczaj dobrze przylegające do powierzchni metalu, tworzą warstwę zabezpieczającą, skutecznie izolującą od transportowanej wody, przy czym same – jak wspomniano – są w wodzie trudno rozpuszczalne.

Warto również pokazać wyniki badań nad wpływem długookresowych stagnacji wody na korozję przewodów miedzianych i stężenie miedzi w wodzie [3]. Zaobserwowano, że w warunkach stagnacji stężenie miedzi w wodzie początkowo rośnie, po czym w miarę wyczerpywania się zapasów tlenu rozpuszczonego zaczyna stopniowo maleć. Czynnikiem kontrolującym zawartość miedzi w wodzie w warunkach stagnacji okazał się wspomniany powyżej malachit, którego działanie w tych warunkach polega nie tyle na tworzeniu warstwy ochronnej pasywującej powierzchnię metalu, co na adsorpcji jonów metalu tworzących się w kontakcie z wodą i zatrzymywaniu ich wewnątrz wytworzonych struktur krystalicznych. Z praktycznego punktu widzenia o korozji instalacji decyduje przede wszystkim temperatura oraz skład chemiczny stagnującej wody, określany omówionymi już poprzednio parametrami (jak pH, twardość i zasadowość).

W literaturze przedmiotu wiele miejsca zajmuje również problematyka korozji wżerowej prowadzącej do występowania przecieków wody nawet w stosunkowo nowych instalacjach miedzianych. Przecieki takie są niekiedy trudne do zlokalizowania i usunięcia, gdyż mogą pojawiać się w trudno dostępnych miejscach, jak piwnice i inne rzadko poddawane inspekcjom fragmenty nieruchomości. Wśród przyczyn występowania tego zjawiska wymienia się błędy wykonawcy instalacji, niedoskonałość materiału, aktywność mikrobiologiczną, obecność na ściankach przewodów pozostałości środków nawęglających stosowanych w procesie produkcji, działanie prądów błądzących, topnik do lutowania miękkiego i wiele innych [4]. Już z tego krótkiego przeglądu hipotetycznych przyczyn występowania korozji wżerowej widać, że są one raczej trudne do zweryfikowania na drodze eksperymentu. Hipotezy te nie biorą jednak pod uwagę ważnego czynnika, jakim jest transportowana woda. Z tego względu autorzy cytowanej publikacji podjęli próbę doświadczalnego ustalenia wpływu określonych parametrów jakości wody na występowanie tego zjawiska. Stwierdzono, że korozji wżerowej nie obserwowano w przypadku wód o niskim pH (6,5-7), a przy pH 8 miała miejsce, jeśli w wodzie był obecny chlor w stosunkowo wysokich stężeniach. Występowaniu korozji wżerowej sprzyjały: niskie stężenie węgla nieorganicznego ( 14-38 mgCl/l) oraz wysokie pH (8-9).

Autorzy publikacji zwracają również uwagę, że doboru czynników zapobiegających korozji wżerowej należy dokonywać bardzo ostrożnie. Np. podwyższenie stężenia węgla nieorganicznego przy wysokim pH zapobiegło korozji wżerowej, ale jednocześnie dał się zaobserwować wzrost stężenia miedzi w transportowanej wodzie. Dawkowanie ortofosforanu do wody o parametrach sprzyjających korozji wżerowej pozwoliło jej zapobiec, ale jednocześnie podwyższyło stężenie miedzi. Wynika stąd wniosek ogólny, że czynności związane z korygowaniem parametrów jakości wody, mające na celu zapobieganie korozji wżerowej, wymagają profesjonalnej obsługi technologicznej dysponującej odpowiednim serwisem analitycznym.

Na koniec chciałbym zaprezentować przeglądową publikację [5] dotyczącą długookresowych obserwacji pozwalających na porównanie efektów naturalnego „starzenia się” instalacji miedzianych z efektywnością uzyskiwaną drogą korekty niektórych parametrów jakości wody, w obniżaniu zawartości miedzi w transportowanej wodzie. Autorzy doszli do wniosku, że w przypadku sieci wodociągowych ze znacznym udziałem nowych instalacji miedzianych celowe jest stosowanie korekty pH i/lub zasadowości wody lub dawkowanie ortofosforanów. Tam, gdzie instalacje miedziane eksploatowane są już od dłuższego czasu, efekty uzyskiwane w wyniku naturalnego „starzenia się” instalacji nie ustępują tym, jakie daje korekta niektórych parametrów fizyko-chemicznych, lub dawkowanie ortofosforanów.

dr Sławomir Biłozor

Literatura:
1. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz. U. 07.61.417 – opublikowane 6 kwietnia 2007 r.).
2. N., F. Turek, L. Kasten, D., A. Lytle, M., N. Goltz: Impact of plumbing age on copper levels in drinking water. Jour. of Water Supply Research and Technology-AQUA 60, 1,(2011), 1-15.
3. T.H. Merkell, H-J. Gross, W. Werner, T. Dahlke, S. Reichert, G. Beuchle, S.H. Eberle: Copper corrosion b-product release in long-term stagnation experiments. Water Research 36 (2002) 1547 – 1555.
4. D.A. Lytle, M.R. Schock: Pitting corrosion of copper in water with high pH and low alkalinity. Jour. AWWA100, 3 (2008) 115-129.
5. M.R. Schock, A.M. Sandvig: Long-term effects of orthophosphate treatment on copper concentration.Jour. AWWA 101,7 (2009) 71-82.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij