Issuu on Google+

SINTEF RAPPORT TITTEL

SINTEF Materialteknologi Korrosjon og overflateteknologi Postadresse: 7465 Trondheim Besøksadresse: Richard Birkelands vei 3A Telefon: 73 59 68 23 Telefaks: 73 59 68 92 Foretaksregisteret: NO 948 007 029 MVA

Vurdering av korrosjonsforhold i varmeanlegg Revidert 2000-03-06

FORFATTER(E)

John M. Drugli OPPDRAGSGIVER(E)

Viken Energinett AS RAPPORTNR.

GRADERING

STF24 F00226

Konfidensiell

GRADER. DENNE SIDE

ISBN

OPPDRAGSGIVERS REF.

Tormod Kvarme. Best. nr. N0015324 PROSJEKTNR.

ANTALL SIDER OG BILAG

Konfidensiell

243800.87

12 + 4

ELEKTRONISK ARKIVKODE

PROSJEKTLEDER (NAVN, SIGN.)

VERIFISERT AV (NAVN, SIGN.)

I:\24\80\Prosjekt\243800.87\E001JMD

John M. Drugli

Marit Bjordal

ARKIVKODE

DATO

GODKJENT AV (NAVN, STILLING, SIGN.)

2000-02-14

Odd Magne Akselsen

SAMMENDRAG

Korrosjonsforholdene i varmeanlegget ved Sloreåsen borettslag er vurdert ut fra vannkvalitet, mengde jernoksid (slam) som er målt i anlegget, beregnet mengde oksygen som diffunderer gjennom veggene i PEX-rørene, samt sannsynlige korrosjonshastigheter ut fra beregnet diffusjonsgrensestrøm for oksygen når det er 5 ppb oksygen i systemet. Mulige (og umulige) tiltak for å begrense dannelse av korrosjonsprodukter er diskutert.

STIKKORD GRUPPE 1 GRUPPE 2 EGENVALGTE

NORSK

Materialteknologi Korrosjon Varmeanlegg Ikke diffusjonstette plastrør Stålrør

ENGELSK

Materials Technology Corrosion Heating Plant Non Diffusion-tight Plastic Pipes Steel Pipes


2

INNHOLDSFORTEGNELSE

1

Sammendrag og konklusjon.................................................................................................. 3 Konklusjoner ........................................................................................................................... 3

2

Innledning

3

Beskrivelse av anlegget.......................................................................................................... 4 3.1 Design av anlegget ........................................................................................................... 4 3.2 Historikk ........................................................................................................................... 4

4

Vurdering av nåværende situasjon...................................................................................... 5 4.1 Beregning av oksygendiffusjon gjennom PEX – rør........................................................ 5 4.2 Korrosjon.......................................................................................................................... 7 4.3 Virkning av NIPROX-anlegget ........................................................................................ 8 4.4 Virkning av AquaMatik Vannbehandler........................................................................ 10

5

Diskusjon 10 5.1 Diskusjon av beregningsresultatene ............................................................................... 10 5.2 Diskusjon av tiltak for å begrense problemene med korrosjonsproduktene................... 12 Vedlegg 1: Flytskjema for varmeanlegget i forsyningssentral ....................................... 12 Vedlegg 2: Skisse over sekundert fjernvarmenett 13 Vedlegg 3: Beregning av diffusjonsgrensestrøm................................................................... 14 Vedlegg 4: Beregning av inndiffundert mengde oksygen..................................................... 15

........................................................................................................................... 3


3

1 Sammendrag og konklusjon Korrosjonsforholdene i varmeanlegget ved Sloreåsen borettslag er vurdert ut fra vannkvalitet, mengde jernoksid (slam) som er målt i anlegget, beregnet mengde oksygen som diffunderer gjennom veggene i PEX-rørene, samt sannsynlige korrosjonshastigheter ut fra beregnet diffusjonsgrensestrøm for oksygen når det er 5 ppb oksygen i systemet. Mulige (og umulige) tiltak for å begrense dannelse av korrosjonsprodukter er diskutert. Konklusjoner Vannkvaliteten er tilfredsstillende. Det viktigste er at pH er i området 9-10,5 og at alkalitet og hardhet er under kontroll. Korrosjonen i anlegget skyldes i hovedsak oksygen som diffunderer inn i PEX-rørene. Mengden er beregnet å være i størrelsesorden 5 kg/år. Dette fører til at 25 kg jernoksid kan dannes dersom ikke oksygen fjernes på annen måte. Resultatene indikerer at 75-90 % av oksygenet fjernes av NIPROX-anlegget. Resten fører i hovedsak til oksidering av jern. Ulike beregningsmetoder indikerer at selv om NIPROXanlegget er i drift vil mellom 1,3 og 5 kg jernoksid dannes pr. år. Mesteparten av jernoksidet som dannes har tendens til å samles ved ventiler og rørinnsnevringer i leilighetene. Den midlere mengden pr. leilighet beregnet på grunnlag av verdiene ovenfor blir mellom 5 og 18 g/år. Den målte jernoksidmengden er i størrelsesorden 10–20 g/år. For mer nøyaktig å kunne beregne mengde oksygen som diffunderer inn i systemet må det utføres noen enkle forsøk med rør fra anlegget. Den midlere korrosjonshastigheten av jernrørene er ubetydelig, ca. 1-2 µm/år. Mengde korrosjonsprodukter som dannes, kan reduseres ved å fjerne stålrørene, erstatte PEX-rørene med diffusjonstette rør eller fjerne en større andel av oksygenet som trenger inn. Det er mulig det finnes kjemiske oksygenfjernere som kan tilsettes uten at kobberdelene i anlegget skades. Dette må eventuelt undersøkes spesielt.

2 Innledning Viken Energinett har kontaktet SINTEF Materialteknologi avd. for Korrosjon og overflateteknologi og bedt om å få vurdert korrosjonsforholdene i et varmeanlegg som består av en stor mengde ikke diffusjonstette plastrør, kobberkonvektorer og en del stålrør. Anlegget ble tatt i bruk i 1980. Det har vært tilsatt ulike typer stoffer for å begrense korrosjonen og det er også benyttet utstyr for oksygenfjerning.


4

3 Beskrivelse av anlegget Beskrivelsen av anlegget er i følge fax fra Oslo Energikonsult datert 1999-12-22 og 2000-01-11. 3.1 Design av anlegget Sloreåsen borettslag er et borettslag i bydel Søndre Nordstrand i Oslo. Borettslaget består av ca 277 blokk- og rekkehusleiligheter som er tilknyttet Viken Engerginetts fjernvarmeanlegg. Sekundært fjernvarmeanlegg i Sloreåsen borettslag er oppdelt i tre kurser. Kursene er samlet i felles vekslere i forsyningssentral. For hver av de tre kursene består rør ved forsyningssentral og ca 20 – 50 m ut fra sentral av stålrør. Videre består ledninger av diffusjonsåpen PEX fram til konvektorer i den enkelte leilighet. Konvektorene består av kobber. Flytskjema for varmeanlegg i forsyningssentral er vist i vedlegg 1. Skisse som viser sekundært fjernvarmenett ved Sloreåsen borettslag er vist i vedlegg 2. Vannvolum i nettet: Volumstrøm gjennom sentral: Dette fordeler seg som følger:

ca. 15 m3 ca. 50 m3 /h. Gjennom NIPROX-anlegget ca 20 m3 /h Gjennom patronfilter ca 30 m3 /h

Volumstrøm gjennom AquaMatic anlegget: ca 6,6 m3 /h Rørledninger PEX-rør: Stålrør:

Lengde ca. 22.000 m. Lengde ca 1700 m.

Røroverflate (innvendig i rør): ca 1060 m² Røroverflate (innvendig i rør): ca. 230 m²

3.2 Historikk 1979 –1981 Boligene og varmeanlegget ble bygd. Ca. 1984 Det ble oppdaget kraftig vekst av organisk materiale. Anlegget ble renset med sterk salpetersyre. Det ble etter rensingen tilsatt en inhibitor med betegnelse ”Varidos KK” Ca. 1987 radiatorer (av stål) måtte på grunn av lekkasjer skiftes. Det ble montert kobberkonvektorer. Ca. 1992 Det ble montert NIPROX vannbehandlingsanlegg i delstrøm i varmesystemet. NIPROX-anlegget tilsettes hydrogen. Vannet føres gjennom katalysatormasse hvor hydrogen reagerer med oksygen til H2 O. Oksygennivået i vannet holdes etter dette på et nivå under 5 ppb. Høsten 1997 Det ble gjennomført kjemisk rengjøring av anlegget med en rensevæske bestående av sitronsyre og fosforsyre. Våren 1999 NIPROX-anlegget ble erstattet med AquaMatic vannbehandler. Denne var i drift ut over høsten, men etter at temperaturen på vannet økte, steg oksygeninnholdet i vannet. Når oksygeninnholdet i vannet kom over 20 ppb ble NIPROX- anlegget koblet inn på nytt. Oksygeninnholdet kom raskt under 5 ppb igjen. 1999 Det er blitt foretatt spyling av rørene i en del leiligheter og det er funnet 20-40 g slam pr leilighet. Jan. 2000 Det er på vår oppfordring foretatt oksygenmålinger foran og etter NIPROXanlegget og i hovedstrømmen etter NIPROX-anlegget. Resultatene viste henholdsvis 5-7 ppm, 0 ppm og 0-5 ppm.


5

4 Vurdering av nåværende situasjon Hovedproblemet for anlegget er at det dannes slam som i følge analyser utført av Oslo Energi Konsult i hovedsak består av jernoksid og jernhydroksid, som er de naturlige produktene når jern korroderer. Det har ikke vært observert gjennomtæringer i stålkomponenter i det siste. Dette indikerer at både midlere og eventuelle lokale korrosjonshastigheter er lave. I varmeanlegg under drift blir oksygen forbrukt i korrosjonsprosessen av metaller. I lukkede system med metallrør vil derfor oksygenkonsentrasjonen være meget lav og korrosjon er derfor ikke noe problem dersom ikke oksygenrikt vann tilføres. Med en begrenset mengde ikke diffusjonstette kunststoffrør i systemet, vil ofte oksygenkonsentrasjonen fortsatt holde seg forholdsvis lav, fordi oksygen forbrukes ved korrosjon av metallrørene. Men dersom inndiffundert mengde oksygen kommer over en viss grense vil oksygenkonsentrasjonen stige. Den midlere korrosjonshastigheten er vanligvis proporsjonal med oksygenkonsentrasjonen når pH er så høy som i dette anlegget. Vannkvaliteten i anlegget er tilfredsstillende. Det som er viktig er at pH holdes i området 9.010,5. I dette pH området er det i hovedsak oksygenreaksjonen som fører til korrosjon. Når det er små mengder oksygen i vannet som her, bestemmes korrosjonshastigheten i hovedsak av mengde oksygen som trenger inn i systemet, Innholdet av ulike salter betyr derfor lite for den mengde jern som går i løsning. Dette anlegget har to systemer som bidrar til å redusere oksygeninnholdet og dermed korrosjonen. Det ene anlegget som har vært brukt siden 1992 er NIPROX-anlegget som en tredel av hovedvannstrømmen passerer gjennom. Når dette anlegget er i drift holdes oksygenkonsentrasjonen <5 ppb. Våren 1999 ble dette anlegget erstattet med AquaMatic vannbehandler. Denne var i drift ut over høsten, men etter at temperaturen på vannet økte, steg oksygeninnholdet over 20 ppb og NIPROX-anlegget ble koblet inn igjen og oksygenkonsentrasjonen sank på nytt ned til <5 ppb. Når oksygenkonsentrasjonen er så lav som 5 ppb er korrosjonshastigheten lav, men den er ikke null. Den oksygenmengden som diffunderer inn i systemet gjennom plastrørene vil forbrukes delvis i NIPROX-anlegget og/eller AquaMatic anlegget og delvis ved korrosjon av metaller i anlegget. Da korrosjonshastigheten på kobberdelene i anlegget antas å være meget lavt, betyr det at korrosjonen konsentreres i stålrørene i anlegget.

4.1 Beregning av oksygendiffusjon gjennom PEX – rør Den katodiske reaksjonen som fører til oksygenreduksjon kan skrives: ½ O2 + H2O + 2 e- = 2OH-

(1)

Denne reaksjonen balanseres av anodiske reaksjoner (korrosjonsreaksjonen) som for jern er: Fe = Fe++ + 2 e-

(2)

Jernionene vil reagere med hydroksylionene (OH-) og danne jernhydroksider og jernoksider som vil felles ut som slam i systemet.


6

Ved lavt oksygeninnhold og med pH over 9.0 kan anodisk reaksjon også være: 3Fe + 4H2 O = Fe3O4 + 8H+ + 8e-

(3)

Korrosjonshastigheten av jern eller ulegert stål i et slikt system vil avhenge av mengden av oksygen som trenger inn. Med røroverflaten pr. liter vann og rørveggtykkelsen som parametre og med konstant partialtrykk for oksygen i luft lik p = 0,2 bar rundt rørene, kan en beregne inndiffundert mengde oksygen pr time etter følgende uttrykk etter Kruse/1/: d 1 ⋅ ( µg /( l ⋅ h )) 2 (0,5d − s ) s (P = 5 ⋅ s/d ⋅ (0,5d –s)2 ⋅ vdiff) v diff = P ⋅ p ⋅

P = kan betraktes som et uttrykk for permeabiliteten og har benevningen µg ⋅ mm2 /(liter ⋅ h ⋅ bar). P for de PEX- rørene som er benyttet er noe usikker. For “Polyäthylen A 18/2” som er en polyethylen med forholdsvis høy tetthet, angir Kruse /1/ P = 2000 µg ⋅ mm2 /(liter ⋅ h ⋅ bar) ved 25° C. Permeabiliteten øker med økende temperatur og ved 40 °C er den ca. 3 ganger så stor og ved 65 °C ca 9 ganger så stor. d = Rørdiameter i mm s = Rørveggtykkelse i mm Antar vi en midlere temperatur i rørene gjennom året er lik 40 °C får vi følgende uttrykk for inndiffundert oksygenmengde pr. time: v diff = 6000 ⋅ 0.2 ⋅

d 1 ⋅ ( µg /( l ⋅ h)) 2 ( 0,5d − s ) s

Lengden av plastrør i grunn og kjellerstrekk er ca 4000 m og har rørdiametre mellom 32 og 100 mm. Vi regner meget forenklet at midlere rørdiameter og veggtykkelse er 80 mm/6mm og at volumet i disse rørene er: (d2 ⋅π/4) ⋅ lengde = (0,682 ⋅π/4) dm² ⋅ 40000 dm ≅ 14.500 liter I blokkene og rekkehusene er det lagt plastrør med antatt dimensjon 15 mm/2,5 mm. Lengden er ca. 18.000 m og volumet ca. 1400 liter. Beregner vi inndiffundert mengde oksygen pr. time på grunnlag av dette får vi ca. 200 mg/h for de store rørene og ca. 400 mg/h for de små. Dette betyr at det oksygenmengden som diffunderer inn kan være i størrelsesorden 0,6 g/h ≅ 5,3 kg/år.1) For å kunne bestemme mengde oksygen som diffunderer inn i systemet nøyaktig må det utføres testing med plastrør fra det aktuelle anlegget fordi permeabiliteten kan variere avhengig av type rør og av leverandør. En slik test er relativt enkel å utføre. 1): Beregningen er gjentatt med permeabilitetskonstant P = 3 ⋅ 10-11 g ⋅ cm/(cm2 ⋅ s ⋅ bar) oppgitt av rørleverandøren Wirsbo for 40 °C. I disse beregningene er de korrekte rørdimensjoner og rørlengder benyttet. De ga som resultat 0,87 g O2 pr time = 7,6 kg/år. Beregningene er vist i vedlegg 4. Forskjellen er såpass liten at det ikke vil ha prinsipiell betydning. De første beregningsresultatene er benyttet videre i denne rapporten.


7

4.2 Korrosjon Oksygenmengden som diffunderer inn vil forbrukes ved oksidasjon av stålrørene, ved oksidasjon av kobberkonvektorer og kobberrør, og ved oksidasjon i NIPROX-anlegget. Det er meget vanskelig å anslå hvor mye oksygen som forbrukes ved oksidasjon av kobber. Det lave innholdet av kobber i slammet indikerer at det er relativt lite. Det er sannsynlig at en stor del av kobberionene som løses i vannet på grunn av oksygenreaksjonen, vil felles ut som metallisk kobber på stålflatene og føre til at en tilsvarende mengde jern vil gå i oppløsning. Dette betyr at også det oksygenet som forbrukes ved oksidasjon av kobber, indirekte vil føre til korrosjon av stålrørene. Det er derfor rimelig å anta at oksygenet som diffunderer inn vil føre til korrosjon av stålrørene (direkte eller indirekte) eller forbrukes i NIPROX-anlegget. Uttrykk (1) og (2) viser at ½ mol O2 kan korrodere 1 mol Fe. Tar en hensyn til molvektene betyr det at dersom NIPROX-anlegget ikke benyttes, vil følgende mengde jern korrodere pga. 0,6 g oksygen pr time: GFe = 0,6 g/hr ⋅ MFe/(0,5 ⋅ MO2) = 0,6 g/hr ⋅ 56/16 = 2,1 g/h ≅ 18 kg/år Dersom denne jernmengden felles ut som magnetitt (Fe3 O4 ) vil vekten av tørr jernoksid bli 2,9 g/h. I løpet av et år utgjør dette ca. 25 kg, dvs i gjennomsnitt: 25.000 (g/år)/277 leiligheter = 90 g/år og leilighet. Mesteparten av slammet i systemet samles opp ved ventiler og innsnevringer av rørene i leilighetene. Ved målingene av slam som er utført, er det funnet at mengde slam, som i hovedsak består av jernoksid, utgjør ca 20 – 40 g/leilighet. Det var da ca 2 år siden anlegget ble renset. Dette indikerer at produsert mengde jernoksid pr år er ca 10-20 g/leilighet. Denne mengden er i størrelsesorden mellom 11 og 22 % av den beregnede total mengden. Den resterende mengde må da være forbrukt i NIPROX-anlegget. Det hefter imidlertid en viss usikkerhet ved disse verdiene av flere grunner: 1) Diffusjonskonstanten og midlere temperatur er usikker. 2) Total mengde jernoksid er usikker. Det kan bl. a. ha vært rester av jernoksyd som ikke er blitt fjernet etter kjemikalierensingen I de periodene hvor temperaturen i vannet kan komme over 60 °C i turledningene i anlegget vil inndiffundert oksygenmengde pr. tidsenhet kunne bli mangedoblet i forhold til de antatte middelverdiene ved 40 °C fordi diffusjonskonstanten øker sterkt med temperaturen. Sommerstid er temperaturen ca 25 °C og oksygendiffusjonen er ca 1/3 av verdien ved 40 °C. En annen måte å se dette på er at mengde jernoksid som er målt utgjør mellom 1,8 og 3,6 kg jern som korroderer bort pr år. Antar vi at eksponert overflate av stål er ca. 230 m² vil korrosjonshastigheten, forutsatt at 1,8 kg jern korroderer bort pr år, bli: 1.800(g/år) /[7,8 g/cm3 ⋅ 2.300.000 (cm2 )] = 10-4 cm/år = 0,001 mm/år = 1 µm/år. Dersom det korroderer bort 3,6 kg/år utgjør dette 2 µm/år.


8

I følge overslagene ovenfor blir midlere korrosjonshastighet med NIPROX-anlegget i drift ca 1-2 µm/år, som er helt ubetydelig når det gjelder tæringshastighet, men den produserte slammengde pr leilighet som utgjør 10-20 g/år, har ført til problemer med tilstopping av ventiler ol., og er derfor absolutt uønsket. Uten NIPROX ville den produserte slammengde bli 5-10 ganger så høy og midlere korrosjonshastighet ville bli ca 10 µm/år. Korrosjonshastigheten i stålrørene kan også beregnes ut fra forventet korrosjon dersom vi har en gitt mengde oksygen i systemet. Vi antar i første omgang at oksygenmengden er 5 ppb og forsøker å beregne hvilken korrosjonshastighet som dette vil gi på rene stålflater og på stålflater dekket av korrosjonsprodukter og utfelte salter. En teoretisk beregnet grensestrøm for oksygendiffusjon i et 20 mm rør med strømningshastighet 1 m/s og med 5 ppb oksygen i vann ved 40 °C gir en grensestrømtetthet på ca 0,55 µA/cm² = 5.500 µA/m² (beregningen er vist i vedlegg 3). Dersom det er belegg av korrosjonsprodukter kan diffusjonsgrensestrømmen bli redusert til anslagsvis 10 % av denne verdien dvs. 550 µA/m². Maksimalt vekttap for rene stålflater vil i følge Faradays lov være: GFe =

i ⋅ Areal ⋅ M ⋅ tid 5.5 ⋅ 10 −3 ⋅ 230 ⋅ 56 ⋅ 3600 = = 1,32 g/h = 11,6 kg/år F⋅z 96500 ⋅ 2

i = strømmtetthet, A/m² M = Molvekt for jern = 56 g/mol Tid = 3600 s/h F = Faradays tall = 96500 As/mol z = valens for jern Anslagsvis kan det forventes at et kontinuerlig belegg av korrosjonsprodukter vil begrense oksygendiffusjonen i rørene til ca 10 % av den beregnede verdien uten belegg, dvs. ca. 1,16 kg/år. Det høyeste beregnede vekttapet er ikke sannsynlig da en vet at det er en god del korrosjonsprodukter i rørene. Magnetitt som utgjør hoveddelen av korrosjonsproduktene, har imidlertid en tendens til å danne porøse belegg som ikke gir særlig god beskyttelse. Ut fra disse beregningen antar vi at den virkelige mengde oppløst jern ligger mellom 11,6 kg/år og 1,16 kg/år, men nærmest den laveste verdien. På grunnlag av målt mengde jernoksid er det beregnet at jernmengden som går i oppløsning er mellom 1,8 og 3,6 kg/år. Dersom en tar alle feilkildene i betraktning gir dette en brukbar overensstemmelse med korrosjonshastigheten beregnet pga. grensestrøm med 5 ppb oksygen i vannet. Disse beregningen antyder at den oppløste jernmengden er i overkant av 1,16 kg/år.

4.3 Virkning av NIPROX-anlegget Beregningene under punkt 4.2 som baseres på målt mengde jernoksider i systemet sammenlignet med forventet korrosjon pga. inndiffundert oksygen indikerer at NIPROX-anlegget reduserer korrosjonen av jernrørene med 80-90 %. I laboratorierapport nr. 96-211 fra Oslo Energikonsult datert 29.02.96 er det antydet at før NIPROX var oksygeninnholdet >0,04 mg/kg. Etter at det ble tatt i bruk er verdien oppgitt til >0,005 mg/kg. Selv om disse målingene sannsynligvis er lite nøyaktige antyder de en reduksjon


9

av oksygeninnholdet på ca. 80 %. I et anlegg av denne type med pH > 9,0 er korrosjonshastigheten i hovedsak proporsjonal med oksygenkonsentrasjonen. Sist sommer ble anlegget kjørt uten NIPROX-anlegget. Temperaturen var da ca 25 °C. Oksygenkonsentrasjonen holdt seg rundt 5 ppb. Dette betyr at den inndiffunderte mengde oksygen ble forbrukt ved korrosjon på stålrørene dersom en regner med at AquaMatic-anlegget som var innkoblet ikke fjernet vesentlig mengde oksygen. Når temperaturen ble hevet ut på høsten steg oksygennivået til 20-30 ppb på grunn av at inndiffundert oksygenmengde økte. Da NIPROX- ble koblet inn igjen sank oksygennivået under 5 ppb. Dette indikerer at NIPROX reduserer oksygeninnholdet og dermed korrosjonshastigheten med 75-83 %. Tar vi hensyn til alle de data vi har så langt, indikerer disse at NIPROX-anlegget reduserer korrosjonshastigheten 75-90 %. Oksygenmålingene som ble utført i januar 2000 indikerer at oksygeninnholdet før rensing i NIPROX-anlegget var ca 6 ppb. Etter anlegget viste målingene null. I hovedvannstrømmen etter anlegget var det vanskelig å påvise oksygen. Men i og med at bare 1/3 del av vannet passerer gjennom Niprox-anlegget, må oksygeninnholdet etter sammenblanding med hovedstrømmen være ca 4 ppb. Uoverensstemmelsen mellom målingen skyldes sannsynligvis at målenøyaktigheten nærmer seg en grense ved så lave konsentrasjoner. Utgangstemperaturen fra varmeveksleren var 55 °C. (Utetemperatur –6 °C) Gjennomstrømningsmengden i NIPROX-anlegget er oppgitt til V =20 m3 /h = 20.000 kg/h. Dersom oksygeninnholdet reduseres fra 6 ppb til 0 ved passering gjennom NIPROX- anlegget, betyr dette at oksygenmengden som fjernes er: 20.000 kg/h ⋅ 6 ⋅ 10-9 = 1,2 ⋅ 10-4 kg/h = 0,12 g/h I tillegg til den oksygenmengden som fjernes av NIPROX, vil en viss mengde fjernes ved at den oksiderer jern i stålrørene. Antar vi som før at 4/5 av oksygenet fjernes i NIPROX-anlegget blir total mengde som fjernes 0,150 g/h og den mengden som fjernes ved korrosjon blir 0,030 g/h. Total beregnet oksygendiffusjon er i avsnitt foran beregnet til 0,6 g/h en verdi som er 4 ganger høyere. Dette kan indikere at enten er verdien for permeabilitet for oksygen i PEX som er benyttet i avsnitt 4.1, for stor eller så er den relative effekten av NIPROX-anlegget større enn antatt ved høy oksygenkonsentrasjon og/eller mindre enn antatt ved lav oksygenkonsentrasjon. Det finnes andre typer anlegg som benyttes til oksygenfjerning. MINOX er en slik type, Vi har ikke sammenlignbare undersøkelser for denne typen og kan derfor ikke si om det er bedre enn NIPROX. Men som for NIPROX blir det hevdet at anlegget kan redusere oksygennivået til under 5 ppb. I og med at det stadig diffunderer inn oksygen blir oksygeninnholdet aldri null. Det er derfor ikke sannsynlig at et MINOX anlegg vil gi vesentlig forbedring selv om det skulle være noe mer effektivt.


10

4.4 Virkning av AquaMatic Vannbehandler I følge opplysninger fra leverandøren virker vannbehandleren ved at den: filtrerer ut slam hindrer korrosjon reduserer vannets innhold av oksygen forebygger bakteriell vekst Oksygen blir fjernet ved kjemiske reaksjoner med filtermassen eller med ioner som løses fra filtermassen. Selve mekanismen er ikke forklart i det materialet vi har mottatt. Erfaringene fra anlegget ved Sloreåsen etter at temperaturen ble hevet tyder på at oksygenfjerningen er utilstrekkelig i et varmeanlegg av den aktuelle typen. Vannbehandleren regulerer pH og hindrer korrosjon ved å gjøre vannet mindre aggressivt. Men med de lave korrosjonshastighetene det er snakk om i dette tilfellet, hvor korrosjonen er bestemt av mengde oksygen som diffunderer inn, har vannbehandleren ubetydelig innvirkning på mengde jern som går i oppløsning dersom vannets pH holdes mellom 9,0 og 10,5. Blir vannet for surt vil imidlertid korrosjonen øke pga. at den katodiske hydrogenreaksjonen vil bidra til korrosjonsprosessen i tillegg til oksygenreaksjonen. Vannbehandleren bidrar til å regulere pH, alkalitet og vannets hardhet til riktig nivå.

5 Diskusjon 5.1 Diskusjon av beregningsresultatene Resultatene viser spredning i beregnet mengde oksygen som trenger inn i anlegget og hvor mye jernoksid som dannes. I tabell 5.1 er beregningsresultatene oppsummert for de ulike beregningsmetodene. Tabell 5.1 Oppsummering over resultatene for ulike beregningsmåter for mengde oksygen som forbrukes ved korrosjon av stålrørene pr time og hvor mye jernoksid som dannes pr år. Beregnet på grunnlag av diffusjon av O2 gjennom PEX-rør 1 2 Uten NIPROX Med NIPROX1) O2 (g/h) forbrukt ved korrosjon Fe 3 O4 kg/år

0,6

0,12

25

5

3 Beregnet pga. målt slammengde. Med NIPROX 0,067-0,133 2,8-5,6

4 Beregnet pga. 5 ppb O2 og diffusjonsgrensestrøm >0,038 (<<0,38) >1,6 (<<16)

5 Beregnet pga reduksjon av oksygen i NIPROX 0,0301) 1,31)

1) Antatt at 80 % av oksygenet fjernes i NIPROX-anlegget

Alle beregningsmetodene er befengt med en viss usikkerhet. Både den høyeste og laveste verdien er beregnet ut fra at vi har en fordeling av oksygenforbruk mellom stål og NIPROX-anlegg på ca. 1:4. Denne verdien er anslått ut fra hvor mye oksygennivået synker når NIPROX anlegget ble satt i gang, og forutsetter at fordelingen i oksygenforbruk mellom korrosjon og NIPROX er uavhengig av oksygennivået, noe det ikke er sikkert at det er.


11

Total beregnet mengde oksygen som forbrukes ved korrosjon når NIPROX-anlegget er i drift er beregnet til 0,6 g/h (kolonne 2 i tabell 5.1). Denne verdi er 4 ganger høyere enn det som er beregnet ut fra oksygenmengden som fjernes i NIPROX-anlegget når en antar at anlegget fjerner 80 % (kolonne 5). Dette kan indikere at enten er verdien for permeabilitet for oksygen i PEX som er benyttet i avsnitt 4.1 er for stor (den er sjekket med en leverandør av PEX-rør), eller så er den relative effekten av NIPROX-anlegget større enn antatt ved beregningen for kolonne 2 og/eller mindre enn antatt (80 %) for kolonne 5. Det er uoverenstemmelse mellom den totale mengde oksygen som er beregnet å diffunderer inn i anlegget ( ca 0,6 g/h) og den mengde oksygen som fjernes i NIPROX-anlegget (beregnet til 0,12 – 0,24 g/h avhengig av virkningsgrad). Denne differansen kan ikke forbrukes ved korrosjon alene. Den store forskjellen må enten skyldes at permeabiliteten av oksygen er lavere enn antatt eller at oksygenmålingene er feil. (Korrosjonen er beregnet å fjerne i overkant av 0,038 g/h, men betydelig mindre enn 0,38 g/h forutsatt 5ppb O2 i vannet). Ved reparasjoner kan noe luft komme inn i anlegget. Det hevdes at ved etterfylling av vann benyttes vann fra primærnettet. Dette vannet er oksygenfritt og skulle ikke gi ekstra oksygentilskudd. Noe luft kan bli innestengt i rørene ved reparasjon, men når en vet at 1 liter luft bare inneholder ca 0,24 g oksygen, er det ikke sannsynlig at vesentlig mengde er kommet inn på denne måten. Konklusjonen for alle beregningene sett under ett er at selv om NIPROX-anlegget er i drift vil det dannes mellom 1,3 - 5 kg jernoksyd pr år på grunn av oksygen som diffunderer inn i rørsystemet. Etter at denne rapporten praktisk talt er avsluttet, har vi fått opplysninger om at rapport R185B utarbeidet av Techno Consult i 1988 har beregnet oksygendiffusjon ut fra data oppgitt av WIRSBO`s utviklingsavdeling. I denne rapporten blir det opplyst at fordelingsrørene i hus og blokker ikke er laget av PEX, men av polybutadien, og det blir opplyst at disse rørene har betydelig lavere permeabilitet enn PEX-rørene. I denne rapporten blir oksygendiffusjonen beregnet til ca. 5,9 kg pr år som tilsvarer 0,67 g/h. Det opplyses ikke hvilke midlere temperaturer som er antatt ved beregningene. Men resultatene er av samme størrelsesorden som vi har beregnet her selv om vi har antatt at alle rør er av PEX. For å kunne gi et sikrere svar på mengden jernoksid som dannes, bør permeabiliteten i de aktuelle PEX-rørene undersøkes nærmere. Det kan måles ved et relativt enkelt forsøk der et rør fylles med deoksidert vann og oppbevares ved en gitt temperatur i luft. Oksygeninnholdet måles etter noen dager og diffusjonen kan bestemmes.


12

5.2 1)

2)

3)

4)

5)

.

Diskusjon av tiltak for å begrense problemene med korrosjonsproduktene Dersom det lar seg gjøre å erstatte alle stålrørene med plast, rustfritt stål eller kobberrør vil problemet være løst forutsatt at vannkvaliteten fortsatt er gunstig for de gjenværende kobberrørene. Et NIPROX eller en annen type anlegg for oksygenfjerning f. eks MINOX, med større kapasitet enn det eksisterende, vil kunne fjerne en større andel oksygen. Men i og med at det hele tiden diffunderer oksygen inn i systemet over alt hvor det er plastrør, vil oksygeninnholdet aldri bli null og noe magnetitt vil fortsatt dannes. Det er imidlertid sannsynlig at mengden av korrosjonsprodukter kan reduseres, men det er usikkert om problemet kan løses fullstendig på denne måten. Forutsatt at stålrørene ikke kan skiftes ut, kan dannelsen av korrosjonsprodukter bare hindres ved at oksygen hindres i å diffundere inn noe som praktisk sett er umulig dersom ikke nåværende PEX-rør byttes med diffusjonstette rør. pH må ligge i området 9-10,5 og alkalitet og hardhet bør ligge i et gunstig område selv om diffusjonstette rør benyttes for at korrosjon på kobberrørene fortsatt skal være lav. Å bytte ut alle diffusjonsåpne rør vil bli meget kostbar og er derfor neppe aktuelt. Oksygen kan fjernes ved at det tilsettes oksygenfjernende kjemikalier. NaSO3 eller katalysert Na2 SO3 er vanlige oksygenfjernere, men de kan føre til at korrosjon på kobber og messingdeler blir uakseptabelt høy. Det finnes andre oksygenfjernere, men om disse kan fungere tilfredsstillende blir det for omfattende å undersøke innenfor rammene som er satt for dette arbeidet. Dette må eventuelt undersøkes spesielt. Kan korrosjonsproduktene fjernes ved bruk av filtre? For å fjerne alt slam bør filtrene plasseres ved utgangen av stålrørene før vannstrømmen fordeles til de enkelte leilighetene. Dette vil kreve et stort antall filtre og medføre trykktap i systemet. Vedlikehold og rensing av filtrene vil sannsynligvis bli for arbeidskrevende.


13


14


15

Vedlegg 3 Beregning av diffusjonsgrensestrøm Diffusjonsgrensestrømmen er beregnet etter Chilton Colburns modell (Analogi med varmetransport) Fra SINTEF rapport STF16 A85055 Av E. Bardal og U. Steinsmo 1985-06-19. Rørdiameter: d = 0,02 m Strømningshastighet: U = 1 m/s Kinetisk viskositet: ν = 10-6 m²/s Karakteristisk dimensjon: L = d U ⋅ L 1 ⋅ 0,02 Reynolds tall: Re = = = 2 ⋅ 10 − 4 −6 ν 10 Diffusjonskoeffisienten for O2 i vann ved 40 °C: D = 5 ⋅ 10-9 m²/s ν 10 − 6 Schmiths tall: Sc = = = 200 D 5 ⋅ 10 − 9 Sherwoods tall: Sh = 0,023 ⋅ Re0,8 ⋅ Sc0,33 = 0,023 ⋅ (2 ⋅ 104 )0,8 ⋅ 2000,33 = 365 Konstanten: K = Sh ⋅ D/L = 365 ⋅ 5 ⋅ 10-9/0,02 = 9,1 ⋅ 10-5 m/s = 9,1 ⋅ 10-3 cm/s Oksygenkonsentrasjon: C = 5 ppb = 5 ⋅ 10 –9 g/cm3 = 1,56 ⋅10-10 mol/cm3 Diffusjonsgrensestrøm: ilim

= 4 ⋅ F ⋅ C ⋅ K = 4 ⋅ 96500 ⋅ 1,56 ⋅ 10-10 ⋅ 9,1 ⋅ 10-3 = 5.5 ⋅ 10-7 A/cm² = 0,55 µA/cm²

Dette tilsvarer en korrosjonshastighet i størrelsesorden 6 µm/år. Den virkelige diffusjonsgrensestrømmen og korrosjonshastigheten vil være betydelig lavere pga. belegg som dannes i rørene.


16

Vedlegg 4 Beregning av inndiffundert mengde oksygen Beregningene er basert på oppgitte rør-dimensjoner og -lengder. Arealet er beregnet ut fra midlere rørdiameter. Permeabilitetskonstanten er angitt av WIRSBO å være: P = 3 ⋅ 10 –11 g ⋅ cm/(cm2 ⋅ s ⋅ bar) ved 40 °C. Inndiffundert mengde oksygen pr time: A ⋅ 3600 v diff = P ⋅ p ⋅ ( g /⋅ h ) t p = partialtrykk av oksygen i atmosfæren = 0,2 bar t = Rørveggtykkelse i cm A = overflateareal i cm2

Rørdimensjon mm PEX 110 PEX 90 PEX 75 PEX 63 PEX 50 PEX 40 PEX 32 PEX 18 PEX 12 Tilsammen

Veggtykkelse mm 10 8,2 6,9 5,8 4,6 3,7 2,9 2,5 2,0

Tabell V4 Lengde m 288 250 532 442 416 388 544 4.020 15.158

Areal cm² 904800 675442 1.136.500 777.600 588.100 438.800 495.600 1.957.526 4.762.026

Oksygendiff. g O2 /h 0,020 0.018 0.036 0,029 0,026 0.024 0,037 0,169 0,514 0.873

Som en ser er den beregnede mengde oksygen som trenger inn i systemet ved diffusjon gjennom PEX-rørene ca 0,87 g/h ved 40 °C. Som en ser trenger 0,515 ⋅ 100/873 = 59 % av oksygenet inn i systemet gjennom rørveggene i de minste rørene (PEX 12).


Sintefvikenenergi