Korozja w ściekach i instalacjach kanalizacyjnych

Korozja w ściekach i instalacjach kanalizacyjnych jest złożonym procesem niszczenia metali, betonu i innych materiałów konstrukcyjnych pod wpływem jednoczesnego działania wilgoci, związków siarki, chlorków, substancji organicznych, mikroorganizmów oraz zmiennych warunków tlenowych. Szczególnie agresywne warunki występują w zamkniętych przewodach kanalizacyjnych, przepompowniach, zbiornikach ścieków, komorach technologicznych i oczyszczalniach, gdzie mogą powstawać strefy beztlenowe sprzyjające tworzeniu siarkowodoru H₂S.
W instalacjach kanalizacyjnych nie występuje jeden uniwersalny mechanizm korozji. W zależności od składu ścieków i konstrukcji instalacji jednocześnie mogą rozwijać się korozja równomierna, wżerowa, szczelinowa, galwaniczna, mikrobiologiczna MIC oraz korozja wywołana kwasami. Z tego względu dobór materiału powinien uwzględniać nie tylko skład samej cieczy, lecz również atmosferę nad lustrem ścieków, temperaturę, pH, zawartość chlorków, możliwość tworzenia osadów oraz warunki przepływu.

Dlaczego środowisko ścieków jest korozyjne?

Ścieki stanowią bardzo zróżnicowane środowisko chemiczne i biologiczne. Ich skład zależy od pochodzenia, stopnia rozcieńczenia, temperatury, czasu przebywania w instalacji oraz obecności ścieków przemysłowych. W kanalizacji komunalnej istotne znaczenie mają przede wszystkim związki siarki, chlorki, związki azotu, substancje organiczne oraz aktywność mikroorganizmów.
W warunkach niedoboru tlenu bakterie redukujące siarczany mogą prowadzić do powstawania siarczków. W zależności od pH część siarczków występuje w postaci rozpuszczonego siarkowodoru H₂S. Gaz ten może wydzielać się ze ścieków i gromadzić w atmosferze kanałów, studzienek, zbiorników oraz przepompowni.
Szczególnie intensywne uwalnianie H₂S może następować w miejscach występowania turbulencji, takich jak przelewy, uskoki, wyloty przewodów tłocznych, komory rozprężne i miejsca gwałtownej zmiany kierunku przepływu.

Korozja siarkowodorowa – jeden z najważniejszych mechanizmów niszczenia kanalizacji

Jednym z charakterystycznych zagrożeń występujących w systemach kanalizacyjnych jest obecność siarkowodoru. Sam H₂S może oddziaływać korozyjnie na niektóre metale, jednak szczególnie niebezpieczny mechanizm zachodzi na wilgotnych powierzchniach znajdujących się ponad lustrem ścieków.
Siarkowodór przechodzi z fazy ciekłej do atmosfery kanału, a następnie rozpuszcza się w warstwie wilgoci pokrywającej powierzchnie konstrukcyjne. Mikroorganizmy utleniające związki siarki mogą przekształcać związki siarki do kwasu siarkowego(VI). W konsekwencji lokalne pH powierzchni może spaść do bardzo niskich wartości.
Schemat procesu można przedstawić w uproszczeniu:
siarczany → siarczki → H₂S → utlenianie biologiczne → H₂SO₄ → korozja materiału
Zjawisko to określa się często jako biogeniczną korozję kwasem siarkowym i jest ono szczególnie istotne dla konstrukcji betonowych, elementów ze stali węglowej oraz niezabezpieczonych powierzchni metalowych.

Dlaczego korozja może być największa nad lustrem ścieków?

Charakterystyczną cechą korozji kanalizacyjnej jest możliwość występowania bardzo silnego niszczenia materiału w części przewodu, która nie jest stale zanurzona w ściekach. Dotyczy to zwłaszcza górnej części kanałów, stropów zbiorników, studzienek i komór technologicznych.
W strefie tej występują jednocześnie wilgoć, H₂S oraz tlen niezbędny mikroorganizmom utleniającym związki siarki. Na powierzchni może więc powstawać kwas siarkowy, powodujący intensywny atak chemiczny.
W kanałach grawitacyjnych szczególnie narażona może być korona przewodu. Intensywna korozja obserwowana ponad lustrem ścieków jest jednym z powodów, dla których ocena agresywności wyłącznie na podstawie analizy chemicznej cieczy może prowadzić do błędnych wniosków.

Korozja betonu w kanalizacji

Beton jest powszechnie stosowany do budowy kanałów, studzienek, zbiorników i elementów oczyszczalni ścieków. Jego naturalnie alkaliczne środowisko zapewnia stosunkowo dobrą ochronę zbrojenia, jednak długotrwałe działanie kwasów może prowadzić do stopniowego niszczenia matrycy cementowej.
W przypadku biogenicznej korozji siarkowej kwas siarkowy reaguje ze składnikami zaczynu cementowego. Jednym z produktów reakcji jest siarczan wapnia, czyli gips. Może również dochodzić do powstawania ettringitu. Produkty reakcji nie zapewniają pierwotnej wytrzymałości betonu i mogą prowadzić do jego rozmiękania, pękania, łuszczenia oraz utraty materiału.
Postępująca degradacja betonu może z czasem odsłonić zbrojenie stalowe. Po utracie ochronnego środowiska alkalicznego stal zbrojeniowa staje się znacznie bardziej podatna na korozję.

Korozja stali węglowej

Stal węglowa stosowana w rurociągach, konstrukcjach wsporczych, zbiornikach, elementach pomp i wyposażeniu oczyszczalni jest podatna na korozję w wilgotnym środowisku ścieków.
Szybkość degradacji może wzrastać w obecności H₂S, chlorków, kwaśnych składników ścieków oraz osadów tworzących lokalne ogniwa korozyjne. Szczególnie niekorzystne są miejsca o utrudnionym dostępie tlenu, przestrzenie pod osadami oraz szczeliny konstrukcyjne.
W praktyce stal węglowa pracująca w agresywnym środowisku kanalizacyjnym wymaga odpowiednio dobranej ochrony, np. powłok, wykładzin, naddatku korozyjnego albo zastosowania materiału o większej odporności.

Stale nierdzewne w instalacjach ściekowych

Stale nierdzewne mogą zapewniać bardzo dobrą trwałość elementów instalacji kanalizacyjnych i oczyszczalni ścieków, jednak określenie „stal nierdzewna” nie oznacza odporności na każde środowisko ściekowe.
Podstawowym problemem jest możliwość lokalnego uszkodzenia warstwy pasywnej. W obecności chlorków może rozwinąć się korozja wżerowa, natomiast w szczelinach, pod uszczelkami, osadami i połączeniami konstrukcyjnymi może wystąpić korozja szczelinowa.
Istotne znaczenie ma również temperatura. Wraz ze wzrostem temperatury oraz stężenia chlorków zwiększa się ryzyko lokalnej korozji wielu popularnych stali nierdzewnych.

Dobór stali nierdzewnej do instalacji kanalizacyjnych

Dobór konkretnego gatunku powinien być poprzedzony analizą składu ścieków. Samo określenie medium jako „ścieki” nie jest wystarczającą podstawą do wyboru materiału. Ścieki komunalne i ścieki pochodzące z przemysłu chemicznego, spożywczego, galwanicznego czy petrochemicznego mogą tworzyć całkowicie odmienne środowiska korozyjne.

Znaczenie chlorków

Chlorki są jednym z najważniejszych czynników wpływających na trwałość stali nierdzewnych. Mogą destabilizować warstwę pasywną i inicjować korozję wżerową. Zagrożenie wzrasta wraz ze stężeniem chlorków, temperaturą oraz obecnością szczelin i osadów.
W środowisku o podwyższonej zawartości chlorków stal 1.4301 lub 1.4307 może okazać się niewystarczająca. Stal 1.4404 zapewnia większą odporność dzięki obecności molibdenu, jednak przy dalszym wzroście agresywności środowiska uzasadnione może być zastosowanie stali duplex, super duplex albo wysokostopowych stali superaustenitycznych.

PREN a dobór stali do ścieków

Przy wstępnej ocenie odporności stali nierdzewnych na korozję wżerową można posługiwać się wskaźnikiem PREN (Pitting Resistance Equivalent Number). W uproszczeniu jego wartość zależy przede wszystkim od zawartości chromu, molibdenu i azotu.
Wyższy PREN oznacza zasadniczo większą odporność materiału na inicjację korozji wżerowej w środowiskach chlorkowych. Nie należy jednak traktować PREN jako samodzielnego kryterium doboru materiału. Nie uwzględnia on wszystkich parametrów rzeczywistego środowiska, jakości powierzchni, konstrukcji połączeń, warunków spawania, obecności osadów ani innych składników chemicznych ścieków.

Korozja mikrobiologiczna MIC

Instalacje kanalizacyjne należą do środowisk szczególnie sprzyjających rozwojowi korozji mikrobiologicznej MIC (Microbiologically Influenced Corrosion).
Mikroorganizmy nie muszą bezpośrednio „zjadać” metalu. Ich aktywność może zmieniać lokalne warunki elektrochemiczne na powierzchni materiału, powodować zmiany pH, uczestniczyć w przemianach związków siarki oraz tworzyć biofilm, pod którym rozwijają się lokalne warunki sprzyjające korozji.
Biofilm może ograniczać transport tlenu i prowadzić do powstawania różnic w natlenieniu poszczególnych fragmentów powierzchni. Pod osadami i warstwami biologicznymi mogą rozwijać się lokalne ogniwa korozyjne, dlatego uszkodzenia MIC często mają charakter silnie miejscowy.

Osady i korozja podosadowa

Piasek, produkty biologiczne, szlam i inne osady gromadzące się w instalacji mogą tworzyć obszary o warunkach odmiennych od otaczającego środowiska.
Pod osadem transport tlenu jest ograniczony, może zmieniać się lokalne pH i skład chemiczny elektrolitu. W przypadku stali nierdzewnych może to sprzyjać utracie pasywności i powstawaniu korozji lokalnej.
Z punktu widzenia trwałości instalacji istotne jest więc projektowanie elementów w sposób ograniczający powstawanie martwych stref i umożliwiający skuteczne czyszczenie.

Korozja szczelinowa

Połączenia kołnierzowe, zakładki, przestrzenie pod uszczelkami, mocowania oraz inne wąskie szczeliny mogą tworzyć warunki sprzyjające korozji szczelinowej.
Wewnątrz szczeliny wymiana medium z otoczeniem jest utrudniona. Zużycie tlenu może prowadzić do utraty zdolności odtwarzania warstwy pasywnej, a zmiany składu elektrolitu mogą dodatkowo zwiększać agresywność lokalnego środowiska.
Z tego powodu w instalacjach ściekowych istotny jest nie tylko właściwy gatunek materiału, ale również odpowiednia konstrukcja elementów.

Korozja galwaniczna

Instalacje kanalizacyjne i oczyszczalnie ścieków często zawierają elementy wykonane z różnych metali. Jeżeli dwa różne materiały metaliczne pozostają w kontakcie elektrycznym i jednocześnie mają kontakt ze wspólnym elektrolitem, może powstać ogniwo galwaniczne.
Szczególnie niekorzystna może być sytuacja, gdy niewielka powierzchnia materiału mniej szlachetnego jest połączona z dużą powierzchnią materiału bardziej szlachetnego. W takich przypadkach lokalna szybkość korozji materiału anodowego może znacznie wzrosnąć.
Ryzyko ogranicza się m.in. przez właściwy dobór par materiałowych, izolację elektryczną elementów oraz odpowiednią konstrukcję połączeń.

Ścieki przemysłowe – środowisko wymagające indywidualnej analizy

Znacznie trudniejszy problem materiałowy stanowią ścieki przemysłowe. Mogą zawierać kwasy, zasady, chlorki, związki siarki, substancje utleniające, rozpuszczalniki oraz inne związki chemiczne w stężeniach wielokrotnie wyższych niż typowe ścieki komunalne.
Dobór materiału wyłącznie na podstawie pH może być niewystarczający. Dwa media o takim samym pH mogą wykazywać zupełnie inną agresywność wobec danego stopu.
W takich przypadkach należy uwzględnić co najmniej:

• pełny skład chemiczny ścieków,
• stężenia składników agresywnych,
• pH i możliwość jego zmian,
• temperaturę roboczą i maksymalną,
• stężenie chlorków,
• obecność związków utleniających lub redukujących,
• warunki tlenowe,
• prędkość przepływu i turbulencję,
• możliwość powstawania osadów i biofilmu,
• warunki okresowego postoju instalacji.

Materiały stosowane w instalacjach ściekowych

Elementy instalacji szczególnie narażone na korozję

Największe ryzyko nie zawsze występuje na całej powierzchni instalacji. Lokalnie szczególnie agresywne warunki mogą pojawiać się w:

• koronach kanałów grawitacyjnych,
• studzienkach kanalizacyjnych,
• przepompowniach ścieków,
• komorach rozprężnych przewodów tłocznych,
• zbiornikach retencyjnych i technologicznych,
• miejscach gwałtownej zmiany kierunku przepływu,
• przelewach i kaskadach powodujących turbulencję,
• strefach okresowo zwilżanych,
• obszarach gromadzenia osadów,
• szczelinach i połączeniach konstrukcyjnych,
• elementach znajdujących się w wilgotnej atmosferze zawierającej H₂S.

Jak ograniczyć korozję w instalacjach kanalizacyjnych?

Skuteczna ochrona powinna obejmować zarówno dobór materiału, jak i rozwiązania konstrukcyjne oraz eksploatacyjne. Samo zastosowanie droższego stopu nie gwarantuje trwałości, jeżeli konstrukcja sprzyja powstawaniu szczelin, zastojów i osadów.
Podstawowe działania obejmują:

• dobór materiału odpowiedniego do rzeczywistego składu ścieków,
• ograniczanie czasu zalegania ścieków i powstawania warunków beztlenowych,
• ograniczanie niekontrolowanego wydzielania H₂S,
• wentylację przestrzeni, w których może gromadzić się siarkowodór,
• unikanie szczelin i martwych przestrzeni konstrukcyjnych,
• ograniczanie gromadzenia osadów,
• regularne czyszczenie i inspekcję instalacji,
• stosowanie odpowiednich powłok i wykładzin ochronnych,
• prawidłowe wykonanie i obróbkę połączeń spawanych stali nierdzewnych,
• izolowanie niekorzystnych par galwanicznych.

Znaczenie jakości powierzchni stali nierdzewnej

Odporność korozyjna stali nierdzewnej zależy nie tylko od jej składu chemicznego. Znaczenie mają również jakość powierzchni, sposób wykonania spoin oraz stan strefy wpływu ciepła.
Zanieczyszczenia powierzchni cząstkami stali węglowej, pozostałości zgorzeliny spawalniczej, przebarwienia cieplne oraz nieprawidłowa obróbka mogą lokalnie pogorszyć odporność korozyjną.
Po wykonaniu konstrukcji ze stali nierdzewnej konieczne może być odpowiednie oczyszczenie powierzchni, usunięcie przebarwień spawalniczych oraz odtworzenie warunków umożliwiających prawidłową pasywację.

Monitoring korozji instalacji kanalizacyjnych

W instalacjach o podwyższonym ryzyku korozyjnym istotna jest kontrola warunków eksploatacyjnych. W zależności od charakteru obiektu monitorowane mogą być m.in. pH, temperatura, zawartość tlenu rozpuszczonego, stężenie siarczków w ściekach oraz H₂S w atmosferze kanalizacyjnej.
Stan konstrukcji można kontrolować za pomocą inspekcji wizualnych i kamerowych, pomiarów grubości elementów metalowych oraz oceny ubytków materiału. W przypadku betonu istotna może być ocena stanu powierzchni i głębokości degradacji.
Wczesne wykrycie warunków sprzyjających korozji pozwala często ograniczyć koszty napraw i uniknąć utraty szczelności lub nośności elementów instalacji.

Korozja w ściekach i instalacjach kanalizacyjnych jest wynikiem współdziałania czynników chemicznych, elektrochemicznych i biologicznych. Jednym z najważniejszych mechanizmów jest powstawanie siarkowodoru w warunkach beztlenowych, jego uwalnianie do atmosfery kanalizacyjnej oraz biologiczne utlenianie do kwasu siarkowego na wilgotnych powierzchniach ponad lustrem ścieków.
W przypadku metali dodatkowe zagrożenie stanowią chlorki, osady, szczeliny, kontakt różnych materiałów oraz korozja mikrobiologiczna. Z tego powodu dobór materiału powinien być oparty na analizie rzeczywistych warunków pracy.
W łagodniejszych środowiskach możliwe jest stosowanie popularnych stali nierdzewnych, takich jak 1.4404 / 316L. Wraz ze wzrostem zawartości chlorków i agresywności środowiska konieczne może być przejście do stali duplex 1.4462, super duplex 1.4410 lub wysokostopowych stali superaustenitycznych, takich jak 1.4547 i 1.4529. W przypadku agresywnych ścieków przemysłowych każdy dobór materiału powinien być analizowany indywidualnie z uwzględnieniem pełnego składu chemicznego, temperatury i warunków eksploatacji.

Rodzaje korozji stali i metali

Korozja równomierna stali i metali
Korozja wżerowa stali nierdzewnych
Korozja szczelinowa stali nierdzewnych
Korozja międzykrystaliczna stali nierdzewnej
Korozja naprężeniowa SCC
Korozja galwaniczna
Korozja erozyjna
Korozja kawitacyjna
Korozja zmęczeniowa
Korozja cierna
Korozja mikrobiologiczna MIC
Korozja wysokotemperaturowa

Podział korozji ze względu na środowisko

Korozja morska – korozja stali i metali w wodzie morskiej
Korozja atmosferyczna
Korozja gruntowa
Korozja w wodzie słodkiej i przemysłowej
Korozja w środowiskach chlorkowych
Korozja w środowiskach kwaśnych
Korozja w środowiskach alkalicznych
Korozja w gazach i spalinach
Korozja w ściekach i instalacjach kanalizacyjnych
Korozja w środowiskach chemicznych i petrochemicznych

Tematy powiązane

CPT – krytyczna temperatura korozji wżerowej stali nierdzewnych i stopów niklu
PREN – wskaźnik odporności na korozję wżerową stali nierdzewnej
CCT – krytyczna temperatura korozji szczelinowej stali nierdzewnych i stopów niklu