METALLENE WERKSTOFFE IM TRINKWASSER SCHÄDEN ERKENNEN UND VERMEIDEN

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1 , Gesundheitstechnische Gesellschaft, Berlin METALLENE WERKSTOFFE IM TRINKWASSER SCHÄDEN ERKENNEN UND VERMEIDEN J.W. Erning, BAM Einleitung Einführung Korrosionsarten Allgemeine Korrosion Lokale Korrosion Korrosion unter mechanischer Belastung Selektive Korrosion Korrosion am Wasser Planung Zusammenfassung 2

2 Allgemeine Korrosion Eine Korrosionsreaktion in wässrigen Lösungen kann in der Regel als eine Folge von Teilreaktionen betrachtet werden. Hiernach gilt: n + M M + ne O H 2 O + 4e OH Bei Abwesenheit von Sauerstoff ist auch die Wasserzersetzung unter Gasentwicklung möglich: 2H O + 2e OH + H Die erste Gleichung beschreibt den Vorgang der Metallauflösung. Dieser ist letztlich verantwortlich für die durch die Korrosionsvorgänge verursachte Schädigung. Ohne eine entsprechende kathodische Reaktion (2. oder 3. Gleichung) ist aber auch die Auflösung des Metalls nicht möglich, die Teilreaktionen müssen daher stets gemeinsam betrachtet werden. 3 Allgemeine Korrosion Die Beständigkeit der deckschichtbildenden Werkstoffe ist eine Folge der allgemeinen Korrosion. Schichten aus Korrosionsprodukten (Metallionen + Wasserinhaltsstoffe) schützen die Werkstoffe vor weiterer Korrosion. Es kann Einschränkungen für den Einsatz einzelner Werkstoffe für bestimmte Trinkwasserzusammensetzungen geben (Kupfer/verzinktes Stahlrohr) Werkstoffe werden auch hygienisch beurteilt, die Empfehlungen des Umweltbundesamtes enthalten die geeigneten Werkstoffe Die Liste findet sich (neben den anderen Listen) unter undlage_fuer_metallene_werkstoffe_im_kontakt_mit_trinkwasser_0.pdf 4

3 Allgemeine Korrosion: Verzinkter Stahl 5 Allgemeine Korrosion: Verzinkter Stahl Innere Rohroberfläche im Ideal-Zustand mit gleichmäßiger Deckschicht Betriebstemperatur zu hoch = Ablösung der Zinkschicht Ungleichmäßige Deckschichten mit örtlicher Korrosion Unter den Rostpusteln ist die Oberfläche örtlich angegriffen = Reduzierung der Wandstärke bis zum Durchbruch 6

4 Allgemeine Korrosion: Kupferlegierungen 7 Lokale Korrosion: Kupfer Lochkorrosion bei Kupfer 8

5 Lokale Korrosion: Kupfer Mehrere Mechanismen der Lochkorrosion an Kupfer sind seit längerem bekannt Lochkorrosion Typ 1 (Kaltwasser) Verstärkt durch hohe Sulfat- und Nitrat- Konzentrationen Verringert durch hohe Hydrogencarbonat- und Chlorid- Konzentrationen Lochkorrosion Typ II (Warmwasser) Aktuell gibt es einzelne Fälle von Lochkorrosion, die sich mit den bisherigen Mechanismen nicht erklären lassen. Eine Ursache/Lösung ist noch nicht bekannt 9 Lokale Korrosion: Nichtrostender Stahl Lochkorrosion an nichtrostenden Stahlrohren, verursacht durch unsachgemäße Desinfektionsmaßnahmen. 10

6 Lokale Korrosion: Nichtrostender Stahl Desinfektionsmaßnahmen mit Oxidationsmitteln stellen ein hohes Risiko für Installationen aus nichtrostenden Stählen dar Vorhandene Schwachstellen führen zuerst zum Versagen Einhaltung der Herstellerangaben, Protokollierung aller Arbeitsabläufe, Überwachung Ausreichende Spülung ist sehr wichtig Alternative Methoden prüfen (chlorfrei, Heißwasserspülung) Anlagen zur dauernden Dosierung können sehr problematisch sein und entsprechen nicht den Vorgaben der TrinkWV Desinfektionsmaßnahmen alleine stellen keine dauerhafte Instandsetzung dar! 11 Spannungskorrosion Empfindlicher Zugspannungen Werkstoff SpRK Spezifisches Medium Voraussetzungen - empfindlicher Werkstoff - Medium: Spezifisch für den Werkstoff - montagebedingte Zugspannungen 12

7 Spannungskorrosion Prüfung auf Spannungsrisskorrosion nach DIN Prüfling nach der Prüfung, Risse sichtbar 13 Spannungskorrosion Prüfergebnis: CW614N, HBW 2,5/62,5 >160, 96h DIN Prüfling nach der Prüfung, katastrophale Risse sichtbar Prüfergebnis: CW614N, HBW 2,5/62,5 < 90, 96h DIN Prüfling nach der Prüfung, keine Risse sichtbar 14

8 Spannungskorrosion - Eckventil - spontaner Eintritt des Schadens - Folgeschaden erheblich aufwendiger als der Schaden am Metallene Werkstoffe im Trinkwasser Bauteil - Schäden erkennen und vermeiden 15 Selektive Korrosion Selektive Korrosion beschreibt die Korrosion einer Legierung, bei der die Legierungsbestandteile in einem anderen Mengenverhältnis korrodieren als dem, das der Legierungszusammensetzung entspricht. Am Beispiel der Kupferlegierungen: Entzinkung Interkristalline Korrosion 16

9 Entzinkung Entzinkung bedeutet, dass die Legierung Zink verliert und Kupfer als (poröse) Matrix zurückbleibt. Pfropfentzinkung Lagenentzinkung 17 Entzinkung 18

10 Entzinkung Turner-Diagramm: Abhängigkeit der Entzinkung von der Wasserzusammensetzung 19 Entzinkung Voraussetzung: Chloridhaltiges, eher weiches Wasser Achtung: Enthärtung kann Entzinkung auslösen! Werkstoffeigenschaft, kann durch die Auswahl eines geeigneten (beständigeren) Werkstoffs vermieden werden. Das klassische entzinkungsbeständige Messing (CW 602N) steht im Trinkwasser zukünftig nicht mehr zur Verfügung! Die Halbzeughersteller haben aber Lösungen entwickelt. 20

11 Interkristalline Korrosion Korrosion in oder neben den Korngrenzen eines Metalls Problem ist hier: Sehr geringe Umsätze sorgen für großen Schaden Werkstoffspezifisches Phänomen Auswirkungen sind möglich auf den Werkstoff und das Medium. 21 Interkristalline Korrosion 22

12 Interkristalline Korrosion 23 Verbundwerkstoffe 24

13 Verbundwerkstoffe 25 Verbundwerkstoffe Mehrschichtiger Aufbau, Aluminium als Diffusionssperre, teilweise für mechanische Stabilität Wasser diffundiert durch die innere Polymerschicht Aluminium verhindert weitere Diffusion Wasser kondensiert am Aluminium Aluminium korrodiert unter Wasserzersetzung 2Al 2Al e 6H2O + 6e 6OH + 3H 2 26

14 Korrosion im Wasser Kupfer Beispiel: Kupferabgabe zu hoch 27 Korrosion im Wasser Kupfer Beispiel: Kupferabgabe niedrig 28

15 Korrosion im Wasser Kupfer Beispiel: Kupferabgabe abhängig von Gebrauchsdauer 29 Korrosion im Wasser Nickel Verchromte Armaturen Vernickelte Armaturen 30

16 Korrosion im Wasser Nickel 31 Korrosion im Wasser Blei Blei wurde seit römischer Zeit als Werkstoff für Trinkwasser verwendet 32

17 Korrosion im Wasser Blei Blei ist ein giftiges Schwermetall, daher ist der Wert für die zulässige Bleikonzentration stetig verringert worden. Ab 2013 liegt dieser bei 10µg/l Daher ist die Verwendung seit Jahren verboten. 2 Probleme bleiben: 1. Alte Häuser 2. Blei ist in Legierungen enthalten 33 Korrosion im Wasser Blei Bei der Bearbeitung von bleihaltigen Kupferlegierungen (Messing, Rotguß) kommt es zur Ausbildung eines "Bleifilms" auf der Oberfläche (Schichtdicke wenige µm). Untersuchungen in Versuchsständen nach DIN Teil 1 haben ergeben, 1. Dass der Grenzwert der TrinkwV (10 µg/l) in den ersten Wochen überschritten wird. 2. Die Begrenzung der Bleikonzentration ist nicht ausreichend. 34

18 Beurteilung von Installationen Die Verfahren zur Messung der Metallabgabe sind komplex, daher die UBA-Empfehlung zur Probenahme: mente/tw_qualitaet_pb_cu_ni.pdf Die Vorgaben sind NUR für Kaltwasser anwendbar! Das Verfahren geht von einem stagnierenden System aus Das Verhalten von Zirkulation und Speicher (WW) kann so nicht beschrieben werden, ein Verfahren für WW existiert bisher nicht Die hier beschriebene Vorgehensweise spiegelt folgendes wieder: Zufällige Momentaufnahme (Z-Probe) Wasserzusammensetzung aus dem Netz (S 0 -Probe) Stagnationswasser aus der Armatur (S 1 -Probe) Stagnationswasser aus der Installation (S 2 -Probe) 35 Beurteilung von Installationen Wenn bei der Erstellung von Neuanlagen nachweislich die Anforderungen der Werkstoffliste und DIN Teil 6 eingehalten wurden, wird grundsätzlich keine Überwachung der Einhaltung der Parameterwerte für Blei, Kupfer und Nickel für erforderlich gehalten. Warum? Die eingesetzten Werkstoffe sind ausnahmslos auf hygienische Unbedenklichkeit geprüft. Die Werte für die genannten Parameter können in der anfänglichen Betriebszeit überschritten werden, dies ist akzeptabel und man kann durch ablaufen lassen des Stagnationswassers aus den Armaturen in der Regel eine Belastung vermeiden. Probleme in Warmwassersystemen können besonders durch erheblich längere Verweilzeiten des Trinkwassers in der Installation auftreten, verursacht durch überdimensionierte Speichersysteme. Aktuelle Berechnungsverfahren existieren nicht, tendenziell überdimensionierte Systeme werden eingebaut. Trinkwasser ist als Energiespeicher ungeeignet! 36

19 Metall-Empfehlung Herangehensweise für metallene Werkstoffe DIN (Oktober 2013) UBA Empfehlung Liste der geeigneten Werkstoffe Zuerst veröffentlicht am 1. Dezember 2012 Aktuell UBA Bewertungsgrundlage Liste der geeigneten Werkstoffe Notifizierung in Brüssel Veröffentlicht am 10. April Jahre nach der Veröffentlichung bindend 37 Metall-Empfehlung 38

20 Metall-Empfehlung 39 Metall-Empfehlung 40

21 Metall-Empfehlung 41 Metall-Empfehlung 42

22 Metall-Empfehlung 43 Planung DIN EN Korrosionsschutz metallischer Werkstoffe - Hinweise zur Abschätzung der Korrosionswahrscheinlichkeit in Wasserverteilungs- und speichersystemen Teil 1: Teil 2: Teil 3: Teil 4: Teil 5: Allgemeines Einflussfaktoren für Kupfer und Kupferlegierungen Einflussfaktoren für schmelztauchverzinkte Eisenwerkstoffe Einflussfaktoren für nichtrostende Stähle Einflussfaktoren für Gusseisen, unlegierte und niedrig legierte Stähle DIN Korrosion der Metalle Korrosion metallener Werkstoffe im Innern von Rohrleitungen, Behältern und Apparaten bei Korrosionsbelastung durch Wässer Teil 6: Bewertungsverfahren und Anforderungen hinsichtlich der hygienischen Eignung in Kontakt mit Trinkwasser 44

23 Planung Die DIN 1988 ist durch die Europäisierung nicht übersichtlicher geworden! DIN EN 1717 Schutz des Trinkwassers vor Verunreinigungen in Trinkwasserinstallationen und allgemeine Anforderungen an Sicherheitseinrichtungen zur Verhütung von Trinkwasserverunreinigungen durch Rückfließen DIN EN 806 Technische Regeln für Installationen innerhalb von Gebäuden für Trinkwasser für den menschlichen Gebrauch Teil 1: Teil 2: Teil 3: Teil 4: Teil 5: Allgemeines Planung Berechnung der Rohrinnendurchmesser Installation Betrieb 45 Planung Es fehlen: - Druckerhöhung - Feuerlöschanlagen - Korrosion und Steinbildung Sowie Restnormungsbedarf zu allen DIN EN 806-Teilen Daher wurden ergänzende Restnormen erstellt: DIN : Schutz des Trinkwassers, Erhaltung der Trinkwassergüte DIN : Installation Typ A (geschlossenes System) - Planung, Bauteile, Apparate, Werkstoffe; DIN : Ermittlung der Rohrdurchmesser DIN : Druckerhöhungsanlagen mit drehzahlgeregelten Pumpen DIN : Trinkwasser-Installationen in Verbindung mit Feuerlöschund Brandschutzanlagen 46

24 Planung Warum diese umständliche Lösung? Die EN 806 stellt den kleinsten gemeinsamen Nenner in Europa dar. Besonders bei der Planung und Auslegung ist das deutsche Niveau erheblich höher, daher sind hier umfangreiche Ergänzungen entstanden. Für den sicheren Betrieb sind diese Ergänzungen unabdingbar! Derzeit befindet sich die EN 806 in Überarbeitung. Es wird versucht, so viel Inhalt der Restnormen wie möglich in den Haupttext einzubringen. 47 Was kann der FB 7.6? Allgemeine Schadensanalyse, speziell Korrosion metallener Werkstoffe Chemische Analytik von Werkstoffen und Medien Metallografie Elektrochemische Untersuchungen Potentiodynamisch, Impedanz, Rauschen, Beratung zum Werkstoffeinsatz Mitarbeit in Normung und Regulierung (DVGW, DIN, CEN, UBA, VDI, ) 48

25 Zusammenfassung Deckschichtbildende Werkstoffe benötigen Korrosion für die Dauerbeständigkeit Wenige werkstoffspezifische Versagensarten können auftreten Korrosion lässt sich durch die Auswahl der geeigneten Legierung oder die Einstellung eines geeigneten Werkstoffzustands vermeiden Wichtig sind normgemäße Werkstoffe Fehler im Betrieb können auch geeignete und richtig eingesetzte Werkstoffe schädigen Nur Werkstoffe, die auf den Empfehlungen des UBA gelistet sind, können unbedenklich eingesetzt werden. Die Listen sind nach 17 TrinkWV 2 Jahre nach Veröffentlichung bindend 49 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 50