Wpływ jakości wody na tworzenie się produktów korozji i kamienia kotłowego w instalacjach c.o i c.w.u.

Przy określaniu wymagań stawianych wodzie w obiegach kotłowych należy skupić się na jakości wody zasilającej i kotłowej. Szczegółowe wytyczne zależą od rodzaju urządzenia i jego typu oraz od parametrów pracy. Producenci i dostawcy urządzeń grzewczych określają parametry wody zapewniające prawidłową pracę całego systemu grzewczego.

Jakość wody kierowanej do instalacji c.o. i c.w.u. ma istotny wpływ na sprawną, efektywną i bezpieczną pracę wszystkich węzłów instalacji. Ponieważ nie stosuje się do tego celu wody surowej (głębinowej czy powierzchniowej), nie ma konieczności pozbywania się dodatkowych zanieczyszczeń fizycznych czy biologicznych. Instalacje zasilane są zwykle wodą wodociągową.

Do wymagań wobec jakości wody stawianych przez producentów instalacji grzewczych należą:

• twardość ogólna,
• zasadowość,
• zawartość tlenu i dwutlenku węgla
• oraz odczyn pH.

Odczyn jest podstawowym i najważniejszym wskaźnikiem jakości wody, gdyż dostarcza informacji w zakresie jej kwasowości i zasadowości [1].

Twardość jest wskaźnikiem stężenia jonów wapnia i magnezu w formach węglanowych i niewęglanowych, które zwiększają potencjał tworzenia kamienia kotłowego. Parametr ten podawany jest w różnych jednostkach. W Polsce obowiązuje jednostka twardości podawana w mg CaCO₃/l, zatem jeśli producent podaje twardość w innych jednostkach, wynik należy przeliczyć. Informacje na temat twardości wody wodociągowej używanej do zasilania instalacji c.o. i c.w.u. można uzyskać w powiatowych stacjach sanepidu lub lokalnych wodociągach.

Tlen, dwutlenek węgla, pH i zasadowość to parametry bardzo ważne w określaniu agresywności i korozyjności wody oraz potencjału tworzenia kamienia kotłowego w urządzeniach grzewczych. Stężenie tlenu w wodzie jest zależne od ciśnienia cząstkowego i temperatury. Podobnie sytuacja wygląda w przypadku dwutlenku węgla, który może występować w formie wolnej i związanej.

Węglany i wodorowęglany wapnia i magnezu wiążące cząsteczki gazu są powiązane z twardością, ale wpływają też na pH medium.

Do parametrów wody określających jej korozyjność należą, oprócz pH i zasadowości ogólnej, stężenie chlorków, siarczanów, azotanów i wodorowęglanów, czyli jonów agresywnych [2, 3].

Procesy korozyjne ulegają przyspieszeniu pod wpływem wyższej temperatury i większego ciśnienia oraz w obecności mikroorganizmów [3].

Zanieczyszczenia obecne w wodzie, będącej czynnikiem wymiany ciepła w układach grzewczych, są wytrącane w postaci osadów na ściankach omywanych przez medium.

Największe zagrożenie stanowią osady o charakterze kamienistym, które odkładają się warstwami i wpływają na pogorszenie procesów przewodzenia ciepła [1, 3].

Zjawisko powstawania kamienia i negatywny wpływ na procesy technologiczne oraz instalacje dotyczy zarówno obiektów komunalnych, jak i przemysłowych o podwyższonej temperaturze roboczej.

Uszkodzenia spowodowane brakiem odpowiednich systemów uzdatniania wody oraz błędów związanych z łącznikami rurowymi są często niedoceniane, tak jak w przypadku instalacji parowych i na wodę przegrzaną. Skutkiem tego jest możliwość uszkodzenia zarówno kotła, jak i elementów instalacji [4].

Kamień kotłowy, który powstaje w wyniku wytrącenia soli wapnia i magnezu oraz krzemionki, może mieć charakter kamienisty lub występować w postaci szlamu, czyli zawiesiny opadającej na dno układu wodnego.

Kamień osadza się na ściankach rur i kotła, a proces jego wytrącania rozpoczyna się już w strefie podgrzewania wody.

Struktury pojawiające się w wodzie poniżej jej temperatury wrzenia są w większości przypadków osadami twardymi. Oznacza to, że najczęściej problem zarastania kamieniem obserwuje się w rurach podgrzewaczy wody.

Obszary najwyższych obciążeń cieplnych są najbardziej zagrożone w sytuacji powstania i odłożenia się kamienia.

Woda może powodować szereg reakcji na poziomie jej użytkowania w systemach c.o. i c.w.u., gdyż jest elektrolitem, w którym substancje chemiczne będą miały różną drogę elektrochemiczną w zmiennych warunkach temperaturowych.

Do intensyfikacji tych zjawisk dochodzi zwłaszcza wtedy, gdy medium staje się ciepłe [3, 5].

Do wyposażenia instalacji indywidualnych centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej oferuje się m.in. magnetyzery, które zapobiegają zjawisku, a nawet je eliminują, rozmiękczając i wypłukując skrystalizowane cząstki na ściankach.

Metody chemiczne również są powszechnie stosowane tam, gdzie istnieje możliwość stosowania preparatów o skojarzonym działaniu wraz z inhibitorami korozji [3, 6].

Wśród nowych i znajdujących uznanie metod można wymienić technologię wykorzystującą fale elektromagnetyczne o częstotliwości ok. 150 kHz. W rezultacie indukowany sygnał w postaci fali o zmiennej amplitudzie rozchodzi się i ma wpływ na niepożądane składniki.

Stosowane są także metody strąceniowe, z zastosowaniem m.in. związków fosforanowych czy też filtracji lub zmiękczaczy jonowych [7–8]. Natomiast do usunięcia powstałego kamienia kotłowego albo produktów korozji stosuje się głównie metody mechaniczne lub metody chemiczne.

Pierwsze zaklasyfikowano jako tzw. metody udarowe, czyli kruszące kamień za pomocą uderzeń (kamień twardy), i tzw. metody gryzowe, do których należy skrawanie lub zdzieranie kamienia specjalnymi urządzeniami (kamień miękki).

Metody chemiczne sprowadzają się do rozmiękczenia i rozkruszenia przez wygotowanie fosforanowe lub całkowite rozpuszczenie osadu pod wpływem kwasu.

Czynności technologiczne związane z odkamienianiem urządzenia i instalacji powinny być realizowane w określonym reżimie czasowym i z dużą ostrożnością [8].

Zaleca się cykliczne powtarzanie płukania, tj. raz na rok dla układów produkujących ciepłą wodę użytkową i raz na dwa lata na cele centralnego ogrzewania, zakładając stałe parametry wody zasilającej i uzupełniającej układ, w celu zabezpieczenia układu przed odkładaniem osadu na elementach wymienników ciepła.

Nie tylko jakość wody i konieczność czyszczenia instalacji ma wpływ na prawidłowe funkcjonowanie instalacji c.o. i c.w.u., ale także stosowanie właściwych rozwiązań projektowych oraz niewprowadzanie zmian podczas eksploatacji urządzeń [4, 9].

W artykule przedstawiono ocenę miejsc powstawania korozji i kamienia kotłowego w instalacjach c.o. i c.w.u. i określono wpływ najczęściej badanych parametrów jakości na te efekty [10].

Materiał i metodyka badań

Do badań wybrano dziesięć instalacji c.o. i c.w.u. o różnej konstrukcji i mocy cieplnej (20–300 kW) zasilających lokale mieszkalne w województwie opolskim.

• Wybrano małe obiekty, gdyż są one bardziej narażone na usterki związane z powstawaniem i odkładaniem się kamienia, choćby z uwagi na fakt, że w wymiennikach stosowane są niewielkie przekroje rurek.
• Próbki wody zasilającej pobierane były bezpośrednio za licznikiem głównym, przed stacjami uzdatniającymi i filtrami, jeśli takie występowały.
• Ze względu na ograniczenia techniczne tylko w czterech miejscach możliwe było pobranie kamienia kotłowego (głównej przyczyny usterki urządzenia).

Pierwszym z analizowanych obiektów była kotłownia znajdująca się w Opolu przy ulicy Stawowej, w budynku jednorodzinnym o powierzchni 100 m², o mocy 21 kW na cele c.o. i c.w.u. (fot. 1a).

• Woda użytkowa podgrzewana jest w trybie przepływowym.
• Miejscem najbardziej zagrożonym zjawiskiem odkładania się kamienia jest pierwotny wymiennik ciepła (fot. 1b), który pracuje w układzie zamkniętym. Zjawisko to polega na warstwowym nadbudowywaniu się złogów, w wyniku czego powstają grube warstwy kamienia, częściowo odrywającym się podczas przepływu wody przez wymiennik.
• Fragmenty kamienia krążące w obiegu zamkniętym kotła gromadzą się w miejscach, gdzie przepływ wody jest laminarny, i tam osadzają.
• Miejscami wrażliwymi na proces są również wymienniki wtórne obiegów kotłowych służące do podgrzewania wody na potrzeby c.w.u. Dochodzi tam do stopniowego osadzania się cząstek kamienia, powodującego zmniejszenie powierzchni czynnej wymiennika i pogorszenie efektywności wymiany ciepła.
• Z instalacji pobrano kamień kotłowy charakteryzujący się barwą czarną, drobny i łamliwy (fot. 1b).

Drugi analizowany obiekt to kotłownia z jednostką o mocy 24 kW, mieszczący się w wielorodzinnym budynku mieszkalnym o powierzchni 60 m² w Strzelcach Opolskich.

• Problem, który wystąpił w urządzeniu, to wytrącenie się kamienia na powierzchni płytowego wymiennika ciepła.
• Kamień spowodował powstanie warstwy izolacyjnej, która doprowadziła do pogorszenia wymiany ciepła, a tym samym do spadku temperatury wody i przegrzewania się urządzenia.
• Na fot. 2 przedstawiono przekrój wymiennika płytowego pracującego w tym urządzeniu.

Trzecia wybrana instalacja, o mocy 20 kW, działa w domu jednorodzinnym w Dąbrowie Niemodlińskiej. Obecnie służy jedynie do przygotowania ciepłej wody użytkowej.

• Podgrzanie wody odbywa się bezpośrednio w wymienniku pierwotnym, a kamień kotłowy odrywa się i trafia do instalacji wody użytkowej, osadzając się na sitkach oraz perlatorach baterii łazienkowych. Zmniejsza w ten sposób przepływ wody (< 3 l/min) wymagany do podjęcia pracy przez urządzenie.

Czwarty z analizowanych układów grzewczych to kocioł o mocy 35 kW pracujący w budynku jednorodzinnym o powierzchni 170 m² w Opolu przy ul. Morcinka.

• Urządzenie działa na potrzeby centralnego ogrzewania oraz ciepłej wody użytkowej, podgrzewanej przez zasobnik o pojemności 40 l.
• Na fot. 3 przedstawiono omawiane urządzenie i zaznaczono obszar, na którym widoczny jest zator z kamienia.
• Najwięcej kamienia kotłowego znajdowało się w zaworze 3-drogowym oraz wtórnym wymienniku ciepła.

Piątą badaną jednostką grzewczą był kocioł olejowy z zasobnikiem o pojemności 200 l, z obiegiem podłogowym i grzejnikowym, zlokalizowany w domu jednorodzinnym w Suchym Borze.

• Charakter pracy kotła jest nieco inny niż poprzednio omawianych jednostek, ponieważ korpus samego kotła jest żeliwny, a tym samym wrażliwy na naprężenia.
• Automatyka zapewnia utrzymanie temperatury kotła powyżej temperatury punktu rosy oleju, która dla oleju tr = 50°C. Kocioł pracuje więc powyżej tej temperatury.
• Problem kamienia, który tu występuje, dotyczy takich elementów instalacji, jak: automatyczne zawory odpowietrzające, które w wyniku osadzania się złogów zaczynają przeciekać, oraz grzejnikowych zaworów termostatycznych, w których dochodzi do blokowania iglic i w konsekwencji niewłaściwego działania.

Instalacje nr 6–8, w domach jednorodzinnych w Luboszycach (6), Brzegu (7) oraz w Opolu przy ul. Strzeleckiej (8), można opisać zbiorczo ze względu na zbliżoną moc (20–35 kW).

• Występowało w nich zjawisko sinusoidalnej zmiany temperatury wody użytkowej. Powodem było zakamienienie elementów pomiarowych urządzenia oraz wymiennika płytowego po stronie obiegu zamkniętego.
• Kamień występujący w tych przypadkach ściśle przylegał do ścianek wymienników i jedyną możliwością poprawy funkcjonowania urządzeń było ich chemiczne płukanie.

Obiekt nr 9 to największa jednostka spośród badanych instalacji, o mocy 300 kW. Pracuje w budynku wielorodzinnym o łącznej powierzchni 2700 m² zlokalizowanym w Polskiej Nowej Wsi.

• Jest to duży układ z kotłem żeliwnym, systemem płynnej regulacji temperatury powrotu kotła oraz gazowym palnikiem nadmuchowym.
• Realizowany jest tu program centralnego ogrzewania podzielony na dwie strefy z podmieszaniem układu.
• Woda użytkowa podgrzewana jest w zasobniku z wężownicą o pojemności 2 m³ i cyrkulacją ciepłej wody użytkowej.
• Woda zasilająca do napełniania układu pochodzi z sieci wodociągowej i nie jest poddana procesom zmiękczania.
• Z uwagi na charakter oraz wymagania techniczne kotła pracuje on w przedziale temperatur od 60 do 90°C.
• Ze względu na materiał, z jakiego wykonany jest korpus urządzenia (żeliwo), jak i na punkt rosy (dla gazu ziemnego tr = 57,8°C), układ jest w większym stopniu zagrożony odkładaniem się kamienia. Występuje tu problem związany z pracą elementów instalacji, pomp czy zaworów mieszających (fot. 4a/b i fot. 4c).
• W elementach tych dochodzi do uszkodzeń mechanicznych, takich jak:
  — zablokowanie wirników pomp,
  — uszkodzenie elementów uszczelniających zawory mieszające (perforacja, nieszczelność) bądź ich zatarcie.

• Elementy kamienia są również powodem innego rodzaju uszkodzeń w samych pompach, gdzie większe fragmenty mogą się zatrzymywać w obrębie wirnika, nie blokując go całkowicie, ale zakleszczając się w szczelinach łopatek. Prowadzi to do zmiany ciężaru wirnika i pojawienia się „bicia”, co skutkuje uszkodzeniem łożysk w pompie i bardzo głośną pracą. Widok elementów pomp oraz zaworu mieszającego obiektu nr 9 zamieszczono na fot. 4a/b i fot. 4c.
• Duża pojemność zbiornika wody użytkowej, temperatura oraz jakość wody zasilającej ma wpływ nie tylko na sam zbiornik, ale również na elementy instalacji z cyrkulacją (reduktory, zawory odcinające) i elementy pomiarowe (liczniki wody). Kamień osadza się w rurociągach, zmniejszając ich średnicę, i prowadzi do blokowania zaworów odcinających i łopatkowych liczników pomiarowych.
• Fot. 5 przedstawia fragmenty kamienia, który osadził się w rurociągu (o dł. 500 mm) wykonanego z rury PP o średnicy 25 mm (nr 9a) oraz kamień pochodzący z tej instalacji (9b).

Dziesiąta badana instalacja, o mocy 25 kW (Zawadzkie), napełniona została wodą ze stacji zmiękczającej, a do obiegu dodano inhibitor korozji.

• Problem pojawił się podczas przygotowywania wody użytkowej, ponieważ kamień, który się tam wytrąca, zmniejszył powierzchnię czynną zasobnika ciepłej wody, a w konsekwencji zmniejszyła się powierzchnia wymiany ciepła (zmalała objętość zbiornika).
• Brak otworu rewizyjnego zasobnika zmusza do zastosowania środków chemicznych do rozpuszczania osadu.
• Próbki wody poddano analizom fizykochemicznym: pH, zasadowość i twardość ogólna (wskaźniki korozyjności wody), przewodność elektryczna właściwa (PEW) jako wskaźnik zasolenia oraz zawartość Ca, Mg i Fe jako wskaźniki twardości i korozyjności oraz składniki kamienia kotłowego.
• W badaniu wody zastosowano metody referencyjne dla wody pitnej stosowane w Wojewódzkich Stacjach Sanitarno-Epidemiologicznych. Uzyskane wyniki zaklasyfikowano wg obowiązujących norm.
• Do oceny własności korozyjnych wody wykorzystano wskaźniki stanu równowagi węglanowo-wapniowej.
• Do oceny charakteru wody posłużył wskaźnik pHn, indeks Ryznara IR oraz indeks Langeliera IL, obliczone zgodnie z normą PN-72/C-04609 [11].

Omówienie wyników

W tab. 1 przedstawiono charakterystykę próbek wody pobranych z poszczególnych obiektów.

• Badane próbki wody charakteryzowały się zawartością wapnia w granicach 26–49 mg/l oraz magnezu 2,8–67 mg/l.
• Największe stężenie Ca i Mg występowało w wodzie z instalacji nr 1–4.
• Udział żelaza w badanej wodzie był niewielki. Najwyższe stężenie Fe oznaczono w wodzie z punktu nr 1 i 2. W pozostałych przypadkach zawartość tego metalu była poniżej granicy oznaczalności.
• Żelazo w kamieniu kotłowym może pochodzić nie tylko z wody chłodzącej czy obiegowej, ale z elementów metalowych poddanych korozyjnemu działaniu wody.
• Zasadowość ogólna próbek wody występowała w szerokim zakresie, od 0,8 (nr 5) do 7,4 mval/l (nr 10).
• Zwiększona zasadowość może wskazywać na tendencje do tworzenia się kamienia kotłowego.
• Twardość wody także była zróżnicowana w badanych próbkach.
• Najmniejszą twardością charakteryzowała się woda z instalacji nr 5 (40 mg CaCO₃/l), co klasyfikuje ją jako bardzo miękką.
• Wodę z instalacji nr 4 i 6 zaklasyfikowano jako miękką, a z 1–3 i 7–9 jako średniotwardą. Natomiast wodę z instalacji nr 10 należy zaklasyfikować jako twardą.

Na podstawie obliczeń indeksów stabilności wody IL i IR można wnioskować, że wszystkie badane próbki charakteryzowały się znaczną agresywnością, a nieznaczną tendencją do tworzenia kamienia kotłowego. Jedynie woda z instalacji nr 10 wykazywała nieznaczną agresywność i skłonność do wytwarzania kamienia kotłowego.

Wyniki obliczeń nie pokrywają się z rzeczywistymi efektami w postaci kamienia kotłowego w badanych instalacjach.

W przypadku wzrostu temperatury dochodzi do zmniejszenia rozpuszczalności CO₂ i tym samym korozyjności wody. Jednak przy podwyższonym zasoleniu korozyjność wody może wzrosnąć, rośnie także tendencja do odkładania osadów CaCO₃ z jednoczesnym obniżaniem indeksu IR.

Podsumowanie

• Tworzenie się kamienia kotłowego w instalacjach c.o. i c.w.u. jest zjawiskiem powszechnym. Kamień powoduje zmniejszenie przewodności cieplnej stali kotłowej. Dodatkowo może doprowadzić do uszkodzenia wymiennika, najbardziej obciążonego cieplnie.
• Każdy użytkownik instalacji c.o. i c.w.u. może kontrolować jakość wody obiegowej i chłodzącej, w celu ochrony instalacji przed korozją i wytrącaniem osadów.
• Na rynku dostępnych jest wiele testów umożliwiających kontrolę jakości wody. Do zapewnienia optymalnych warunków pracy układu konieczne jest podjęcie odpowiednich działań, takich jak monitoring jakości wody, wyznaczenie częstotliwości płukania instalacji, montaż odsalaczy lub stosowanie inhibitorów korozji i antyskalantów.
• Na proces tworzenia się kamienia kotłowego można również wpłynąć poprzez minimalizację wycieków z obiegu kotłowego, a co za tym idzie, zmniejszyć częstotliwość uzupełniania samego zładu. Optymalizacja pracy urządzenia i właściwy dobór parametrów eksploatacyjnych również zmniejsza prawdopodobieństwo wytrącania kamienia kotłowego.

Celem przeprowadzonych badań było określenie wpływu jakości wody na tworzenie się kamienia kotłowego w działających instalacjach c.o. i c.w.u.

• W pierwszych trzech obiektach stwierdzono najwyższe stężenie jonów wapnia i magnezu w wodzie, co jest czynnikiem wpływającym na odkładanie się kamienia.
• Zwiększoną zasadowość, która zgodnie z danymi literaturowymi powinna wpływać na tworzenie kamienia, stwierdzono w wodzie instalacji nr 1, 3 i 9.
• Największą twardością charakteryzowała się woda z instalacji nr 10, pozostałe wody zaklasyfikowano jako średnio twarde lub miękkie.

Z badań wynika, że sama analiza fizykochemiczna jakości wody kierowanej do systemów c.o. i c.w.u. nie jest wystarczającą przesłanką do przewidywania procesu odkładania się kamienia kotłowego w urządzeniach i instalacjach. Proces ten jest składową jakości wody i parametrów pracy kotła, takich jak temperatura i sposób nagrzewania ciepłej wody.

Potwierdzeniem tego założenia jest fakt, że woda z instalacji nr 4, zaklasyfikowana jako miękka i jednocześnie woda o najniższej zasadowości, była medium, w którym dochodziło do powstawania kamienia. Równocześnie instalację tę różniły od pozostałych temperaturowe parametry pracy: w tym przypadku 65°C, a w pozostałych 50–55°C.

Reasumując, metodą zapobiegania i redukcji powstawania złogów korozji oraz kamienia kotłowego są przede wszystkim wstępnie prowadzone procesy chemiczne i fizyczne, takie jak oczyszczanie i uzdatnianie wody z naciskiem na redukcję jonów wapnia i magnezu, a co za tym idzie zmniejszenie twardości.

Drugim równolegle prowadzonym zespołem czynności technologicznych powinna być optymalizacja i kontrolowanie parametrów pracy urządzeń grzewczych, przede wszystkim właściwy dobór zakresów temperaturowych pracy kotła.

Literatura

1. Stańda J., Woda do kotłów parowych i obiegów chłodzących siłowni cieplnych, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1998.
2. Górecki A., Korozyjność wody wodociągowej a materiał instalacji, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2011.
3. Płyny instalacyjne i inhibitory, „Rynek Instalacyjny” nr 12/2014.
4. Świetliński B., Zjawiska korozji i tworzenia się kamienia w instalacjach c.o. w budynkach wielorodzinnych – możliwe przyczyny, http://instalreporter.pl/, 12.07.2013.
5. Joniec W., Zapobieganie korozji i powstawaniu osadów w instalacjach c.w.u., „Rynek Instalacyjny” nr 10/2012.
6. Tracz B., Ocena jakości wody po zastosowaniu inhibitora korozji w sieci wodociągowej QUA S.A. w Bielsku-Białej, „Instal” nr 7–8/2014.
7. Kowal A.L., Świderska-Bróż M., Oczyszczanie wody, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2003.
8. Marjanowski J., Uzdatnianie wody w ciepłownictwie – zmiany w zakresie technologii i urządzeń z perspektywy czterdziestu lat doświadczeń, „Instal” nr 12/2015.
9. Szaflik W., Problemy korozji w instalacjach i układach przygotowania ciepłej wody, „Instal” nr 4/2009.
10. Mulik M., Wpływ jakości wody na tworzenie się kamienia kotłowego w instalacjach C.O. oraz metody redukcji i zapobiegania powstawaniu tego zjawiska, praca dyplomowa, Wydział Mechaniczny, Politechnika Opolska, 2015.
11. PN-72/C-04609 Woda i ścieki. Wstępna jakościowa ocena korozyjnego działania zimnych wód naturalnych na przewody z żeliwa, stali zwykłej lub ocynkowanej.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!