Taip atrodo 3 kartus padidintas surūdijęs nerūdijančio plieno vamzdis. L. Carpén, Corrosion of stainless steel in fire protection system, Reserch report, No. VTT-R-01556-08, Vit, 2008
Daugelis santechninės įrangos, gaisro gesinimo vandens sistemų ir kitokios įrangos statybos objektuose prieš kelis dešimtmečius paprastai būdavo gaminama iš anglinio plieno ar ketaus. Šiuo metu ne tik Europoje, bet ir Lietuvoje pelnytą vietą, gaminant vandens vamzdynus, užima nerūdijantis plienas.
Šis plienas pasižymi stipresniu nei geležis ar anglinė geležis atsparumu korozijai natūraliame vandenyje, todėl ne vienas statytojas ar vartotojas apsidžiaugė, kad antikoroziniam apdorojimui nereikės daug laiko ir lėšų atimančių medžiagų bei darbų. Nerūdijantis plienas taip pat plačiai naudojamas įvairiuose kituose viešuose statybos objektuose. Šis plienas yra gana nauja medžiaga priešgaisrinių apsaugos sistemų vamzdynuose. Nepaisant paprastai gero atsparumo korozijai, po kurio eksploatacijos laiko aptinkami priešgaisrinės apsaugos vamzdynų pažeidimai ar įvyksta netgi stambios avarijos.
Kita vertus, priešgaisrinės apsaugos sistemos dėl korozijos yra reiklios vamzdyno aplinkai: tai užpildantis vanduo ir eksploatacija. Vamzdynuose naudojamo techninio vandens kokybė stipriai priklauso nuo vandens šaltinio, nes vanduo, įprastai, nėra specialiai išvalomas, todėl jame yra natūraliai esančių cheminių ir biologinių priemaišų. Vanduo tokiuose vamzdynuose dažniausiai stovi nejudėdamas iki kito gaisro, tad vamzdyno vidinio paviršiaus makronelygumuose, – kaip vidinės virinimo siūlių pusės, vamzdžio lankstai, atšakos, čiaupai ir t.t., ar mikronelygumuose, – kaip mikroįbrėžimai vamzdžio vidiniame paviršiuje, susikaupusios sąnašos tampa itin palankia terpe tolesnei intensyviai elektrolitinei korozijai (1 pav.). Tokiame vandenyje, natūraliame ar vandentiekio, visada lieka stipri mikrobų sukeltos korozijos rizika.
1 pav. Vidinis nerūdijančio plieno vamzdžio paviršius priešgaisrinės apsaugos sistemoje po kelių mėn. eksploatacijos.
Neseniai labai patyrę vienos stambios Kauno statybos kompanijos specialistai užsakovo pastate sumontavo priešgaisrinę apsaugos sistemą – modernią, sumontuotą pagal paskutinį technikos žodį, nerūdijančio plieno. Šiame rūdims neįveikiamame vamzdyne jau po kelių savaičių atsirado lyg adata prabadytų skylučių, pro kurias purškė vanduo, o dar po kelių mėnesių jos virto tikromis skylėmis ir, stabdant dabar jau kritinius nuotėkius, visiškai naują vamzdyną teko išmontuoti bei įrengti naują. Kodėl?
Nuotraukoje – teksto autorius prof. dr. G. Mačys
Pirmos skylutės atsirado vamzdžių suvirinimo vietose, todėl užsakovas pirmiausiai ir griebėsi argumento – blogai suvirinta. Bet ekspertizės metu buvo nustatyta, kad virinimo darbai atlikti tiksliai pagal ES reikalavimus, oksidacijos produktų suvirinimo siūlėse nerasta. Taigi, vamzdyno plienas nerūdijantis, suvirinimo siūlės be priekaištų, bet visgi rūdija. Kodėl?
Paminėtinos ir kitos aplinkybės.
Užsakovas gana neatsakingai nekreipė dėmesio į techninius reikalavimus: pastate buvo keičiamas stogas, vamzdynas kai kur buvo perpjautas. Taigi, nors jis ir kabėjo vietoje, bet buvo tuščias ir atviras atmosferai. Per tuos kelis mėnesius buvo ir lietaus, ir kitokios darganos. Nenuostabu, kad vamzdyno viduje nuolat pildėsi ir liko lietaus lašelių. Jie ir tapo atmosferinės korozijos židiniais. Viską sutvarkius ir vamzdyną vėl užpildžius vandeniu, – priminsime, nejudančiu, – korozija vidiniame vamzdžių paviršiuje tik dar paspartėjo. Kaip tai įvyko?
Vamzdis jau buvo paveiktas atmosferos ir jame jau vyko atmosferinė korozija. Jis buvo užpildytas nejudančiu vandeniu, kuriame jau yra ištirpusio deguonies (O2), anglies dioksido (CO2). Tokiu būdu vamzdyje pradeda aktyviai vykti anodinė korozija, t. y. geležies (nerūdijančio plieno vamzdyje yra 98 % geležies) oksidacija, atlaisvinanti vandenyje tirpstančius teigiamus geležies jonus, kurie toliau jau katodinėje reakcijoje reaguoja su trumpai egzistuojančiais, bet labai agresyviais hidroksido neigiamais radikalais OH. Po kelių tarpinių reakcijų geležies paviršiuje nusėda jau kieti geležies hidroksidai FeOOH, t. y. rūdys (žr. 2 pav.).
Abu minėti procesai sudaro vieningą geležies elektrolitinės korozijos vandenyje procesą. Priminsime, kad iki kietų geležies hidroksidų (rūdžių) susidarymo visos reakcijos vyksta tarp skystų reagentų, t. y. vandenyje jų nepastebėsite ir tik spektrinė analizė galėtų parodyti, tarkime, per didelį geležies katijonų kiekį. Vandenyje ištirpęs CO2, reaguodamas su vandeniu, virsta silpna anglies rūgštimi, kuri savo ruožtu korozijos procesus tik paspartina. Šio proceso intensyvumą liudija užsakovo objekte atlikti vandens tyrimai: aptikta net tūkstantį kartų viršijanti leistiną kiekį geležies jonų koncentracija (~200mg/l vietoje 0,2mg/l).
2 pav. Geležies elektrolitinės korozijos vandens lašelyje katodiniai ir anodiniai procesai.
Taigi (2 pav. schema) visiškai akivaizdu, kad kiekvieną kartą vamzdžius užpildydami vandeniu iš bet kurio šaltinio, kuriame visada gausu ištirpusio deguonies, kiek sulėtėjusį dėl deguonies stokos katodinį korozijos procesą vėl papildome deguonimi. Taip rūdijimas vėl atsinaujina.
Beje, pagal tą pačią schemą vyksta ir atmosferinė korozija. Ji vyksta bet kokius metalinius dirbinius, taip pat ir vamzdžius iš nerūdijančio plieno ilgesnį laiką palikus atvirame ore ar patalpoje, jei pastaroji nėra specialiai vėdinama, išlaikant sausą mikroklimatą. Atvirame ore ir stacionarūs, ir judantys metaliniai objektai yra nuolat veikiami drėgmės ir deguonies, todėl objekto paviršiuje pagal elektrolitinės korozijos vandens lašelyje ant metalo paviršiaus schemą 2 pav. pradeda formuotis rūdžių židiniai, kurie greitai virsta gilėjančiais rūdžių mikrokrateriais.
Atmosferinės korozijos procesus spartina stipri oro drėgmė, kondensuoto vandens likučiai ant metalo paviršiaus, stiprios oro drėgmės trukmė, ore esantys korozijos katalizatoriai, kaip chlorido ar/ir sulfato jonai, o taip pat aukšta oro temperatūra. Kita vertus, lietūs Lietuvoje, taigi ir vandens lašeliai vamzdyno paviršiuje pastaraisiais dešimtmečiais tapo labai rūgštūs. Todėl net ir be paminėtų katalizatorių, vien dėl lietaus poveikio vamzdyno viduje greitai prasideda bei toliau vyksta atmosferinė korozija.
Šiame tekste aptarta, kodėl rūdims, atrodo, neįveikiamo, t. y. nerūdijančio plieno vamzdynas greitai prarūdija ir jį belieka pakeisti nauju. O tai nemažos išlaidos, kurių, beje, galima išvengti. Kaip? Apie tai skaitykite toliau, kur trumpai panagrinėsime mikrobiologiškai sukeliamą koroziją ir jos žalą. Taip pat pasiaiškinsime, kaip šių korozijos žalų ir nemažų nuostolių galima išvengti.
Nagrinėjamu atveju, nebuvo atliekama vandens ir metalo mikrobiologinė analizė. Todėl atveją pailiustruosime jau pirmajame straipsnyje paminėtu išsamiu korozijos nerūdijančio plieno vamzdžiuose tyrimu, Europos Sąjungoje gerai žinoma, Prancūzijoje atlikta, priešgaisrinės apsaugos viešajame pastate vamzdyno iš nerūdijančio plieno analize (toliau – prancūziškas pavyzdys).
Patalpoje iš pradžių buvo sumontuoti priešgaisrinės apsaugos iš anglinio plieno vamzdžiai, kurie palaipsniui pakeisti nerūdijančio plieno vamzdynu. Sistemoje dar liko kai kurios dalys iš anglinio plieno, pav., techninį vandenį tiekiantis vamzdynas ar ketaus, pav., didieji vožtuvai. Vanduo šioje sistemoje buvo tiekiamas iš miesto vandentiekio su žema chlorido koncentracija (25mg/l). Vanduo atskirai buvo apdorojamas chloroaminu (hipochloritas ir amonio chloritas vandenyje tampa chloroaminu) ir po to šiuo vandeniu užpildomas vamzdynas. Vanduo vamzdyne vienerius metus stovėjo nejudėdamas, po to kartą per metus buvo keičiamas nauju. Vandens slėgis vamzdyne buvo pastovus –10 barų, temperatūra 20-25 laipsniai. Taigi, akivaizdu, kad vamzdyno eksploatacijos sąlygos ir tiriamajame objekte Kaune, ir prancūziškame pavyzdyje labai artimos, išskyrus tai, kad, skirtingai nei tiriamame objekte Kaune, vanduo prancūziško pavyzdžio sistemoje kasmet buvo visiškai išvalomas.
Pirmosios mikroskylės prancūziškame pavyzdyje pastebėtos jau po kelių mėnesių suvirinimo siūlėse bei vamzdį gaubiančiose šildomosiose vietose, o po 2 metų buvo stebimos jau plačios kiaurymės (3 pav.). Išpjauti bandiniai buvo analizuojami metalurginės, vandens kokybės, mikrobiologinės, elektrocheminės ir rentgeno fotoelektroninės spektroskopijos analizės metodais.
3 pav. Korozijos produktai ir dėl korozijos susidariusios ertmės vamzdžio suvirimo siūlės vietoje. 50 kartų padidintas 3 pav. vaizdas.
Rentgeno fotoelektroninė spektroskopija parodė, kad korozijos pažeistose vietose šalia pagrindinių geležies, anglies ir deguonies komponenčių buvo rasti žymūs kiekiai Zn, Ti, S, Cl bei sodos, kalcio, kalio, silikono ir aliuminio apnašų. Rūdžių apnašose aptinkami cinko, anglies, iš dalies mangano, titano, chloro, sodos, sieros ir kalcio kiekiai atsirado iš vandens. Nevaloma korozija plito ir gilėjo, o jos sukelti trūkiai ir ertmės plėtėsi laipsniškai. Beje, šio vamzdžio metalo mikrostruktūra buvo normali gardelinė nerūdijančio plieno struktūra, vamzdžio metalo, kaip ir suvirinimo siūlės cheminės struktūros, kaip rodo rentgeno fotoelektroninė spektroskopija, išliko pastovios ir atitiko Europos EN 1.4307 standarto reikalavimus.
Mikrobiologiškai sukeliama korozija gali papildomai sukelti adatos dydžio vamzdžio korpuso pažeidimus ir kiaurymes, vandens ar putų nutekėjimus ar netgi vandens srovei kliudantį tolesnį korozinių gūbriukų augimą (3 pav.). Bakterijos natūraliai gyvuoja žemėje, vandenyje ir dulkėse. Taigi, vienintelis būdas sumažinti šios formos korozijos riziką yra užtikrinti, kad vamzdžiai visada būtų švarūs iš vidaus, t. y. nuolat praplauti vamzdyną stipria srove ir užpildyti švariu, chemiškai ir, svarbiausia, biologiškai išvalytu vandeniu.
Vandentiekio vanduo, nors ir valytas, vis dėlto turi skaitlingą mikroflorą. Mus dominančiu korozijos požiūriu bakterijos gali būti aerobinės ir anaerobinės.
Pirmosioms egzistuoti reikia vandenyje ištirpusio deguonies. Vandenyje ištirpęs anglies dioksidas CO2, reaguodamas su vandeniu, virsta silpna anglies rūgštimi, kuri dar labiau spartina korozijos procesus. Koroziją dėl aerobinių bakterijų poveikio sausame vamzdyje galima efektyviai stabdyti, pašalinant vandenyje ištirpusį deguonį, pav., vamzdyną prapučiant azoto dujomis. Tai geriau, nei dažnai naudojamas sistemos prapūtimas aukšto slėgio oru.
Atvirkščiai, deguonies trūkumas visiškai netrukdo anaerobinėms bakterijoms augti ir plėstis. Žinomi du šių bakterijų tipai: gaminančios acto rūgštį ir sierą bakterijos. Pirmosios gamina didelį skaičių organinių rūgščių, gebančių sukelti stiprią koroziją plieno, geležies, vario, cinko ar netgi bronzos dirbiniuose. Anaerobinių bakterijų gaminami acto jonai tampa maistinga medžiaga kitoms sierą gaminančioms bakterijoms. Pastarosios gamina vandenilio sulfidą H2S, kuris, kaip žinia, turi sugedusio kiaušinio kvapą ir lengvai tirpsta vandenyje, įgaudamas silpnos rūgšties formą. Šio sulfido jonai atakuoja geležies paviršių vamzdyje, formuodami jau kietus geležies sulfidus, t. y. rūdis (4 pav.).
4 pav. Daugybės bakterijų kolonijų ir biosluoksnio formavimosi nuosėdose ant koroduojančio trūkio paviršiaus vamzdyje pradžia.
Būtina pastebėti, kad, bendraujant su mūsų statybos specialistais, jie pripažįsta elektrocheminės korozijos žalą, bet visiškai neįsivaizduoja mikrobiologinės korozijos.
Vis dėlto, ji egzistuoja, kaip matome, net chemiškai valytame vandenyje, o ką kalbėti apie lietuvišką techninį vandenį? Prancūziškame pavyzdyje bendra aerobinių bakterijų kolonija, po kelių mėnesių paimta tiesiog iš vamzdžio vidinio paviršiaus, yra akivaizdžiai didesnė (nuo 1,1×103 iki 7,3×103 cfu/ml), nei vandens iki įleidžiant į sistemą (32,…, 50 cfu/ml).
Kita vertus, tiek vamzdžio paviršiuje, tiek užpildančiame vandenyje buvo užfiksuotas žemas anaerobinių bakterijų kiekis. Bendras anaerobinių bakterijų kiekis buvo 5,5…9,5 cfu/ml bandiniuose vamzdžio paviršiuje ir 0,5…1 cfu/ml vandenyje. Mažas buvo ir sulfatus mažinančių bakterijų kiekis 0,5 cfu/ml vandenyje ir 0,2…4,1 cfu/ml bandiniuose vamzdžio paviršiuje.
Taip pat buvo tikrinamos ir geležies bakterijos (bakterijos augančios geležies sulfido aplinkose) korodinėse vamzdžio vietose. Heterotrofinių aerobinių bakterijų kiekis vamzdžio paviršiuje buvo 4,3×105 cfu/ml, o vandenyje 2,4×105 cfu/ml. Taigi, šios bakterijos taip pat pradėjo ant nerūdijančio plieno vidinio paviršiaus kurti savo biosluoksnius, gerai matomus epiflorascentinio mikroskopo nuotraukose (4 pav.). Mikrobiologinė korozija gali būti naikinama cheminiu vandens valymu ir stipriais biocidais.
Pagrindinė korozijos priešgaisrinės apsaugos vamzdyne iš nerūdijančio plieno priežastis yra ilgą laiką stovintis vanduo, kuriame dėl ištirpusio O2, CO2 sąlytyje su metalu vyksta viena kitą papildančios elektrolitinė ir mikrobiologinė korozijos. Šių korozijos procesų išvengti galima tik vamzdyne užtikrinant patenkinamą išvalyto vandens kokybę ir nuolatinę jo kaitą, t. y. turėjo būti suprojektuota „tuščia“ priešgaisrinė sistema: priešgaisrinės apsaugos vamzdynas laikomas tuščiu ir, tik gavus daviklių signalą apie prasidedantį gaisrą, per reglamente nustatytą trumpą laiką užpildomas, tuoj pat panaudojant užgesinti gaisrą. Beje, laikinai tuščias vamzdynas jokiais būdais neturi susisiekti su atmosfera.
Tik taip priešgaisrinis vamzdynas iš nerūdijančio plieno tarnaus ilgai ir patikimai.