Materiaalkeuze van bevestigingsmiddelen en ophangconstructies in de atmosfeer van binnenzwembaden

De atmosfeer in binnenzwembaden behoort tot de meest corrosieve milieus die zich in bouwwerken kunnen voordoen. Tot de factoren die hiervoor verantwoordelijk zijn behoren het warme, vochtige milieu met een hoge concentratie aan chlooraminen. Op de volgende vragen moet een antwoord worden gevonden: waar komen die chlooraminen vandaan en waarom bevinden die zich in de atmosfeer en welk materiaal is hiertegen bestand.

Milieu

Chloreren

 
Als chloor aan water wordt toegevoegd, reageert het onder vorming van een pH afhankelijke evenwichtsoplossing van hypochloorzuur en hypochloriet ionen. De bij het binnentreden van een zwembad zo kenmerkende geur is niet afkomstig van chloor maar van een vluchtig gas dat bestaat uit nitrochloride (chlooramine), dat zuur is en corrosief. Het is dit chlooramine dat verantwoordelijk is voor de constructieproblemen in zwembaden. Naast de corrosieve werking wordt deze stof ook verantwoordelijk gehouden voor de beroepsmatige astma bij zwembadpersoneel en longaandoeningen bij kinderen die zwembaden bezoeken.

Chlooraminen

Chlooraminen worden gevormd via een reactie tussen chloor en ammoniak bij zure condities van het water volgens:

NH3 + HClO --> NH2Cl + H2O (1)
NH2Cl + HClO --> NHCl2 + H2O (2)
NHCl2 + HClO --> NCl3 + H2O (3)

De chlooraminen zijn vluchtige verbindingen die makkelijk verdampen en condenseren op metalen delen, waar ze makkelijk uiteenvallen volgens:

4NH2Cl + H2O --> N2 + 3HCl + HClO + 2NH3 (4)
2NHCl2 + H2O --> N2 + 3HCl + HClO (5)

De pH van het zwemwater moet lager zijn dan pH 5 wil chlooramine worden gevormd. Het zwembadwater wordt echter op een waarde tussen 6,8 en 7,6 gehouden, dus hoe kan er dan toch chlooramine ontstaan?
Chloor is een zeer effectief desinfectiemiddel dat binnen een periode van 30 seconden nagenoeg de meeste bacteriën in het water doodt. Als de bacteriën zich echter hebben vastgezet op een oppervlak (biofilm) dan worden ze vrijwel volledig resistent tegen chloor. Als men met een vinger over het tegeloppervlak gaat, dan voelt dit glad aan en dat is het gevolg van een bacteriefilm. Terwijl de pH van het zwembadwater ligt tussen 6,8 en 7,6, is de pH van het micromilieu op het oppervlak van de biofilm zuur. De belangrijkste plaats voor de vorming van chlooraminen is dan ook het oppervlak van de biofilm.

Zwembadoppervlakken, tegels en leidingwerk hebben allemaal een groot oppervlaktegebied, dat helemaal is bedekt met een bacterielaag. Als er zandfilterinstallaties worden gebruikt dan vertegenwoordigen die het grootste oppervlak dat in aanraking komt met het water. Een ton zand heeft een oppervlak van om en nabij 3000 vierkante meter. Voor een standaard 25 meter bad wordt zo’n 20 ton zand gebruikt hetgeen neerkomt op een oppervlak van 60.000 m2. Chlooramine vorming treedt daarom voornamelijk op op het zand in de zandfilters.

De productie van chlooramine hangt rechtstreeks af van het oppervlak dat in aanraking is met het water en de mate van bioverontreiniging aan het oppervlak, met andere woorden elimineren van de bacteriën elimineert ook het probleem. Goede hygiëne is essentieel en elke inspanning met worden getroost om de introductie van voedingstoffen te verhinderen waarop bacteriën kunnen gedijen, zoals bijvoorbeeld fosfaten.
Het gebrek aan inzicht in de rol die bacteriële verontreiniging speelt heeft geleid tot enkele ernstige tekortkomingen in het ontwerp van waterbehandelingssystemen voor zwembaden gedurende de afgelopen 30 jaar, hetgeen heeft geleid tot de problemen waarmee men nu wordt geconfronteerd. Constructies worden hierdoor nadelig beïnvloed evenals de gezondheid van personeel en bezoekers.


Afbeelding 1. Ophang en bevestigingsmateriaal met een duplex coating zink/epoxy (Foto: Cl-Resist Coatings).

Andere bronnen van chlooramine

Naast het doden van bacteriën oxideert vrij chloor afvalproducten afkomstig van zwemmers, waaronder zweet, huidoliën, urine en andere ammoniak-stikstofverbindingen. Als het gehalte aan vrij chloor onvoldoende hoog is om deze stikstofhoudende afvalstoffen te oxideren, gaat het vrije chloor er combinaties mee aan onder vorming van chlooraminen. Er ontstaat dan een tekort aan vrij chloor in het zwemwater. Het is dus zaak om het gehalte aan vrij chloor aan te passen aan het te verwachten aantal badgasten.
Het is essentieel dat bezoekers zich douchen voordat ze het bad betreden, bij voorkeur zonder gebruik te maken van shampoo of zeep. De toegang tot het bad moet zodanig zijn ingericht dat bezoekers de douches niet kunnen ontlopen.

Corrosie

Het bezwijken van austenitisch roestvast stalen (type 304 en 316) bevestigingsmateriaal dat op trek werd belast blijkt te kunnen worden toegeschreven aan scheurvormende spanningscorrosie (SSC). Er werd steeds aangenomen dat SSC pas optreedt bij temperaturen boven 50°C. Er zijn studies uitgevoerd naar SSC bij lagere temperaturen dan 50°C, waarbij werd gevonden dat er inderdaad SSC kan optreden bij lagere temperaturen als er zich bepaalde condities voordoen:
(a) Het gebruik van sterk koudvervormd roestvast staal.
(b) Roestvast-staaloppervlak is verontreinigd met ijzer.
(c) De aanwezigheid van een sterk corrosieve film die chlorideverbindingen bevat.

Aan conditie (a) wordt voldaan, omdat de bevestigings- en ophangingsmiddelen via koudvervormen tot stand zijn gefabriceerd. Dit uit zich onder andere in het licht magnetisch zijn van het anders niet-magnetische austenitisch roestvast staal. Aan conditie (b) kan worden voldaan als er tijdens de bouw of reparatiewerkzaamheden ijzerstof op het staaloppervlak terecht komt dat niet wordt verwijderd, bijvoorbeeld door middel van beitsen. Aan conditie (c) wordt ook voldaan via de reacties (4) en (5).

Scheuring was prominent als de relatieve vochtigheid van de atmosfeer in de buurt kwam van de relatieve vochtigheid boven verzadigde oplossingen van genoemde zouten. In feite is er dan sprake van onderdompeling in een corrosieve oplossing. De roestvast stalen hangers zijn echter het grootste deel van de tijd bedekt met een dunne vochtfilm, zodat de zaak moet worden opgevat als een geval van atmosferische corrosie.
Er dringen zich nu twee vragen op [1]:
- Aangenomen dat de scheuring van de hangers optreedt bij hoge temperaturen (>50°C), moeten deze temperaturen dan in het gehele zwembad heersen.
- Zou de temperatuur van de gehele hanger meer dan 50°C moeten zijn om op microschaal scheuring op gang te brengen.

Antwoord op beide vragen is nee. De warmte die nodig is kan beperkt blijven tot de zeer kleine gebiedjes, zonder enige merkbare verandering in de omgevingstemperatuur.
Het zwemwater wordt gedesinfecteerd met chloorgas. Het gas reageert met water onder vorming van zowel zoutzuur als hypochloorzuur volgens:

Cl2 + H2O --> HCl + HClO (6)

Als het water op een pH waarde 7 - 8 wordt gehouden is de aanwezigheid van HCl uitgesloten. HClO kan reageren met ammoniak in het zwemwater (afkomstig van onder andere lichaamsvloeistoffen) volgens de reacties (1) t/m (3).

De chlooraminen zijn vluchtige verbindingen die gemakkelijk verdampen en condenseren op de metalen delen van het plafond. Daar vallen ze vlot uiteen volgens de reacties (4) en (5).
In de uiteindelijke toestand zijn er zoutzuur en hypochloorzuur aanwezig op het staaloppervlak. Zoutzuur tast zwakke plekken aan in de oxidelaag die het staaloppervlak bedekt. Daar staat tegenover dat HClO, dat een sterk oxidatiemiddel is, het staal op hoge positieve waarden brengt. De condities zijn nu gunstig voor het initiëren van putcorrosie, die op gang kan komen als de vrije energie van het systeem hierdoor afneemt. Een indruk van de grootte van de warmte die hierbij betrokken is kan worden verkregen uit de standaard enthalpie die gepaard gaat met het in oplossing gaan van de drie hoofdbestanddelen van het roestvast staal:

2H+ + Fe --> Fe2+ + H2 ∆H = -21,0 kcal/g at. (7)
2H+ + Ni --> Ni2+ + H2 ∆H = -15,3 kcal/g at. (8)
3H+ + Cr --> Cr3+ + 1,5H2 ∆H = -61,2 kcal/g at. (9)

Aangenomen dat elk van deze bestanddelen van het staal onafhankelijk van de anderen reageert, komt er bij het oplossen van 1 gram van de legering zo’n 510 calorie vrij.


Afbeelding 2. Noniushanger met duplex coating; het epoxy laagje is slechts enkele micrometers dik omdat de schroefdraad moet blijven passen (Foto: Cl-Resist Coatings).


Putcorrosie is uniek in die zin dat het zelfstimulerende en zelfonderhoudend is. Het oplossen van metaalionen in de putten zet diffusie en migratie van chloride-ionen vanaf het oppervlak in gang om elektroneutraliteit te handhaven. De hydrolyse van de metaalchloriden geeft een oplossing die rijk is aan zowel waterstofionen als chloride-ionen, die verdergaand oplossen stimuleren. Hoewel de hoeveelheid warmte die per gram legering wordt opgewekt hetzelfde blijft, zal de snelheid waarmee de warmte wordt geproduceerd progressief met de tijd toenemen.
Er zijn nog andere factoren die ook kunnen bijdragen tot het verwarmen van de stalen hangers en/of het behouden van de relatief hoge temperaturen. Bij condensatie van water op het metaal, staat het aan het metaal verdampingswarmte af die tot 540 cal/g kan bedragen. Wegens de lage warmtegeleidbaarheid van het staal zal de verzamelde warmte niet zo snel naar de omgeving afvloeien. De thermische geleidbaarheid van roestvast staal 304 bedraagt 0,3 J.s-1.cm-1.graad-1 tegen 7,1 J.s-1.cm-1.graad-1 voor koper.

Als gevolg van het in de zwembaden fungerende luchtcirculatiesysteem, mag worden verwacht dat het staal permanent is bedekt een gecondenseerde waterfilm. Deze waterlaag is ook een slechte warmtegeleider en vertraagt de afvoer van warmte naar de omgeving.
Onder deze omstandigheden is het niet onredelijk om aan te nemen dat de temperatuur aan de bodem van een of meer putten zal stijgen tot een waarde waarbij SSC een aanvang kan nemen. Scheurinitiatie op de bodem van putten wordt vaak waargenomen.

Materiaalkeuze

De praktijk heeft via een aantal tragische ongevallen geleerd dat roestvast staal van het type 304 en 316 niet voldoet. Volgens de standaard NEN-EN 13451-1 Annex G mogen alleen de typen 1.4565 (X2CrNiMnMoNb25-18-5-4, 1.4529 (X1NiCrMoCuN25-20-7) en 1.4547 (X1CrNiMoCuN20-18-7) worden gebruikt op kritische plaatsen waar regelmatig reinigen niet mogelijk is. Dit houdt onder andere in dat overal waar op kritische plaatsen (trekbelasting, corrosief milieu, reinigen niet mogelijk) nog 304 of 316, alsmede hun laag-koolstofhoudende varianten aanwezig zijn, deze dienen te worden vervangen door een van voornoemde hooggelegeerde roestvast-staaltypen.
Een dergelijke operatie is behalve zeer duur, ook nagenoeg onuitvoerbaar omdat het maar zeer de vraag is of alle te vervangen onderdelen ook verkrijgbaar zijn in deze speciale legeringen.

Soms is het noodzakelijk om in plaats van zijn heil in steeds exotischer materiaal te zoeken een stap terug te doen en gebruik te maken van koolstofstaal dat thermisch is verzinkt en dat voor nog agressiever milieus ook nog is voorzien van een organische deklaag (duplexsysteem)(zie afbeeldingen 1 en 2).
De reden voor een dergelijke keuze is gelegen in het feit dat de inspecties die zijn uitgevoerd hebben aangetoond dat waar dit soort materialen zijn toegepast, zij een aanzienlijk betere weerstand tegen corrosie aan de dag leggen. 

Referentie
[1] Shams El Din, A.M., Applications of stainless steel ’92, Vol. 2, 9-11 June 1992,
Stockholm, Sweden, p. 773 - 777.