Corrosie in waterige milieus Deel 3

In dit laatste deel wordt vanuit meer praktische hoek verder ingegaan op de componenten welke van invloed zijn op corrosie in waterige milieus. Ditmaal wordt er uitgegaan van de verschillende watertypen als leidingwater, afvalwater, oppervlaktewater en zeewater. Ook zal een indruk worden gegeven van de samenstelling van de verschillende watertypes, dit om aan de hand daarvan de corrosieve invloed op de diverse materialen te kunnen bepalen. De bedoeling is niet om van elkaar losstaande milieus te bespreken (ze overlappen elkaar immers grotendeels) maar meer om aan de hand van deze milieus en enkele schade-analyses meer inzicht te geven in de problematiek omtrent corrosie in waterige milieus.

R.A.M. Clignett
J.J.M. Heselmans

Leidingwater, oppervlaktewater en grondwater

Leidingwater

Net als de meeste andere watertypen geeft leidingwater een behoorlijke verscheidenheid in corrosiviteit te zien. Dit komt doordat de in dit water aanwezige componenten altijd in geringe hoeveelheid aanwezig zijn, waardoor gehaltes, in absolute zin, gemakkelijk verveelvoudigen. Bijvoorbeeld: drinkwater kan in het ene gebied een chloridegehalte van 5 mg/liter bezitten en in het andere een chloridegehalte van 100 mg/liter. Begrijpelijkerwijs, kan deze vertwintigvoudiging van het chloridegehalte een totaal ander corrosiegedrag geven. Er zijn voorbeelden te over van exact indentieke installaties welke op de ene locatie tientallen jaren meegaan en op de andere het binnen enkele jaren begeven. Onderstaand volgen enkele factoren welke van invloed zijn op de corrosiviteit van leidingwater:

1. het zuurstofgehalte

Normaalgesproken is zuurstof verantwoordelijk voor het kathodische gedeelte van de corrosiereactie. Hieruit volgt dat hoe minder het zuurstofgehalte van drinkwater tussen de 4 en 12 mg/liter.

2. het chloridegehalte

De invloed hiervan is al besproken in deel 1. Metingen bij een aantal pompstations wezen een minimum chloridegehalte van 5 mg/liter en een maximum van 176 mg/liter uit. Dit is net het gebied waar een geringe wijziging in chloridegehalte (b.v. van 30 naar 120 mg/liter) grote gevolgen m.b.t. corrosiegedrag kan hebben.

3. chloorverbindingen t.g.v. chlorering

Lang niet al het drinkwater wordt gechloreerd. Indien chlorering wel plaatsvindt, dan wordt meestal gebruik gemaakt van natriumhypochloriet. Bij hogere concentraties is deze stof voor roestvast staal corrosief (zie deel 1). echter in drinkwater is de concentratie normaalgesproken dusdanig laag dat de corrosiviteit nauwelijks toeneemt. Het van natriumhypochloriet afgesplitste Oei-ion kan verantwoordelijk zijn voor de kathodische corrosiereactie:


Het ontstane chloride-ion verhoogt de corrosiviteit van het water.

4. De pH-waarde

Deze is voor drinkwater neutraal of licht basisch. Hoe hoger de pH waarde, hoe gunstiger voor het corrosiegedrag. Ook de buffercapaciteit van het water is van belang, met name betreffende weerstand tegen putcorrosie en spleetcorrosie (dit komt doordat het milieu in een put of spleet dan moeilijker verzuurt). In Nederland ligt de pHwaarde van drinkwater normaalgesproken tussen pH 7.0 en 8.5.

5. De hardheid

Over de rol van de hardheid van drinkwater zijn de meningen verdeeld. Omdat calcium en magnesium ionen inhibiterend werken bij corrosie van staal en gietijzer, wordt aangenomen dat een hoge hardheid van het water vanuit corrosieoogpunt gunstig is. Ook wordt wel aangenomen dat de hardheid geen of nauwelijks invloed heeft op het corrosieverloop. Een hogere hardheid betekent een betere buffercapaciteit. Vanuit dat oogpunt kan worden gesteld dat verzuring in b.v. spleten vertraagd zal worden.

Oppervlaktewater

In grote lijnen geldt voor oppervlaktewater hetzelfde als voor leidingwater. Er zijn echter enkele punten waarmee rekening moet worden gehouden:
1. De samenstelling kan per locatie sterk verschillen (zoet/brak water, in buurt van lozingspunt, verzuurd water etc.).
2. De samenstelling kan per tijdstip sterk verschillen (b.v. t.g.v. een lozing of t.g.v. met de getijden binnenstromend zeewater).
3. Meer kans op problemen met micro-organismen.
4. Meer kans op neerslag van vaste deeltjes (slib, zand, organisch materiaal, etc.).
De kwaliteit van het oppervlaktewater is de laatste jaren aanzienlijk verbeterd. Dit is het directe gevolg van het in werking treden van de Wet Verontreiniging Oppervlaktewater op 1 december 1970. Dit is een raamwet welke er toe moest leiden dat na 20 jaar de kwaliteit van het oppervlaktewater weer goed genoemd kon worden. Sindsdien is het verboden om zonder vergunning afvalstoffen te lozen in het oppervlaktewater. Thans ligt het accent op het bereiken van een bepaalde gewenste toestand van het oppervlaktewater, afhankelijk van de gebruiksfunctie. Hiertoe is een indeling gemaakt in:
1. Oppervlaktewater voor de bereiding van drinkwater;
2. Zwemwater;
3. Water voor zalmachtigen en voor karperachtigen;
4. Schelpdierwater;
5. Landbouwwater.
ledere functie heeft een eigen waterkwaliteitsdoelstelling.

De basiskwaliteit

In het indicatief meerjarenprogramma (IMP) 1980-1984 is de kwaliteitsdoelstelling 'basiskwaliteit' geïntroduceerd. Met de invoering van deze kwaliteitsdoelstelling, die betrekking heeft op de binnenwateren, werd beoogd een ondergrens aan te geven in het gehele stelsel van mogelijke eisen en waarden ten aanzien van deze oppervlaktewateren.
Bij het vaststellen van getalswaarden is vooral gelet op de effecten van verontreiniging op flora en fauna, en de eisen voor het gebruik dat de mens van het water maakt. De volgende indeling is voor de getalswaarden gehanteerd:

groep 1: algemene parameters.
groep 2: stoffen waarvan het voorkomen behalve door verontreiniging ook kan worden bepaald door de natuurlijke omstandigheden.
groep 3: Stoffen waarvan het voorkomen geheel of gedeeltelijk wordt bepaald door verontreiniging.

In tabel 1 wordt een lijst gegeven met de waarden van de basiskwaliteit.
In tabel 2 wordt een globaal beeld gegeven van de chemische en fysische kenmerken voor een aantal verschillende watertypen.
Deze tabel is samengesteld op basis van gegevens uit diverse bronnen. Het laat zich aanzien dat de inspanningen gericht op het verminderen van de lozingen van zware metalen zullen leiden tot een verdere reductie van de lozingen. Ook de grensoverschrijdende verontreiniging van deze stoffen neemt af. In tabel 3 is van één en ander een beeld gegeven.

Uit een jaarverslag van het Gemeentelijk Centraal Milieulaboratorium blijkt dat van alle meetpunten in Amsterdam : 2% voldoet aan de basiskwaliteit IMP 85/89 t.a.v. doorzicht; 81% voldoet aan de basiskwaliteit IMP 85/89 t.a .v. zuurgraad; 3% voldoet aan de basiskwaliteit IMP 85/89 t.a.v. totaal fosfaat; en 5% voldoet aan de basiskwaliteit IMP 85/89 t.a.v. chloride. Hieruit blijkt wel dat de meest kwetsbare, d.w.z. gemakkelijk tot overschrijving leidende parameters zijn: doorzicht (>0,5 m), chloride (<200 mg/liter) en totaal fosfaat (<0,15 mg/liter). Om een idee te krijgen van de chloridegehaltes in diverse stadswateren volgen hier enkele gemeten gehaltes:
- grachtwater: maximaal 5460 mg/liter; gemiddeld 1563 mg/liter
- viswater: maximaal 2620 mg/liter; gemiddeld 736 mg/liter
- zwemwater: maximaal 476 mg/liter; gemiddeld 292 mg/liter
- agrarisch water: maximaal 2740 mg/liter; gem. 804 mg/liter
- sierwater: maximaal 2740 mg/liter; gemiddeld 742 mg/liter
Deze hoge chloridegehaltes in het Amsterdamse oppervlaktewater worden voor een belangrijk deel door natuurlijke omstandigheden bepaald (ligging aan het Noordzeekanaal, het IJ en het Amsterdam Rijn kanaal).


Tabel 1: Samenvatting van enkele getalswaarden basiskwaliteit.


Tabel 2: Schatting van fysische en chemische eigenschappen van verschillende watertypen.


Invloed van de verzuring van het oppervlaktewater in Nederland.

Onder verzuring wordt in het algemeen de nadelige effecten verstaan die door het neerslaan van zuurvormende stoffen uit de lucht, al dan niet in combinatie met andere stoffen uit de lucht zoals ozon, worden veroorzaakt op de bodem, vegetatie, fauna oppervlaktewater en materialen. De belangrijkste zuurvormende stoffen in de lucht zijn zwaveldioxide (SO2), stikstofoxiden (NO3 ). Het wordt steeds duidelijker dat emissies vanuit diffuse bronnen (afspoeling uit landbouw, verspeide bebouwing, neerslag) in belangrijke mate van invloed zijn op de kwaliteit van het oppervlaktewater. Voor wat betreft de invloed van de zure regen geldt dat de meeste wateren in, Nederland sterk zijn gebufferd en dan ook niet sterk worden beïnvloed door verzuring. Een groot aantal kleine wateren in gebieden met uitgeloogde, kalkarme bodems zoals vennen en beken zijn evenwel zwak gebufferd. Op dit ogenblik zijn de gevoelige vennen reeds allen aangetast door verzuring en 60% van de iets minder gevoelige vennen is verzuurd.
De provincies Brabant en Drenthe laten hogere percentages zien. De zuurgraad in de vennen is gemiddeld gedaald van circa 5,5 rond de eeuwwisseling naar circa 4.5 nu. Daarnaast zijn de concentraties nitraat, orthofosfaat en ammonium ook significant gestegen.

Schadegeval 1

Dat mierosorganismen een grote rol kunnen spelen bij corrosie in afvalwater toont het volgende schadegeval:
Bij een warmtewisselaar werd ongeveer tien maanden na ingebruikname lekkage aan de roodkoperen warmtewisselaarpijpen geconstateerd.
De lekkage ontstond vanuit de koelwaterzijde, het koelwater was water wat uit een jachthaven werd gepompt. Afb. 1 toont een gedeelte van een aangetaste warmtewisselaarpijp. Van identieke warmtewisselaars, elders in Nederland opgesteld, was geen melding gedaan van corrosieproblemen. Het koelmedium bij deze warmtewisselaars bestond uit allerlei soorten oppervlaktewater (waaronder ook brak water) of leidingwater. Analyse van het jachthavenwater wees een chloridegehalte van 300 mg/liter en een pH-waarde van pH 7,5 uit; twee waarden welke niet agressief zijn voor koper en de meeste van haar legeringen. Opmerkelijk
was een sulfaatgehalte van 690 mg/liter.
Bij ontmanteling van de warmtewisselaar bleken de pijpen bedekt te zijn met een slijmachtig laagje, wat duidt op de aanwezigheid van bacteriën. Nader onderzoek wees uit dat zich in de laag sulfaat reducerende bacteriën bevonden. Deze ontstaan gemakkelijk in sulfaathoudend water op hogere temperatuur (tijdens warm weer of in een geval als dit (warmtewisselaar). In deel 1 is al naar voren gekomen dat sulfaatreducerende bacteriën gemakkelijk waterstofsulfide vormen, wat agressief is voor koperlegeringen. Ook zijn bepaalde andere (organische) zwavelverbindingen, welke sulfaatreducerende bacteriën kunnen vormen, corrosief voor koperlegeringen. Voor de hand liggend is dus dat de oorzaak van de aantasting is een hoog zwavelgehalte van het water in combinatie met een verhoogde temperatuur in de warmtewisselaar.
Dit soort aantasting van koper is al langer bekend. Al in 1954 is een verband aangetoond tussen schepen welke vaak in met sulfaat vervuilde havens liggen en corrosieproblemen aan warmtwisselaars in deze schepen [1).


Afb. 1: Door havenwater aangetaste koperen warmtewisselaarpijp.



Tabel 3: Belasting van het Nederlandse oppervlaktewater met zware metalen in tonnen/jaar.


Grondwater

De kwaliteit van het grondwater is sterk gerelateerd aan factoren als het gebruik van de bodem en de bodemgesteldheid. Er is duidelijk sprake van een geleidelijke kwaliteitsverslechtering van het grondwater. Tot op 25 meter-mv (mv=onder maaiveld) wordt, zeker in zandgebieden, nog nauwelijks grondwater met een natuurlijke samenstelling aangetroffen. Om de kwaliteit van het grondwater in Nederland te kunnen beschrijven is een meetnet opgebouwd van 370 over het land verspreid liggende meetpunten met waarnemingstilters
op globaal 10, 15 en 25 meter-mv. De meetpunten worden jaarlijks bemonsterd. De variatie in de doorlatendheid en samensteling van de ondergrond en watervoerende systemen bepaalt in sterke mate de grote kwaliteitsverschillen, die zowel in horizontale als in verticale zin over afstanden van soms minder dan één meter in het grondwater kunnen worden aangetroffen. Lokale erosiegeulen in uitgestrekte klei- en veenlagen geven aanleiding tot een preferente grondwaterstroming door deze geulen, met als gevolg een andere waterkwaliteit dan men onder deze lagen op grond van hun eigenschappen zou verwachten (b.v. nitraat- en sulfaatreductie bij doorstroming van veenlagen). Ten aanzien van de herkomst van het grondwater, kan onderscheid worden gemaakt tussen:
- zout- of brak water.
- zoet oppervlaktewater (oeverinfiltratie)
- infiltrerend regen- of afvalwater.
Grondwater van mariene afkomst kan overal in Nederland worden aangetroffen op diepten variërend van slechte enkele meters-mv in het westen en noorden van het land tot enkele honderden meters diepte in de oostelijke zandgebieden. Enig inzicht in de gemiddelde kwaliteit van marien zeewater op tien meter-mv wordt gegeven in tabel 4. Kwantitatief gezien neemt water afkomstig uit de grote rivieren het grootste gedeelte van het infiltrerende zoete oppervlaktewater voor zijn rekening. De kwaliteit van het betreffende oppervlaktewater weerspiegelt zich in het daaruit gevormde grondwater (zie tabel 5). De kwaliteit van het meeste zoete grondwater in Nederland wordt in de eerste aanleg bepaald door de kwaliteit van infiltrerend regenwater. De samenstelling van de neerslag variëert naar tijd en plaats, mede afhankelijk van klimaatfactoren, kustnabijheid en de aanwezigheid van industriegebieden. Een effect van industrialisatie en verkeer is onder andere terug te vinden in het stikstof- en sulfaatgehalte van regenwater. De effecten van infiltrerend grondwater op het regenwater weerspiegelen zich het duidelijkst bij als natuurgebied in gebruik zijnde zandgronden (afb. 2) en in de nabijheid van industriegebieden.

De bodemgesteldheid is van grote invloed op de grondwaterkwaliteit. Het meest gevoelig voor verontreiniging zijn de zandgronden. Tabel 6 verschaft enig inzicht in de grondwaterkwaliteit in relatie tot enkele bodemtypen. Als referentiekader is ook een kolom 'zandgrond natuurgebied' opgenomen. Ook het bodemgebruik heeft een belangrijke invloed op de kwaliteit van het grondwater. Van belang zijn de meestal t.g .v. het bodemgebruik optredende emissies van stoffen naar de bodem. Een inzicht in het gebruik van de Nederlandse bodem geeft het volgende staatje:
Grasland :                 45,5%
Akkerbouw:               24,5%
Natuur:                      14,1%
Woonbebouwing :       8,4%
Tuinbouw:                    4,3%
Verkeer:                       2,0%
Diversen:                     1,2%
Tabel 7 geeft enig inzicht in de effecten van het gebruik.


Tabel 4: Gemiddelde kwaliteit van marien grondwater op 10 m-mv (chloridegehalte hoger dan 100 mgl liter).




Tabel 6: Relatie tussen bodemtypen en de gemiddelde grondwater kwaliteit op 10 m-mv ( chloridegehalte kleiner dan 200 mgl liter).


Tabel 7: Relatie bodemgebruik en gemiddelde grondwaterkwaliteit op 10 m-mv in de zandgronden (chloridegehalte kleiner dan 200 mg/liter .


Afb2. ph-profiel in een natuurgebied, gemeten in 1981 en 1984.


Verzuring van het grondwater
Vooral in het grondwater bij als natuurgebied in gebruik zijnde zandgronden en bij de combinatie veengrond-akkerbouw worden vaak lage pH-waarden gemeten. Tabel 8 geeft enig overzicht in de pH-waarden van het grondwater. Het is ernstig dat, vooral op zandgronden, reeds over een tijdsbestek van 4 jaar bij vele meetpunten van het meetnet sprake is van een duidelijke daling van de pH-waarde.


Tabel 8: Gemiddelde pH-waarde in zoet grondwater.
 

Materiaalkeuze bij leiding-, oppervlakte- en grondwater

Staal en gietijzer

Wat metalen betreft worden staal en gietijzer veelvuldig toegepast bij contact met leidingwater. Normaalgesproken worden deze legeringen beschermd door hun eigen roestlaagje, waardoor ze zich vrijwel passief gaan gedragen. Belangrijk hierbij is een metallische zuiverheid van het materiaal (zie afb. 9, deel 1 ). Toepassingsvoorbeelden van staal zijn opslagvaten en tanks. Gietijzer wordt veelal toegepast voor leidingen, verbindingsstukken voor leidingen en afsluiters.
Vooral vroeger werd waterleiding met grotere diameter van gietijzer gemaakt. Twintig procent van het hoofdwaterleidingnet in Nederland (totaal 85.315 km leiding) bestaat nog uit gietijzeren leiding. Bij gebruik van onbeschermd staal of gietijzer wordt het water altijd in meer of mindere mate door roestdeeltjes verontreinigd. Het ijzergehalte neemt toe en het zuurstofgehalte daalt. In het buitenland wordt soms ter bestrijding van corrosie fosfaat toegevoegd aan het drinkwater. Fosfaten werken inhibiterend. In Nederland wordt dit niet toegepast omdat hierdoor het milieu te zwaar belast zou worden (de overheid streeft naar daling van het fosfaatgehalte van het oppervlaktewater).

Bij contact met oppervlaktewater en grondwater worden staal en gietijzer vrijwel altijd beschermd d.m.v. verzinken en/of een coating, al dan niet in combinatie met kathodische bescherming.

Zink en aluminium

Ook zink en aluminium worden normaalgesproken probleemloos toegepast bij drinkwatertoepassingen. Bij keuze van aluminiumlegeringen speelt metallische zuiverheid een grote rol. Zo zijn de met koper gelegeerde aluminiumlegeringen (welke een hoge treksterkte bezitten) niet geschikt voor deze toepassing. Wel geschikt zijn zuiver aluminium, AI-Mg, AI-Mn legeringen en in mindere mate de sterkere AIMgSi legeringen. Aanbevelenswaardig is het oppervlak d.m.v. anodiseren extra corrosieweerstand te geven. Voorbeelden van toepassing van aluminium zijn warmtewisselaars en kleinere watervaten. Zink wordt veelal als gietlegering gebruikt, b.v. in het mechanisme van een stortbak van een toilet. Verzinkt staal is alleen geschikt indien thermisch verzinkt en van voldoende laagdikte, vooral bij permanent gebruik onder water. Toepassing van verzinkt staal vindt vooral binnen de tank- en vatenbouw plaats, waarbij met name gedacht moet worden aan sproeiwater en drinkbakken voor vee.
In schoon oppervlaktewater met een neutrale pH-waarde en een laag chloridegehalte (< 50 mg!liter) kunnen zink en aluminium normaalgesproken worden toegepast. In geval van sterk verzuurd oppervlakte- en grondwater zijn aluminium- en zinklegeringen niet meer geschikt. Hetzelfde geldt voor verzinkt staal. Ook micro organismen in oppervlaktewater kunnen corrosie van aluminium en zink teweeg brengen.

Koperlegeringen

Voor dunnere waterleidingen worden veelal koper- en messinglegeringen gebruikt. Deze toepassing levert slechts zelden problemen op. Koperlegeringen corroderen langzaam, de corrosieprodukten vormen na 1 á 2 jaar een beschermende laag van onoplosbare koperzouten. Deze laag kan bestaan uit bruin cupriet of (wat gunstiger is) uit cupriet met daarop een laagje groen malachiet. T.g.v. deeltjes op het oppervlak (b.v. grafiet of soldeerresten) en/of teveel chloriden ontstaat in incidentele gevallen putcorrosie, wat in snel tempo tot lekkage kan leiden. Koper is vrij gevoelig voor erosie-corrosie. Op plaatsen waar het stromingspatroon turbulent is (t.g.v. een te hoge vloeistofsnelheid) dient men hierop bedacht te zijn. Bij messing onderdelen kan entzinking plaatsvinden. Het bovenstaande schadegeval heeft al aangetoond dat de meeste zwavelverbindingen (welke voorkomen in vervuild oppervlaktewater) agressief kunnen zijn voor koperlegeringen.

Roestvast staal

Bij dikkere leidingen wordt met name in de voedingsmiddelenindustrie soms gebruik gemaakt van roestvast staal. Roestvast staal is een hygiënisch materiaal. Indien vakkundig gelegd moet rvs AISI 304 (18% chroom, 10% nikkel) ruimschoots voldoende zijn. De praktijk heeft echter uitgewezen dat er bij de lassen regelmatig lekkages optreden. Oorzaak hiervan is veelal slechte voorbewerking van de laskanten, ongelijke aanlegging van de pijpstukken, plaatselijk te hoge warmte-inbreng en/of geen of onvoldoende gebruik van schermgas aan de binnenzijde van de pijp. Zelfs bij gebruik van rvs. AISI 316 (rvs 304 met 2,5% molybdeen) treden deze problemen nog wel eens op. Roestvast staal is bestand tegen vrijwel alle typen oppervlaktewater. Indien het chloridegehalte hoger is dan 300 mg/liter, dan wordt aanbevolen AISI 316 toe te passen.

Lood

Bekend zijn de loden waterleidingen. Lood is goed bestand tegen leidingwater en de meeste oppervlaktewatertypen. Toch wordt het vrijwel niet meer toegepast vanwege gezondheidsaspecten.

Beton- en asbestcement

Beton is uitstekend bestand tegen leidingwater en oppervlaktewater. Met name voor opslagtanks wordt het materiaal toegepast. Toepassing van asbestcement vindt veel plaats bij ondergrondse waterleidingen. Ruim 40% van het hoofdleidingnet bestaat uit asbestcement leidingen. Evenals bij beton wordt de chemische kwaliteit van asbestcement gekarakteriseerd door de cementsteen (zie deel 2 van deze serie). Door een lage w.c.f. (0,27), is de dichtheid een stuk hoger dan bij beton. De cementsteen blijft echter gevoelig voor uitloging van de kalk.
 

Kunststof

Vele kunststoffen zijn geschikt voor contact met water. Bekend is de toepassing van pvc voor leidingen. Ruim 30% van de leidingen van het hoofdwaternet is gemaakt van pvc. In mindere mate wordt ook poly-ethyleen toegepast.


Tabel 9: Gemiddelde samenstelling van huishoudelijk afvalwater.

Zeewater

De stof welke het meest verantwoordelijk is voor corrosie in zeewater is het chloride-ion. Zeewater bevat ongeveer 20.000 mg/liter chloride. Het negatieve effect van het chloridegehalte wordt enigszins gecompenseerd door de relatief hoge pH-waarde pH 8. Vanwege deze hoge pH-waarde zijn er niet voldoende waterstofionen aanwezig voor het laten plaatsvinden van de kathodische reactie (1) (zie deel 1 ). In de meeste gevallen zal zuurstof de rol van het waterstof-ion overnemen, wat inhoudt dat verhoging van het zuurstofgehalte aanzienlijke toename in de corrosiesnelheid te zien geeft. Het zuurstofgehalte dient dus zo laag mogelijk te zijn. Vandaar dat op grotere diepte corrosie minder snel verloopt. De hoogste corrosiesnelheden komen voor op de overgang lucht-water, de zgn. spetterzone.

Zoals al eerder aangestipt, bij zich passief gedragende legeringen moet het zuurstofgehalte zo hoog mogelijk zijn. Roestvast staal houdt zich beter in stromend zeewater (aanvoer van zuurstof naar het oppervlak) dan in zuurstofarm stilstaand zeewater. Een probleem op zich is de aangroei van organismen als mosselen en zeepokken op materialen. Wat metalen betreft, blijken organismen de voorkeur te geven aan staallegeringen. Op zinklegeringen vindt minder aangroei plaats terwijl koperlegeringen het minst last hebben hiervan. Onder deze aangroei vindt gemakkelijk spleetcorrosie plaats, vandaar dat ze zoveel rnageiijk moet worden vermeden.

Materiaalkeuze bij zeewater

Bij contact met zeewater of brak water wordt veelal gekozen voor beschermd staal (met coating en/of kathodische bescherming) en beton. Voor leidingen en tanks en voor bevestigingsmaterialen wordt soms gekozen voor roestvast staal of nog hoogwaardiger staallegeringen. In de meeste gevallen blijken de 'gewone' rvs-legeringen als AISI 304 en AISI 316 niet bestand te zijn tegen zeewater. Veelal moet worden gekozen voor legeringen met meer chroom, nikkel en molybdeen. Voorbeelden van legeringen welke wel probleemloos kunnen worden ingezet (ook bij hoge temperatuur) zijn staallegeringen met ongeveer 20% nikkel, 20% chroom en 3% molybdeen, nikkellegeringen als Hastelloy en lncolloy legeringen en kopernikkel legeringen als monel (voor warmtewisselaars). Ook voor toepassing in zeewatermilieus geldt, dat voor een verantwoorde materiaalkeuze elk geval apart moet worden geanalyseerd.

Huishoudelijk afvalwater

Een indruk van de samenstelling van huishoudelijk afvalwater geeft tabel 9. Het kan echter gebeuren dat er op de zuivering ook bedrijven staan aangesloten. Wanneer .daar procestechnologisch geen bezwaren tegenover staan zou b.v. het chloridegehalte veel hoger kunnen zijn. Per situatie zou dus de chemische samenstelling van het afvalwater moeten worden bepaald. De temperatuur van het water schommelt tussen de 8 en 25°C. In tegenstelling tot huishoudelijk afvalwater, dat van plaats tot plaats weinig verschilt, levert elk type bedrijf een eigen soort afvalwater.
Vooral het gehalte aan zware metalen, sulfaten of chloriden kan aanmerkelijk hoger liggen dan bij huishoudelijk afvalwater.
De constructies bij zowel de drinkwatervoorziening als bij de afvalwaterverwerking hebben veelal betrekking op transport, reiniging en opslag van de vloeistoffen. Aan deze constructies en aan de toe te passen materialen worden uiteraard verschillende eisen gesteld. In het kader van deze serie wordt beperkt tot de duurzaamheidseisen.
De meeste installaties staan bloot aan:
- mogelijke mechanische aantasting.
- vloeistoffen en daaruit ontwijkende gassen.
- buitenlucht.
- grond- en grondwater.
Het is van groot belang om in het ontwerpstadium al na te gaan of bepaalde, aan ernstige aantasting blootstaande constructiedelen, niet moeten worden voorzien van een coating of van een duurzaam materiaal moeten worden gemaakt. Aangezien huishoudelijk afvalwater op zich niet erg agressief is wordt, ook uit oogpunt van sterkte, stijfheid en economie, meestal beton toegepast. Uit een inventarisatie van de Commissie voor Uitvoering en Research naar de aantasting van beton bij transport van zuivering en afvalwater in Nederland, is gebleken dat de gevallen van aantasting zowel in de mate als in het aantal meevallen. Ernstige aantasting was vrijwel steeds het gevolg van zwavelzuurvorming (BZA) op vochtig beton.

Bij de keuze van de toe te passen materialen moet uit oogpunt van duurzaamheid met de volgende situaties rekening worden gehouden.
- materialen welke in contact staan met afvalwater.
- materialen welke voor afdekking van installaties worden gebruikt (vaak zeer agressief).
- materialen welke alleen bloot staan aan de buitenlucht (atmosferische corrosie).
Er zijn uiteraard ook combinaties mogelijk, waarbij het meest agressieve milieu maatgevend is voor de materiaalkeuze. Gezien de steeds zwaarder wordende milieueisen t.a.v. stankhinder, worden er steeds meer installaties afgedekt. Dit, tezamen met het steeds agressiever worden van het buitenmilieu t.g.v. luchtverontreiniging, maakt het toepassen van dure materialen noodzakelijk.
Enkele voorbeelden van veel toegepaste materialen op de zuivering :

Beton

Bij toepassing van beton als bouwmateriaal dient met het volgende rekening te worden gehouden:
- Het beton moet zo dicht mogelijk worden gemaakt. Dit betekent dat aan de samenstelling, de verdichting en de nabehandeling de nodige zorg moet worden besteed.
- Daar waar zeer agressief milieu kan worden verwacht, dient het beton te worden beschermd.
In het algemeen zijn er meer schadegevallen door onzorgvuldige uitvoering dan door agressiviteit van het afvalwater. Een slecht uitgevoerde installatie is wel gevoelig voor agressief afvalwater, een goed uitgevoerde niet.

Staal

Vooral in de mechanische onderdelen wordt veel staal toegepast, o.a. bij ruimerbruggen, roosters, leidingwerk, leuningen en trappen. Al het staal vraagt uiteraard om een bescherming. Deze bescherming bestaat meestal uit thermisch verzinken, een duplex coating, dan wel alleen uit een verfsysteem. Een goed verfadvies en een goed verfbestek zijn hierbij onontbeerlijk. Bij een duplexsysteem (gecoat thermisch verzinkt staal) onder water is het aan te bevelen om na een periode van circa 1,5 jaar de installatie grondig te inspecteren en eventuele gebreken te herstellen. Daarna kan zo'n systeem vaak bijzonder lang mee.

Aluminium

Aluminium vertoont een geringe duurzaamheid in een sterk zuur (zwavelzuur) of chloridehoudend milieu. Een goed corrosiebestendige legering is bestendig in afvalwater. Onder goed corrosiebestendig vallen zuiver aluminium, aluminium-magnesium en aluminiummangaan legeringen. Ook aluminium-magnesium-silicium legeringen zijn in de meeste gevallen geschikt voor toepassingen in afvalwatermilieu. Belangrijk hierbij is, dat de legering metallisch zuiver is, m.a.w., dat ze op microschaal geen corrosiebevorderende uitscheidingen bevat. Later zal op deze materie aan de hand van een schadegeval worden teruggekomen. In verband met galvanische corrosie moet contact tussen aluminium en een aantal andere metalen worden vermeden. Aluminium wordt veel toegepast voor afdekkingen (traanplaat), luiken, schuiven, leuningen en trappen. Bij buitentoepassingen moet rekening worden gehouden met het feit dat in een vochtige zeelucht (chloridehoudend milieu), de corrosieweerstand sterk afneemt. Bij toepassingen boven water heeft periodiek reinigen een gunstig effect op de levensduur.

Roestvast staal

Daar waar moeilijke vervangbaarheid of bedrijfszekerheid naast een agressief milieu een belangrijke rol speelt, wordt vaak rvs toegepast. Bij een wat hoger chloridegehalte (> 300 mg/liter) of bij differentiële beluchting dient al snel te worden overgegaan op het molybdeen houdende rvs AISI 316. Molybdeen verhoogt tevens de bestendigheid tegen zwavelwaterstof (H2S). Roestvast staal biedt ook een goede weerstand tegen atmosferische corrosie, zelfs in agressieve milieus bij een relatief hoge vochtigheid. Ondanks deze goede bestendigheid in diverse milieus, is het raadzaam het oppervlak, net als bij aluminium, regelmatig schoon te maken. Afzetting van zout of bepaalde stofdeeltjes kunnen gemakkelijk aanleiding geven tot aantasting van de beschermende oxidehuid.

Hout

De toepassing van hout beperkt zich voornamelijk tot afdekmateriaal. Het betreft dan houttypes in de duurzaamheidsklasse 1 welke bestand zijn tegen een H2SO4-milieu. Voorbeelden hiervan zijn azobé, iroko en bangkirai. Uit oogpunt van kromtrekken kan azobé nog wel eens problemen geven. In verband met de beloopbaarheid van hout bij regenachtig weer, dient de bovenkant stroef te worden gemaakt. De genoemde houtsoorten vergen zeer weinig onderhoud en vervanging kan snel geschieden. Bij luiken welke regelmatig moeten worden geopend kan het gewicht een bezwaar zijn; deze kunnen dan ook beter in aluminium of rvsworden uitgevoerd.

Kunststof

De toepassing van kunststof beperkt zich veelal tot afdekkingen en als leidingmateriaaL Veel toegepaste kunststoffen zijn polyester weefsel, pvc-doek, poly-ethyleen of glasvezelversterkte kunststof. Gezien de hoge chemische resistentie van deze materialen zijn deze zeer duurzaam en vragen nauwelijks onderhoud.

Schadegevallen m.b.t. afvalwaterbehandeling

Onderstaand volgen nog een aantal schadegevallen uit de afvalwaterzuiveringswereld:

Schadegeval 2:

Corrosieschade aan een (met een duplexsysteem behandelde) ruimerbrug in een nabezinktank. In een nabezinktank worden het gezuiverd afvalwater en het actief slib van elkaar gescheiden, waarna het actief slib weer terug gevoerd wordt naar de beluchtingstank. Deze scheiding vindt plaats d.m.v. bezinking, waarbij een continu ronddraaiiende ruimerbrug het bezonken slib naar een centraalgelegen put schuift. Een ruimerbrug bestaat uit een stalen buisframe wat zich gedeeltelijk boven en gedeeltelijk onder water bevindt (zie afb. 3). De pH waarde van het water is circa pH 7,3, het chloridegehalte bedraagt circa 300 mg/liter en het zuurstofgehalte circa 3 mg/liter. Het staalwerk is thermisch verzinkt met een zinklaagdikte van 100-120 µm.
Het coatingsysteem bestaat uit een laag epoxy sealer met een droge laagdikte van 40 µm en twee lagen koolteerepoxyverf met een droge laagdikte van 10 µm per laag. De bouten en moeren zijn eveneens thermisch verzinkt en na montage behandeld met hetzelfde verfsysteem. Deze corrosiebescherming is voor dit soort omstandigheden vrij gebruikelijk. Aan de brug bevinden zich ook nog rvs trekstangen om de schrapers op hoogte te kunnen stellen. De rubberen schrapers zijn d.m.v. roestvast stalen strippen en bouten aan het frame bevestigd. Alle roestvast stalen onderdelen zijn d.m.v. isolatie van het frame elektrisch gescheiden.

Corrosieschade: Na tien maanden in bedrijf te zijn geweest waren bijna alle thermisch verzinkte bouten en moeren bij één van de nabezinktanks putvormig aangetast of deels verdwenen (afb. 4). Ook op het buisframe kwam plaatselijk putvormige corrosie voor (afb. 5).
Uit onderzoek kwam naar voren dat de coating op de bouten en moeren in het algemeen lager was dan de laagdikte op het frame.
Er zijn in dit geval een aantal oorzaken aan te wijzen waarom hier corrosie is opgetreden:
Het verzinkte staal is vóór het aanbrengen van de searlerlaag. Niet overal voldoende aangestraald waardoor er zich plaatselijk nog zinkzouten onder de coating bevonden.
- De bouten en moeren waren te dun gecoat (kantendekking!). Het coatingsysteem was niet overal voldoende aangebracht. Beschadigingen t.g.v. montage en vervoer zijn niet voldoende behandeld. De aanwezigheid van poriën in het coatingsysteem.
- Onvoldoende isolatie tussen het staal en de roestvast stalen strips. Hierdoor kon door de aanwezigheid van goed geleidend elektrolyt en het potentiaalverschil een galvanisch element optreden.

Op zich is corrosie aan staalconstructies, behandeld met een duplexsysteem, niet uniek. Toch kan een duplexsysteem bij toepassing onder water voldoende bescherming bieden, mits aan een aantal zaken voldoende aandacht wordt besteed. Bij kleine constructies is alles nog wel te overzien, maar bij omvangrijke constructies is plaatselijke corrosie t.g .v. beschadigingen tijdens de uitvoering, poriën in de coating en onvoldoende kantendekking, voorbehandeling of laagdikte haast niet ter vermijden. Contact met edelere legeringen zullen het proces alleen nog maar doen versnellen. De toepassing van verzink staal onder water vraagt dus bijzondere aandacht en een nauwkeurige uitvoering.

Schadegeval 2:

Corrosieschade aan een aluminium slibruimer in een voor bezinktank. In een voorbezinktank wordt het op de rioolzuivering binnenkomend water d.m.v. bezinking ontdaan van de bezinkbare vaste stoffen. Ook hierbij wordt het slib door een ronddraaiiende slibruimer naar een centraal gat geschoven. De constructie bestond uit een buizenframe met aan de onderzijde slibruimers. Deze waren opgebouwd uit een aluminium plaat waartegen een rubberen strip was geklemd. Bij een inspectie bleek dat de aluminium slibruimers overal waren aangetast (zie afb. 6). De gehele ruimer, inclusief alle bevestigingsmiddelen, was volgens tekening en bestek van 'zeewaterbestendig' aluminium gemaakt. Ten tijde van de inspectie was de slibruimer circa vier jaar in gebruik. Ook bij andere afvalwaterzuiveringen waren aluminium slibruimers in gebruik; deze toonden geen corrosie problemen.
T.o.v. andere huishoudelijk afvalwaterzuiveringen leverde de samenstelling van het afvalwater geen afwijkende waarden op. Hieruit rees het vermoeden dat de oorzaak van de schade eerder in het materiaal dan in het milieu gezocht moet worden. Ook al om het feit dat het enige bekende materiaalgegeven de enigszins vage term 'zeewaterbestendig aluminium' was. In het verleden werd deze aanduiding wel gebruikt voor aluminium-magnesium legeringen. Nader onder zoek wees ook uit dat de brug gemaakt was van AIMg3. Dit is een legering welke geschikt moet zijn voor deze toepassing, temeer daar andere AlMg3 slibruimers al jaren succesvol functioneren.


Afb. 3: Overzicht van een ruimerbrug.


Afb. 4: Aangetaste bouten van de ruimerbrug.


Afb. 5: Putcorrosie in framebuizen van de ruimerbrug.


Afb. 6: Aantasting van een aluminium slibruimer.


Aan een stukje van de schuiver en aan een willekeurig monster AIMg3 werd een vergelijkend elektrochemisch onderzoek uitgevoerd. Dit is een methode om de bestendigheid van een bepaalde legering tegen corrosie te meten. In principe komt het erop neer dat het monster in het milieu op een bepaalde elektrische potentiaal wordt gezet, welke langzaam wordt opgevoerd. Door tegelijkertijd het verloop van de stroom te meten kan een potentiaal-stroom diagram worden samengesteld. Uit dit diagram kunnen allerlei conclusies m.b.t. het corrosiegedrag worden getrokken. Zich passief gedragende legeringen zullen aanvankelijk geen stroomdoorgang tonen, waarna bij een bepaalde potentiaal de lijn plotseling sterk af zal buigen (er gaat dus stroom lopen). Deze potentiaal wordt de 'putpotentiaal' genoemd. Hoe hoger deze potentiaal, hoe beter de corrosiebestendigheid.

In dit geval is in leidingwater gemeten, de resultaten waren als volgt:
AIMg3 van de ruimerbrug:
- 350 mV t.o.v. verzadigde kalomelelektrode willekeurig AIMg3 monster:
- 50 mV t.o.v. verzadigde kalomelektrode.
 

Het willekeurige monster bleek dus aanzienlijk beter bestand te zijn tegen corrosie dan het aluminium van de schuiver, terwijl beiden toch van hetzelfde materiaal waren gemaakt (beide oppervlakken waren geschuurd dus ook de oppervlaktegesteldheid was gelijk).
Om meer inzicht te krijgen in dit probleem is de microstructuur van het materiaal van de slibruimer onderzocht. Afb. 7 toont het resultaat. Opmerkelijk is dat het materiaal van de schuiver veel uitscheidingen bevat. De donker omlijnde uitscheidingen (omcirkeld) zijn aluminium-ijzer verbindingen. Deze vormen gemakkelijk initiatiepunten voor putcorrosie. Een AIMg3 legering van goede kwaliteit bevat veel minder van dit soort uitscheidingen.


Afb. 7: Microstructuur van het materiaal (A/Mg3) van de slibschuiver. Vergroting: 1000x. De rechthoekige, donkeromrande uitscheidingen zijn corrosiebevorderende aluminium-ijzer verbindingen.


Dermate veel uitscheidingen kunnen om twee redenen ontstaan zijn:
1. De legering bevat teveel 'verontreinigende elementen' als ijzer, mangaan, koper, etc.
2. Tijdens de fabricage heeft het materiaal een verkeerde thermomechanische behandeling ondergaan. M.a.w., bij het walsen is de combinatie van temperatuur, tijd en vervorming niet optimaal geweest.

Conclusie: Vanuit corrosieoogpunt was de materiaalkwaliteit slecht. Dit is waarschijnlijk de belangrijkste oorzaak geweest van de opgetreden problemen.
Dergelijke problemen kunnen worden ondervangen door in het bestek een corrosieproef op het aangeleverde materiaal te eisen. Hierbij kan worden gedacht aan het uitvoeren van elektrochemische proeven of kookproeven.

Schadegeval 3:

Putvormige corrosie aan een thermisch verzinkte luchtleiding. Na circa 4,5 jaar in gebruik te zijn geweest bleek bij een inspectie dat de thermisch verzinkte luchtleidingen plaatselijk putvormig waren aangetast. Zowel de zinklaag als het staal waren geperforeerd.
De leidingen hebben een rechthoekige doorsnede met afmetingen van 60x100 mm en bevinden zich op de bodem van een vier meter diepe beluchtingstank. In deze tank wordt het voorbezonken afvalwater met behulp van aeroob actief slib biologisch gezuiverd. Actief slib bestaat uit vlokken van micro-organismen in een waterig milieu, die verontreinigingen in het afvalwater als voedsel gebruiken. Voor deze omzetting is zuurstof nodig, dat via een stelsel van luchtleidingen en luchtstenen op de bodem van de tank wordt ingevoerd. Het zuurstofgehalte in de onderste laag van de tank kan door de aanwezigheid van bezonken slib afnemen tot 0-3 mg/liter.

Corrosieschade: De leidingen waren aangetast volgens afb. 8. Daar waar de leidingen niet waren aangetast bedroeg de zinklaagdikte 120-180 'm. Op de kokers werden verspreid over het-oppervlak korsten aangetroffen welke bestonden uit zinkafzettingen en corrosieproducten.
Onder deze korsten werd het begin van putcorrosie aangetroffen. Als oorzaak van de corrosie wordt gezien de bezinking van actief-slib vlokken, waardoor er zinkafdekkende korsten op de leiding ontstaan. Na verloop van tijd wordt het milieu onder zo'n korst anaeroob. Hierdoor kan het beschermende passieve laagje op het zink zich niet meer in stand houden waardoor de onderliggende zinklaag en ijzer-zinklaag in oplossing zullen gaan.
Door beluchtingsverschillen aan het oppervlak wordt dit effect nog eens aanzienlijk versneld (ontstaan van lokaalelementen; hoger zuurstofgehalte kathode, laag zuurstofgehalte anode).
 
Het toepassen van thermisch verzinkte leidingen in dit milieu is dus in dit geval geen goed keuze geweest. Beter had kunnen worden gekozen uit:
- roestvast staal (AISIM 316; AISI 304 is niet bestand),
- thermisch verzinkte leiding met een coating (laagdikte >350 urn),
- kunststof leiding (vastmaken op de bodem).


Afb. 8: Aantasting van een thermisch verzinkte luchtleiding. Let op het roest (pijl 1) en de korsten (pijl 2).

Slot

Tot slot volgt een korte samenvatting van de belangrijkste aspecten welke van invloed zijn bij corrosie in waterige milieus. Het corrosiegevaar kan van drie kanten komen, namelijk:

1. fouten in het ontwerp, b.v.
a. zorgvuldige keuze van geschikte vorm (vermijd opéénhoping van vocht en betracht extra waakzaamheid bij de overgang lucht-water).
b. vermijd opéénhoping van vuil,
c. vermijd nauwe openingen en spleten,
d. vermijd richels, hoeken, kanten en putten,
e. vermijd contactcorrosie,
f. voorkom onbereikbaarheid (voor inspektie of vervanging),
g. zorg voor goede bestaksvoorwaarden en een accurate uitvoering.

2. het materiaal, b.v.
a. de materiaalkeuze,
b. metallische zuiverheid (verontreiniging),
c. uitgevoerde warmtebehandeling (uitscheidingen in de microstructuur),
d. oppervlakteafwerking (ruw of verontreinigd opp. is ongunstig),
e. uitwendig spanningen (t.g.v. zware belasting),
f. inwendige spanningen (koud vervormd metaal kan te hoge inwendige spanningen bevatten),
g. bij gebruik van deklaag; fouten hierin.

3. het milieu, b.v.
a. de pH-waarde.
b. het chloridegehalte.
c. het zuurstofgehalte.
d. aanwezigheid metaalionen.
e. het chloorgehalte (in de vorm van hypochloriet).
f. het sulfaatgehalte (bacteriën).
g. microbiologische aspecten (algen en bacteriën).
h. biologische aspecten (aangroei van weekdieren).
i. stroming of stilstand.
j. neerslag van vaste deeltjes.
k. de temperatuur.
I. onverwachte factoren (t.g.v. b.v. een lozing in de buurt).

Literatuur:
1. P. T. Gilbert: The resistance to failure of condenser and heat exchange tubes in marine service; The institute of marine engineers Transactions, Vol. LXVI.
2. Indicatief meerjarenprogramma water 1985-1989 (min. van VROM).
3. Meetresultaten 1986 (GCML Amsterdam).
4. Tussentijdse evaluatie verzuringsbeleid 1987 (RIVM Bilthoven).
5. W. van Duyvenboden: De kwaliteit van het grondwater in Nederland (RIVM Leidschendam).