Het gebruik van roestvast staal voor drinkwaterleidingen

Overal ter wereld investeert de waterindustrie miljoenen om te kunnen voldoen aan de toenemende vraag naar water. Roestvast staal kan hierin een rol van betekenis spelen omdat het beschikt over de volgende eigenschappen:

• uitstekende corrosieweerstand;
• bestand tegen betrekkelijk hoge stromingssnelheden;
• goede mechanische sterkte en ductiliteit;
• makkelijk te bewerken;
• uit voorraad leverbaar in tal van vormen;
• zeer lage uitloogniveaus in water;
• hoge duurzaamheid;
• volledig recycleerbaar.
  

Dankzij deze eigenschappen kunnen aanzienlijke economische en milieutechnische voordelen worden behaald door de waterindustrie vanaf de behandelingsinstallatie tot en met de drinkwaterdistributie en tenslotte bij de afvalwaterbehandeling.

Door: A.J. Schornagel

De goede corr­osieweerstand van op correcte wijze gebruikt roestvast staal is de bron van waaruit alle andere voordelen voortkomen. Er is nauwelijks sprake van enige vorm van algehele corrosie en het risico van plaatselijke corrosie kan tot een minimum worden beperkt door middel van materiaalselectie en goede verwerking. Als gevolg hiervan is er geen noodzaak voor een corrosietoeslag of enige vorm van beschermende deklaag. Hierdoor is het mogelijk om gebruik te maken van betrekkelijk dunwandige onderdelen, waardoor het mogelijk is om lichter en eenvoudiger te construeren dan mogelijk is met traditioneler materiaal. Tabel 1 geeft een vergelijking van gewicht en kosten van equivalente pijpstukken voor een ontwerpdruk van 16 bar. De combinatie van dunwandigheid en goede ductiliteit maken dat goedkopere verbindingsmethodes in aanmerking kunnen komen voor leidingwerk: er kunnen in de buiswand T-stukken worden getrokken en zijstukken kunnen worden opgelast.



De uiteinden van de buizen kunnen worden omgezet en er kunnen verbindingen worden gemaakt met losse tegenflenzen. Op voorwaarde dat er voldoende aandacht wordt geschonken aan het vermijden van galvanische corrosieproblemen, hoeven tegenflenzen niet eens van roestvast staal te zijn gemaakt, maar kunnen ook zijn gefabriceerd van bekleed koolstofstaal of van gelegeerd aluminium. De combinatie van goede sterkte en licht gewicht kan ook gunstig uitwerken voor waterdistributiesystemen in hoge gebouwen waar de prijs van de roestvast staal optie lager kan liggen dan die van ander materiaal. Het geringere gewicht biedt nog verdere voordelen, zoals goedkoper transport, hijswerk, installatie en ondersteunende constructies. Een bijkomend voordeel was het feit dat vanwege de corrosievastheid van het roestvast staal het interval tussen periodieke spoelbeurten van het systeem langer kon worden, hetgeen een besparing opleverde op arbeidskosten en gebruikt spoelwater. RVS-systemen vereisen geen corrosie-preventievoorzieningen of aanpassing van de watersamenstelling om corrosie te voorkomen, waardoor nog verder kan worden bespaard op bedrijfskosten.

Milieuvoordelen

Vandaag de dag raakt men meer dan ooit doordrongen van de noodzaak om de invloed van menselijk handelen, op zowel het milieu als de volksgezondheid, tot een minimum te beperken. Levering van schoon drinkwater is van vitaal belang voor alle gemeenschappen en het resulterende afvalwater mag het milieu niet verontreinigen als het wordt geloosd. Materiaal dat wordt gebruikt voor behandeling, opslag en distributie van drinkwater mag geen verontreinigingen introduceren tot boven het door de relevante wetgeving voorgeschreven toelaatbare niveaus. De RVS-typen die waarschijnlijk zullen worden gebruikt voor deze toepassingen zijn in verschillende landen beproefd. Deze proeven wezen uit dat het uitlogen van metallische elementen op een niveau plaatsvindt dat consistent lager ligt dan wat de regels in deze voorschrijven. Zo zijn er als onderdeel van een Europees pre-normatief researchproject [2] proeven uitgevoerd met proefplaten die voor chroom en nikkel uitloogresultaten lieten zien die 5% lager waren dan wat het Europees drinkwater directoraat voorschrijft [3]. Dit werk vormt de basis voor proeven die zullen worden gebruikt om de geschiktheid te bepalen van constructiemateriaal dat in aanraking komt met drinkwater onder het Europese toelatingsprogramma, dat momenteel in ontwikkeling is. In een separate studie, die volgde op een verandering in hun regels, beproefde het Britse Drinking Water Inspectorate (DWI) drie typen roestvast staal: 1.4307, 1.4404 en 1.4462. Tijdens verblijf gedurende 24 uur in pijpen met een binnendiameter van 54,4 mm, gevuld met drie watersoorten werden uitloogniveaus waargenomen van minder dan 1,0 µg/l Cr en minder dan 2,0 µg/l Ni.



Het DWI concludeerde dan ook dat het gebruik van producten, gemaakt van de gespecificeerde RVS-typen in contact met water voor publiek gebruik toelaatbaar is op gezondheidsgronden [3]. Tijdens gebruik blijken deze uitloogniveaus nog verder te dalen. Een verder voordeel van de lage uitloging vanuit roestvast staal is dat het geen verontreiniging in het water introduceert, hetgeen een probleem zou kunnen zijn voor de afvalwaterstroom. Als het afvalwater wordt behandeld, dan blijft metallische verontreiniging hetzij achter in het afvalwater of het zal zich opzamelen in het rioolslib. Er zijn al delen van Europa waar wordt gediscussieerd of er vanwege het metaalgehalte restricties aan het gebruik van rioolslib moeten worden gesteld indien het slib zal worden gebruikt als agrarische meststof. Het gebruik van roestvast staal zal hier zeker verlichting van de moeilijkheden kunnen bieden. Water is een kostbaar goed en het is belangrijk om verspilling via lekken in het distributiesysteem tot een minimum te beperken. In veel landen is het distributienetwerk oud en toe aan noodzakelijke reparaties. Dit kan echter zowel duur als schadelijk zijn als de hoofdleidingen onder straten van een drukke stad lopen. Het zonder opgraven hernieuwd bekleden van zulke hoofdleidingen is ontwikkeld voor dergelijke situaties. In plaats van het openleggen van een hele straat, kan worden volstaan met het uitgraven van kamers waarin grote buislengtes kunnen worden geplaatst, die aan het voorafgaande stuk worden gelast en dan met hydraulische persen in de originele buis worden geschoven. Het is mogelijk om aldus lengtes tot wel 1000 m in te schuiven, waarbij zelfs flauwe bochten konden worden gevolgd.

 

Tabel 1  Relatieve gewichten en kosten voor equivalente lengtes buis met een diameter van 200 mm en voor een werkdruk van 16 bar (roestvast staal = 100).

Regels en voorschriften

Het moet worden ingezien dat roestvast staal onder bepaalde omstandigheden kan corroderen. Er moet de nodige aandacht worden besteed aan het kiezen van soort en type, fabricagemethode, installatie en onderhoud van roestvast staal als het wordt gebruikt in de waterindustrie. Deze eisen zijn goed gedocumenteerd in diverse publicaties. De belangrijkste aspecten zijn:

 

• kies het juiste type voor het chloridegehalte van het water;
• vermijd spleten zoveel mogelijk, door middel van een goed ontwerp;
• volg goede fabricagepraktijken, in het bijzonder bij het verwijderen van aanloopkleuren;
• tap onmiddellijk af na hydrostatische beproeving.

Uitloogexperimenten

Er zijn studies verricht naar de mate waarin bepaalde legeringselementen van roestvast staal worden uitgeloogd in waterige milieus. Bij de ‘Co-normative research on test methods for materials in contact with drinking water’ [5], zijn drie typen roestvast staal gebruikt voor leidingwerk in koudwatersystemen, te weten:

 

• X5CrNi18-10 (1.4301) dat 18% chroom bevat en 10% nikkel;
• X5CrNiMo17-12-1 (1.4401) dat 17% chroom, 12% nikkel en 2% molybdeen bevat;
• X2CrMoTi18-2 (1.4521) dat 18% chroom en 2% molybdeen bevat en is gestabiliseerd met titaan.

Het leidingwerk was ontworpen uitgaande van omstandigheden zoals die bij huishoudelijk gebruik voorkomen (stromend water uit de kraan, die vervolgens werd dichtgedraaid, waarna er een periode van stagnatie optrad). Het onderzoek besloeg een periode van vijf maanden. Er zijn uitlooggegevens gevonden voor chroom, molybdeen, ijzer, titaan met de volgende resultaten:

 

• Chroom: concentraties variëren van de detectiegrens van 1 µg/l tot 2 µg/l (met uitzondering van 1 resultaat van 25 µg/l na een 1 uur durende stagnatie op dag 637 met nanofiltratieconcentraat). Aangezien driewaardig chroom (chroom-3) een van de bestanddelen is van de passieve laag, laat deze resultaten zien dat de legeringen in de passieve toestand verkeerden, zodat kon worden geconcludeerd dat er geen sprake was van corrosie.
• Molybdeen: de concentraties bedroegen minder dan 1 µg/l.
• IJzer: ijzer in driewaardige toestand (ijzer-3), vormt met chroom het overgrote deel van de passieve laag. Het wordt in kleine hoeveelheden uitgeloogd (minder dan 50 µg/l) maar dit neemt af naarmate de tijd verstrijkt. Dit kan worden verklaard uit het feit dat de passieve laag hoofdzakelijk bestaat uit ijzer- en chroomoxiden en hydroxiden en dat de ijzerbestanddelen minder stabiel zijn dan de chroombestanddelen. Daardoor gaat ijzer bij voorkeur in oplossing. Dit leidt tot chroomverrijking van de passieve laag en een overeenkomstige toegenomen corrosieweerstand van het staal.
• Nikkel: de concentraties lagen in de meeste gevallen onder 2 µg/l. Slechts twee resultaten overschreden een waarde van 10 µg/l, beide met nanofiltratieconcentraat. Er dient in dit verband op te worden gewezen dat het vrijkomen van nikkel heel laag was en dit resultaat bevestigt de afwezigheid van dit element in de passieve laag.
• Titaan: de concentratie lag altijd onder 5 µg/l. Titaan verbetert tevens de weerstand tegen putcorrosie van deze staalsoort.
  
   

Tabel 2  Uitloging van chroom gedurende blootstelling aan regen (1 jaar durende veldproef).
 

Tabel 3  Uitloging van nikkel gedurende blootstelling aan regen (1 jaar durende veldproef).

Bij de ‘Interlek Testing Services’ (ITS) studie [6], werden drie typen roestvast staal beproefd:

 

• X2CrNi18-9 (1,4307; 304L);
• X2CrNiMo17-12-2 (1.4404; 316L);
• X2CrNiMoN22-5-3 (1.4462; 2205).

De beproeving verloopt volgens de methode zoals is beschreven in BS 7766:2001. De detectiegrens voor elk geanalyseerd element bedroeg 8 µg/l voor ijzer, 1,0 µg/l voor nikkel en 1,0 µg/l voor chroom. De gehalte aan metallische elementen van het testwater aan het begin van de uitloogproef was: Fe < 8,0 µg/l; Cr < 1,0 µg/l; Ni < 1,0 µg/l. Na de uitloogproef bleek het gehalte van het water aan deze elementen, voor alle beproefde RVS-typen: Fe < 8,0 µg/l; Cr < 1,0 µg/l; Ni < 1,0 µg/l. Hieruit kon worden geconcludeerd dat alle staaltypen voldeden aan de acceptatiecriteria binnen BS 7766:2001. Bij het derde onderzoek [7], zijn de uitlooghoeveelheden bepaald van chroom en nikkel uit X5CrNi18-10 (1.4301; 304) en X5CrNiMo17-12-2 (1.4401; 316), tijdens een 1 jaar durende veldexpositie van proefplaten in een stadsomgeving (Stockholm) en via aanvullende blootstelling aan kunstmatige regen. Tijdens het veldonderzoek werd afdruipend water ongeveer elke tweede week opgevangen, afhankelijk van de frequentie, hoeveelheid en duur van regenbuien.



Tijdens de gehele proefperiode werd er bij benadering 500 mm regenwater verzameld. De kunstmatige beregening was opgezet voor laboratoriumonderzoek. De hoeveelheid vrijgekomen chroom (tabel 2) varieerde tijdens verschillende periodes van minder dan 0,5 nanogram/cm2 (detectielimiet voor chroom) tot 3 nanogram/cm2 (< 0,5 - 1,6 µg/l) en van minder dan 0,5 tot 5 nanogram/cm2 (< 0,5 - 2,2 µg/l) voor respectievelijk X5CrNi18-10 en X5CrNiMo17-12-2. De vrijgekomen hoeveelheid nikkel (tabel 3) varieerde van minder dan 0,1 nanogram/cm2 (detectiegrens van nikkel) tot 12 nanogram/cm2 (< 0,1 - 3,5 µg/l) en van 0,5 tot 31 nanogram/cm2 (0,2 - 11 µg/l) voor respectievelijk X5CrNi18-10 en X5CrNiMo17-12-2. De uitloging van chroom en nikkel is significant hoger bij X5CrNiMo17-12-2 vergeleken met X5Cr18-10. Dit is verrassend omdat algemeen wordt aangenomen dat de corrosieweerstand van X5CrNiMo17-12-2 superieur is ten opzichte van die van X5CrNi18-10. Men dient echter te bedenken dat X5CrNiMo17-12-2 in eerste instantie is ontworpen voor gebruik in chloriderijke milieus, terwijl in wat zuurdere atmosferen mogelijk niet volledig profijt kan worden getrokken van het aanwezige molybdeen.

Conclusies

De uitloogproeven hebben aangetoond dat in verscheidene waterige oplossingen het vrijkomen van chroom, nikkel, molybdeen en ijzer verwaarloosbaar is en dat de onderzochte RVS-typen voldoen aan de in de Europese regels betreffende de kwaliteit van water dat is bestemd voor menselijke consumptie (Council Directive 98/83/EC).


Referenties

1.    Gopal R.R.; Stainless steel - A good choice for the water indus­try; The Indian Stainless Steel Development Association.
2.    Co-normative Research on Test Methods for Materials in Contact with Drinking Water; CT94-0058, Centre de Recherche et de Contrôle des Eax, Parijs, 1999.
3.    Drinking Water Directive, 98/83/EC.
4.    Cunat P.J.; Selection and use of stainless steels in water systems; Euro-Inox, Brussel.
5.    Baron J.; Metallic Materials in Contact with Drinking Water, Factors Influencing Migration, Outcomes of Co-normative Research-CEOCOR 5TH Int. Congr., Brussels, 200 and Co-normative Research on Test Methods for Materials in Contact with Drinking Water, European Commission, Brussels, 2000.
6.    Bicknell W.; Preliminary Study on Reproducibility of BS7766:2001, Test Report on 3 Grades of Stainless Steel, Interlek Testing Services, November 2001.
7.    Wallinder I.O.; Release Rates of Chromium and Nickel from 304 and 316 Stainless Steel During Urban Atmospheric Exposure - A Combined Field and Laboratory Study.