Korroosio kaukojäähdytysjärjestelmässä

Abstract

Tämän insinöörityön tavoitteena on kartoittaa kaukojäähdytysjärjestelmän sisäiseen korroosioon vaikuttavia tekijöitä sekä HDPE-putkien kautta tapahtuvan happidiffuusion merkittävyyttä verkon teräsjohtojen korroosion kannalta. Putkiston korroosionopeus riippuu monista toisiinsa vaikuttavista vesikemian tekijöistä, joista tärkeimpiä ovat happi ja pH. Happi nopeuttaa yleensä korroosiota selvästi, mutta pieni määrä happea sekä sopiva pH edistävät korroosiolta suojaavan oksidikerroksen muodostumista ja stabiiliutta. Kaukolämpöverkossa hapensidontaan käytetään hydratsiinia, mutta sen reaktionopeus kaukojäähdytysjärjestelmän matalissa lämpötiloissa on kuitenkin hyvin alhainen. Korvaavaa jäähdytysverkkoon sopivaa hapensitojaa ei suoraan ole tarjolla.

Kaukojäähdytysverkon rakentamisessa harkitaan tulevaisuudessa käytettäväksi HDPE-putkia. Muovin läpi tapahtuu kuitenkin jonkin verran happidiffuusiota, mikä taas voi altistaa verkoston teräsosat korroosiolle. Happidiffuusion suuruus riippuu erityisesti putkimateriaalin tiheydestä, putken seinämän paksuudesta, altistuvan pinnan pinta-alasta, lämpötilasta sekä siitä, onko johdot kaivettu maaperään vai ovatko ne ilmatilassa. Kaukojäähdytyskäytössä hapen diffuusio HDPE-putkien läpi näyttäisi kuitenkin olevan hyvin pientä ja selvästi suuremman korroosioriskin aiheuttavat verkossa muutoin tapahtuvat happivuodot.

Korroosiota voivat aiheuttaa myös mikrobit. Mikrobit voivat muuttaa metallin ja liuoksen rajapinnalla vallitsevia elektrokemiallisia olosuhteita mm. aineenvaihduntatuotteillaan sekä muuttamalla muiden yhdisteiden ja ionien konsentraatioita biofilmin alla. Mikrobien vaikutus voi olla myös korroosiota inhiboiva. Hapettomissa oloissa merkittävimpiä mikrobiologista korroosiota aiheuttavia mikrobeja ovat sulfaattia pelkistävät bakteerit.

Tulevia kaukojäähdytysverkon korroosiotutkimuksia varten työssä perehdyttiin myös korroosion mittausmenetelmiin sekä tehtiin mittaussuunnitelma. Jatkossa toteutettavat mittaukset käsittävät painohäviömittauksia koekappaleilla, näytteenottoja suoraan putkistosta, mikrobipopulaatioiden määrityksiä, vesianalyysejä, SEM-kuvauksia sekä mahdollisesti elektrokemiallisia online-mittauksia.

The aim of this Bachelor’s thesis is to explore factors affecting corrosion inside the district cooling network and also to analyze the significance of oxygen diffusion through HDPE pipes in respect of corrosion. The corrosion rate depends on many related factors in water chemistry, the most critical factors being oxygen and pH. Oxygen usually highly accelerates corrosion but a small amount of oxygen and a favourable pH-value enhance the formation and stability of a protective oxide layer. Hydrazine is used in district warming systems as an oxygen scavenger but the reaction rate of hydrazine is very slow in cooling network temperatures. There is still a lack of a simple and practical oxygen scavenger for district cooling networks.

In future, HDPE plastic pipes may be used in district cooling systems. The problem is that plastic allows some oxygen diffusion which may endanger the steel-made parts for corrosion. Oxygen diffusion is dependent on the material density, the wall thickness, the size of the exposed area, temperature, and whether pipes are buried in soil or placed in e.g. tunnels. However, studies imply that in district cooling systems oxygen diffusion through HDPE pipes is minor and a much bigger corrosion risk originates from accidental oxygen leaks in the network.

Corrosion can be influenced also by microbes. Microbes can change the electrochemical conditions at the metal-solution interface e.g. with their metabolites and by causing changes in the concentrations of other chemical species under the biofilm. Microbes can also have an inhibitory effect on corrosion. The most important microbes causing microbiologically influenced corrosion under anaerobic conditions are sulfate reducing bacteria.

Corrosion monitoring methods were also studied and a measurement plan was produced. Forthcoming corrosion investigations will include measurements with exposed weight loss coupons, direct samplings from the network system, evaluation of microbial populations, water analyses, SEM and possibly electrochemical online measurements.