Snabb kemisk korrosion i betongledningar vid höga

Av: Jörgen Hanaeus 

Korrosion i betongavloppsledningar är vanligen beroende på svavelvätegas från avloppsvattnet. H₂S-koncentrationen kan variera från enstaka till hundratals ppm. Kunskapen om denna effekt har växt påtagligt under senare år men främst byggt på kunskap från måttliga svavelvätehalter. 

Här har effekten av höga H₂S-halter undersökts. Färska betong-kuponger har placerats i ett pilotavloppsnät och utsatts för halter upp till 1100 ppm. Deras ytor har analyserats efter 20 dygn. pH vid betongytan sjönk från 10,5 till 3,1 och korrosionen åstadkoms då svavelvätet oxiderades till svavelsyra. Att processen inte var mikrobiologisk utan kemisk bekräftades av utförda bakterieanalyser. 

Bakgrund

Korrosion av betongavloppsledningar via svavelvätekorrosion är ett stort problem i ledningsnäten, då ledningar förlorar i styrka och kan kollapsa, redan efter kort brukstid. 

Motåtgärder, t. ex. kontinuerlig kemikaliedosering, blir kostsamma och det är angeläget att utveckla kunskap om förloppen.

Betongkorrosionen är oftast orsakad av svavelväteemission. Svavelväte bildas av sulfatreducerande bakterier (SRB) i anaeroba zoner, som sediment och biofilm, i ledningarna. Från dessa zoner emitteras svavelväte till ledningsluften och en del av gasen adsorberas till de fuktiga rörväggarna där den ombildas till svavelsyra som orsakar korrosionen. 

Svavelvätekoncentrationen kan variera från ett fåtal till hundratals ppm i ledningsluften. En vanlig modell för förloppet beskriver tre steg:

1. pH vid den färska betongytan sjunker från ca 13 till ca 9 via karbonatisering och svavelvätepåverkan.
2. Det lägre pH-värdet tillåter mikroorganismer att kolonisera ytan. Beroende på pH-värdets utveckling kommer olika mikroorganismgrupper att på biologisk väg oxidera svavelkomponenter till svavelsyra.
3. Reaktionen mellan betong och svavelsyra ger korrosionsprodukter som t.ex. gips, och ledningen försvagas.

Denna modell gäller för måttliga halter av H₂S, men för (lokalt) höga halter har inte förloppet klarlagts. Här studeras förloppet under 20 dygn i ett pilotavloppssystem med insatta betongkuponger och med hög H₂S-halt; upp till 1100 ppm.

Försök

Kuponger tillverkades med cement av australiensisk standard innehållande bl. a. upp till 25 % flygaska. Cementet provades med vanliga metoder som tryckhållfasthet och krympning. Kupongerna gjöts till 10*7*5 cm³, ugnstorkades och placerades i en ram av rostfritt stål.

Pilotledningsnätet bestod av 300 m PVC-ledningar φ 225 mm i 0,6 % lutning placerade i Luggage Point avloppsverk i Brisbane. Obehandlat avloppsvatten med 27 mg löst sulfid-S/L,

15 – 20 mg sulfat-S/L, COD ca 600 mg/L och pH 7,2 – 7,5 tillfördes. Det gav en svavelvätekoncentration i ledningen av 1100 ppm. Lufthastigheten var 0,0­ – 0,02 m/s. Fyra betongkupongramar placerades i ledningen ca 250 m från inloppet och på plasthållare så att en större yta exponerades nedåt, ca 11 cm ovanför avloppsvattenytan och simulerande påverkan på rörhjässan.

Efter 20 dygns exponering togs de fyra kupongerna ut för detaljerad kemisk och biologisk analys. Sulfidupptaget i kupongerna mättes och pH via en flat elektrod. Fotografier togs. Korrosionsprodukterna skrapades av för mätning av svavelkomponenter och efter separation av celler genomfördes bestämning av bakterieslag.

Ett kompletterande satsförsök gjordes för att skatta syreoxidationen av svavelväte i närvaro av smulad betong eller korrosionsprodukter.

Resultat

Under exponeringsperioden var H₂S-koncentrationen 1100 mg/L, temperaturen 21,5 ºC och relativa fuktigheten kring 96 %. Bilderna visade att den från start gråtonade, släta ytan fått en gulaktig färg och mikrosprickor uppträdde vid hörnen. Korrosionsprodukterna var lösa och porösa. Den centrala delen av varje kupong var i stort opåverkad. Ytans pH hade ändrats från startens 10,5 till 3,1 vid hörnen och 7,7 i centrum.

Den genomsnittliga korrosionshastigheten bestämdes till 3,5 ± 0,3 mm/år i de påverkade delarna (ca 40 %) utifrån 20 dygns-perioden. Högsta lokala värde var 9 mm/år för en av kupongerna. 

Elektronmikroskopet visade korrosionsprodukter: kantiga strukturer som innehöll svavel och var bundna antingen till flygaska eller cementkomponenter. När mikrobiologisk korrosion detekterats har korrosionsprodukterna varit små avlånga stänger, men sådana återfanns inte alls i denna studie. Analyserna visade att sulfat var den dominerande svavelbäraren i produkterna.

Bakterieanalyser visade på förekomst av Bakteroider, Prevotella 9, Barnesiella, Fecalibacterium, Streptockocker, Christensenellaceae R-7 grupp och Caulobacter som de mest frekventa arterna. I huvudsak anaeroba bakterier och ingen känd som svaveloxiderare.

Sulfidoxidationen vid kupongerna mättes före och efter sterilisering och var av samma storleksordning upp till 200 ppm, vilket visade att mikrobernas inflytande var försumbart. I kombination med bakteriestudien drogs slutsatsen att den kemiska oxidationen var huvudansvarig för sulfidoxidationen.

Vid 10 – 200 ppm H₂S var sulfidoxidationen under 25 mg S/m², h men ökade till ca 200 mg S/m², h vid H₂S-halten 1500 ppm, med ökningen exponentiellt följande H₂S-halten.

Slutsatser

Svavelvätehalter på nivån 1000 ppm gav snabb betongkorrosion inom en månad, till pH 3 och av storleken 3 mm/år. Dominerande mekanism var en kemisk oxidation av sulfid till sulfat, bildande svavelsyra. Bidraget från mikroorganismer var försumbart. Höga H₂S-halter kan uppstå lokalt; t.ex. i högpunkter och då sulfidoxidationen ökar exponentiellt med H₂S-halten är korrosionsrisken stor. Varmare vatten ger större risk.

Källa: Li, X.¹⁾, O’Moore, L.²⁾, Song, Y.¹⁾,  Bond, P.L.¹⁾, Yuan, Z.¹⁾, Wilkie, S.^1,3) Hanzic, L.²⁾ & Jiang, G. ^1,4)(2019): The rapid chemically induced corrosion of concrete sewers at high H₂S concentration. Water Research, 162, pp 95-104.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här. 

Författarna från: 

1. Advanced Water Management Centre, The University of Queensland, Australia.
2. School of Civil Engineering, The University of Queensland, Australia. 
3. Division of Civil Engineering, University of Dundee, Scotland, United Kingdom. 
4. School of Civil, Mining and Environmental Engineering, University of Wollongong, Australia

Korresponderande författare:

gijang@uow.edu.au