DE10304928A1 - Methoden zur Vorbehandlung metallener Bauteile und Komponenten in Systemen zum Transport von Wasser - Google Patents
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Abstract
Der Patentantrag beschreibt Methoden zur Vorbehandlung metallener Bauteile und Komponenten in Systemen zum Transport von Wasser. Metallene Bauteile in wasserführenden Systemen geben durch den Kontakt mit dem Fluid und dessen Inhaltsstoffen infolge oxidativer und physikalischer Prozesse gelöste und feste Korrosionsprodukte ab. Mit dem beschriebenen Verfahren wird durch Befüllung der Bauteile oder Installationen mit Vorbehandlungslösungen vor oder nach dem Einbau in ein wasserführendes System innerhalb kurzer Zeit ein Oberflächenzustand hergestellt, der die Metallabgabe durch Korrosionsvorgänge deutlich reduziert. Damit verringert sich z. B. die Belastung des Verbrauchers mit Schwermetallen über das Trinkwasser, wird die Schwermetallfracht im Abwasser reduziert und verlängert sich die Standzeit der wasserführenden Systeme. Das Verfahren ist einfach und schnell in der Anwendung, kommt ohne giftige Chemikalien aus und produziert keine giftigen Nebenprodukte.
Description
- Stand der Technik Der Stand der Technik bezüglich des Einsatzes von metallenen Bauteilen in Systemen zum Transport von Wasser und wasserhaltigen Fluiden wird exemplarisch anhand der Vorschriften für Trinkwasserinstallationen beschrieben.
- Trinkwasser wird häufig in Rohrsystemen verteilt. Im öffentlichen Versorgungsnetz kommen vorwiegend Kunststoffrohre, zementgebundene oder Eisenwerkstoffe zum Einsatz, in den Trinkwasserinstallationen (Hausinstallationen) dominieren Kupfer, verzinkter Stahl, Edelstahl und Kunststoffe. Gänzlich metallfreie Installationen sind nicht anzutreffen, da zum Mindesten die Wasserzähler, Verteiler-, Sicherungs-, Sicherheits- und Entnahmearmaturen aus Metall, meist Kupferwerkstoffen wie Messing oder Rotguss bestehen. Für die Ausführung von Arbeiten an der Trinkwasserinstallation gelten die technischen Regeln des DIN und des DVGW, hier insbesondere die DIN 1988 [DIN 1988, 1988] und bezüglich der Werkstoffauswahl die DIN 50930-6. Darin wird auf weitere technische Regeln, Prüfvorschriften und gesetzliche Grundlagen verwiesen.
- Im korrodierenden System Trinkwasser- Installationswisrkstoff werden geeignete metallene Werkstoffe in Abhängigkeit von der Wasserqualität ausgewählt. Dazu enthält die DIN 50930-6 (DIN 50930-6, 2001] die Auswahlkriterien, die sich meist empirisch aus Messprogrammen ableiten und mit dem Ziel, die Einhaltung der Grenzwerte der Trinkwasserverordnung [TrinkwV, 2001] zu gewährleisten, festgelegt wurden. Neben den Richtlinien der DIN 50930-6 kann die Eignung der Kombination Trinkwasser/Werkstoff aber auch mit Hilfe von Korrosionsversuchen nach DIN 50931-1 [DIN 50931-1, 1999] nachgewiesen werden. Danach gelten die Grenzwerte für die Metalle Kupfer, Nickel und Blei dann als eingehalten, wenn die nach einer vorgeschriebenen Prozedur aus Stagnationsproben bestimmten Mittelwerte der Konzentration diesen erreichen oder unterschreiten. Dies muss nicht unmittelbar nach der Inbetriebnahme gegeben sein, sondern spätestens nach 24 Monaten Betriebszeit. Auch in der früheren Fassung der Trinkwasserverordnung [TrinkwV, 1990] war für die Einhaltung des Richtwerts für Kupfer eine Übergangsfrist von zwei Jahren nach Neuinstallation vorgesehen.
- Mit dieser zeitlichen Dehnung der Grenzwerteinhaltung wurde der Tatsache Rechnung getragen, dass in korrodierenden metallenen Installationen Kurz und Langzeitprozesse ablaufen. Innerhalb von Minuten bis Stunden kommt es zu chemischen Reaktionen an der Phasengrenze fest-flüssig, dabei werden auch Korrosionsprodukte auf den Oberflächen abgeschieden, welche die Eigenschaften der festen Phase über einen Zeitraum von Wochen bis Monaten nach Inbetriebnahme ständig verändem. Nach einigen Betriebsmonaten haben sich dann die Eigenschaften des Systems Trinkwasser/Deckschicht aus Korrosionsprodukten/Metallrohr meist durch Ausbildung schützender Deckschichten so verändert, dass ein über Jahre bis Jahrzehnte stabiler Zustand eingetreten ist. D.h. die Stabilität des Rohrs und die Einhaltung der Grenzwerte ist gewährleistet.
- Aktuelle Arbeiten zum Thema „Flächenkorrosion des Kupfers" haben ergeben, dass Entstehungszeit und Metallabgabe an das Trinkwasser deutlich von den Eigenschaften der Oberflächen und der darauf gebildeten Korrosionsprodukte abhängen [Merkel, 2002].
- Bisher sind verschiedene Vorbehandlungsschritte in der Technik bekannt und werden auch z.T. bei der Herstellung von Komponenten für Trinkwasserinstallationen eingesetzt. Häufig wird dem Herstellungsprozess noch eine Wärmebehandlung angeschlossen, um mechanischen Stress in den Oberflächen abzubauen und die Körnung des Metallgitters für die anschließende weitere Bearbeitung (z.B. Bohren, Drehen, Fräsen) bzw. die Endverwendung (z.B. Biegen oder Verpressen) einzustellen. Kupferrohre werden nachgeglüht, um die verschiedenen Qualitäten (weich, halbhart und hart nach DIN 1786) bereitzustellen und Reste der Ziehfette zu entfernen. Waschverfahren zur Entfernung störender Oberflächenbestandteile sind ebenfalls bekannt und werden z.B. zur Auflösung von Bleifilmen eingesetzt, die sich bearbeitungsbedingt auf Messingoberflächen nach einer spanenden Bearbeitung bilden. Vorbehandlungsmaßnahmen in der nachfolgend beschriebenen Weise sind dagegen nicht bekannt.
- Problem
- Die Abgabe gelöster Metalle aus Trinkwasserinstallationen sollte aus drei Gründen minimiert werden: Grenzwerteinhaltung zum Schutz des Verbrauchers, Verrigerung der Metallfrachten im Abwasser zum Schutz der Umwelt und Bestandserhaltung der Installation durch Verringerung des korrosiven Angriffs. In diesem Zusammenhang erscheint insbesondere die Frist von zwei Jahren bis zur Grenzwerteinhaltung nach Inbetriebnahme einer Anlage zur Trinkwasserversorgung oder nach Einbau einer Komponente als sehr lang. Einige Bauelemente in Trinkwasserinstallationen wie Wasserzähler werden bereits nach sechs Jahren ausgewechselt, so dass eine Frist zur Grenzwerteinhaltung von einem Drittel der Lebensdauer des Bauteils als ungünstig im Hinblick auf die o.a. Gründe zur Minimierung der Metallabgabe aus Trinkwasserinstallationen im besonderen und wasserführenden Systemen im allgemeinen erscheint.
- Lösung
- Vor dem Hintergrund der Gründe zur Minimierung der Metallabgabe aus Trinkwasserinstallationen und den aktuellen Forschungsergebnissen zur günstigen Wirkung von Korrosionsprodukten auf die Metallabgabe aus Kupferinstallationen wurden Verfahren entwickelt, mit denen Korrosionsproduktschichten mit günstigen Eigenschaffen auf der Oberfläche durch eine Vorbehandlung der Rohre oder Komponenten in kurzer Zeit hergestellt werden können. Diese Verfahren sind gleichermaßen vor oder nach dem Einbau der Komponenten anwendbar.
- Erreichte Vorteile
- In dieser Art vorbehandelte Rohre wurde in einem Korrosionsversuchsstand nach DIN 50931-1 im Vergleich mit unbehandelten Rohren getestet. Es wurde festgestellt, dass in den behandelten Rohren bereits nach der ersten Betriebswoche die Grenzwere der Trinkwasserverordnung sicher eingehalten werden können, während sich dieser Zustand in den unbehandelten Rohren erst nach 13 Wochen einstellte. Dadurch kann die sofortige Einhaltung der Grenzwerte gewährleistet werden, es verringert sich die Kupfertracht im Abwasser und die Lebensdauer der Installation bzw. der metallenen Komponenten.
- Auf der Grundlage der Erfahrungen zur Ausbildung von Korrosionsprodukten im System Trinkwasser/Kupferrohr ist davon auszugehen, dass eine ähnliche Beschleunigung der Ausbildung von Deckschichten mit günstigen Eigenschaften auch dann eintritt, wenn sich diese im unbehandelten Rohr deutlich langsamer als innerhalb der zulässigen zwei Jahre ausbilden. Aufgrund der allgemeinen Eigenschaften metallener Werkstoffe und daraus gefertigter Bauteile ist insbesondere davon auszugehen, dass das Verfahren auch auf andere Werkstoffe als Kupfer (z.B. Cu-Ni-, Cu-Zn-, Cu-Zn-Si-Legierungen, verzinkter Stahl, rostfreier Stahl) erfolgreich angewendet werden kann.
- Das Verfahren führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Eigenschaften der Metallrohre in Berührung mit Wasser (Trink-, Prozess-, Ab-, Brauch-, Brack- und Seewasser). Es ist durch die Anwendbarkeit vor Ort nach einer Neuinstallation oder bei der Vorbehandlung metallener Bauteile, die z.B. in Installationen aus Kunststoff eingesetzt werden sollen, besonders einfach und schnell in der Anwendung. Es können ungiftige Chemikalien eingesetzt werden, deren Reaktionsprodukte problemlos zu entsorgen sind. Für die Anwendung sind keine besonderen technischen Hilfsmittel wie Mischeinrichtungen, Thermostate, Gebläse etc. erforderlich.
- Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
- Der Nachweis der Verfahrenseignung gliederte sich in die Schritte Herstellung der Lösungen zur Vorbehandlung, Vorbehandlung, Korrosionsversuche nach DIN 50931-1 und wurde für Kupferrohre in Trinkwasserinstallationen erbracht.
- Herstellung der Lösungen zur Vorbehandlung
- In umfangreichen Vorversuchen war festgestellt worden, dass sich geeignete Oberflächeneigenschaften durch die Behandlung mit oxidierenden Lösungen (z.B. Sauerstoff, Chlor, Wasserstoffperoxid oder andere Peroxoverbindungen) einstellen lassen. Der Zusatz von Hydrogencarbonat verstärkte die Wirkung der Oxidationsmittel. Im nachfolgend behandelten Beispiel hatte die Lösung folgende Zusammensetzung: 1 mol/L Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3), 10 mmol/L Kaliumperoxodisulfat (K2SZO8).
- Vorbehandlung
- Ein Kupferrohr wurde vollständig mit der angegebenen Vorbehandlungslösung befällt und über Nacht stehen gelassen (Einwirkzeit ca. 14 Stunden). Anschließend wurde das Rohr entleert und mit Trinkwasser gespült.
1 zeigt eine Makroskop-Aufnahme einer unbehandelten und der behandelten Kupferoberfläche im Vergleich; der blaugraue Belag auf der Oberfläche der behandelten Probe erwies sich unter dem Lichtmikroskop als sehr gleichförmig und wurde röntgenographisch als Cuprit identifiziert. - Korrosionsversuche nach DIN 50931-1
- Die vorbehandelten Rohre wurden in einen Versuchsstand nach DIN 50931-1 eingesetzt und mit Trinkwasser aus dem Versorgungsnetz der Stadtwerke Karlsruhe beaufschlagt. In
2 (links) sind die Konzentrationen des gelösten Kupfers im Stagnationswasser und der relative Sauerstoffverbrauch über die Stagnationszeit nach einer Woche Betriebszeit aufgetragen. Während im unbehandelten Rohr die Konzentrationen während der Stagnation auf bis zu 9 mg/L ansteigen (Mittelwert nach DIN bei 3,1 mg/L), werden im Ablaufwasser des behandelten Rohres nur Konzentrationen kleiner 1,7 mg/L gemessen (Mittelwert nach DIN 0,9 mg/L). Der Grenzwert von 2 mg/L konnte also unmittelbar eingehalten werden. - Auch der Vergleich der relativen Sauerstoffzehrung als Maß für die Metallkorrosion während der Stagnation in
2 (rechts) ergibt günstigere Eigenschaften des behandelten Rohrs. Die Sauerstoffzehrung erfolgt mit deutlicher Verzögerung (60% nach 16 Stunden gegenüber 90% nach gleicher Zeit im unbehandelten Rohr). Die optische Untersuchung zeigt einen leicht reduzierten Kupferglanz im unbehandelten Rohr, unter dem Lichtmikroskop ist bei hoher Vergrößerung eine ungleichmäßige Verteilung des Angriffs auf die Oberfläche zu erkennen (3 , links). In der Röntgenuntersuchung traten nur schwache Beugungsreflexe auf, die auf die einsetzende Bildung von Cuprit auf der Oberfläche hindeuten. Im Vergleich dazu zeigen makroskopische und mikroskopische Aufnahme der Oberflächen des behandelten Rohrs eine sehr gleichförmige Belegung (3 , rechts), die röntgenographisch als Cuprit identifiziert wurde. - Nach einer Betriebszeit von 13 Wochen haben sich die gemessenen Werte für Kupferabgabe und Sauerstoffzehrung weitgehend angenähert (
4 ). Durch die geringere Belegung der Rohroberfläche mit grünem Malachit im Falle des unbehandelten Rohrs (5 , links) ist trotz gleicher Sauerstoffzehrung eine gegenüber dem vorbehandelten Rohr leicht erhöhte Kupferkonzentration festzustellen (DIN-Mittelwerte: 0,61 mg/L für das unbehandelte, 0,41 mg/L für das behandelte Kupferrohr). Diese Schlussfolgerung beruht auf eigenen Untersuchungen zu den Wechselwirkungen zwischen Quell- (Metalloxidation) und Senkenreaktionen (Deckschichtbildung) für gelöstes Kupfer im Stagnationsfall [Merkel, 2002]. - Zusammenfassend ist festzustellen, dass in den Versuchen mit Kupferrohren eine positive Wirkung der Vorbehandlung auf die Kupferkonzentration im Stagnationsvrasser und auf die Sauerstoffzehrung beobachtet wurde.
- Literatur
-
- [DIN 1786, 1980] Normenausschuss Nichteisenmetalle (FNNE) im DIN, Normenausschuss Rohre, Rohrverbindungen und Rohrleitungen FR im DIN, Normenausschuss Wasserwesen NAW im DIN, Normenausschuss Gastechnik NAGas im DIN: DIN 1786. Installationsrohre aus Kupfer, nahtlosgezogen Berlin (1980)
- [DIN 1988-1, 1988] Normenausschuss Wasserwesen (NAW) im DIN-Deutsches Institut für Normung: DIN 1988, Teil 1. Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen (TRWI). Allgemeines (Technische Regel des DVGW) Berlin (1988)
- [DIN 1988-2, 1988] Normenausschuss Wasserwesen (NAW) im DIN Deutsches Institut für Normung: DIN 1988, Teil 2. Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen (TRWI). Planung und Ausführung; Bauteile, Apparate, Werkstoffe (Technische Regel des DVGW) Berlin (1988)
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- [TrinkwV, 1990] Bundesministerium für Gesundheit: Verordnung über Trinkwasser und über Wasser für Lebensmittelbetriebe BGBI. (1990) 2613-2629
- [TrinkwV, 2001] Bundesministerium für Gesundheit:
Verordnung
zur Novellierung der Trinkwasserverordnung BGBI. Teil
1 Nr. 24 (2001) 959-979
Claims (3)
- Methoden zur chemischen Vorbehandlung metallener Bauteile und Komponenten in und für Systeme zum absatzweisen und/oder kontinuierlichen Transport von Wasser, wässrigen Lösungen, wasserhaltigen Emulsionen und Suspensionen sowie sonstigen wasserhaltigen Fluiden gekennzeichnet durch die Verwendung von Vorbehandlungslösungen, die durch ihre Einwirkung auf die metallenen Oberflächen die Abgabe gelöster Metalle und/oder den korrosiven Angriff während des Betriebs der o.a. Systeme an das transportierte Fluid nach Abschluss der Vorbehandlung und Inbetriebnahme im Vergleich mit einem unbehandelten Referenzsystem vermindern.
- Methoden nach Patentanspruch 1 gekennzeichnet durch ihre Anwendbarkeit auf zum Mindesten die wasserberührten Flächen von metallenen Bauteilen und Komponenten nach Abschluss der Herstellung und Bearbeitung durch Befüllen, zwischenzeitliche Lagerung und abschließende Spülung mit Wasser vor ihrem Einbau oder ihrer Verwendung in unter 1. beschriebenen Systemen.
- Methoden nach Patentansprüchen 1 und 2 gekennzeichnet durch ihre Anwendbarkeit auf zum Mindesten die wasserberührten Flächen von Bauteilen und Komponenten in den unter 1. beschriebenen Systemen in der unter 2. beschriebenen Weise, nachdem diese Systeme aus Bauteilen und Komponenten teilweise oder vollständig zusammengefügt wurden.
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|---|---|---|---|---|
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| CN109554699A (zh) * | 2018-12-18 | 2019-04-02 | 宜兴高等职业技术学校 | 一种金属制品的表面着色方法 |
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2003
- 2003-02-06 DE DE2003104928 patent/DE10304928A1/de not_active Withdrawn
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| CN107460464B (zh) * | 2017-08-28 | 2019-11-01 | 厦门大学 | 一种含铜材料的表面处理方法 |
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