Katodowa ochrona antykorozyjna zbiorników ciepłej wody przez zasilany prądowo system anody tytanowej. www.aquakros.pl e-mail: info@aquakros.pl str. 1
I. Przebieg korozji zbiornika wykonanego ze stali węglowej. Rysunek nr 1. Proces korozji elektrochemicznej żelaza (Fe) i magnezu (Mg) w wodzie słodkiej. 1. Korozja elektrochemiczna Fe i potencjał resztkowy Fe-H 2 O. Proces korozji elektrochemicznej wynika z podstawowych cech dwóch kontaktujących się ośrodków: a) korodujący metal jest przewodnikiem elektryczności, przy czym jego powierzchnia nigdy nie jest całkowicie jednorodna b) woda, w której metal koroduje nie jest chemicznie czysta jest roztworem różnych elektrolitów, czyli wykazuje przewodnictwo jonowe, zależne od stężenia i ruchliwości zawartych w nim jonów W przypadku wystąpienia różnicy między potencjałami fragmentów powierzchni metalu powstają ogniwa galwaniczne, nazywane ogniwami korozyjnymi. Na fragmentach o niższym potencjale (anodach) zachodzą reakcje utleniania (tlenem rozpuszczonym w wodzie). Atom żelaza zostaje zredukowany do dwuwartościowego jonu Fe 2+ z jednoczesnym uwolnieniem dwóch elektronów (e - ). Pomiędzy metalem a wodą wytwarza się różnica potencjału zwana potencjałem resztkowym Fe-H 2 O. Wynosi ono około - 0,35V względem elektrody referencyjnej Cu/CuSO 4 (CSE). Na fragmentach o wyższym potencjale (katodach) zachodzą reakcje redukcji. Uwolnione elektrony są przyłączane przez rozpuszczony tlen i w reakcji z wodą wytwarzane są jony wodorotlenkowe OH -. Jony te reagując z jonami Fe 2+ tworzą wodorotlenek żelaza Fe(OH) 2 będący jednym z końcowych produktów procesu korozji. Fe Fe 2+ + 2e - Fe-H 2 O napięcie resztkowe: -0,35V (wzgl. CSE) 1/2O 2 + H 2 O + 2e - 2OH - 2OH - + Fe 2+ Fe(OH) 2 Tworzący się film z wodorotlenku żelaza nie jest wystarczająco gęsty, aby zapobiec powyższym procesom i dopóki w wodzie jest rozpuszczony tlen dopóty korozja będzie zachodzić. Powszechną metodą zabezpieczenia antykorozyjnego zbiorników wody ciepłej jest pokrycie stali emalią od wewnątrz. Jednak emalia nie jest w 100% idealna i występują w niej mikroszczeliny powodujące kontakt wody bezpośrednio z blachą stalową. 2. Korozja elektrochemiczna magnezu (Mg) i potencjał resztkowy Mg-H 2 O. W wodzie słodkiej atom magnezu Mg zostaje zredukowany do dwuwartościowego jonu (Mg 2+ ). W tym procesie potencjał resztkowy Mg-H 2 O wynosi 1,2V wzgl. CSE www.aquakros.pl e-mail: info@aquakros.pl str. 2
Mg Mg 2+ + 2e - Mg-H 2 O napięcie resztkowe: -1,2V (wzgl. CSE) 1/2O 2 + H 2 O + 2e - 2OH - 2OH - + Mg 2+ Mg(OH) 2 II. Kryteria ochrony przed korozja elektrochemiczną. 1. Opierając się na ponad 100 latach doświadczeń wypracowano następujące kryteria dla ochrony przed korozją struktur wykonanych ze stali węglowych mających kontakt z wodą słodką: jeżeli prąd zewnętrzny zwany jako prąd ochronny będzie płynął pomiędzy wodą a strukturą wykonaną ze stali węglowej korozja Fe i potencjał Fe-H 2 O będzie zmniejszony. jeżeli dodatkowo natężenie prądu ochronnego jest na tyle duże, aby obniżyć potencjał Fe- H 2 O niżej niż -0,85V wzgl. CSE proces korozji ustanie a elektrony wyłapywane przez tlen (O (2) ) rozpuszczony w wodzie będą dostarczane w całości przez prąd ochronny. 2. Podobnie dla stali nierdzewnej z zawartością chromu Cr>16%, jeżeli prąd ochronny ma na tyle duże natężenie, aby obniżyć potencjał resztkowy stal nierdzewna H 2 O poniżej -0,3V wzgl. CSE stal nierdzewna nie będzie korodować. III. Ochrona zbiorników stalowych emaliowanych przy pomocy anody Mg. Rysunek 2. Przepływ prądu ochronnego z elektrody magnezowej Mg do elektrody stalowej Fe. 1. Zanurzając anodę magnezową Mg w wodzie wraz z elektrodą stalową (Fe) wytworzymy potencjał pomiędzy Mg-H 2 O a Fe-H 2 O o wartości około 0,85V. Jeżeli teraz dodatkowo zewrzemy elektrody przewodnikiem prądu, tak jak pokazano to na rysunku powyżej to elektrony z reakcji Mg-H 2 O zaczną płynąć w kierunku elektrody Fe. W ten sposób zostanie uformowany prąd ochronny obniżający potencjał Fe- H 2 O. Będzie on obniżał się stopniowo, aż do określonego limitu. Jeżeli ten limit będzie poniżej -0,85V wzgl. CSE elektroda Fe (w naszym wypadku zbiornik wody) będzie wolny od korozji. 2. Obniżenie potencjału Fe-H 2 O zależne jest od kilku czynników jak stosunek powierzchni anody Mg do powierzchni Fe, przewodności wody, temperatury, pasywacji anody Mg i elektrody Fe (zbiornika), a także wielu innych. Jest oczywistym, że ochrona antykorozyjna zbiornika będzie niewłaściwa jeżeli anoda Mg jest zużyta. www.aquakros.pl e-mail: info@aquakros.pl str. 3
3. Żywotność anody magnezowej (Mg). Rysunek 3. Nowa i zużyta anoda magnezowa. anoda magnezowa jest anodą rozpuszczającą się w wodzie tzn. jej masa, objętość i kształt zmienia się wraz z upływającym czasem i zależy głównie od składników występujących w wodzie, które nie mogą być kontrolowane przez producentów zbiorników. wraz ze wzrostem przewodności wody oraz wzrostem temperatury anoda magnezowa chroni zbiornik lepiej, co jest okupione jej szybszym zużyciem. producenci zbiorników zalecają coroczne przeglądy anod i ich wymianę nie rzadziej jak co 18-24 miesiące lub częściej jeżeli straciły 1/3 swojej pierwotnej masy. W przypadku wody o bardzo dużej przewodności lub wysokiej zawartości chloru anody mogą zużywać się nawet w przeciągu 6 miesięcy. w przypadku zbiorników wykonanych ze stali nierdzewnej ze względu na to, że powierzchnia kontaktu z wodą jest bardzo duża wymiana anod magnezowych (jeżeli są używane) musi zachodzić znacznie częściej. IV. Ochrona zbiorników stalowych emaliowanych przy pomocy prądowej anody tytanowej. W przeciwieństwie do zużywającej się anody magnezowej, prądowa anoda tytanowa pracuje prawie bez ubytku masy dzięki wykonaniu w całości z tytanu i pokryciu części czynnej nierozpuszczalną warstwą tlenków metali rzadkich (MMO ang. mixed metal oxide) oraz zasilaniu prądowemu ze źródła zewnętrznego. 1. System ochronny prądowej anody tytanowej składa się z: kontrolera potencjału z diodą ostrzegawczą LED kompletnej prądowej anody tytanowej z pokryciem rdzenia nierozpuszczalną warstwą tlenków metali rzadkich, korka z gwintem R3/4 lub innym, nakrętek przyłączeniowych i kabli wraz z konektorami. www.aquakros.pl e-mail: info@aquakros.pl str. 4
2. Zasada pracy systemu prądowej anody tytanowej. Rysunek 4. Kontroler potencjału wymuszający przepływ prądu ochronnego. Jak pokazano na rysunku 4 kontroler potencjału jako zewnętrzne źródło prądu odbiera elektrony z jonu wodorotlenkowego OH - i przemieszcza do katody Fe. Dzięki temu prądowi potencjał Fe-H 2 O jest obniżany. W międzyczasie kontroler potencjału stale mierzy potencjał elektrodowy Fe-H 2 O i opierając się na tych pomiarach reguluje natężenie prądu ochronnego tak, aby potencjał Fe-H 2 O był o wartości zapewniającej brak korozji Fe. W zbiorniku zachodzą reakcje: 4OH - 2H 2 O + O 2 + 4e - (anoda) 1/2O 2 + H 2 O + 2e - 2OH - (katoda) V. Dostępne typy systemów prądowych anod tytanowych. Obecnie dostępne są modele AME i AMT do współpracy ze zbiornikami emaliowanymi i wykonanymi ze stali nierdzewnej. W prosty sposób umożliwiają zastąpienie anod magnezowych w zbiornikach nowych jak i już będących w użyciu. Cechy systemu: zasilanie: AC 110 240V, 50-60Hz prąd wyjściowy precyzyjnie dobrany do wymagań ochrony zbiornika właściwa ochrona katodowa bez nadmiernego podnoszenia i obniżania potencjału inteligentny system powiadamiania o niesprawności przez diodę LED (kolor zielony led - praca prawidłowa, kolor czerwony led błąd) Zbiorniki z blachy węglowej emaliowane Zbiorniki ze stali nierdzewnej Kontroler potencjału AME200 AME400 AME800 AMT400 AMT800 Napięcie wejściowe AC 110-240 V 110-240 V 110-240 V 110-240 V 110-240 V 50-60Hz 50-60Hz 50-60Hz 50-60Hz 50-60Hz Napięcie wyjściowe MAX DC 10V DC 10V DC 10V DC 10V DC 10V Prąd wyjściowy MAX 50 ma 100 ma 180 ma 100 ma 180 ma Temperatura otoczenia 0-70 C 0-70 C 0-70 C 0-70 C 0-70 C System ostrzegawczy Dioda LED Dioda LED Dioda LED Dioda LED Dioda LED www.aquakros.pl e-mail: info@aquakros.pl str. 5
Cechy anod tytanowych dostarczanych przez AQUAKROS: pokrycie warstwą tlenków metali rzadkich (MMO) jest trwałe i nierozpuszczalne w wodzie, czas pracy anod wynosi ponad 10 lat standardowy gwint R3/4 do łatwego przyłączenia, trwałe oraz niezawodne uszczelnienie i izolacja elektryczna łatwość w instalacji i prostota łączenia okablowania do anody powszechnie dostępne korki redukcyjne do większości bojlerów Modele i parametry dostarczanych anod. Rysunek 5. Anody tytanowe kompletne. Model anody Średnica Długość części MMO Złącze Prąd znamionowy Ti200 Ø3 mm 120 mm R3/4" 50 ma Ti400 Ø3 mm 220 mm R3/4" 100 ma Ti800 Ø3 mm 420 mm R3/4" 180 ma VI. Tabela zastosowania systemu anod tytanowych. Pojemność zbiornika Zbiorniki z blachy węglowej emaliowane Zbiorniki ze stali nierdzewnej Kontroler potencjału / Anoda AME200/Ti200 AME400/Ti400 AME800/Ti800 AMT400/Ti400 AMT800/Ti800 50 L 80 L 150 L 200 L 300 L 400 L 500 L 800 L 1000 L 1500 L 2000 L UWAGA. Zbiorniki gdzie zastosowano ochronę katodową z rozpływem prądu powyżej 150mA (AME800 i AMT800) muszą być wyposażone w automatyczny system usuwania gazów (tak jak i systemy z anodami magnezowymi). W przypadku zakupu systemów AME800 lub AMT800 prosimy o kontakt z firmą AQUAKROS. www.aquakros.pl e-mail: info@aquakros.pl str. 6
VII. Porównanie ochrony katodowej zbiorników przy użyciu prądowych anod tytanowych względem ochrony katodowej poprzez anody magnezowe. 1 Żywotność i koszt wymiany. 2 Czy potencjał Fe- H 2 0 zostaje utrzymany? 3 Jak jest kontrolowany potencjał Fe-H 2 0 Prądowa anoda tytanowa Anoda magnezowa > 10 lat żywotności Zazwyczaj mniej niż 2 lata. W przypadku bardzo agresywnej wody nawet poniżej 6 miesięcy Bardzo stabilny. Potencjał jest precyzyjnie Niestabilny ze względu na wpływ ustalony pomimo zmiennej wartości przewodności wody, temperatury, przewodności wody, temperatury, twardości wody, zawartości soli itp. twardości wody, zawartości soli itp. Zbyt wysoki potencjał ochrony jak i zbyt niski potencjał ochrony nie może wystąpić. Automatycznie i precyzyjnie dzięki Bez kontroli mikrokontrolerowi. 4. Zależność ochrony przeciwkorozyjnej od właściwości wody. 4.1 Temperatura Nie ma wpływu Tak, wysoka temperatura doprowadza do zwiększenia zużycia anody magnezowej 4.2 Przewodność Nie ma wpływu Tak, wysoka przewodność doprowadza do zwiększenia zużycia anody magnezowej 4.3 Twardość Nie ma wpływu Tak wysoka twardość doprowadza do zaburzenia na powierzchni anody magnezowej i powstaniu zbyt niskiego potencjału ochrony 5 Czy posiada funkcje Tak Brak systemu ostrzegania ostrzegające użytkownika o usterce? 6 Jaki jest efekt zwalczania zapachu zgniłych jaj w zbiorniku? Pozytywny Negatywny VIII. Likwidacja zapachu siarkowodoru wydzielającego się z ciepłej wody. Ważnym aczkolwiek mało używanym parametrem jest zawartość tlenu w wodzie surowej. Czasami zdarza się, że woda jest uboga w tlen. Problem ten występuje zwłaszcza w studniach głębinowych i jest bardzo uciążliwy, ze względu na fakt, że w wodzie takiej dochodzi do zjawiska, w wyniku którego woda nabiera woni siarkowodoru, a ściślej pachnie jak zgniłe jaja. Problem takiego nieprzyjemnego zapachu wody nie jest związany z budową zbiornika ogrzewacza lub wymiennika c.w.u., a bezpośrednio z własnościami dostarczanej wody. Rzadko zwraca się na to uwagę, ponieważ tlen nie jest ani substancją szkodliwą, ani nie wpływa w żaden sposób na własności użytkowe wody. W urządzeniu, jakim jest podgrzewacz ciepłej wody wyposażony w anodę magnezową, problem zbyt małej ilości tlenu w wodzie przybiera nowy wymiar i staje się źródłem naprawdę niemałych problemów zarówno dla użytkownika, jak i producenta urządzenia. W przypadku kiedy woda jest uboga w tlen na powierzchni anody magnezowej gromadzą się bakterie beztlenowe. Proces życia tych bakterii powoduje wytwarzanie siarkowodoru w wodzie, który objawia się www.aquakros.pl e-mail: info@aquakros.pl str. 7
jako woń zgniłych jaj w wodzie podgrzewanej w urządzeniu. Najzwyczajniej woda śmierdzi i nie nadaje się do mycia. Zjawisko to nasila się wraz z upływem czasu i jest związane bezpośrednio z działaniem anody magnezowej. Proces wytwarzania nieprzyjemnej woni jest skomplikowany, ale w skrócie można go opisać w następujący sposób: bakterie rozwijające się w wodzie ubogiej w tlen żerujące na anodzie magnezowej powodują, że w wodzie wydzielany jest siarkowodór. Nie występuje on w ilościach szkodliwych dla organizmu ludzkiego, lecz jego obecność objawia się właśnie niemiłym zapachem. Taka woda nie nadaje się do użytku, ponieważ woń jest przenoszona z wody na ludzką skórę. Najskuteczniejszym i najprostszym sposobem eliminacji woni siarkowodoru jest zastosowanie prądowej anody tytanowej. Zastosowanie takiej anody powoduje, że proces wytwarzania siarkowodoru w wodzie zostaje zatrzymany i nieprzyjemny zapach znika. Anoda tytanowa dodatkowo natlenia wodę. IX. Instrukcja montażu i obsługi systemu anod prądowych AME i AMT. System anody tytanowej AME i AMT jest dostępny w kilku wersjach. Producenci zbiornikowych pogrzewaczy ciepłej wody informują o tym jaki typ anody jest odpowiedni dla danego zbiornika i jaka powinna być jej wielkość. Dotyczy to zwłaszcza sytuacji, w których w anodę ma zostać wyposażony stary zbiornik. Należy stosować się do zaleceń producenta. W przypadku gdy znamy tylko pojemność zbiornika należy się stosować do tabelki z punktu VI. 1. Wskazówki bezpieczeństwa. Przed zamontowaniem systemu anody tytanowej AME lub AMT należy się upewnić że: system będzie eksploatowany w pomieszczeniu zamkniętym i suchym napięcie sieciowe jest zgodne z podanym na tabliczce znamionowej napięcie sieciowe jest stale obecne W trakcie eksploatacji systemu anody tytanowej AME i AMT należy stosować się do następujących zaleceń: kontroler potencjału anody nie może być wyłączony z sieci gdy zbiornik jest napełniony wodą, nawet podczas dłuższej nieobecności domowników, gdyż ochrona katodowa zostanie przerwana nie wolno odłączać kabli łączących anodę z kontrolerem potencjału podczas działania systemu ochrony katodowej zbiornik musi być napełniony do pełna wodą przez cały czas pracy systemu ochrony katodowej, gdyż w przeciwnym wypadku system ochrony katodowej będzie działał nieprawidłowo oraz skróci się żywotność samej anody w przypadku zamiaru opróżnienia zbiornika najpierw należy odłączyć od sieci kontroler potencjału natomiast anody, należy pobierać ciepłą wodę ze zbiornika przynajmniej raz na miesiąc, ponieważ w dłuższym okresie mogą się tworzyć poduszki gazowe zakłócające prace systemu ochrony montaż oraz wszelkie naprawy i konserwacje systemu można powierzyć tylko osobie przeszkolonej i z odpowiednimi kwalifikacjami System anody tytanowej AME i AMT należy stosować tylko zgodnie z przeznaczeniem i zaleceniami niniejszej instrukcji montażu i obsługi. Nie ponosimy żadnej odpowiedzialności za szkody powstałe w wyniku użycia towaru niezgodnie z przeznaczaniem. www.aquakros.pl e-mail: info@aquakros.pl str. 8
2. Zawartość opakowania. W pudełku znajdują się trzy elementy: a) kontroler potencjału wraz z kablami przyłączeniowymi dł. ok 3m zakończonymi oczkami 1 szt; oczko kabla niebieskiego ma średnicę 10mm, oczko kabla brązowego jest nieco mniejsze i ma średnicę 8mm. b) anoda tytanowa kompletna tzn. z korkiem ocynkowanym z gwintem R3/4 1 szt; anoda może być zabezpieczona cienką rurką plastikową c) niniejsza instrukcja wraz z kartą gwarancyjną 1 szt. 3. Montaż i uruchomienie. Przed przystąpieniem do montażu systemu prądowej anody tytanowej należy: a) zamknąć dopływ wody zimnej do zbiornika b) wyłączyć zasilanie grzałki elektrycznej (jeżeli występuje); zakręcić dopływ wody ciepłej do spirali grzejnej zbiornika (gdy występuje) lub w inny sposób zatrzymać dostarczanie ciepła do zbiornika c) odpuścić ciśnienie w zbiorniku np. odkręcając kran z ciepła wodą d) spuścić wodę z całości lub części zbiornika (jeżeli trzeba) e) wymontować anodę magnezową ze zbiornika Montaż a) z anody ściągnąć zabezpieczającą rurkę plastikowa (jeżeli występuje) b) używając uszczelnienia (pakuły, teflon, nić hydrauliczna itp.) wkręcić korek z anodą tytanową w otwór montażowy tak jak pokazano na rysunku A; użycie uszczelniania ograniczyć do minimum pozostawiając część gwintu goły, aby zapewnić dobry kontakt metaliczny korka z obudową zbiornika c) korek anody ma rozmiar R 3/4 i w przypadku, gdy otwór montażowy ma inny wymiar należy użyć redukcji ocynkowanej stosując uszczelnienie, tak jak w podpunkcie a) d) trzeba pamiętać, aby anoda nie dotykała części metalowych zbiornika gdyż dobra izolacja anody od obudowy jest podstawą poprawnej pracy systemu e) sprawdzić multimetrem rezystancje pomiędzy korkiem anody a obudową zbiornika, powinna ona być nie większa jak 0,5 Ohm f) w przypadku gdy mamy spuszczoną wodę lub wiemy, że anoda nie jest w ogóle zanurzona w wodzie sprawdzić rezystancje pomiędzy anodą a obudową zbiornika, powinna być powyżej 1 MOhm g) jeżeli mamy zapewniony dobry kontakt metaliczny między korkiem a obudową zbiornika (rezystancja mniejsza jak 0,5 Ohm) to podłączyć kable z kontrolera potencjału tak jak pokazano na rysunku B tj. kabel niebieski do obudowy zbiornika czyli między koniec korka a izolację plastikową, a kabel brązowy dołączyć do anody tj. pomiędzy dwie górne nakrętki h) jeżeli nie ma dobrego kontaktu korka z obudową zbiornika to do anody dołączyć tylko kabel brązowy tj. pomiędzy dwie górne nakrętki, a kabel niebieski bezpośrednio do obudowy zbiornika np. do śruby uziemiającej tak jak pokazano na rysunku C lub w każdy inny sposób zapewniający dobry kontakt metaliczny obudowy zbiornika; po podłączeniu kabla niebieskiego sprawdzić multimetrem rezystancje miedzy obudową zbiornika a tym kablem i) wypełnić wodą zbiornik do pełna, aż anoda będzie cała zanurzona w wodzie j) włączyć kontroler potencjału do zasilania; dioda uwidoczniona na rysunku D do dwóch minut zmieni kolor czerwony na zielony oznaczający poprawną prace anody k) gdyby dioda na kontrolerze potencjału nie świeciła się na zielono należy znaleźć przyczynę nieprawidłowej pracy, które są opisane w dalszej części instrukcji www.aquakros.pl e-mail: info@aquakros.pl str. 9
Rysunek A (1-anoda) Rysunek B Rysunek C Rysunek D 4. Przyczyny niesprawności systemu anod prądowych sygnalizowane przez czerwoną diodę. a) rury doprowadzające zimną wodę, odprowadzające ciepłą wodę, doprowadzające i odprowadzające wodę do wężownicy grzejnej nie są elektrycznie odizolowane od zbiornika; w tym wypadku prąd ochronny może być dodatkowo pobierany przez wymienione przyłącza co prowadzi do zwiększonego wydatku prądowego poza limit kontrolera potencjału b) zbiornik nie jest do pełna wypełniony wodą lub utworzyły się zbyt duże poduszki gazu wyprodukowanego przez system ochrony katodowej c) zła polaryzacja anody (pomylone kable) d) zła izolacja pomiędzy anodą tytanową a zbiornikiem e) przerwany odwód DC - uszkodzony lub oberwany kabel pomiędzy anodą a kontrolerem f) niewłaściwie dobrany typ systemu anody tytanowej do wielkości zbiornika tj. za krótka anoda i za mała wydajność kontrolera g) emalia zbiornika nadmiernie zużyta lub zniszczona co powoduje wydatek prądowy poza limit kontrolera www.aquakros.pl e-mail: info@aquakros.pl str. 10