Jakie gatunki stali nierdzewnych stosuje się w oczyszczalniach ścieków?

a) Jaki jest odpowiedni gatunek stali do zastosowania na oczyszczalniach i przepompowniach ścieków do budowy konstrukcji stalowych narażonych na kontakt ze ściekami i ich oparami oraz zanurzonych w ściekach konstrukcjach spawanych z profili i blach?
b) Jaki jest odpowiedni gatunek stali do zastosowania na oczyszczalniach i przepompowniach ścieków do budowy rurociągów technologicznych wewnątrz i na zewnątrz obiektów? Rurociągi o połączeniach spawanych i kołnierzowych.
c) Kiedy stosować, jakie elementy złączne klasy A2 i A4 czy jest to uzależnione od gat. stali czy tylko od środowiska pracy?

Stale odporne na korozje z powodzeniem są stosowane na elementy pracujące w środowisku wodnym, zarówno wody pitnej jak i ścieków. Zastosowanie odpowiedniego gatunku stali odpornej na korozję na instalacje pracujące w takich warunkach jest uzależnione od czystości wody, a przede wszystkim od zawartości jonów chlorkowych, szybkości przepływu medium, natlenienia, temperatury obecności bakteryjnych utleniaczy. Oprócz prawidłowo dobranego gatunku stali równie ważne jest odpowiednie zaprojektowanie i wykonanie z niej konstrukcji, rurociągów, itd. w sposób niewpływający na powstanie zjawisk korozji zwłaszcza korozji szczelinowej oraz korozji połączeń spawanych spowodowanych nieodpowiednim wykonaniem lub pozostałością zanieczyszczeń cząstkami metalicznymi (żelaza). Do podstawowych gatunków stali stosowanych na elementy oczyszczalni ścieków należą gatunki 304, 316 wg AISI oraz wysokostopowe gatunki austenityczne zawierające 6% dodatek molibdenu (zwane również super-austenityczne) np. 1.4547 (254 SMO), 1.4529 wg PN-EN (tab. 1).

Tablica 1. Zastosowanie stali odpornych na korozję w różnych środowiskach wodnych

Rodzaj wody, zastosowanie	Stężenie chlorków, ppm	Typ stali	Gatunek stali	Gatunek stali (numer stali) wg PN- EN 10088
Woda pitna i wody gruntowe; balustrady, poręcze, drabiny, słupy oświetleniowe	<200	austenityczna	304	1.4301/1.4307
	<1000		316	1.4401/1.4404
Woda zasolona, elementy o wymaganych wyższych własnościach mechanicznych	1000 - 3600	ferrytyczno-austenityczna (duplex)	2205	1.4462
Woda zasolona i morska; elementy zanurzone w ściekach, elementy wyposażenia statków i elektrowni przybrzeżnych, elementy przytwierdzone do kadłubów łodzi i statków, pompy i wyciągarki zanurzone w wodzie	3600 - 26000	super-austenittyczna	254SMO/ 1925hMo	1.4547/1.4529
		super-duplex	SAF2507/ Zeron100	1.4410/1.4501

 

W zależności od stężenia chlorków w wodzie najbardziej narażonym na wystąpienie korozji gatunkiem stali jest 304 (1.4301). W większości zastosowań dla konstrukcji w oczyszczalniach i przepompowniach ścieków powinien spełnić wymagania gatunek 316L (1.4435), który jest również najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem zarówna na konstrukcje stalowe zanurzone w ściekach i rurociągi technologiczne. Gatunek 316L może również pracować w wodach o stężeniu chlorków od 1000 do 2000 ppm, lecz czas odziaływania takiego środowiska musi być ograniczonym. W niektórych przypadkach może być również konieczność zastosowania gatunków super-austenitycznych o podwyższonym stężeniu molibdenu np 1.4547/1.4529.

 
Projektując elementy pracujące w środowisku wodnym (ścieków), zanurzonych w cieczach należy pamiętać o przestrzeganiu kilku zasad, które omówiono poniżej.
Jeżeli projekt elementu wyposażenia będzie zakładał występowanie szczelin pomiędzy elementami, na przykład pod łbami śrub lub przy kołnierzach złączy, spowoduje to nie tylko ich zabrudzenie, ale również problemy w ich czyszczeniu. Również osady stałe mogą się gromadzić w takich szczelinach i pozostając w kontakcie z materiałem przez czas dłuższy niż powinny, mogą spowodować korozję wewnątrz szczeliny. Ponadto, z uwagi na odmienne warunki wewnątrz szczeliny niż na powierzchni materiału, może wystąpić zjawisko korozji szczelinowej, która przyspieszy proces korozji materiału. Zastosowanie śrub z nakrętkami kołpakowymi oraz uszczelnień wykonanych z elastomeru wyeliminuje szczeliny. Nie należy stosować śrub z na otwartej powierzchni stali odpornej na korozję o wolnym dostępie tlenu, zniszczenia spowodowane przez chlorki, mogą być szybko usunięte; natomiast wewnątrz szczeliny, gdzie tworzenie się warstwy tlenków jest utrudnione, korozja będzie mieć bardziej gwałtowny przebieg.

Elementy będące w kontakcie z przepływającym medium należy projektować w taki sposób, aby przepływ ten był jak najbardziej swobodny i niezakłócony. Im swobodniejszy będzie przepływ medium przez oprzyrządowanie, tym mniejsze będzie niebezpieczeństwo gromadzenia się go w martwym obszarze, uciążliwym w czyszczeniu. Martwy obszar może się wytworzyć, na przykład w miejscach gdzie syntetyczne uszczelnienie połączeń wystaje na drodze przepływu produktów. Może się to zdarzyć w przypadku, kiedy dwa elementy są dociśnięte do siebie, wyciskając uszczelnienie. To uszczelnienie może się również powiększyć w wyniku działania ciepła. W obu przypadkach wystające uszczelnienie może spowodować zatrzymanie części żywności. Połączenie zakładkowe na spoinie dwóch elementów może spowodować powstanie schodka pomiędzy dwoma powierzchniami. Może to zatrzymać medium, która pozostając tam będzie się zbierać i reagować intensywniej z powierzchnią, aż do momentu jej usunięcia w procesie czyszczenia. Lepszym rozwiązaniem jest połączenie na styk, które nie pozwala na gromadzenie się zanieczyszczeń oraz, z uwagi na gładszą powierzchnię, jest łatwiejsze w czyszczeniu.
W przypadku połączenia dwóch rur, lepsze od połączenia na styk jest łagodne wygięcie rur i spaw na prostej części rurociągu ponad wygięciem. Tak zaprojektowany element umożliwi swobodny przepływ płynnej medium i zapobiegnie jej gromadzeniu się w jakichkolwiek nierównościach na powierzchni rurociągu. Preferowaną metodą łączenia rurociągów jest automatyczne spawanie orbitalne, które zapewnia wytworzenie spoin wysokiej jakości. Rurociąg powinien gwarantować swobodny przepływ medium. Wąskie wygięcia mogą zatrzymywać medium. Im większy jest kąt wygięcia, tym swobodniej medium może przemieszczać się rurociągiem. Te same zasady powinny być stosowane w przypadku naroży pojemników, w których będzie składowane medium – im większy będzie kąt wygięcia naroży, tym łatwiejszy w czyszczeniu będzie pojemnik. W przypadku zamkniętych urządzeń, do których dostęp jest ograniczony, a czyszczenie bardzo utrudnione; kąt nachylenia naroży zbiorników nie powinien być mniejszy niż 3mm. Pojemniki, w których składowane będzie medium, powinny gwarantować naturalny odpływ. Zaleca się zastosowanie minimalnego nachylenia 3 stopni ścianki do dna zbiornika. Zakłada się oczywiście, że medium jest wystarczająco płynne. Jeśli w pojemniku składowane będzie medium o dużej gęstości to nachylenie powinno być większe, gwarantując samoistne ściekanie i przeciwdziałając gromadzeniu się na wewnętrznej powierzchni naczynia.

Dodatkowe oprzyrządowanie włączone w konstrukcję elementu, może spowodować powstawanie obszarów, w których zatrzymana zostanie transportowane medium. Właściwa konstrukcja może zredukować to niebezpieczeństwo. Umieszczenie ramienia, na którym zamontowana zostanie aparatura, nad przepływem medium, zminimalizuje ryzyko przedostawania się do niego pożywienia.
Nawet, jeśli system zaprojektowany jest tak, aby działać w temperaturze, w której nie można spodziewać się wystąpienia korozji, w niektórych miejscach konstrukcji warunki mogą różnić się od tych, uwzględnionych w projekcie. Na przykład, pojemnik, w którym podgrzewany jest płyn zawierający chlorki, znajdujący się pod ciśnieniem, nie powinien ulegać korozji naprężeniowej w niskiej temperaturze. Jeżeli elementy grzejne znajdują się blisko ściany pojemnika, w tym obszarze stal odporna na korozję może ulec korozji naprężeniowej.

Równie ważne jest projektowanie elementów zewnętrznej części zbiornika. Jeśli środki chemiczne, wykorzystywane do czyszczenia zewnętrznej części zmontowanego na stałe zbiornika, zgromadzą się w szczelinach pomiędzy zbiornikiem a powierzchnią, na której został umieszczony, może wystąpić korozja opisanych wcześniej śrub i kołnierzy. Zbiorniki wolnostojące należy umieszczać ponad podłożem, na nogach. Wyeliminuje to powstawanie szczelin. Zbiornik mógłby również być umieszczony na podporze i zakończony szczelnym kołnierzem, otaczającym podporę, zabezpieczając szczelinę powstałą pomiędzy zbiornikiem i cokołem przed środkami czyszczącymi.

Elementy złączne wykonane z materiałów A2 i A4 różnią się między sobą składem chemicznym materiału oraz własnościami mechanicznymi (tab. 2 i 3). Materiał A2 odpowiada stali AISI 304, natomiast materiał A4 stali AISI 316 i zaleca się stosować je odpowiednio do gatunku stali zastosowanej na daną konstrukcję oraz wymagań wytrzymałościowych elementów. Poniżej podano charakterystykę powyższych stali.

Tablica. 2.
Skład chemiczny austenitycznych stali stosowanych na elementy złączne wg DIN 267 Część 11

Gatunki austenityczne	Oznaczenie wg AISI	Stężenie pierwiastków, %
		C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	Cu
A1	303	0,12	1,0	2,0	0,20	0,15 - 0,35	17,0 - 19,0	0,6	8,0 - 10,0	max. 4
A2	304	0,08			0,05	0,03	17,0 - 20,0	-	8,0 - 13,0
A4	316						16,0 - 18,5	2,0 - 3,0	10,0 - 14,4

 

Tablica. 3.
 Własności mechaniczne (śruby, wkręty)

Gatunek	Klasa własności	Wytrzymałość na rozciąganie   Rm MPa min.	Granica plastyczności Rp0,2 MPa min.	Wydłużenie A min.	Naprężenie próbne   Sp MPa min.	Zakres średnicy
A2 i A4	70	700	450	0,4d	700	=<>
	80	800	600	0,3d	800	=<>

 

 

Literatura

[1]. Corrosion of Stainless Steels in Supply (Drinking) and Waste (Sewage) Water Systems, SSAS Information Sheet No.4.92 Issue 02 2001, British Stainless Steel Association, www.bssa.org.uk
[2]. Selection of stainless steels in water supply and waste water treatment, British Stainless Steel Association, www.bssa.org.uk
[3]. P. Cutler, Stainless steels and drinking water around the world, Nickel Institute, UK, www.nickelinstitute.org
[4]. T. Mathiesen, E. Rislund, T.S. Nielsen, J.E. Frantsen, U. Tornaes, H.G. Pedersen, P. Nielsen, M.B. Petersen, MIC of stainless steel pipes in sewage treatment plants, FORCE Technology, www.forcetechnology.com