Spanningscorrosie in zwembaden

Spanningscorrosie in zwembaden

Omdat diverse keren roestvast stalen ophangelementen voor zwembaddaken spontaan gebroken zijn in zwembaden werd Innomet b.v. gevraagd een onderzoek in te stellen naar de mogelijke oorzaak en wat de remedie zou kunnen zijn om dergelijke gevaarlijke voorvallen te voorkomen. Al vrij snel werd veronderstelt dat door mechanische spanningen in combinatie met chloorhoudende dampen en verhoogde temperaturen de beruchte spanningscorrosie was opgetreden. De ophangelementen zijn tegen het plafond geplaatst waar inderdaad een relatief hoge temperatuur heerst. Na microscopisch onderzoek bleek deze vorm van corrosie inderdaad het geval te zijn geweest omdat transkristallijne scheurvorming was opgetreden die hiermee inherent verbonden is. Deze vorm van corrosie heeft inmiddels al tot diverse rampzalige gevolgen geleid waarbij zelf doden en gewonden zijn gevallen zoals enige jaren geleden in Zwitserland. Het meest gevaarlijke is dat deze corrosievorm zich niet aanmeldt en dat de breuk dus zo onverwachts optreedt. Onderstaand wordt een opsomming gegeven over dit fenomeen, onderzoek en aanbevolen remedies om deze gevaarlijke corrosievorm te voorkomen.

Spanningscorrosie c.q. stress corrosion cracking 
Spanningscorrosie ontstaat ten gevolge van spanningsconcentraties in warme chloridenhoudende oplossingen (>50ºC). Om deze corrosievorm te bestrijden dient men spanningsconcentraties zoveel mogelijk te vermijden. Enkele belangrijke regels voor de constructeur zijn: a) Zo weinig mogelijk lasnaden toestaan omdat door het lassen altijd spanningen in het materiaal worden gebracht wat in kritische gevallen spanningscorrosie ten gevolge kan hebben. b) Kruisingen of samenkomen van lasnaden moet zoveel mogelijk worden vermeden omdat ter plaatse van de kruisingen de spanningen sterk verhoogd kunnen zijn. c) Grote veranderingen in de doorsnede kunnen aanleiding zijn tot spanningsverhoging en kunnen gemakkelijk lasfouten veroorzaken. d) Uit te gaan van genormaliseerde tubelures en fittingen zodat later het aanlassen van kleine ringen of plaatjes niet nodig is. e) De constructeur dient bekend te zijn met de specifieke eigenschappen van het materiaal zoals slechte warmtegeleiding, hoge uitzettingscoëfficiënt, hoge elektrische weerstand, lage vloeigrens, deformatiegevoeligheid en de chemische samenstelling. Bij de fabricage van het werkstuk moet zo min mogelijk worden gehamerd. Hameren geeft plaatselijke spanningsconcentraties en ook veelal deformatiemartensiet met alle nadelen van dien. Spanningsarm gloeien bij 1050ºC gevolgd door afschrikken in water is een goede methode om spanningscorrosie zoveel mogelijk te voorkomen. Deze hoge temperatuur is in de praktijk meestal niet uitvoerbaar en daarom wordt er ook wel langdurig gegloeid bij 300 – 450ºC; hierbij blijven echter nog vrij veel restspanningen over die aanleiding tot spanningscorrosie kunnen geven. Ook zelfs na het spanningsarm gloeien kan men spanningscorrosie krijgen indien grote krachten op het onderdeel daar aanleiding toe geven.

Halogenen 
Onder de groep halogenen vallen de elementen fluor, chloor, broom en jodium. Deze elementen, met sterk overeenkomende eigenschappen, noemt men dus de halogenen en dat is een synoniem voor zoutvormers. Alle vier de halogenen zijn zeer reactieve elementen zodat geen ervan vrij in de natuur voorkomt. Ze zijn uitgezonderd op waterstoffluoride éénwaardig. Hun waterstofverbindingen zijn gasvormige en zeer sterke zuren die buitengewoon goed oplosbaar zijn in water. Blijkens hun groepsnaam vormen de halogenen met metalen rechtstreeks zouten. Deze heten respectievelijk fluoriden, chloriden, bromiden en jodiden. De volgorde fluor, chloor, broom en jodium is die van toenemend atoomgewicht en tevens die van afnemende affiniteit tot waterstof en metalen. Daarom wordt elk halogeen door de lichtere halogenen uit zijn verbindingen vrijgemaakt zoals bijvoorbeeld: Cl2 + 2NaBr –> 2NaCl + Br2 Br2 + 2HI –> 2HBr + I2 Van de halogenen is chloor verreweg het meest agressief en daarom ook een van de grootste bedreigingen voor de prestaties van roestvast staal.

Het bestrijden van spanningscorrosie
Om spanningscorrosie te bestrijden kan men het beste zo spanningsarm mogelijk construeren alsmede zo weinig mogelijk lassen, snijden en knippen en dient men het materiaal zo min mogelijk koud te vervormen. Voorts moet men zorgen voor een goede oxidefilm door afdoende beitsen en passiveren. Ook is het raadzaam om het roestvast staal voor het gebruik oplossend of spanningsarm te gloeien. Van belang is ook de oppervlaktegesteldheid, m.a.w. hoe gladder hoe beter. Dat is de reden dat de belangstelling voor de micropeenbehandeling zo toeneemt. Tenslotte kan men ook nog kiezen voor kwaliteiten die een hoger nikkel en/of molybdeengehalte hebben.

Micropeenen als remedie tegen spanningscorrosie 
Een micropeen-behandeling is een verfijnde vorm van shotpeening en heeft als doel om het oppervlak van een metaal dusdanig te reinigen dat gelijktijdig een betere oppervlaktegesteldheid ontstaat die nieuwe vuilafzetting bemoeilijkt.

Dit heeft een gunstig effect op mogelijke corrosie die juist onder vuilafzettingen gaat beginnen. Micropeenen komt tot stand door glaskorrels met een gedefinieerde afmeting van 50-5000 micrometer met hoge druk op het oppervlakte te bombarderen. Dit bombardement zorgt ervoor dat er een drukspanning in het oppervlakte wordt opgebouwd waardoor de kans op spanningscorrosie behoorlijk afneemt. Dankzij deze drukspanning wordt namelijk een deel van de trekspanning gecompenseerd. Veelal is dit oppervlak voorbewerkt waardoor het resultaat nog beter wordt. De procescontrole en de apparatuur is dusdanig geavanceerd dat zoiets alleen door specialisten kan worden gedaan. De apparatuur zorgt er o.a. voor dat gebroken glaskorrels nagenoeg geheel worden verwijderd en dat komt ten goede aan de oppervlaktegesteldheid. Dit in tegenstelling met bijvoorbeeld glasparelen. Micropeenen doet in principe contaminaties geheel verdwijnen en het oppervlak wordt mooi egaal glad.

Zwembaden
Vanuit het bovenstaande zal het duidelijk zijn dat het gebruik van roestvast staal in zwembaden beperkingen oplevert bij toepassingen die hoger in temperatuur belast worden. Het molybdeenhoudende roestvast staal type AISI 316L (1.4404) is in principe een prima materiaal om toegepast te worden in zwembaden mits het materiaal niet te hoog met chloriden worden belast en mits mechanische spanningen laag gehouden worden en dat vooral als de temperatuur stijgt. Bij dit laatste moet men dan vooral denken aan spanningscorrosie. M.a.w. indien roestvast staal in de zacht gegloeide conditie wordt toegepast dan is het materiaal spanningsarm en is de kans op spanningscorrosie ook bij verhoogde temperatuur te verwaarlozen mits het materiaal niet aan hoge spanningen wordt blootgesteld. Indien er toch koud gedeformeerd moet worden aan de roestvast stalen producten dan is een gloeiproces noodzakelijk teneinde de kans op spanningscorrosie te reduceren. Bij hoge concentraties aan chloriden bestaat echter ook kans op putcorrosie en dat ook bij kamertemperatuur.

Conclusie en aanbevelingen 
Bij thermisch en mechanisch hoger belaste delen van roestvast staal in zwembaden is het ten zeerste aan te raden spanningsarm materiaal toe te passen omdat anders de kans op de gevreesde spanningscorrosie groot is. In ieder geval dient men altijd minimaal een 316L (1.4404) type te gebruiken en is het gebruik van titaan gestabiliseerde typen af te raden i.v.m. mogelijke knife line attack. Bij zeer kritische delen zoals bijvoorbeeld bij dakophangelementen is het aanbevelingswaardig om meer hoogwaardiger metalen te gebruiken. We kunnen dan denken aan roestvast staal met een verhoogd molybdeengehalte. Zelfs een kwaliteit als 1.4435 (2,5 – 3% molybdeen) zal dan niet toereikend zijn zodat men wellicht uit moet wijken naar de hoger gelegeerde molybdeenhoudende kwaliteiten zoals 1.4539 (904L) en/of 1.4547 (UNS S31254).

Een heel interessant alternatief is duplex roestvast staal die een rekgrens heeft die ongeveer 2,5 keer zo hoog is als die van 316L terwijl de rek maar weinig lager is. Dankzij het hogere molybdeengehalte is het materiaal veel minder gevoelig voor put- en spanningscorrosie. Duplex roestvast staal is een staalsoort waarvan de structuur bestaat uit ferriet en austeniet. Dit komt door de chemische samenstelling en warmtebehandeling. Duplex roestvast staal bestaat uit een mengstructuur van primair stollende ferriet en secundair uitgescheiden austeniet (beiden circa 50%). Hoewel duplex en haar varianten reeds tientallen jaren bestaan, is duplex de laatste jaren technisch interessant geworden en wordt deze staalsoort steeds meer toegepast onshore en in de offshore alsmede in de olie- en gasproductie en in de chemische en petrochemische industrie. Dit komt door de goede weerstand die duplex roestvast staal biedt tegen media die chloriden, zwavelwaterstof en/of koolzuur bevatten, gekoppeld aan de hoge sterkte en 0,2% rekgrens. Een belangrijke reden om duplex roestvast-staalsoorten toe te passen in zwembaden is hun uitstekende resistentie tegen put- en spleetcorrosie. Dit fenomeen treedt gewoonlijk op in waterige oplossingen welke chloriden bevatten. Bij de moderne duplex roestvast stalen is het dankzij de rol welke het verhoogde stikstof gehalte speelt om de austenietfase te stabiliseren ook mogelijk geworden om het molybdeen en chroomgehalte te verhogen (superduplex). Dit leidt weer tot een verbeterde corrosievastheid. Het nikkelgehalte is hoog genoeg om een belangrijke corrosievastheid te leveren in vele chemische milieus. Het is duidelijk dat voor een optimale weerstand tegen pitting en/of spleetcorrosie de hoger gelegeerde super duplexkwaliteiten de voorkeur verdienen. Wellicht nog met aanvullende eisen voor kwaliteitscontrole om een correcte chemische samenstelling (met een hoge pitting resistance equivalent – PREn) en een gebalanceerde microstructuur te waarborgen.

De goedkope en doeltreffende oplossing 
Om goede betrouwbare ophangelementen te krijgen zijn er inmiddels ook goede resultaten geboekt met gegalvaniseerd koolstofstaal dat als extra zekerheid een deklaag heeft gekregen (het zogenaamde duplex systeem). Dit is dan een veilige en goedkope oplossing die Innomet met succes naar voren heeft gebracht. Het feit dat deze elementen onzichtbaar zijn weggewerkt maakt het gebruik ervan nog gemakkelijker.