STOOMPLATFORM THEMADAG 27-01-11 Gevolgen voor het stoomsysteem bij onvoldoende aandacht voor de waterbehandeling Door: Wessel Hendertink

Energie Consult Holland B.V. Onafhankelijk adviesbureau voor Energie en Milieu Aangewezen KeuringsInstelling (AKI) en Notified Body (NoBo) voor drukapparatuur Opgericht in 1994 01-2011: 17 werknemers Gevestigd in Ede

Toezicht op stoomketels >0,5 barg in Nederland Wetgeving per 29/05/2002: Warenwetbesluit Drukapparatuur (was daarvoor: Stoomwet en Stoombesluit) Toezicht door AKI’s o.a.: Bureau Veritas Det Norske Veritas Energie Consult Holland Lloyds Register (voormalig Stoomwezen) Vinçotte Nederland Voor stoomketels geldt een 2-jaarlijkse periodieke herkeuring, uit te voeren volgens de Praktijkregels voor Drukapparatuur (PRD 2.3) (was voorheen: Regels voor Toestellen onder Druk Blad T0102)

Doel periodieke herkeuring Beoordelen of een risicovol drukapparaat veilig kan worden gebruikt tot de volgende datum van herkeuring, waarbij in het geval van stoomketels zowel water- als rookgaszijdig specifiek wordt gelet op: Afzettingen. Vervuiling/verstopping. Materiaaldegradatie Scheurvorming.

Welke hoofdtypen stoomketels zijn er Vlampijpketels: stoomdrukken tot ca. 30 barg (temp. 235 ° C) stoomcapaciteiten tot ca. 50 ton/uur medium: verzadigde stoom (soms licht oververhit) gebruikssector: kleine- / middelgrote industrie, ziekenhuizen e.d. Waterpijpketels: stoomdrukken tot ca. 300 barg (>220 barg = superkritisch) stoomtemperaturen tot ca. 600 ° C stoomcapaciteiten tot ca. 5000 ton/uur medium: oververhitte stoom (soms verzadigd) gebruikssector: grote industrie, elektricteitscentrales

Welke hoofdtypen stoomketels zijn er Stoomgeneratoren: stoomdrukken in de praktijk tot ca. 30 barg stoomcapaciteiten tot ca. 10 ton/uur medium: verzadigde stoom gebruikssector: kleine- / middelgrote industrie, ziekenhuizen e.d.

Welke materialen worden toegepast Vlampijpketels en stoomgeneratoren: ongelegeerd en laag gelegeerd staal. Waterpijpketels: laag gelegeerd en hoog gelegeerd staal.

Stoomsysteem voor verwarmingsdoeleinden

Stoomsysteem voor mechanische aandrijving

Onderdelen stoomsysteem Een stoomsysteem is te verdelen in een 4-tal secties, te weten: De stoomketel. Het stoomnet (met de verbruikers). Het condensaatnet. Het voedingwatersysteem.

Watersuppletie In een “open” systeem moet water worden bijge- suppleerd . Dit komt door: Direct stoomverbruik . Lekverliezen. Spuiverliezen. Ook in een “semi gesloten” systeem moet water worden bijgesuppleerd als gevolg van (geringe) verliezen. Onbehandeld water is niet geschikt om te suppleren.

Problemen in stoomsystemen Water heeft een groot oplossend vermogen waardoor er, van nature, stoffen in water aanwezig zijn, die de oorzaak vormen van veel voorkomende problemen in stoomsystemen, te weten: Afzettingen. Vervuiling/verstoppingen. Onzuiverheid. Corrosie.

Gevolgen voor de gebruiker Verslechtering rendement Storingen. Lekkages. Bezwijken. Beschikbaarheid. Kosten.

Opgeloste stoffen in water

Afzettingen in de ketel Afzettingen in de stoomketel kunnen ontstaan door: Slechte kwaliteit suppletiewater. Slechte kwaliteit retourcondensaat. Onvoldoende spuien.

Afzettingen Afhankelijk van de afzettingssamenstelling stijgt het brandstofverbruik ca. 3% per mm afzetting. Afhankelijk van de afzettingssamenstelling stijgt de metaaltemperatuur ca. 150 °C per mm afzetting. Als keuringscriterium geldt dat een laagdikte tot max. 0,25 mm op de vuurgang nog acceptabel is voor vuurgangvlampijp-ketels (blad D1102 RToD).

Steen- en slibvorming Steenvorming: Slibvorming: Zeer dichte, harde en sterk aanhechtende laag als gevolg van kristallisatie. Slibvorming: Neerslag van mineralen die onderling en met het metaaloppervlak slechts zwak verbonden zijn.

Soorten afzettingen De volgende afzettingen zijn bij stoomsystemen te onderscheiden: Calcium- en magnesiumverbindingen. Silicaten. Natriumzouten. IJzerverbindingen. Koperverbindingen. Organische verbindingen en koolstof.

Calcium- en magnesiumverbindingen Calciumcarbonaat (ketelsteen) Ca(HCO3)2 → CaCO3 + CO2 + H2O Slecht oplosbaar. Oplosbaarheid neemt af bij toename van de temperatuur. Vormt harde afzetting op de heetste delen van de ketel. Bij geringe indikking van het ketelwater vormt zich al afzetting. Magnesiumhydroxide Mg(HCO3)2 → Mg(OH)2 + CO2 Slecht oplosbaar; zet zich in slibvorm af. Andere verbindingen: Calcium- en magnesiumfosfaat

Praktijkvoorbeeld afzettingen Fabrikaat stoomketel: Backer & Rueb (Machinefabriek Breda) Type: 1-treks vuurgangvlampijpketel (N-ketel) Bouwjaar: 1962 Ontwerpdruk: 10 barg Medium: verzadigde stoom Capaciteit: 7.000 kg/uur Inhoud tot LTW: 16 m3 Watervoorbehandeling: ontharden / ontgassen

Praktijkvoorbeeld afzettingen Afzetting op vuurgang (dikte varieert van 3 – 5 mm) Afzetting op vlampijpen (dikte varieert van 3 – 5 mm)

Verwijderen afzettingen Soms kan, afhankelijk van de afzettingssamenstelling, een afzetting worden verminderd door een (verhoogde) dosering van een geschikt dispergeermiddel voor de conditionering van ketelwater. Harde afzettingen kunnen vaak alleen worden verwijderd door chemische reiniging (het zogenaamde “zuren”). Schakel voor het uitvoeren van een dergelijke klus een gespecialiseerd bedrijf in!!!

Praktijkvoorbeeld reiniging Vuurgang na chem. reiniging Resultaat: >95% verwijderd Vlampijpen na chem. reiniging Resultaat: >95% verwijderd

Kostenplaatje reiniging Chemische reiniging: € 10.000 Afvoer afvalwaterstroom: € 5.000 Huurketel (1 week): € 5.000 ______ Totaal: € 20.000 Aanvullend: onthardingsinstallatie vervangen.

Praktijkvoorbeeld verstopping (1) Ketelfabrikaat: Blohm & Voss Type: hoekpijpwaterpijpketel Bouwjaar: 1996 Ontwerpdruk: 12 barg Medium: verzadigde stoom Capaciteit: 11.000 kg/uur Waterbehandeling: ontharden / ontgassen

Praktijkvoorbeeld verstopping (1) Oververhitting van verdamper- pijpen a.g.v. verstopping Scheurvorming a.g.v. oververhitting

Praktijkvoorbeeld verstopping (1) Uitlijnigheid en verkleuring verdamperpijpen Verstopte verdamperpijpen

Praktijkvoorbeeld verstopping (1) Bovenste pijpdelen verdamperspiralen vernieuwd na controle op verstopping Verstopte verdamperspiralen buiten bedrijf gesteld (afgeblind)

Praktijkvoorbeeld verstopping (1) Oorzaak: ketel is na revisie vermoedelijk gevuld met onvoldoende onthard water. Oplossing: controle van alle verdamperspiralen op verstopping; verstopte spiralen buiten bedrijf gesteld (afgeblind). Kosten: € 70.000,-- (onderzoek, reiniging en reparatie). Aanvullend: Reverse Osmose-installatie bijgeplaatst.

Praktijkvoorbeeld verstopping (2) Fabrikaat stoomketel: Koninklijke Machinefabriek Stork (Hengelo) Type: 3-treks vuurgangvlampijpketel (EVW-ketel) Bouwjaar: 1974 Ontwerpdruk: 14 barg Medium: verzadigde stoom Capaciteit: 25.000 kg/uur Constructiedetail: buitenliggende watergekoelde keerkast met waterpijpen Waterbehandeling: ontharden / ontgassen

Praktijkvoorbeeld verstopping (2) Oververhitting van keerkast- pijpen a.g.v. verstopping Oververhitting van keerkast- pijpen a.g.v. verstopping

Praktijkvoorbeeld verstopping (2) Keerkastpijp met afzetting op de wand Loslatende afzetting zorgt voor verstopping

Neveneffecten verstopping (2) Scheurvorming pijp/pijpplaatverbinding vlampijpen ingang 2e trek a.g.v. onvoldoende afkoeling verbrandingsgassen

Praktijkvoorbeeld verstopping (2) Oorzaak: afzetting in de ketel a.g.v. slecht functionerende onthardingsinstallatie. Kosten voor onderzoek, reiniging en herstelwerkzaamheden: € 15.000,--.

Silicaten (kiezelzuur) De oplosbaarheid is groot en neemt toe met een stijgende temperatuur en pH-waarde. De neerslag is hard, sterk isolerend en moeilijk verwijderbaar. Silicaat(verbindingen) worden bij hogere drukken enigszins vluchtig en worden vanuit de ketel met de stoom meegevoerd (risico vervuiling turbine). Foto: silicaatafzetting turbineschoepen

Natriumzouten Natriumverbindingen zijn met name bij hoge keteldrukken (>40 barg) enigszins vluchtig. Natriumverbindingen kunnen in dat geval vervuiling van het stoomzijdige equipment geven, met name de stoomturbine. Foto: natriumafzetting op turbineschoepen

Corrosie Corrosie is een ongewenste (elektro)chemische aantasting van een materiaal, waardoor de eigenschappen nadelig worden beïnvloed. Er wordt onderscheidt gemaakt tussen enerzijds chemische- ofwel droge corrosie en anderzijds elektrochemische- ofwel natte corrosie. Elektrochemische corrosie (natte corrosie) komt in de praktijk het meeste voor, zo ook bij stoominstallaties. We beperken ons hier tot de meest voorkomende vormen van corrosie die kunnen optreden in stoom/condensaatsystemen.

Corrosieverschijnselen De belangrijkste degradatiemechanismen die met name in stoom- en condensaatsystemen kunnen optreden zijn: Zuurstofcorrosie. Koolzuurcorrosie. Loogcorrosie. Zuurcorrosie. Chelaatcorrosie. Erosie-corrosie. Scheurvormende corrosie (spanningscorrosie). Cavitatie (geen corrosie / mechanische aantasting).

IJzerverbindingen Indien in ketelwater geen zuurstof aanwezig is, maar het wel voldoende alkaliteit bezit (-basisch is), reageert ijzer bij t >120 °C met water, onder de vorming van magnetiet, volgens: 3Fe2+ + 6OH- → 3Fe(OH)2 3Fe(OH)2 → Fe2O3.FeO.xH2O + H2 + H2O (>120 °C) Fe2O3.FeO.xH2O → Fe3O4 + xH2O Dit zwarte ijzeroxide vormt een harde beschermende huid op het metaaloppervlak. Als in een later stadium regelmatig zuurstof wordt aangevoerd, wordt het magnetiet afgebroken en omgezet in het niet beschermende hematiet (= roest), volgens: 4Fe3O4 + xH2O + O2 → 6Fe2O3.xH2O

Zuurstofcorrosie Ontstaat o.a. door aanwezigheid van zuurstof (O2) in het voedingwater a.g.v. onvoldoende ontgassing. Veroorzaakt putvormige aantasting van het koolstofstaal. Treedt met name op in het voedingwater- systeem + de economiser, volgens: 2Fe + H2O + O2 → Fe2O3 + 2H↑ Treedt in mindere mate op in de ketel. Kan in de ketel optreden tijdens bedrijfsstilstand, indien geen aandacht wordt geschonken aan doelmatige conservering!! Treedt ook op in het condensaatnet. Foto: zuurstofcorrosie op vlampijp

Koolzuurcorrosie Ontstaat door de aanwezigheid van waterstof- carbonaat (HCO3) in suppletiewater. Waterstofcarbonaatsplitsing in de ontgasser (10%) en in de ketel, volgens: 2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2↑ + H2O Sodasplitsing in de ketel (afhankelijk keteldruk voor 60 – 90%), volgens: Na2CO3 + H2O → 2NaOH + CO2↑ In condensaatnet lost CO2 op in het condensaat, volgens: CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ HCO3- + H+ Veroorzaakt daar egale aantasting van het koolstofstaal, volgens: 2H+ + 2HCO3- + Fe2+ → Fe(HCO3)2 + H2 Foto: koolzuurcorrosie in condensaatleiding

Loogcorrosie Ontstaat door aanwezigheid van verhoogde concentraties hydroxiden (OH-) = loog in het ketelwater. Deze lossen de beschermende oxidehuid (magnetiet) op. Veroorzaakt afzonderlijke halfronde- of elipsvormige verdiepingen in het koolstofstaal, vaak gevuld met corrosieproducten. Het aangetaste metaaloppervlak heeft over het algemeen een glad golvend uiterlijk. Mogelijk oorzaken verhoogde loogconcentratie: - overdosering loog i.v.m. alkaliteitsverhoging - alkaliteit-afsplitsende zouten - plaatselijk sterke indikking ketelwater a.g.v. filmverdamping Foto: loogcorrosie in een verdamperpijp

Zuurcorrosie Ontstaat door aanwezigheid van verhoogde concentraties zuur in het water. Deze lossen de beschermende oxidehuid (magnetiet) op. Veroorzaakt landkaartvormige aantasting, vaal bedekt met geel/bruine corrosieproducten. Mogelijk oorzaken zuurinbraak: - zuuraantasting ketel door ongecontroleerde chemische reiniging - zuurintrede met de suppletie (regeneratiezuur van demi of decarbonatatie) - zuurintrede retourcondensaat (lekkage) Foto: zuurcorrosie vlampijpen

Voorkomen is beter dan genezen!

Einde presentatie Bedankt voor uw aandacht.