Projekt 35560/01

Rohr-Innensanierung von Sanitärinstallationen

Projektträger

Feycolor GmbH
Maxhüttenstr. 6
93055 Regensburg
Telefon: 0941/60497-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Gegenstand des Projektes war die Entwicklung und Erprobung eines Verfahrens, welches zu einer sicheren und langlebigen Rohrinnensanierung führt. Um die Nachteile, der bestehenden Methoden zu überwinden zielte dieses Vorhaben darauf einen ganzheitlichen Ansatz zu entwickeln: von der Vorbereitung und Reinigung der Oberflächen über die gezielte Vorbehandlung und Applikation von Beschichtungsklassen auf Basis von bisher nicht für diesen Einsatzzweck untersuchten Polysilazanverbindungen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Vorhaben gliederte sich in die übergeordneten Teilprojekte: Reinigung der Innenoberfläche, Vorbereitung der Rohrinnenoberfläche, Beschichtungssystem, Applikation in Rohrleitungen:

- Reinigung der Innenoberfläche
o Auslagerungsversuche von Kupfer in Trinkwasser bei Raumtemperatur
o Beizversuche
? Verzinkter Stahl und Stahl
? Kupfer
? Nichtrostender Stahl
- Vorbereitung der Rohrinnenoberfläche
o Konditionierung der Oberflächen Zink, Stahl und Kupfer
o Kontaktwinkelmessungen
o Elektrochemische Untersuchungen
o Beurteilung der Oberfläche mittels Rasterelektronenmikroskopie
- Beschichtungssystem
o Recherche, Rezeptierung, vergleichende Prüfung und Optimierung von Beschichtungssystemen
o Applikation auf Probenblechen
o Korrosionsversuche, elektrochemische Untersuchungen
o Salzsprühnebelprüfung SSNT DIN EN ISO 9227
o Kondenswasser-Konstantklimatest KK–Test DIN EN ISO 6270-2
o Impedanzmessungen
o Haftfestigkeit
o Haftfestigkeit vor der Auslagerung
o Haftfestigkeit nach der Auslagerung
o Prüfung der Beständigkeit gegen TW-zugelassene Desinfektionsmittel
o Rezepturoptimierung
o Korrosionsversuche (Kalt-, Warmwasser)
o Kaltwasser
o Warmwasser
o Haftfestigkeitsversuche vor und nach der Auslagerung
o Untersuchung auf Poren in der Beschichtung
- Applikation in Rohrleitungen
o Applikationsversuche in Rohrleitungen unterschiedlicher Länge
o Aushärtung mit warmer Luft
o Auffangen der Reaktionsprodukte
o Schichtdickenmessungen



Ergebnisse und Diskussion

Die visuelle Untersuchung der geschädigten und gestrahlten Rohrhalbschalen der Rohrinnensanierer zeigte deutlich noch Reste von Korrosionsprodukten auf der Oberfläche. Dies machte noch einmal deutlich, dass ein weiterer Beizschritt vor der Konditionierung erforderlich ist. Die Untersuchung der Vorbehandlungsschritte für eine Rohrinnensanierung beinhaltet das Strahlen und das Beizen. Das Strahlen dient als Vorbehandlung zum einen dem Entfernen harter Verunreinigungen auf der Oberfläche sowie dem Aufrauen der Oberfläche für etwaige nachfolgende Beschichtungsprozesse. Korund und Glas funktionieren als Strahlmittel, führten bei Kupfer aber zu unterschiedlichen Oberflächen.

Das Beizen von Trinkwasserrohren erfolgt mit Phosphor- und Zitronensäure. Diese Säuren wurden ausgewählt, da es sich um Säuren handelt, die durch den Nachspülprozess nicht gegen die Trinkwasserverordnung verstoßen würden, da sie eine Lebensmittelzulassung haben. Zitronensäure hat die Eigenschaft leicht handhabbar zu sein, da es in Pulverform leicht transportabel ist und beim Vorhandensein eines Augenschutzes ebenfalls ungefährlich ist. Für das Projekt ist es entscheidend, dass diese Säuren vorhandene Korrosionsprodukte entfernen und dabei im Werkstoff keine weiteren Schäden anrichten, die durch die verringerte Wanddicke zu neuen Löchern führt.

Die Abtragungsgeschwindigkeit nach DIN 50905 Teil 2 macht eine Beurteilung der Korrosionsbeständigkeit einfacher, da auf diese Weise ein Wert entsteht, mit dem, bei vorausgesetztem gleichmäßigem Abtrag, die Abnahme der Werkstoffdicke und nicht der Massenverlust darstellen lässt. Auf diese Weise kann abgeschätzt werden, wie lange der Werkstoff in dem Medium einsetzbar ist.

Um die Wirkung von Zitronensäure zu untersuchen, wurden Bleche in definierter Größe aus Zink, unlegiertem Stahl und feuerverzinktem Stahl gestrahlt und mit verschiedenen Konzentrationen gebeizt. Bei den Beizversuchen der Bleche mit Zitronensäure ist anhand der Auftragungen (Abb. 8) zu sehen, dass der Wertebereich für sämtliche Beizversuche für Zink und Stahl zusammenbetrachtet in einem Bereich von ca. 3 mm/a bis 10 mm/a liegt. Die Beizversuche für verzinkter Stahl dagegen haben einen Wertebereich von ca. 33 mm/a bis ca. 326 mm/a. Somit ist die Abtragungsgeschwindigkeit der Verzinkung von verzinktem Stahl verglichen mit der Obergrenze von 10 mm/a für Stahl und Zink um das ca. 3 bis 30x erhöht. Bei den Untersuchungen hat sich gezeigt, dass die Abtragungsgeschwindigkeit bei Stahl und Zink gegenüber der Abtragungsgeschwindigkeit der Verzinkung von verzinktem Stahl vernachlässigbar ist. Beim verzinkten Stahl findet unter einer Schwarzfärbung ein teilweiser vollständiger Abtrag der Eisen-Zink-Legierungsphase bzw. der Verzinkung statt.
Somit können bei einer Oberflächenreinigung im Rahmen einer Sanierungsmaßnahme mit Zitronensäure bevorzugt Verzinkungsreste an Rohre entfernt werden, ohne den Stahluntergrund des Rohres dabei einen übermäßigen Angriff durch die Zitronensäure auszusetzten.

Bei der Anwendung der Zitronensäure auf benutzte und gestrahlte Rohrproben mit Korrosionsschichten zeigte sich jedoch, dass die Zitronensäure bei dicken und gleichmäßigen Korrosionsschichten nicht in der Lage ist die Korrosionsschicht vollständig abzutragen. Dünne und feine Korrosionsschichten werden dagegen vollständig entfernt. Die vollständig gereinigte Oberfläche, wie auch die nicht entfernten Korrosionsschichten sind jedoch nach dem Beizen frei von Verzinkungen.

Zitronensäure und Phosphorsäure konnten als geeignete Beize auch für nichtrostenden Stahl verifiziert werden und es ist keine Verwendung eines Inhibitors aufgrund der geringen Abtragungsrate von >100 µm/a notwendig.

In Abb. 9 ist die Abtragungsgeschwindigkeit von Kupfer in Zitronensäure und Phosphorsäure bei verschiedenen Konzentrationen gezeigt. Es zeigt sich, dass alle Konzentrationen mit einer anfangs hohen Geschwindigkeit starten und mit zunehmender Dauer in der Säure an Geschwindigkeit verlieren. So fangen sie erst in einem Bereich von 11 µm/a und hören dann im Bereich von 1-2 µm/a auf. Dieser Verlauf zeigt, dass es einen Anfangseffekt beim Start des Beizens gibt, der aber mit zunehmender Dauer abflacht und sich auf die Geschwindigkeit einstellt, die auf den reinen Kupferabtrag zurückzuführen ist.

Die Abtragungsgeschwindigkeit der Säuren wird noch zwischen den blanken Blechen und den Rohren verglichen. Diese wurden dafür in einer halblogarithmischen Darstellung aufgetragen, um die Differenz vom Abtrag von nur Kupfer zu Korrosionsprodukten darzustellen. In Abb. 9 ist bei Beiden gut zu erkennen, dass zwischen dem oxidierten Rohr und dem blanken Kupferblech drei Zehnerpotenzen liegen. Die Anwendung der Beize in der Praxis bei einer Dauer von 1-2 h und einem ungefähren Abtrag von 0,001 mm/a sollte demnach nur um eine Verringerung von 0,1-0,2 µm resultieren.

Die grundsätzliche Idee der Vorbereitung der Rohrinnenoberfläche vor dem Beschichten beruht darauf, dass durch diese Modifizierung der Oberfläche ein zusätzlicher Korrosionsschutz der Metalloberfläche realisiert wird. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass dies auch grundsätzlich möglich ist, die Effekte aber relativ schwach sind. Dies beruht vermutlich auf einer wenig stabilen Bindung der Moleküle an die Stahl-, Zink- oder Kupferoberfläche. In der Kombination der modifizierten Oberfläche mit der Beschichtung können ebenfalls keine deutlich positiven Effekte beobachtet werden. Bei längeren Auslagerungsversuchen kommt es zu einer beschleunigten Blasenbildung, was ebenfalls darauf hinweist, dass die Anbindung der Inhibitoren an die Metalloberfläche nicht stabil genug für diesen Anwendungszweck ist.

Die Ergebnisse der Beschichtungssysteme sind vielversprechend für das Substrat Kupfer. Der vernickelte Stahl zeichnet sich durch ein relativ schnelles Versagen der Beschichtung in den Prüfungen aus. Hier kann es eine Rolle gespielt haben, dass die Stahloberfläche nach der Reinigung relativ rau ist und die Beschichtungssysteme relativ dünn, so dass möglicherweise Fehlstellen in der Beschichtung vorhanden waren. Auf Kupferoberflächen zeigten die Beschichtungen aber einen langanhaltenden Korrosionsschutz, der sicher auch für Anwendungen in der Praxis geeignet ist. Auch eine Unterwanderung an Fehlstellen konnte nicht beobachtet werden. Die aus den Impedanzmessungen bestimmten Widerstände bleiben über lange Zeit in einem hohen Bereich, der auf eine ausreichende Stabilität des Beschichtungssystems hinweist.

Die Applikation der Beschichtung durch Tauchen oder Spritzen stellt einen einfachen Prozess dar, der zu guten Ergebnissen führt. Für die Applikation der Rohrinnenseite wurde die Beschichtung in ein Rolersystem im Labor eingefüllt und die überschüssige Beschichtung wieder abgelassen. Hierdurch ergeben sich Überdicken, die ungenügend abreagieren konnten. Auch zeigten sich kleine Fehlstellen in der Oberfläche. Hier müsste noch ein Optimierungsprozess der Rolerinnenbeschichtung stattfinden. Die relativ dünnen Schichtstärken erfordern sicher eine Optimierung des Beschichtungsprozesses. Bei der Aushärtung der Beschichtung entwickelt sich Ammoniak, welches langsam an das Trinkwasser abgegeben wird. Hier ist in Praxis darauf zu achten, dass dann ein genügend langer Zeitraum eingeplant wird, bis das Wasser wieder für das Trinken verwendet wird.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektergebnisse sind noch nicht veröffentlicht.


Fazit

Grundsätzlich konnten gute Ergebnisse für das Substrat Kupfer im Labormaßstab erzielt werden. Beschichtungen auf Basis von Polysilazanen bilden beim Aushärten im Wesentlichen ein SiO2-Netzwerk aus, welches einen glasartigen Charakter aufweist und damit umweltfreundlich ist. Verfahren zur Reinigung und Vorbehandlung von Rohrinnenoberflächen wurden entwickelt und erprobt. Die Haftfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung auf Kupferoberflächen ist in den Laborversuchen sehr gut. Verzinkte Stahlrohre zeigen keinen vergleichbar guten Effekt. Hier ist offensichtlich die Stabilität der Grenzfläche Beschichtung/verzinkter Stahl nicht ausreichend stabil, so dass es sehr schnell zu Enthaftungen kommt. Weitere Entwicklungen zur Stabilisierung der Grenzfläche sind notwendig. Die Applikation der Beschichtung durch Tauchen oder Sprühen ist gegeben. Auf Basis der vielversprechenden Ergebnisse kann ein klares betriebswirtschaftliches Potenzial für das Konzept gesehen werden. Vor einer Markteinführung sind zunächst Erprobungen und weitere Optimierungen an größeren Installationen sowie die Erlangung einer Trinkwasserzulassung erforderlich.

Die Antragstellerin und Bewilligungsempfängerin Warnecke & Böhm GmbH hat ihren operativen Geschäftsbetrieb zum 31.12.2022 aufgegeben. Zur Beendigung des Projektes und für eine mögliche spätere Verwertung wurde das Projekt zum 31.12.2022 von der Feycolor GmbH aus Regensburg übernommen.