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Rivista Idraulica 54

Inconvenienti tipici ad impianti funzionanti

Durante l'esercizio degli impianti possono presentarsi inconvenienti quali:

  • incrostazioni
  • corrosioni
  • depositi
  • crescite biologiche
  • congelamento
  • residui di degradazione del fluido termovettore.

Una corretta progettazione, un'installazione ed una messa in servizio a regola d'arte ed una gestione attenta possono evitare l'insorgere di tali problematiche o, comunque, limitarne gli effetti nel tempo.

Tralasciando il congelamento (solo per impianti o porzioni esposte al freddo) ed il degrado del fluido termovettore (relativo ad impianti solari o di condizionamento), ci soffermeremo ad analizzare gli inconvenienti tipici di un impianto nell'ottica di ridurli od eliminarli. 

Schema riassuntivo delle possibili problematiche

Le incrostazioni sono il risultato del deposito di calcio e magnesio (sali che determinano la durezza) sulle pareti delle tubazioni, sulle superfici di scambio e sugli organi di controllo e regolazione.

La quantità di deposito dipende:

  • dalla temperatura
  • dalla durezza dell'acqua
  • dal volume di acqua utilizzata.

A differenza di altri sali, i sali di calcio e magnesio diventano meno solubili all'aumentare della temperatura; per questo motivo sono a rischio incrostazioni tutti gli impianti in cui viene riscaldata l'acqua.

Sono generalmente note le incrostazioni che si formano nel circuito dell'acqua calda sanitaria, su bollitori, scambiatori, tubazioni e rubinetti di erogazione. In questi sistemi sia la tempertura che   il volume di acqua utilizzata sono elevati e le incrostazioni sono facilmente visibili.

Tipologia di ioni nell'acqua degli impianti

Negli impianti di riscaldamento rivestono un'importanza relativamente marginale in quanto la precipitazione del carbonato di calcio e dell'idrossido di magnesio contribuiscono alla formazione di depositi solo nella fase iniziale: il calcare contenuto nell'acqua di riempimento si deposita nelle zone più calde del sistema (generalmente la caldaia).

Tuttavia, una volta formatosi, il calcare non viene eliminato scaricando acqua dall'impianto.

In caso quindi di scarico parziale dell'acqua e successivo rabbocco, si avrà un ulteriore apporto di sali di calcio nel sistema che produrranno un ulteriore spessore di calcare.

In caso di frequenti rabbocchi (dovuti a manutenzione o malfunzionamenti), il continuo apporto di acqua di riempimento può procurare, anche nel breve periodo:

  • rumorosità in caldaia causata dal surriscaldamento localizzato dell'acqua circolante che porta alla formazione del vapore;
  • riduzione progressiva delle sezioni di passaggio nelle tubazioni fino alla completa occlusione;
  • riduzione dello scambio termico sulle superfici degli scambiatori.

Per prevenire la formazione di incrostazioni, l'acqua può essere trattata:

  • internamente con l'aggiunta di specifici inibitori
  • esternamente attraverso l'addolcimento dell'acqua di riempimento.

NB: Se consideriamo un'acqua di riempimento avente una durezza temporanea di 30°f, contenente quindi 0,3 grammi per litro di sali di calcio e magnesio sedimentabili, il calcare che si può formare in 100 litri di acqua è pari a 30 grammi.

Il fenomeno più temuto in un impianto di riscaldamento e che più incide nella formazione dei fanghi è senz'altro la corrosione. È un fenomeno molto complesso che tende generalmente ad investire l'impianto nella sua totalità e non solo in singole parti di esso.

La corrosione è il risultato di molteplici fattori quali la tipologia di metalli presenti, le caratteristiche chimico-fisiche dell'acqua e le sue condizioni fluidodinamiche (temperatura, velocità e pressione).

Le corrosioni si possono dividere in due categorie principali:

  • generalizzata, si sviluppa in modo omogeneo su tutta la superficie metallica;
  • localizzata, si sviluppa in prossimità di specifiche zone dei metalli.

Le cause delle corrosioni possono essere molteplici:

  • Correnti vaganti
  • Ossigeno disciolto nell'acqua
  • Elettrolisi
  • Erosione
  • Cavitazione
  • Depositi
  • Incrinature nei materiali

In generale sono particolarmente favorite dalla concomitante presenza di depositi su superfici metalliche.

Fenomeno della corrosione

In generale sono particolarmente favorite dalla concomitante presenza di depositi su superfici metalliche. Negli impianti di riscaldamento la corrosione da sottodeposito (chiamata anche corrosione per aerazione differenziale) rappresenta buona parte dei fenomeni corrosivi che possono avvenire all'interno del circuito chiuso. In presenza di acqua, uno strato di impurità su una superficie metallica (ad esempio depositi di ossidi di ferro) porta alla formazione di due zone (acqua/impurità e impurità/metallo) con diverso tenore di ossigeno.

 

La zona acqua/impurità (zona catodica) è sensibilmente più ricca di ossigeno rispetto a quella impurità/metallo (zona anodica). Si sviluppa così un effetto "pila" localizzato con flussi di corrente che portano alla corrosione delle superfici metalliche. Si verifica in zone dove le velocità di scorrimento del fluido sono molto basse e, quindi, dove possono formarsi facilmente depositi. Cercheremo di analizzare, di seguito, l'effetto delle corrosioni sui materiali più comunemente utilizzati negli impianti di riscaldamento.

Il perché della corrosione

Materiali ferrosi

I materiali ferrosi in presenza di ossigeno e di depositi sono facilmente soggetti a corrosione generalizzata.

La corrosione generalizzata provoca la formazione di magnetite, la tipica fanghiglia grigio-scura che si trova spesso negli impianti di riscaldamento e nei vecchi radiatori di riscaldamento (termosifoni) in ferro e ghisa.

La formazione di magnetite è un processo che si autoalimenta: i depositi di magnetite possono creare ulteriore corrosione da sottodeposito.

La magnetite è un ossido di ferro con importanti proprietà magnetiche. Per questo motivo, può essere rimossa tramite dispositivi dotati di magnete.

Se l’ossigeno continua ad essere presente nell’impianto, la magnetite continua la sua reazione chimica e si trasforma in ematite  che causa corrosione puntiforme all’interno dell’impianto.

Rame e leghe di rame

Rame e leghe di rame

Il rame è un metallo nobile e pertanto presenta una buona resistenza alla corrosione.

Tuttavia, può comunque essere soggetto a leggere corrosioni:

  • uniformi in presenza di ossigeno; tale reazione si traduce nella formazione di uno strato protettivo di ossido di passivazione che impedisce alla corrosione di progredire.
  • localizzate in presenza di depositi sulle superfici.

Quando il rame è corroso si dissolve in piccole quantità che si sciolgono nell'acqua e possono a loro volta dar origine a corrosioni con altri metalli presenti nell'impianto, quali acciaio dolce o alluminio.

Alcune leghe di rame contenenti zinco (ottone), se di scarsa qualità possono dar luogo a reazioni come la dezincificazione, cioè la dissoluzione dell'ottone con la formazione di ioni zinco e ioni rame. Tali processo, oltre a creare possibili depositi, compromette le proprietà meccaniche dell'ottone.

Alluminio

Alluminio

L'alluminio si autoprotegge dalle corrosioni formando uno strato protettivo se il pH dell'acqua è compreso tra 7 ed 8,5. In alcune condizioni, tuttavia, il film protettivo può essere danneggiato da:

  • alterazione del pH
  • concentrazioni elevate di cloruri
  • presenza di rame nel circuito (si crea una corrosione bimetallica)

e può causare corrosioni localizzate che possono portare rapidamente alla perforazione del metallo. Essendo sensibile alle variazioni di pH, è necessario prestare particolare attenzione nell'utilizzo di acqua addolcita o demineralizzata, povera di sali. I sali disciolti nell'acqua hanno infatti un effetto "tampone", limitano cioè le variazioni di pH. 

 

Acciaio inossidabile

Acciaio inossidabile

L'acciaio inossidabile è in genere resistente alla corrosione. In alcuni casi possono manifestarsi corrosioni localizzate in presenza di ione cloruro.

Per assicurare l’assenza di questo ione, talvolta viene prescritto un trattamento di demineralizzazione per l’acqua di riempimento. Nel caso siano presenti materiali sensibili alle variazioni di pH dell’acqua (come visto per l’alluminio) è necessario aggiungere in seguito sostanze in grado di stabilizzarne il valore o, in alternativa, monitorare le variazioni di acidità e alcalinità dell’acqua.

Alcune leghe di acciaio (AISI 316) contengono il molibdeno e sono più resistenti alla corrosione  (specialmente da cloruri) rispetto a quelle senza (AISI 304).

Materie plastiche

Materie plastiche

Le materie plastiche non sono generalmente attaccabili chimicamente dall'acqua contenuta negli impianti di riscaldamento e di condizionamento e dalle sostanze disciolte o disperse in essa. Pertanto non presentano particolari problemi di corrosione.

I depositi si formano in seguito alla precipitazione delle sostanze in sospensione che come abbiamo visto, siano esse organiche o inorganiche, sono insolubili in acqua.

Gli ossidi metallici fanno parte dei depositi che si possono formare all'interno di un impianto e possono dare origine a fenomeni di incrostazione.

I depositi si possono evitare eseguendo una pulizia dell'acqua di riempimento, di quella in circolazione, ed eseguendo un idoneo condizionamento chimico dell'acqua.

Comprendono tutte quelle forme di vita quali batteri, funghi, alghe e lieviti, la cui crescita è favorita dalla luce, dal calore, dalla presenza di ossigeno e depositi, da inquinamenti accidentali e da condizioni impiantistiche sfavorevoli.

Tali micro-organismi sopravvivono nei detriti presenti nell'impianto dopo la sua realizzazione oppure sono presenti nell'acqua di riempimento.

La loro crescita è favorita da:

  • presenza di ossigeno (indispensabile per i batteri aerobici)
  • basse temperature (37/38°C è la temperatura ottimale per la crescita di batteri e funghi)
  • presenza di sostanze organiche (nutritive per i batteri)
  • prodotti per il trattamento dell'acqua, come i biocidi stessi, che quando perdono l'effetto protettivo possono diventare un nutriente per le proliferazioni batteriche.
  • condizioni di ristagno (sotto ai depositi fangosi crescono i batteri anaerobici, il cui metabolismo promuove la formazione di pile localizzate di corrosione).
  • depositi calcarei (sono ambienti ottimali per lo sviluppo dei batteri).

Sono a rischio gli impianti di riscaldamento contenenti rami morti, ristagni di acqua ferma, e, soprattutto, gli impianti radianti a bassa temperatura. 

I batteri, se isolati, non sono pericolosi. Tuttavia la crescita batterica porta ad un deposito di limo biologico (biofilm) sulle pareti delle tubazioni che, se non opportunamente contrastato, riduce lo scambio termico ed il passaggio dell'acqua.

Il biofilm è difficilmente penetrabile e può essere rimosso solo con appositi prodotti (biocidi) o trattamenti.