21. Januar 2022

Gefahr durch Wasserstoffbildung

Die Verwendung verzinkter Rohrleitungen in Sprinkler-Nassanlagen wird in vielen Staaten verboten oder eingestellt – etwa in den USA, in Schweden und Norwegen. Auch der amerikanische Industriesachversicherer FM Global hat sich 2017 dagegen ausgesprochen. Was sind die Gründe, und was folgt daraus für die Praxis?

Im Frühjahr 2014 wurde erstmals über starke Druckerhöhungen in Sprinkleranlagen berichtet. Bei einem Vorfall in Dänemark kam es zu einer Verpuffung, aus dem Rohrnetz trat eine Stichflamme aus. In den Folgejahren wurden weitere Vorfälle bekannt, unter anderem 2020 in Helsinki und Kristiansand. Eine Untersuchung durch die Forschungsorganisation Sintef ergab, dass sich unter bestimmten Bedingungen bei Nassanlagen mit verzinkten Rohrleitungen Wasserstoff bildet.

Korrosion von Zink in Wasser

Zink schützt Stahl vor Korrosion durch zwei Mechanismen: Das reaktionsfreudige Zink fungiert als Opferanode und verhindert eine Reaktion zwischen Wasser und Stahl. Bei der Anwesenheit von Feuchtigkeit reagiert Zink mit Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid. Beim Trocknen wird die Zinkoberfläche durch die Bildung von Zinkcarbonat zusätzlich passiviert.

Sind verzinkte Oberflächen allerdings ständig in Kontakt mit Wasser, wirken diese Mechanismen anders. Sofern sich im mit Wasser gefüllten Rohrnetz Sauerstoff befindet, reagieren vornehmlich Zink und Sauerstoff: Das Zink wird oxidiert und gibt bereitwillig Elektronen ab. Bei der Oxidationsreaktion wird der im Wasser gelöste Sauerstoff verbraucht, und es bilden sich Hydroxidionen. Diese reagieren weiter mit den im Wasser gelösten Zinkionen, es bildet sich Zinkhydroxid. Die Oxidation von Zink läuft weiter, der Anteil an Sauerstoff nimmt immer mehr ab. Die freien Elektronen im Wasser reagieren verstärkt mit den Wassermolekülen. Es bilden sich Wasserstoff und weiterhin Zinkhydroxid. Diese Reaktion wird auch als Wasserstoffkorrosion bezeichnet.

Wasserstoffbildung ist grundsätzlich auch in Rohrleitungen aus schwarzem Stahlrohr möglich. Korrodiert dieser, wird das Eisen oxidiert. Dieser Umstand wird aber erst bei niedrigen pH-Werten stärker gefördert. Unter normalen Bedingungen verläuft die Reaktion deutlich langsamer als bei verzinkten Rohren.

Die wichtigsten Einflussfaktoren

• pH-Wert: Die relative Korrosionsrate bei einem pH-Wert von ca. 10–11 ist minimal. Schon bei neutralen oder leicht sauren pH-Werten verläuft die Korrosion vier- bis fünfmal schneller. Allerdings sollte ein pH-Wert von 10–11 nicht eingestellt werden, da sich hier Reizungen der Haut bemerkbar machen. Zudem ist nicht klar, wie sich andere Bauteile gegenüber erhöhten basischen pH-Werten verhalten. Typischerweise liegt der pH-Wert für Trinkwasser in Deutschland zwischen 7 und 9.
• Wasserhärte: In härterem Wasser korrodiert Zink langsamer als in weicherem. Das liegt an den Mineralien, die mit Zink eine Schutzschicht ausbilden. Zum Beispiel wird durch Calciumionen im Wasser eine schützende Calciumcarbonatschicht auf der Verzinkung ausgebildet. In weicherem Wasser, das es z.B. in Nordeuropa gibt, kann sich dieser Schutzfilm weniger stark ausbilden, die Korrosion verläuft schneller.
• Temperatur: Entsprechend der Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel) verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit, wenn die Temperatur um 10 °C erhöht wird. Erhöhte Temperaturen sind z. B. im Bereich von Oberlichtern und Fenstern, oder produktionsbedingt in der Umgebung von Öfen zu erwarten. Auch die Deckschichtbildung und eine sinkende Gaslöslichkeit beeinflussen die Korrosionsgeschwindigkeit.
• Agitation: Bei stagnierendem Wasser hat sich gezeigt, dass Schäden durch Korrosion häufig in Form von Lochfraß auftreten, da lokal ein erhöhter Anteil an Sauerstoff vorliegt. Bei agitiertem Wasser sind eher gleichmäßige Korrosionserscheinungen vorzufinden. In den Strang- und Verteilerleitungen sind somit lokale Korrosionsschäden wahrscheinlich, da dort das Wasser über längere Zeit stagnieren kann. In verzinkten Stations-Verteilerleitungen oder Druckleitungen von Druckluftwasserbehältern findet aufgrund der wöchentlichen Betreiberkontrollen ein regelmäßiger Austausch des Wassers statt. Das Wasser ist öfter in Bewegung und eine gleichmäßigere Flächenkorrosion dadurch wahrscheinlicher.
• Salze: Diverse im Wasser gelöste Salze, wie z. B. Natriumchlorid oder Calciumchlorid, erhöhen die Beweglichkeit der Elektronen in der Lösung. Der Austausch von Elektronen fällt dann leichter, was die Korrosion von Metallen beschleunigt. Zudem initiieren Chloridionen Fehlstellen in Oxidschichten, was eine lokale Korrosion begünstigt. Allgemein beschleunigt eine hohe Leitfähigkeit des Wassers die Korrosion von Zink. Die Grenzwerte der Trinkwasserverordnung sollten daher berücksichtigt werden, um das Auftreten von Korrosionsschäden zu minimieren.
• Oberfläche: Die Größe der Sprinkleranlage, bzw. der Anteil an verzinkten Rohrleitungen, erhöhen die Menge an Wasserstoff, die sich bei der Wasserstoffkorrosion bilden kann. 

Praktische Relevanz

Die Korrosionsbeständigkeit von Zink in Wasser hängt von der anfänglichen Ausbildung der Schutzschicht (Patina) unter atmosphärischen Bedingungen ab. Die Zeit von der Installation bis zur Inbetriebnahme ist in der Regel zu kurz. Bestimmte Verunreinigungen des Wassers, wie z. B. ein hoher CO2-Gehalt und ein damit einhergehender niedrigerer pH-Wert, greifen eine zuvor ausgebildete Patina an. Bereits schwach saure Lösungen beschleunigen die Korrosion auf einen Wert, der den Nutzen einer Verzinkung erheblich beinträchtigen kann.

Die Installation von Wartungsschiebern über den Alarmventilstationen wird seit der 2014er-Ausgabe der VdS CEA 4001 vorgeschrieben. Auch in älteren Anlagen wurden solche Absperrarmaturen nachträglich installiert. Konsequenz: Die regelmäßige Entleerung von Nassgruppen aufgrund jährlicher Wartungen und Inspektionen entfällt. Zur Entleerung der Gruppe kommt es nur noch bei Änderungsarbeiten oder Reparaturen an der Anlage. So kann das Wasser über eine lange Zeit sauerstoffarm im Rohrnetz verbleiben, was in verzinkten Rohrleitungen die Bildung von Wasserstoff begünstigen kann.

Mit der Bildung von Wasserstoff steigt der Systemdruck. In Ausnahmefällen wurde von Drücken deutlich über den zulässigen 12 bar in Sprinkleranlagen berichtet. Damit sind auch die zulässigen Drücke für verbaute Komponenten überstiegen. Rohrleitungen und Pressverbindungen könnten versagen. Aufgrund dieser Umstände wäre es möglich entsprechend VdS CEA 4001, Abschnitt 13.8 Überdruckventile installiert werden. Sofern die Druckerhöhung auf die Bildung von Wasserstoff zurückzuführen ist und nicht allein auf z. B. Temperaturerhöhungen des Rohrnetzes, wird der Ursache mit dieser Maßnahme jedoch nicht entgegengewirkt.

Kriechströme, die sich in den Rohrleitungen aufgrund fehlender Potentialausgleiche ausbilden, beeinflussen ebenfalls die Reaktionsgeschwindigkeit. Letztendlich kann man das mit Wasser gefüllte Rohr als kurzgeschlossenes galvanisches Element betrachten: Durch das Anlegen einer äußeren Spannung wird die Beweglichkeit der Elektronen erhöht. Zwar würde ein Potentialausgleich die Korrosion von Zink nicht gänzlich verhindern, könnte die Korrosion aber zumindest hemmen. Kriechströme können zudem bei Arbeiten am Rohrnetz zur Zündquelle in einer durch Wasserstoffbildung erzeugten explosiven Atmosphäre werden, wenn sie sich elektrisch entladen.

Laufende Untersuchungen und Ausblick

In Zusammenarbeit mit dem Bundesverband Technischer Brandschutz e.V. (bvfa) wurden in diesem Jahr Messungen mit Gasdetektoren an bestehenden Sprinkleranlagen durchgeführt. Gasanalysen wiesen den Wasserstoff in den Rohrleitungen nach. Bislang wurden etwa 80 Anlagen (ca. 40 Nass- und 40 Trockengruppen) untersucht, weitere sollen folgen. Das zeigen die bis jetzt vorliegenden Daten:

• Mit höherem Anteil an verzinkten Rohrleitungen steigen auch die gemessenen Gaskonzentrationen. In diversen Fällen wurde die untere Explosionsgrenze (UEG = 4 Vol.-% Wasserstoff in Luft) überschritten.
• Nassanlagen mit verzinkten Rohrleitungen zeigen deutlich häufiger höhere Gaskonzentrationen als Trockenanlagen mit verzinkten Rohrleitungen. In Anlagen mit 40 % verzinkten Rohrleitungen oder mehr (Bild 1) wurden

– Gaskonzentrationen ≥ UEG bei ca. 66 % der Nassanlagen gemessen. Dieser Wert wurde nur von 5 % der Trockengruppen erreicht.
– Gaskonzentrationen ≥ 50 % der UEG bei ca. 75 % der Nassanlagen gemessen. Dieser Wert wurde nur von 10 % der Trockengruppen erreicht.

• Die höchsten Gaskonzentrationen wurden an den Hochpunkten der Rohrnetze gemessen. Eine Ausnahme stellt der Sonderfall dar, wenn die Alarmventilstation über dem Rohrnetz liegt.
• Im Mittel wurden bei Nassanlagen am Rohrnetz ca. viermal höhere Gaskonzentrationen als in Trockengruppen gemessen (Bild 2).
• In allen Trockengruppen mit erhöhten Gaskonzentrationen stand zum Zeitpunkt der Messung aufgrund mangelhafter Entleerung Wasser in den Leitungen.
• Messungen an verzinkten Rohrleitungen lieferten in der Regel höhere Konzentrationen als Messungen an schwarzen Rohren der gleichen Anlage.
• Nassanlagen mit Wartungsschiebern zeigen im Mittel um den Faktor fünf höhere Gaskonzentrationen als Nassanlagen ohne Wartungsschieber.

Mit der Überarbeitung der neuen VdS CEA-Richtlinien für Sprinkleranlagen – Planung und Einbau: VdS CEA 4001: 2021-01 (07) wird von der Verwendung innenverzinkter Rohrleitungen hinter Nassalarmventilstationen explizit abgeraten.

Um Korrosion in den Rohrinnenseiten bei Trockenanlagen weitestgehend zu eliminieren, kann lediglich die Verwendung eines Stickstoffgenerators Erfolg bringen, da es nie gelingen kann, das Rohrnetz komplett „trocken“ zu bekommen. Durch Druckproben, Füllzeitmessungen oder sonstige Durchschläge sowie Mängel bei der Installation, wie z. B. fehlende Entleerungsmöglichkeiten oder unzureichendes Gefälle, wird sich das Rohrnetz nie komplett entleeren lassen können. Stickstoff bringt einen weiteren Vorteil mit sich: Durch den geringen Taupunkt wird kein Wasserkondensat in die Rohrleitungen eingebracht.

Der Entwurf der EN 12845-1 – „Fixed firefighting systems — Automatic sprinkler systems — Design, installation and maintenance“ sieht die Füllung des Rohrnetzes mit Stickstoff explizit als mögliche Maßnahme gegen Korrosion vor.

VdS Schadenverhütung sind keine Schadensfälle während des normalen Betriebs von Sprinkleranlagen bekannt. Alle bekannten Vorfälle ereigneten sich im Rahmen von Wartungen und Umbauarbeiten. Für diese Fälle gibt es organisatorische Maßnahmen, die zum Personenschutz getroffen werden können. Anhand der bekannten Fälle ist auch abzuleiten, dass es sich um kein Massenphänomen handelt. Aufgrund des hohen Maßes an Personengefährdung darf dieses Phänomen jedoch nicht unterschätzt werden. Die praxisnahen Untersuchungen werden weitergeführt, sodass das Ausmaß dieses Phänomens weiter beleuchtet werden kann.

Mögliche Abhilfen und Maßnahmen zum Personenschutz

In bestehenden Anlagen können u.a. folgende Maßnahmen zur Gefährdungserkennung und -minimierung getroffen werden:

• Eine Überwachung des Systemdrucks über den Alarmventilen von Nassgruppen mit verzinkten Rohrleitungen stellt keinen großen Mehraufwand bei den wöchentlichen Betreiberkontrollen entsprechend VdS CEA 4001 dar. Ein Anstieg des Drucks kann ein Indiz für Wasserstoffbildung sein.
• Monteure und Personen, die Arbeiten an den Sprinkleranlagen verrichten, müssen über die mögliche Personengefährdung informiert werden. Allgemein müssen Zündquellen bei Arbeiten an potenziell gefährlichen Rohrnetzen ferngehalten werden (z. B. allgemeines Rauchverbot).
• Vor Beginn der Arbeiten sollte freigemessen werden. Hierzu ist eine geeignete Messstrategie zu erstellen. Zum Messen sollten Gasdetektoren mit einem Sensor zur frühzeitigen Anzeige des Erreichens der unteren Explosionsgrenze (UEG) für Wasserstoff verwendet werden.
• Arbeiten am Rohrnetz sollten erst durchgeführt werden, nachdem das Rohrnetz ausreichend geleert ist und sich eventuell vorhandener Wasserstoff in der Umgebung verflüchtigen konnte. Beim Entleeren der Gruppe sollte auf eine ausreichende Ventilation der Umgebung geachtet werden. Auch hier gilt: Durch kontinuierliches Freimessen lässt sich eine sichere Arbeitsumgebung bestätigen.
• Messung des pH-Wertes beim verwendeten Löschwasser: Saure Umgebungsbedingungen fördern die Korrosion von Zink. Neutrale bis leicht basische pH-Werte entsprechend der Trinkwasserverordnung sollten eingehalten werden.
• Bei Arbeiten an verzinkten Rohrnetzen von Nassanlagen kann ATEX-zertifiziertes Werkzeug verwendet werden, das für Arbeiten in explosionsgefährdeten Bereichen zugelassen ist. Auch kann bei kleineren Arbeiten auf die Verwendung von Schlagschraubern verzichtet werden. Beim Bohren für Anbohrschellen ist besondere Vorsicht geboten.
• Wurde im Rohrnetz eine Wasserstoffbildung nachgewiesen, kann ein regelmäßiges Entleeren und Befüllen der betroffenen Gruppen dafür sorgen, dass es durch das sauerstoffangereicherte Wasser eher zur Sauerstoffkorrosion statt zur Wasserstoffkorrosion kommt. Diese Arbeiten sind nur von ausgebildetem Personal (anerkannte Errichterfirmen) durchzuführen.
• Die Entleerungsintervalle lassen sich durch ein Monitoring des Drucks ermitteln. Der Druckanstieg geschieht nicht schlagartig, sondern über einen längeren Zeitraum. Erhöht sich der Druck, sollte die Gruppe entleert werden. Die Erfahrungswerte ermöglichen nach einiger Zeit, einen Entleerungsplan aufzustellen.

Weitere Informationen

Ausführlich dargestellt und diskutiert wird das Thema „Verzinkte Rohrleitungen in Sprinkleranlagen – Explosionsgefahr durch Wasserstoffbildung“ auf der 2-tägigen VdS-Fachtagung „Feuerlöschanlagen international“ – im Rahmen der diesjährigen VdS-BrandSchutztage am 8./9. Dezember 2021 in der Koelnmesse (siehe Kasten VdS-BrandSchutzTage).

Das Merkblatt „VdS 3891 – Verzinkte Rohrleitungen in Sprinkleranlagen“ beschreibt Betreibern, Planern und Errichtern die Problematik und zeigt mögliche Optionen auf. Eine ausführliche Literaturliste verweist auf weiterführende Informationen. Das Merkblatt kann über den VdS-WebShop bezogen werden (bit.ly/3jKCIOo), ein Download ist kostenlos.

Autor: Dipl.-Ing. Jan Nikola, Sachverständiger für ortsfeste Brandschutzanlagen in der Niederlassung Empfingen der VdS Schadenverhütung GmbH

Bilder: VdS