Накипь или коррозия: как индексы Ланжелье и Ризнара читают анализ воды

Вода редко бывает «просто жёсткой» или «просто мягкой». Она либо стремится отложить карбонат кальция на стенках, либо растворить его, а заодно и защитный слой на металле. Какую сторону она выберет, зависит не от одной жёсткости, а от сочетания пяти показателей и температуры. Разберём, как это сочетание считают и что из расчёта следует для бойлера, труб и выбора водоподготовки.

Что на самом деле определяет накипь

Накипь в бытовых и промышленных системах — это в основном карбонат кальция. Он выпадает, когда в воде кальция и карбонат-ионов больше, чем она способна удержать в растворе. Эта способность зависит от четырёх вещей:

• ✓Кальциевая жёсткость — сколько кальция в воде.
• ✓Щёлочность — сколько гидрокарбонатов и карбонатов, из которых образуется карбонат-ион.
• ✓pH — чем он выше, тем большая часть гидрокарбонатов переходит в карбонат-ион.
• ✓Температура — в отличие от большинства солей, карбонат кальция при нагреве растворяется хуже.

Пятый показатель, общее солесодержание, влияет слабее: чем больше в воде посторонних ионов, тем растворимость немного выше.

Поэтому вода с одинаковой жёсткостью может вести себя противоположно. Жёсткая, но кислая вода с низкой щёлочностью накипи почти не даёт и при этом разъедает металл. Вода средней жёсткости с высокой щёлочностью и pH выше 8 даёт плотную накипь уже при умеренном нагреве.

Индекс Ланжелье: пересыщена вода или нет

Индекс насыщения Ланжелье (LSI) сравнивает фактический pH воды с pH насыщения — значением, при котором вода с тем же кальцием, щёлочностью, солесодержанием и температурой находилась бы в точном равновесии с карбонатом кальция.

LSI = pH − pHs

pH насыщения считают по формуле pHs = (9,3 + A + B) − (C + D), где:

• ✓A = (lg СС − 1) / 10, СС — общее солесодержание в мг/л;
• ✓B = −13,12 · lg(t + 273) + 34,55, t — температура в °C;
• ✓C = lg(Ca) − 0,4, Ca — кальциевая жёсткость в мг/л в пересчёте на CaCO₃;
• ✓D = lg(Щ), Щ — щёлочность в мг/л в пересчёте на CaCO₃.

Читается индекс просто. Положительный LSI — вода пересыщена и склонна откладывать карбонат кальция. Отрицательный — недосыщена и склонна его растворять: защитный карбонатный слой на стенках не образуется, металл открыт для коррозии. Около нуля — равновесие.

Индекс показывает направление, а не скорость. LSI +0,3 не значит, что бойлер зарастёт за месяц: скорость зависит ещё от количества кальция, режима потока и материала поверхности. Но знак индекса надёжно отвечает на главный вопрос — будет накипь или нет.

Индекс Ризнара: насколько сильна тенденция

Индекс Ризнара (RSI) построен на тех же величинах, но устроен иначе: RSI = 2·pHs − pH. Он получен из наблюдений за реальными трубопроводами и лучше отражает интенсивность процесса. Обычно его читают так: ниже 6 — вода откладывает накипь, тем сильнее, чем ниже значение; от 6 до 7 — зона, близкая к стабильной; выше 7 — вода агрессивна, выше 8 — заметно коррозионна.

На практике считают оба индекса сразу. Если они согласны между собой, выводу можно доверять. Если расходятся — вода на границе, и решение стоит принимать с запасом.

Разбор на примере: одна вода, две температуры

Возьмём воду из скважины со следующим анализом: кальциевая жёсткость 250 мг/л в пересчёте на CaCO₃ (около 5 °Ж), щёлочность 200 мг/л в пересчёте на CaCO₃, солесодержание 400 мг/л, pH 7,6. Посчитаем индексы для холодной воды при 15 °C и для воды в бойлере при 60 °C.

В холодной трубе вода близка к равновесию: LSI чуть выше нуля, RSI в стабильной зоне. Накипи в холодном водопроводе не будет. В бойлере та же вода даёт LSI около +1 и RSI ниже 6 — уверенная склонность к накипи. Именно поэтому жалоба «вода нормальная, а теплообменник зарастает» почти всегда верна по обеим половинам.

Одна оговорка к расчёту. В нём использован pH, измеренный при комнатной температуре. При нагреве pH воды тоже меняется, и точный расчёт это учитывает. Для решения о водоподготовке упрощённого расчёта хватает: он верно показывает направление и порядок величины.

Что делать с результатом

Решение зависит от того, куда указывает индекс и при какой температуре.

Вода склонна к накипи при нагреве. Основной способ — умягчение на ионообменной смоле: кальций и магний замещаются натрием, C в формуле падает, pHs растёт, индекс уходит вниз. Для небольших систем горячего водоснабжения применяют и дозирование полифосфатов или других ингибиторов накипи станцией дозирования: карбонат кальция при этом в воде остаётся, но хуже кристаллизуется на стенках.

Умягчённая вода становится агрессивной. Это обратная сторона умягчения, и о ней вспоминают реже. Вода после ионообменника с жёсткостью, близкой к нулю, имеет резко отрицательный LSI: карбонатный слой на стенках не образуется, а старый начинает растворяться. В сетях из оцинкованной стали и меди это проявляется ростом коррозии. Поэтому для горячего водоснабжения воду часто умягчают не до нуля: на выходе установки ставят подмес исходной воды и оставляют остаточную жёсткость, при которой индекс держится около нуля. Установки в исполнении Duplex дают непрерывную подачу умягчённой воды во время регенерации одного из баллонов — это важно, когда подмес настроен на постоянный поток.

Вода агрессивна уже в исходном виде. Характерно для мягкой поверхностной воды и для пермеата обратного осмоса, у которого почти нет ни кальция, ни щёлочности. Здесь воду стабилизируют: корректируют pH, пропускают через минеральную загрузку, которая добавляет кальций и щёлочность, или дозируют ингибитор коррозии.

Что дальше

Для расчёта нужны пять величин из одного протокола: кальциевая жёсткость (отдельно от общей), щёлочность, pH, общее солесодержание и температура отбора. Если в протоколе есть только общая жёсткость, расчёт получится завышенным: магний в формулу не входит. Как заказать анализ и прочитать протокол, разобрано в статье об анализе воды.

Посчитайте индексы для двух температур — холодной воды и рабочей температуры вашего бойлера или теплообменника. Если при рабочей температуре LSI выше нуля, а RSI ниже 6, нужна защита от накипи: смотрите ионообменные установки с подмесом на выходе или дозирование ингибитора. Если отрицательный LSI получился уже в холодной воде — сначала стабилизация, и только потом разговор о любом другом оборудовании.