Braunes Kühlwasser

Korrosion in Kühlkreisläufen und Kühlsystemen

Korrosion an metallischen Werkstoffen verursacht jährlich Schäden in Milliardenhöhe. Wir möchten in diesem Artikel speziell auf die Korrosion im Kühlwasser am Beispiel von offenen und geschlossenen Kühlkreisläufen eingehen. Hierbei handelt es sich häufig um Unterbelags-, Loch-, Flächen- oder mikrobiologisch induzierte Korrosion.

Warum verfärbt sich das Kühlwasser braun?

Sorgt für braunes Kühlwasser: Korrosion an Verrohrung

Sorgt für braunes Kühlwasser: Korrosion an Verrohrung

Betreiber von Kühltürmen, Verdunstungskühlanlagen oder anderen Kühlkreisläufen bemerken zu hohe Korrosionsraten häufig erst nach einer Verfärbung des Kühlwassers oder einer Verstopfung der Filter mit Korrosionsrückständen, meist Eisenoxiden. In der Regel ist braunes Kühlwasser also auf Korrosion zurückzuführen. Der umgangssprachlich gebräuchliche Begriff „Rost“ leitet sich von dieser rotbraunen Färbung ab.

Bei der Korrosion von eisenhaltigen Materialien, z. B. von Rohren oder Wärmetauschern, lösen sich Eisen-Ionen aus dem Werkstoff. Durch Sauerstoff im Wasser werden diese zu Eisen(III)-oxid (Fe2O3) oxidiert. Es entsteht ein rotbrauner Feststoff. Dieser ist jedoch nicht wasserlöslich, sodass die Rostpartikel das Kühlwasser nicht nur entsprechend verfärben, sondern auch zu ernsthaften Problemen in Kühlsystemen führen können.

Probleme von Rost in Kühlkreisläufen

Das auf den ersten Blick größte Problem von Korrosion in Kühlkreisläufen und Kühlsystemen ist der Ausfall der Anlage. Aufwendungen für notwendige Reparaturen, der Austausch von Anlagen bzw. Anlagenteilen oder Ausfallzeiten sind typische Folgekosten. Ein zweites Problem ist der verringerte Wirkungsgrad der Anlage durch Verschmutzungen des Wärmetauschers mit Korrosionsprodukten, was zu einer geringeren Wärmeübertragung führt. Die Korrosionsrückstände lagern sich oft in Zonen mit geringer Strömungsgeschwindigkeit und in Umlenkzonen ab. Auch wenn keine Umwälzung stattfindet, kommt es zu Ablagerungen. Verstopfte Filter, z. B. Vorfilter von Maschinen, sind auch ein bekanntes Problem. Wesentlich ist, dass die Eisenoxide den Korrosionsprozess immer mehr beschleunigen. Deshalb sollte man in der Praxis möglichst schnell reagieren.

Korrosionsarten

Vereinfacht gesagt unterscheidet man zwischen gleichmäßiger Flächenkorrosion und lokal begrenzter Korrosion. Bei gleichmäßiger Korrosion ist die hohe Verschmutzung meist die größte Herausforderung, da mehr Korrosionsrückstände anfallen. Bei der lokalen Korrosion stehen vornehmlich Reparaturen und der Austausch von Bauteilen im Vordergrund.

Die lokale Korrosion in Kühlkreisläufen und Kühlsystemen ist wohl am häufigsten anzutreffen. Hierzu zählt man Lochfraß, Entzinkung, Spalt- oder Unterbelagskorrosion, galvanische Korrosion, mikrobiologisch bedingte Korrosion oder die Spannungsrisskorrosion. Anodische und kathodische Stellen, die für Korrosion ursächlich sind, haben viele Gründe. Dazu zählen u. a. lokale Spannungen, Verunreinigungen im Werkstoff, unterschiedliche Werkstoffqualität (Korngröße, Zusammensetzung etc.) oder Unterschiede in der jeweiligen lokalen Umgebung des Korrosionselements. Hier sind vorrangig die Temperatur, der Sauerstoff und der Salzgehalt zu nennen. Wenn die lokalen Unterschiede gering sind und sich die anodischen und kathodischen Stellen von Ort zu Ort auf der Metalloberfläche verschieben können, ist die Korrosion gleichmäßig.

Die Erosionskorrosion ist sicher eine Sonderform der Korrosion, deren Gründe in der Regel in Strömungsgeschwindigkeiten, Feststoffteilchen im Wasser und ungünstiger technischer Bauausführung liegen.

Lochfraß ist eine aggressive Form der Korrosion und häufig in Kühlsystemen anzutreffen. Er tritt auf, wenn anodische und kathodische Stellen aufgrund großer Unterschiede in den lokalen Bedingungen an einer Stelle verbleiben. Wie Erfahrung zeigt, wird Lochfraß durch stehendes oder langsam fließendes Wasser und durch die Anwesenheit von Chloridionen stark begünstigt. Ist eine kleine Einkerbung einmal ausgebildet, kann das darinstehende Wasser immer mehr isoliert werden und seine korrosive Tendenz in sehr kurzer Zeit steigern. Hohe Korrosionsraten im entstandenen „Loch“ erzeugen einen Überschuss an positiv geladenen Metallkationen, die Chloridanionen anziehen. Weiter werden durch Hydrolyse H+ -Ionen entstehen. Durch steigenden Säuregehalt und höhere Aufkonzentration im „Korrosionsloch“ bildet sich eine mehr oder weniger starke, autarke Korrosion.

Fazit: Chloridbildende chemische Zusätze, z. B. Chlorbleichlauge, im Kühlsystem und damit in Verbindung stehende Einkerbungen und geringe Strömungsgeschwindigkeiten oder sogar stehendes Wasser sollten vermieden werden.

Galvanische Korrosion oder auch Kontaktkorrosion kann nur auftreten, wenn sich zwei unterschiedliche Metalle in einer elektrisch leitenden Lösung, z. B. Wasser, berühren. Grund für Kontaktkorrosion ist die elektrische Potenzialdifferenz, die zwischen den beiden Metallen vorherrscht. Umso größer die Potenzialdifferenz, desto größer die korrosiven Auswirkungen. Nehmen wir zum Beispiel Stahl und Kupfer: Während die Korrosionsrate des anodischen Metalls Stahl hoch ausfallen wird, wird die Korrosionsrate des edleren (kathodischen) Metalls Kupfer gering sein. Werden Kupfer und Stahl also in direktem Kontakt in leitenden Flüssigkeiten verbaut, wird der Stahl schneller korrodieren.

Bei diesem Beispiel handelt es sich wohl um die häufigste Form der galvanischen Korrosion in Kühlkreisläufen und Kühlsystemen. Selbst geringe Mengen von Kupfer bedingen meist einen schnellen galvanischen Angriff des Stahls. Die Menge an gelöstem Kupfer, die erforderlich ist, um diesen schnellen Korrosionseffekt hervorzurufen, ist sehr gering. Tritt diese Korrosionsform auf, ist es nicht einfach, die beschleunigte Korrosion zu stoppen. Ein Kupferkorrosionsinhibitor wird unentbehrlich sein, um die Auflösung von Kupfer zu verhindern.

Fazit: Galvanische Korrosion kann durch die Verwendung von Opferanoden gemindert werden, was die übliche Methode zur Kontrolle der Korrosion in bestimmten Wärmetauschern ist. Die Anoden sind direkt mit dem Stahl verschraubt und schützen einen begrenzten Bereich um die Anode. Die richtige Platzierung von Opferanoden sollte dabei unbedingt einer Fachfirma überlassen werden.

Die Vermehrung von Mikroorganismen im Kühlwasser ist oft nicht nur ein hygienisches Problem. Neben verminderter Wärmeübertragung kann Mikrobiologie, z. B. Algen, Bakterien oder Pilze, signifikant zu Korrosionserscheinungen beitragen. Mikrobiologie neigt dazu in Kühlkreisläufen sogenannte Biofilme auszubilden. Diese bestehen aus unzähligen Organismen, die untereinander eine Lebensgemeinschaft bilden. Außerdem dient er als Schutzraum vor äußeren Einflüssen, z. B. Bioziden. In Biofilmen können zahlreiche Arten von Organismen vorkommen, von aeroben Bakterien an der Wassergrenzfläche bis zu anaeroben Bakterien an der sauerstoffarmen Metalloberfläche.

Wie bereits erwähnt wurde, können Ablagerungen durch die Erzeugung unterschiedlicher Belüftungszellen eine aggressive lokale Korrosion verursachen. Die gleiche Problematik trifft auch auf den Biofilm zu. Bedenken Sie, dass viele Organismen im Biofilm Sauerstoff verbrauchen. Der mikrobiologische Stoffwechsel der Bakterien kann als Nebenprodukt sowohl organische Säuren als auch Schwefelwasserstoff produzieren. Dies sind ätzende Stoffe und können sich im Biofilm aufkonzentrieren und dort lokal für eine starke Korrosion verantwortlich sein. Die eigentliche Neigung von Korrosion, sich durch Korrosionsfolgeprodukte selbst zu begrenzen, wird in Biofilmen häufig aufgehoben. Der „Biofilm“ ist teilweise in der Lage, Korrosionshemmer von der lokalen Korrosionsstelle zu entfernen, was eine weitere Korrosion noch verstärkt.

Durch Biofilme bedingte Korrosion (MIC) erkennt man häufig an einer kreisförmigen Ausbreitung mit lokalen Korrosionselementen, ausgehend vom ersten Auftreten des Biofilms.

Fazit: Mikrobiologische Probleme und Korrosion können im Zusammenhang stehen. Der richtigen Wasserbehandlung kommt hier besondere Bedeutung zu.

Wie es der Name bereits verrät, tritt Spaltkorrosion in einem Spalt oder in einem Bereich auf, der von den grundsätzlichen Umgebungsbedingungen meist unabhängig ist. In einem Spalt oder einer Grube konzentriert sich häufig eine saure Lösung auf. Dabei ähnelt sie der Lochkorrosion. Da die Korrosionsmechanismen in beiden Prozessen praktisch identisch sind, fördern Bedingungen, die Lochkorrosion bzw. Lochfraß fördern, auch eine Spaltkorrosion.

Metalle, deren Korrosionsschutz ganz zentral von der Bildung von Oxidfilmen abhängig ist, wie z. B. bei Aluminium, sind meist sehr anfällig für Spaltangriffe, da die Oxidschichten z. B. durch hohe Chlorid-Konzentrationen (Zugabe von Chlor als Biozid) und niedrige pH-Werte zerstört werden können. Dies gilt auch für durch anodische Inhibitoren gebildete Schutzfilme.

Fazit: Der beste Weg, um Spaltkorrosion zu verhindern, besteht darin, Spalten zu verhindern. Dies mag banal klingen, aber Ablagerungen auf metallischen Oberflächen sollten nach Möglichkeit vermieden werden. Ablagerungen können u. a. durch suspendierte Feststoffe (z. B. Schlämme, Korrosionsrückstände) oder durch den Ausfall von Calciumcarbonat (Kalk) gebildet werden.

Unter Spannungsrisskorrosion versteht man das Reißen eines Metalls unter Zugspannung in einer korrosiven Umgebung. Die häufigsten Metalle in Kühlkreisläufen, die aufgrund Spannungsrisskorrosion zerstört werden, sind Edelstahl und Messing. Umso höher die Temperatur, desto höher ist im Allgemeinen die Gefahr von Spannungsrisskorrosion. Aus diesem Grund ist diese Art der Korrosion in Kühlsystemen relativ selten. In der Praxis sind derartige Korrosionsarten nur bei Temperaturen von deutlich über 60 °C zu beobachten gewesen.

Chlorid ist der Hauptverursacher der Spannungsrisskorrosion von rostfreien Stählen. Hohe Chloridkonzentrationen, die z. B. aus hohen Chlorzugaben resultieren, erhöhen die Empfindlichkeit der rostfreien Stähle. Obwohl niedrige Wassertemperaturen diese Korrosionsart meist ausschließen, kann es in derartigen Kühlsystemen zur Zerstörung des Edelstahls kommen. Fast immer steht Spannungsrisskorrosion weiter in Verbindung mit Spalten, die meist aufgrund von Ablagerungen im Kühlkreislauf entstehen. Hier kann sich eine Chlorid-Konzentration von z. B. 50 mg/l auf bis zu 5.000-10-000 mg/l (=0,5 – 1 %) in einem Spalt aufkonzentrieren. Wenig Durchströmung begünstigt diese Korrosionsart ebenfalls. Bei Messing ist Ammonium meist die Ursache für eine Spannungsrisskorrosion. Ist kein Ammoniak in erhöhtem Maße vorhanden, konnten wir derartige Schäden noch nicht feststellen.

Fazit: Die wirksamste Methode, Spannungsrisskorrosion in Edelstahl- und Messingsystemen zu verhindern, besteht darin, das System sauber und frei von Ablagerungen zu halten. Ein guter Korrosionsinhibitor ist ebenfalls vorteilhaft. Chromat und Phosphat wurden bereits erfolgreich eingesetzt, um Spannungsrisskorrosion von rostfreiem Stahl bei sehr hohen Chloridwerten zu verhindern.

Unter Erosionskorrosion versteht man einen Metallabtrag durch Abrieb. Häufig erkennt man ihn an Rillen und rundlichen Löchern, die glatte Kanten haben und an denen ein Fließmuster zu erkennen ist. Sehr hohe Wasserfließgeschwindigkeiten in Kühlkreisen und abrasive Schwebstoffe im Kühlwasser können in Umlenkzonen, z. B. 90°-Bögen, Erosionskorrosion verursachen. Die sogenannte Kavitation (Beschädigung durch Blasenbildung und Energiefreisetzung beim Implodieren der Blasen) ist eine Form der Erosionskorrosion.

Fazit: Die Erosionskorrosion ist durch bauliche Mängel bedingt und sehr selten in Kühlkreisläufen zu beobachten. Häufiger tritt sie jedoch bei Heißwasser- und Dampfsystemen auf.

So verhindern Sie Korrosion in Kühlkreisläufen und Kühlsystemen

Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten. Zum einen kann das von Korrosion angegriffene Material ausgetauscht werden. Ein großer Nachteil aber sind zum Beispiel bei einer Ausführung in Edelstahl die hohen Kosten und dass es teilweise gar nicht möglich bzw. sehr unwirtschaftlich ist. Weiter sollte bedacht werden, dass hochlegierte, sehr korrosionsbeständige Werkstoffe eher zu Spannungsrisskorrosion neigen. Wobei dies in vielen Kühlkreisen vernachlässigt werden kann.

Eine zweite, meist wirtschaftlichere Möglichkeit ist es, die Rahmenbedingungen zu ändern, was in der Regel die Wasserbeschaffenheit ist.

In wässrigen Systemen gibt es 3 grundsätzliche Möglichkeiten:

  1. Bildung eines Schutzfilms an der Metalloberfläche unter Ausnutzung des natürlichen Calciums und der Alkalität im Wasser: Wichtige Parameter für Stahl und Gusseisen sind hierbei beispielhaft ein Sauerstoffgehalt von >3 mg/l, ein pH-Wert >7, eine Säurekapazität von >2 mmol/l und ein Calciumgehalt >40 mg/l. Flächenkorrosion kann dadurch gut minimiert werden. Die kontrollierte Bildung einer Calciumcarbonatschutzschicht (Kalk) ist jedoch kompliziert, weshalb wir in Kühlkreisläufen davon abraten. In industriellen Kühlkreisläufen wird dies nur in Ausnahmefällen eingesetzt und bedingt eine sehr hohe Expertise.
  2. Der aggressive Sauerstoff kann durch mechanische Entlüftung oder chemische Sauerstoffbindung entfernt werden. Bei offenen Kühltürmen bzw. Verdunstungskühlanlagen ist dies aufgrund des ständigen Kontakts des Wassers mit der Atmosphäre natürlich nicht möglich.
  3. Die gängigste und meist auch am einfachsten zu realisierende Methode ist, das RICHTIGE Korrosionsschutzmittel in der RICHTIGEN DOSIERUNG hinzufügen. Unter Korrosionsschutzmittel sind hier im weiteren Sinne auch Produkte zu verstehen, die Ablagerungen, z. B. Kalk (Härtestabilisatoren) oder Biofilme (Biozide) im Kühlkreislauf bzw. Kühlsystem vermeiden. Auch kleine Maßnahmen, wie z. B. eine Veränderung des pH-Wertes oder der Speise-/Zusatzwasserbeschaffenheit kann in vielen Fällen sehr erfolgreich sein.

Weitere Infos zu unseren Mitteln gegen Korrosion in Kühlkreisläufen und Kühlsystemen finden Sie hier.

Autor: Jürgen Tauschek, aqua-Technik Beratungs GmbH

2020-03-18T08:40:13+01:00