Braunes Kühlwasser – Korrosion und Rost in Kühltürmen, Verdunstungskühlanlagen und Kühlkreisläufen

Korrosion von metallischen Werkstoffen verursacht jährlich Schäden in Milliardenhöhe. Wir möchten in diesem Artikel speziell auf die Korrosion bei Kühlwasser am Beispiel von offenen und geschlossenen Kühlkreisläufen eingehen. Hier sind die Korrosionsarten Unterbelags-, Loch-, Flächen- oder mikrobiologisch induzierte Korrosion häufig ein Thema.

Rotbraunes / Braunes Kühlwasser im Kühlkreislauf

Betreiber von Kühltürmen, Verdunstungskühlkreisläufen oder sonstigen Kühlkreisläufen bemerken zu hohe Korrosionsraten häufig erst nach einer Verfärbung des Kühlwassers oder verstopften Filtern mit Korrosionsrückständen, meist Eisenoxiden. Rötlich-braunes Kühlwasser ist in aller Regel auf Korrosion zurückzuführen. Der umgangssprachlich gebräuchliche Begriff „Rost“ leitet sich von dieser braun-roten 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 nicht wasserlöslich, sodass diese Rostpartikel das Kühlwasser nicht nur entsprechend färben, sondern auch zu ernsthaften Problemen führen können.

Ist zu wenig Sauerstoff zur Oxidation vorhanden, z. B. in hermetisch geschlossenen Kühlkreisläufen bildet sich oft schwarzer Magnetitschlamm (Fe3O4), der sich als schwarzer Rückstand absetzt. Das ist der Grund weshalb Heizungswasser häufig schwarz verfärbt ist. In der Praxis ist die Folge von Korrosion häufig ein Gemisch aus verschiedenen Eisenoxiden, was meist allgemein als Rost bezeichnet wird.

In Kühlsystemen verursacht Korrosion einige grundlegende Probleme. Das auf den ersten Blick größte Problem ist ein Ausfall der Anlage. Kosten für notwendige Reparaturen, der Austausch von Anlagen / Anlagenteilen oder Ausfallzeiten sind typische Folgekosten. Ein zweites Problem ist ein verringerter Wirkungsgrad der Anlage durch Verschmutzungen des Wärmetauschers mit Korrosionsprodukten (geringerer Wärmeübertrag). Die Korrosionsrückstände lagern sich oft in Zonen mit geringer Strömungsgeschwindigkeit, Umlenkzonen oder allgemein, wenn keine Umwälzung stattfindet, ab. Verstopfte Filter, z. B. Vorfilter von Maschinen, sind auch ein gängiges Problem. Sehr wesentlich ist, dass die Eisenoxide den Korrosionsprozess immer mehr beschleunigen. In der Praxis sollte also schnell reagiert werden.

Korrosionsarten in Kühlkreisläufen / Kühlsystemen – Lochfraß/Lochkorrosion, Galvanische Korrosion/Kontaktkorrosion), Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion (MIC), Spalt-, Spannungsriss- und Erosionskorrosion

Vereinfacht gesagt kann man gleichmäßige Flächenkorrosion und auf lokale Gebiete begrenzte Korrosion unterscheiden. 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 ist in Kühlkreisen und Kühlsystemen 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. Zu nennen wären u. a. lokale Spannungen, Verunreinigungen im Werkstoff, unterschiedliche Werkstoffqualität (Korngröße, Zusammensetzung etc.) oder Unterschiede in der jeweiligen lokalen Umgebung des Korrosionselementes. Hier sind vorrangig die Temperatur, der Sauerstoff und der Salzgehalt zu nennen. Sind die lokalen Unterschiede gering und können sich die anodischen und kathodischen Stellen von Ort zu Ort auf der Metalloberfläche verschieben, ist die Korrosion gleichmäßig.

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

Lochfraß / Lochkorrosion

Lochfraß ist eine aggressive Form der Korrosion und häufig in Kühlsystemen anzutreffen. Lochfraß oder Lochkorrosion tritt auf, wenn anodische und kathodische Stellen aufgrund großer Unterschiede in den lokalen Bedingungen an einer Stelle verbleiben. Die Erfahrung zeigt, dass Lochfraß durch stehendes oder langsam fließendes Wasser und durch die Anwesenheit von Chloridionen stark begünstigt wird. Ist eine kleine Einkerbung/Grube einmal ausgebildet, kann das darinstehende Medium/Wasser immer mehr isoliert werden und seine korrosive Tendenz kann in sehr kurzer Zeit steigen. 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 höherer Aufkonzentration im „Korrosionsloch“ entsteht eine mehr oder weniger autarke, starke Korrosion an einem bestimmten Ort.

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

Galvanische Korrosion / Kontaktkorrosion

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

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

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

Mikrobiologisch beeinflusste Korrosion (MIC)

Die Vermehrung von Mikroorganismen im Kühlwasser ist häufig nicht nur ein hygienisches Problem. Neben häufig vermindertem Wärmeübertrag kann Mikrobiologie, also z. B. Algen, Bakterien, Pilze, signifikant zu Korrosionserscheinungen beitragen. Mikrobiologie neigt dazu in Kühlkreisläufen sogenannte Biofilme auszubilden. Biofilme bestehen aus unzähligen Organismen, die untereinander eine Lebensgemeinschaft bilden. Der Biofilm dient weiter 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 wie sulfatreduzierenden Bakterien an der sauerstoffarmen Metalloberfläche.

Es wurde bereits erwähnt, dass Ablagerungen durch die Erzeugung unterschiedlicher Belüftungszellen eine aggressive lokale Korrosion verursachen können. Die gleiche Problematik kann ein Biofilm verursachen. Bedenken Sie, dass viele Organismen im Biofilm Sauerstoff verbrauchen. Der mikrobiologische Stoffwechsel der Bakterien kann als Nebenprodukt sowohl organische Säuren und 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 aufgrund von Korrosionsfolgeprodukten selbst zu begrenzen, wird in Biofilmen häufig aufgehoben. Der „Biofilm“ kann teilweise Folgeprodukte von der lokalen Korrosionsstelle entfernen. Dies verstärkt die weitere Korrosion.

Durch Biofilme bedingte Korrosion (MIC) erkennt man häufig durch eine kreisförmige Ausbreitung mit lokalen Korrosionselementen von der anfänglichen Stelle des Biofilms.

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

Spaltkorrosion

Wie es der Name bereits verrät, tritt Spaltkorrosion in einem Spalt oder in einem Bereich auf, der von den grundsätzlichen Umgebungsbedingungen meist unabhängig ist. Sie ähnelt der Lochkorrosion. In einem Spalt oder einer Grube konzentriert sich häufig eine saure Lösung auf. Da die Korrosionsmechanismen in beiden Prozessen praktisch identisch sind, fördern Bedingungen, die Lochkorrosion / 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 eine gute Kühlwasserbehandlung und -aufbereitung ist elementar. Ablagerungen auf metallischen Oberflächen sollten vermieden werden. Ablagerungen können u. a. durch suspendierte Feststoffe (z. B. Schlämme, Korrosionsrückstände) oder durch Ausfall von Calciumcarbonat (Kalk) gebildet werden.

Spannungsrisskorrosion

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, umso 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 größer als 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 meist diese Korrosionsart 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 ebenfalls diese Korrosionsart. Bei Messing ist Ammonium meist die Ursache. Ist kein Ammoniak in erhöhtem Maße vorhanden, konnten wir derartige Schäden noch nicht feststellen.

Fazit: Die wirksamste Methode, um 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.

Erosionskorrosion

Unter Erosionskorrosion versteht man einen Metallabtrag aufgrund von 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 folgender Energiefreisetzung beim Implodieren der Blasen) ist eine Form der Erosionskorrosion.

Fazit: Aufgrund baulicher Mängel bedingt und sehr selten in Kühlkreisläufen zu beobachten. Häufiger jedoch im Bereich Heißwasser- und Dampfsystemen.

Korrosion / Rost in Kühlkreisläufen und Kühlsystemen verhindern

Vom Grundsatz bestehen 2 Möglichkeiten. Einmal kann das von Korrosion angegriffene Material ausgetauscht werden. Alles beispielhaft in Edelstahl auszuführen ist jedoch teuer, teilweise nicht möglich bzw. einfach unwirtschaftlich. 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, im Regelfall ist dies die Wasserbeschaffenheit, zu ändern. In wässrigen Systemen gibt es hier 3 grundsätzliche Möglichkeiten:

  • Unter Ausnutzung des natürlichen Calciums und der Alkalität im Wasser einen Schutzfilm auf der Metalloberfläche bilden. 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 hierbei gut minimiert werden. Die kontrollierte Bildung einer Calciumcarbonatschutzschicht (Kalk) ist jedoch eine Wissenschaft. In Kühlkreisläufen raten wir hiervon ab. In industriellen Kühlkreisläufen wird dies nur in Ausnahmefällen eingesetzt und bedingt eine sehr hohe Expertise.
  • 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.
  • Das gängigste, meist auch am einfachsten zu realisierbare Mittel 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.

Wir wünschen Ihnen einen langen, störungsfreien Betrieb.

Autor: Jürgen Tauschek, aqua-Technik Beratungs GmbH

2019-11-20T11:42:15+01:00