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Wasserführende Anlagen reagieren ---

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Korrosion und Verschleiß durch

Metallteilchen

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AG Dipl.-Ing. Ressy Reenis; Dipl.-Ing. Hans Vissers *

Die Chemie eines perfekt eingespielten TeamsIn Warmwasser-Heizungsanlagen kommt es auf abgestimmte Maßnahmen an

Was macht ein Team wirklich erfolg-reich? So mancher Trainer sucht eif-rig nach der entscheidenden Formel, um sein Team auf ein höheres Ni-veau zu bringen. Die Antwort ist schnell gefunden, doch leider nicht immer ganz einfach umzusetzen: Man bringe die gewünschten Eigen-schaften zusammen und sorge dafür, dass die Teammitglieder sich gegen-seitig verstärken, indem sie zusam-menarbeiten. Wichtig ist, in jeder einzelnen Disziplin das Beste heraus-zuholen, mit einem gemeinsamen Ziel vor Augen. Denn dann entsteht die richtige Chemie: Ein gutes Zu-sammenspiel mit einem stabilen Re-sultat. Das „Wasserteam“ einer Hei-zungsanlage funktioniert genauso. Die richtige Chemie in der Anlage sorgt für ein optimales Zusammen-spiel, ohne die angestrebte Leistung zu beeinträchtigen.

* Dipl.-Ing. Hans Vissers Manager Product Development & Innovation Spirotech bv NL-5705 BK Helmond Fax +31 492 541 245 info@spirotech.nl

* Dipl.-Ing. Ressy Reenis Chemical Research Engineer Spirotech bv NL-5705 BK Helmond Fax +31 492 541 245 info@spirotech.nl

Schematische Darstellung: Eisen korrodiert in Gegenwart von Sauerstoff und Wasser –

es entsteht Rost.

also ein natürlicher Prozess, bei dem Me-talle in Kontakt mit der Umgebung auf-grund anodischer und kathodischer Re-

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Korrosion (Sauerstoffkorrosion) und die lokale Korrosion (Lochfraßkorrosion, mi-krobiologische Korrosion, Korrosion un-ter Ablagerungen und Erosionskorrosion)

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hersehbar und kann zu Leckagen mit be-

Auswirkungen auf die verschiedenen Metalle

-leme zu skizzieren, die auftreten kön-nen, soll nachfolgend der Reihe nach die

-ten Anlagenbauteile sind aus Eisen bezie-

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form, die in der Regel eine Schutzschicht

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gelöster Sauerstoffmoleküle, die mit dem --

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(nahezu) neutralen Umgebung korro--

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Korrosionsreaktionen bei anderen Metal-

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guter Korrosionsschutz besteht neben -

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Absolut dicht gibt es nicht

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schützt sind, da in solchen Anlagen kein

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jedoch nicht. Man denke zum Beispiel an die nicht diffusionsdichten Leitungen von Fußbodenheizungen. Faktisch gesehen sind alle Kunststoffe mehr oder weniger luftdurchlässig. Dies gilt in gleicher Weise für die Membranen von Ausdehnungs-gefäßen und die Dichtungen der Verbin-dungsstücke und Leitungen. Da Anlagen nie völlig gasdicht sind, bieten sie einen guten Nährboden für Korrosionsreaktio-nen mit einer begrenzten Menge Sauer-stoff. Anlagenteile mit einem geringen

an gelöstem Sauerstoff sind ideal für die Bildung von Magnetit. Selbst dann, wenn kaum gelöster Sauerstoff vorhan-den ist, nimmt die Korrosionsreaktion

ihren Lauf. Dies wird auch als Schikorr-Reaktion bezeichnet, eine Reaktion, bei der Wasserstoffgas (H

2) als Nebenpro-

dukt entsteht. Es ist vor allem diese Reak-tion, die für die fortlaufende Bildung von Magnetit sorgt.

Korrosionsrisiko bei Aluminium und Edelstahl

Aluminium ist ein Metall, das vor allem in Wärmeübertragern und Heizelementen

-satz zu Eisen bilden Aluminium und Alu-miniumlegierungen eine gut haftende und geschlossene Oxidschicht, wenn das Material mit Wasser in Berührung kommt.

runter liegende Metall vor weiterer Oxida--

perfekt. Die schützenden Eigenschaften der Aluminiumoxidschicht können durch

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mit einem neutralen pH-Wert kann die stabile Oxidschicht durch Kratzer, Erosion infolge harter Schlammpartikel (Kalk, Magnetit) und lokale Angriffe durch ag-

-stört werden. Dadurch wird der Korro-

sauren (pH-Wert < 4) oder basischen At-mosphäre (pH-Wert > 9) wird die Alumi-niumoxidschicht sogar ganz aufgelöst. Auch die Korrosionsgeschwindigkeit von Aluminium in Wasser hängt von verschie-

vom pH-Wert, von der Temperatur, der elektrischen Leitfähigkeit, der Anwesen-heit von bestimmten Elementen und dem

-stahl in Wärmeübertragern und Heizele-

Bedingungen wie für Aluminium. Edel-stahl ist ein Sammelbegriff für Metalle aus einer Legierung, die aus Eisen und

-mengesetzt ist. Rostfreie Stahlsorten ha-ben eine hohe Korrosionsbeständigkeit in den verschiedensten Atmosphären, da sie eine geschlossene chromreiche Oxid-schicht (passive Schicht) bilden. Wie bei Aluminium ist dieses positive Verhalten jedoch nur bei einer perfekten Ober-

-onsformen führen, wie beispielsweise der Lochfraßkorrosion. Der Korrosions-prozess bei Edelstahl ist somit ebenfalls von der Atmosphäre, von Verunreinigun-

-stoff abhängig.

Die wichtigsten Risikofaktoren

Jede Heizungsanlage ist dem Risiko der Korrosion von Eisen, Aluminium und Edelstahl ausgesetzt. Der Korrosions-prozess wird durch den pH-Wert, Verun-reinigungen und die Konzentration von gelöstem Sauerstoff im Wasser entschei-

derlich, bei dieser Art von Anlagen eine Korrosionsbremse einzusetzen, mit fol-genden Zielen:

oder basisches Medium entsteht.Schutz aller Metalle vor Sauerstoff-korrosion.

FACHBEITRAG

Auch der Werkstoff

Aluminium ist Korrosions-

risiken ausgesetzt.

(Quelle: Corrosion of

Aluminium, Christian Vargel)

Kesselstein beeinträchtigt die Anlagenfunktion und ist insbesondere für Wärmeübertrager

schädlich.

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Probleme mit Kesselstein

2

Anlagenkonditionierung spielt große Rolle

FACHBEITRAG

HEIZUNGSJOURNAL 3 2013 85

Die Anlagenkonditionierung dient dabei mehreren Zwecken:

Entfernung von Kesselstein und eventuell vorhandenen Mikro-organismen.Anhebung des Ertrags auf das ursprüngliche Niveau.Entfernung von Flussmittelresten, Flugrost und anderen leichten Verschmutzungen.pH-Pufferung.Verhinderung von Kesselsteinbildung.Schutz aller Metalle vor Sauerstoff-korrosion.Minimierung freier Hydroxidionen und anderer Korrosionskomponenten.

Verlängerung der Lebensdauer

Die ultimative Lösung für die Verlänge-rung der Lebensdauer von Anlagenbau-teilen ist die umfassende Beherrschung des Korrosionsrisikos. Dazu bedarf es ei-nes negativen Katalysators (Inhibitor), der alle Prozesse blockiert, durch die das Me-tall Elektronen an das Wasser abgeben kann und – infolge der Reaktion mit Sau-erstoff – freie Hydroxidionen entstehen.

-setzt, kann zudem die Sauerstoffdiffusion verzögert und eine Oxidschicht gebildet werden. Ein einfacher Versuch mit mehre-ren Gefäßen, in denen sich Anlagenwas-

Weise die Wirkung einer Korrosionsbrem-se. Im Rahmen des Versuches wird zu ei-nem Gefäß ein Prozent Korrosionsschutz hinzugefügt. Die Wirkung ist bereits in-nerhalb eines Tages klar zu erkennen. Eine

Überprüfung des Korrosionsschutzes wurde vom britischen Institut BuildCert entwickelt. Die Korrosionstests werden dabei mit verschiedenen Materialproben in weichem und hartem Wasser bei einer festen Temperaturabfolge innerhalb eines Zeitraums von vierzehn Tagen durchge-führt. Um die Korrosionsreaktion zu be-schleunigen, wird zudem auf unterschied-liche Weise Luft hinzugefügt. Nach zwei Wochen ist eine genaue Messung der Gewichtsabnahme infolge der Korrosion möglich. Anschließend wird der Korrosi-onsgrad ermittelt – der Korrosionsgrad wird in mm/Jahr ausgedrückt.

Neben dem Korrosionsschutz stellt BuildCert auch Anforderungen an die

Die Inhibition, also das Hinzufügen eines negativen Katalysators, bietet somit auch Schutz vor Kalkablagerungen. Es dürfte deutlich sein, dass der Korrosionsschutz keine Schäden am Kessel und in der An-

lage verursachen sollte. Erfüllt der Korro-sionsschutz all diese Anforderungen, wird das Produkt mit einem BuildCert-

-der ist dies die Garantie, dass das Produkt geprüft und genehmigt ist und beden-kenlos angewendet werden kann.

Luft in der Anlage

Wasser enthält auch immer Luft. Die Men-ge der gelösten Gase im Wasser hängt von der Temperatur und dem Druck ab, wie im Henry-Gesetz beschrieben: Danach löst sich Gas so lange in einer Flüssigkeit auf, bis ein Gleichgewicht zwischen dem parti-ellen Gasdruck in der Flüssigkeit und dem partiellen Gasdruck des gleichen Gases außerhalb der Flüssigkeit erreicht ist. Da-neben gilt, dass sich in einer Flüssigkeit

Temperatur immer nur eine bestimmte Menge an Gas lösen kann:

C = k(T) x PC = Menge des absorbierten Gasesk(T) = temperaturabhängiger

P = partieller Druck des Gases

Dieses Gesetz ist auch auf Anlagen-wasser anwendbar. Durch Schwankun-gen im Druck und in der Temperatur schwankt auch die Menge der gelösten Gase im Anlagenwasser. Bei einer hohen Temperatur und einem niedrigen Druck sinkt die Menge der gelösten Gase. Bei einer niedrigen Temperatur und einem hohen Druck ist mehr Platz vorhanden, sodass die Gase im Anlagenwasser gelöst bleiben. Wird das Anlagenwasser er-wärmt, werden also Gase freigesetzt. Eine Anlage, die in erster Instanz schein-bar frei von Luft ist, kann nach der Erwär-mung noch eine beachtliche Menge an freien Gasen enthalten. Die freien Gase können an allen möglichen Stellen den

der Anlage entscheidend beeinträchti-gen. Allein schon aus diesem Grund ist es wichtig, Anlagen wirksam zu entgasen.

Ein weiterer wichtiger Grund für die Entgasung ist die Senkung der Korrosi-onsreaktion. Das Abscheiden nicht gelös-ten Sauerstoffs ist ein Prozess, der konti-nuierlich erfolgen sollte. Jedes entfernte Sauerstoffmolekül trägt zur Verringerung der Korrosion bei. Jüngste Untersuchun-gen haben ergeben, dass die Wasserqua-lität durch das Abscheiden von Luft über einen Luftabscheider entscheidend ver-bessert wird. Bei Anlagen ohne einen Luftabscheider konnte ein erheblicher Anstieg des pH-Wertes beobachtet wer-den, ein deutlicher Hinweis auf Korro-sion. Die Entgasung erfolgt am besten über einen Mikroblasenluftabscheider in der Anlage. Denn durch einen Entlüfter

Energieverlust infolge von Kesselsteinbildung

Schichtdicke

Kesselstein in mm

Verlust in % vom Gesamtverbrauch

Normal Hoher Eisengehalt

0,4 1,0 1,6

0,8 2,0 3,1

1,2 3,0 4,7

1,6 3,9 6,2

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In einer Zentralheizungsanlage mit ei-nem Wasserinhalt von 10 m3, die mit vier Heizkesseln betrieben wird, weisen die Wärmeübertrager mehrere undichte Stellen auf, verursacht durch Perforatio-nen in der Wand. Die aus Aluminium bestehenden Kessel haben jeweils eine Leistung von 70 kW. Die Perforationen sind auf den schlechten Zustand des An-lagenwassers zurückzuführen. Messun-gen ergeben einen pH-Wert von >10. Ein Eingriff ist dringend notwendig.

Aktionsplan

Aufgrund einer Reihe von Durchfüh-rungsbeschränkungen und um weitere Schäden zu verhindern, wird beschlos-sen, zunächst mit dem Spülen zu begin-nen. Das Spülverfahren ist in zwei Phasen unterteilt: Auf einen ersten Spülvorgang mit Leitungswasser folgt ein weiterer Spülvorgang mit Leitungswasser und Zu-sätzen. Am Ende des zweiten Spülvor-gangs wird ein negativer Katalysator (In-hibitor) hinzugefügt, der für Anlagen mit mehreren unterschiedlichen Metallen geeignet ist. Während des Spülverfah-rens sowie gut zwei Wochen nach Hinzu-fügen des Inhibitors werden Wasserpro-ben entnommen und analysiert. Dabei handelt es sich um jeweils zwei Proben vom Anlagenwasser und eine Probe vom Speisewasser (als Referenz). Die Proben werden mithilfe verschiedener Analyse-techniken ausgewertet, um die Zusam-mensetzung der Elemente in den Was-serproben zu bestimmen. Daneben werden die Korrosionsparameter, die Kesselsteinparameter und die bakterio-logischen Parameter analysiert.

Die Analyse der Korrosionsparameter beinhaltet eine Untersuchung der

pH-Veränderung und der Konzentra-tionszunahme der einzelnen Metalle im Anlagenwasser, unter anderem von Eisen, Kupfer, Zink und Aluminium. Die Messung der Konzentration dieser Metalle vermittelt Informationen über das Ausmaß und die Art der Korrosion. Die Analyse der Kesselsteinparameter beinhaltet eine Untersuchung der härtebestimmenden Komponenten wie Ca und Mg, der Abnahme des Härtegrades und der Stabilität der Komponenten. Die Analyse der bakteriologischen Parameter ist vor allem auf die spezifischen Mikroorganismen ausgerichtet, die eine lokale Korrosion bewirken können, sofern vorhanden.

Ergebnisse der Analysen

Die Analyseergebnisse des Anlagenwas-sers zeigen, dass der pH-Wert des Wassers angemessen ist und die Metallkonzentrati-

-gen. Der pH-Wert des Anlagenwassers weist jedoch einen starken Anstieg auf, bis weit über den Wert, bei dem es zur Korro-sion von Aluminium kommen kann. Dies führt zu einem starken Anstieg der Alumi-niumkonzentration, was die undichten Stellen in den aus Aluminium bestehen-den Wärmeübertragern erklärt. Neben Aluminium fällt zudem die hohe Kupfer-konzentration auf. Sie ist vermutlich auf Erosion zurückzuführen, da die Korrosi-onsgeschwindigkeit von Kupfer bei diesen pH-Werten eher gering ist. Diese Annah-me wird durch die steigenden Konzentra-tionen von Kupfer und Eisen bestätigt, die während des Spülens wahrgenommen wurden. Die Teilchen sinken an Stellen mit

die Spülung gestartet wird, sorgt der er--

chen lösen und mit der Strömung mitge-rissen werden. Die Teilchen können bei weichen Metallen wie Kupfer und Zink, aber auch bei Aluminium zur Erosion führen. Es ist daher anzunehmen, dass die passive Schicht des Aluminiums wei-ter beschädigt wird, wodurch der Korro-sionsprozess des Aluminiums noch ver-stärkt wird.

Nach dem ersten Spülverfahren sinkt der pH-Wert ab, bleibt jedoch weiterhin zu hoch. Erst nach dem zweiten Spül-verfahren sinkt der pH-Wert auf eine Höhe innerhalb annehmbarer Grenzen ab. Durch die beiden Spülverfahren konnten alle Metallkonzentrationen verringert werden. Die Eisen- und Alu-miniumkonzentration liegt jedoch wei-terhin über der Norm. Fügt man nun einen Inhibitor in einer ausreichenden Konzentration hinzu, wird eine weiter-führende Erosion infolge der Metallkon-zentration unterbunden. Nach Hinzufü-gen des Inhibitors ist außerdem deutlich zu erkennen, dass der pH-Wert auf-grund der hohen Pufferkapazität jetzt vollständig unter Kontrolle ist.

Schlussfolgerung

Anhand einer eingehenden Analyse, des Spülverfahrens und durch Hinzufügen eines Inhibitors ist die Wasserqualität nun vollständig unter Kontrolle. Der pH-Wert und die Metallkonzentrationen konnten auf annehmbare Werte im Vergleich zum Speisewasser gesenkt werden. Diese Er-gebnisse zeigen, dass die Spülverfahren erfolgreich waren. Es konnten zudem keine weiteren Schäden an den Wärme-übertragern wahrgenommen werden.

Feldtests liefern den praktischen Beweis

Umschreibung der Wasserproben

Parameter Speisewasser

(Referenz)

Zustand zu

Beginn

Nach

Spülverfahren

mit Wasser

Nach 2. Spülverfahren und

Hinzufügen des Inhibitors

(Messung 15 Tage nach

Hinzufügen des Inhibitors)

pH20°C6,5–8,5 (bei Vorhanden-sein von Aluminium)

7,96 10,4 8,86 7,87

Eisen gesamt (ppm Fe) < 2,0 0,035 0,36 3,67 2,44

Fe2+, gelöstes Eisen (ppm Fe) < 0,05 0 0,007 0,005 0,003

Kupfer gesamt (ppm Cu) < 0,05 0 5,89 0,2 0

Zink gesamt (ppm Zn) < 0,25 0 0,13 0,15 0,04

Aluminium gesamt (ppm Al) < 0,10 0 19,3 7,57 1,7

Ergebnisse der Wasserproben-Analyse.

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auf einem Heizkessel wird nur die freie Luft aus dem Kessel selbst entfernt, je-doch nicht die Luft, die an anderen Stel-len in der Anlage eingeschlossen ist. Langzeittests im Labor von Spirotech

-gen und Messmethoden haben ergeben, dass der „SpiroVent“-Luftabscheider auch dann noch Luft abscheidet, wenn die An-lage augenscheinlich bereits luftfrei ist. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn weiterhin Luft eindringen kann. Die Versuche sind daher der Beweis dafür, dass keine Anlage vollkommen luftdicht ist.

Schlussfolgerungen und Empfehlungen

Obwohl Anlagen in den meisten Fällen geschlossen sind, zeigt sich, dass durch Eindringen von Luft Korrosion auftreten kann. Der Korrosionsprozess bewirkt nicht nur, dass sich schädliche Schmutz-partikel bilden können, sondern auch, dass sich die Korrosionsbedingungen ver-schlechtern, wodurch die Korrosion noch verstärkt wird. Durch den Einsatz des „richtigen Teams“ können die schädli-chen Auswirkungen von Korrosion unter-bunden werden. Es ist das perfekte Zu-sammenspiel verschiedener Mittel und Maßnahmen, durch die der Korrosions-prozess wirksam gestoppt wird:

Das Eintreten von frischem Sauerstoff sollte auf ein Mindestmaß reduziert werden. Ein passendes Ausdehnungs-system spielt dabei eine sehr wichtige Rolle.Wichtig ist auch eine gute und stabile Wasserqualität. Der Säuregrad sollte regelmäßig kontrolliert werden, um Bedingungen, die für die Korrosion

förderlich sind, zu vermeiden.Vorhandene Schlammpartikel sollten entfernt werden, damit die schützen-de Funktion der Oxidschicht nicht beeinträchtigt wird oder möglicher-weise erodiert. Freie Luft sollte schnellstmöglich abgeschieden werden, und damit ebenso eventuell freier Sauerstoff. Vorhandene Luftbläschen sollten gelöst und abgeschieden werden, um Lufteinschlüsse, die den Durchfluss behindern, zu vermeiden.Der gelöste Sauerstoff darf unter keinen Umständen mit den vorhande-nen Metallen reagieren. Darum sollte eine Korrosionsbremse eingesetzt werden. Nur auf diese Weise kann die Bildung von Magnetit verhindert werden.

Die Durchführung einer umfassenden Analyse des Füll- und Anlagenwassers vermittelt im Allgemeinen einen guten

-sigkeit. Auf Grundlage der ermittelten Daten ist es möglich, eine passende Emp-fehlung abzugeben, um die Anlage wie-der richtig einzustellen und langfristig eine gute Funktion zu gewährleisten. n

Quellen und Literatur:[1] Introduction to Corrosion Prevention and Control

– P.J. Gellings, Universiteit Twente, Enschede, Niederlande, 2005

[2] Review of Corrosion Causes and Corrosion Control in a Technical Facility – T. Charng und F. Lansing, DSN Engineering Section, 1982

[3] Corrosion Properties of Aluminium Alloys and Surface

UPPSALA Universitet, 2001[4] Corrosion of Aluminium – Christian Vargel,

Elsevier, 2004

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