Plattenwärmetauscher: Korrosionsverhalten von Edelstahl und Kupfer

Korrosionsvorgänge laufen oft völlig unbemerkt innerhalb von Heizungsanlagen ab. Sie werden erst dann bemerkt, wenn es zu Leistungseinbußen, Leckagen oder Ausfällen kommt. Verantwortlich dafür sind vor allem das Eindringen von Sauerstoff in die Anlage, aber auch Wasserinhaltsstoffe und / oder Ergänzungswassermengen. Prinzipiell verrichten hartgelötete Edelstahl-Plattenwärmetauscher über viele Jahre hinweg störungsfrei ihren Dienst. Doch trotz umfassender Qualitätssicherungsmaßnahmen bei der Herstellung, können Störungen des Wärmeübertragers auftreten, die der Kunde reklamiert. Dann beginnt die Ursachenforschung, die bei der im nordthüringischen Heldrungen beheimateten VAU Thermotech GmbH & Co. KG anhand das durch das Qualitätsmanagementsystem ISO 9001:2015 festgelegten Vorgehens durchgeführt wird.

Ein Fachbeitrag von Anja Nasser, QMB & CFO VAU Thermotech GmbH & Co. KG

Hartgelötete Edelstahl-Plattenwärmetauscher bestehen aus einer durch die benötigte Leistung bestimmte Menge an ineinandergelegten Edelstahlplatten (1.4404). Diese werden vollautomatisch aus einem Edelstahl-Coil herausgestanzt, geprägt und zu einem Plattenpaket gestapelt. Dabei wird jede zweite Platte um 180° gedreht, sodass zwei voneinander getrennte Kreisläufe (als primär und sekundär bezeichnet) entstehen, durch die die Medien berührungslos geführt werden. Abschließend wird das Paket im Hochvakuumofen mit Kupfer wasserdicht und druckfest verlötet.

Für die Korrosionsneigung von Edelstahl und Kupfer sind Qualität und Inhaltsstoffe der Medien (vgl. Tabelle), mit denen der Plattenwärmetauscher in Berührung kommt, entscheidend. Zum anderen sind in Mischinstallationen viele andere Komponenten (Heizkessel, Ventile, Rohrleitungen etc.) verbaut, deren stoffliche Eigenschaften ebenso berücksichtigt werden müssen.

Die Herausforderung besteht darin, dass das Füllwasser so konditioniert ist, dass Anlagenausfälle unterbleiben. Orientierung bietet dafür die Richtlinie VDI 2035. Blatt 1 beschreibt Ursachen und Folgen der Steinbildung sowie der wasserseitigen Korrosion in Heizungsanlagen und gibt entsprechende Handlungsempfehlungen.

Mit Augenmaß enthärten

Da Heizungsanlagen immer leistungsfähiger und kompakter werden, wird auch die Bauform der Wärmeübertrager kleiner und die medienführenden Kanäle werden enger. Gelangt nun mit Erdalkali- und Hydrogencarbonationen reichlich gesättigtes Heizungswasser auf die heißen Edelstahlplatten des Wärmetauschers, fällt Kalk aus. Dieser lagert sich als Belag auf den Platten ab und setzt die feinen Kanäle zu. Die Folgen: Druckverluste, schlechterer Wärmeübergang, erhöhter Energieverbrauch und sinkende Leistung. Aufgrund der verengten Querschnitte überhitzen die Kanäle, wodurch Spannungsrisse im Edelstahl entstehen, die zu Undichtigkeiten führen.

Um Kalkausfällungen zu vermeiden, soll der VDI 2035 zufolge das Wasser enthärtet werden. Ein gängiges Verfahren besteht darin, Calcium- und Magnesium-Ionen durch Natrium-Ionen auszutauschen. Doch dadurch wird vermehrt Kohlensäure frei, die das weiche Wasser aggressiv gegen Metall werden lässt. Da Härtebildner fehlen, fehlen auch Phosphate und Silikate, die sonst eine Schutzschicht auf den Metalloberflächen bilden. Eine vollständige Enthärtung auf 0 °dH ist daher weder zielführend, noch notwendig. Kupfergelötete Plattenwärmetauscher arbeiten am besten bei einer Wasserhärte zwischen 6 °dH bis 15 °dH.

Im Zweifel für elektrische Leitfähigkeit

Neben der Enthärtung sieht die VDI 2035 eine Entsalzung des Wassers vor, da die Korrosionsgeschwindigkeit mit abnehmendem Salzgehalt des Wassers sinkt und Heizungsanlagen länger in Betrieb bleiben. Da salzarmen Wasser jedoch alle oder die meisten Mineralien entzogen wurden, ist es bestrebt, sich mit diesen zu sättigen und entzieht sie der Umgebung. Betroffen sind davon v.a. Nichteisenmetalle (Kupfer) sowie andere unedle Materialien (Normalstahl, Aluminium, einfache Edelstähle).

Das sich zwischen den Platten im Inneren des Wärmetauschers befindende grobkörnige Kupferlot korrodiert, indem es entlang seiner Korngrenzen angegriffen wird. Sobald es aufgelöst ist, hebt sich auch der Verbund zwischen den Platten auf. Die so entstandenen Lücken erleichtern Spaltkorrosion an den Edelstahlplatten. Sobald der Verbund von Lötverbindungen, die sich über größere und zusammenhängende Flächen erstrecken, großflächig aufgehoben ist, kommt es dort zu einer Aufwölbung des Wärmetauschers, da der Innendruck das Plattenpaket auseinanderdrückt. Gleichzeitig wird auch das Kupferlot an den abgedichteten Rändern an der Außenseite des Wärmetauschers angegriffen und ebenfalls aufgelöst. Durch die fehlende Abdichtung nach außen beginnt der Wärmeübertrager zu tropfen.

Aus diesen Gründen ist von einer Vollentsalzung des Füllwassers abzuraten, die Medien besitzen idealerweise eine elektrische Leitfähigkeit von 10 bis 500 µS/cm.

Schwach basisch

Ist Wasser zu sauer oder zu basisch, greift es die das Metall schützende Passivschicht an. Bei Kupfer ist das der Fall, wenn der pH-Wert kleiner 7 und die Wasserhärte kleiner 6 °dH ist. 1.4404er Edelstahl ist dagegen sehr korrosionsbeständig. Sinkt der pH-Wert jedoch unter 1,7, beginnt sich auch hier die Passivschicht zu destabilisieren. Dann nimmt die Materialstärke aufgrund von Korrosion ab und Leckagen werden wahrscheinlicher. Eisen bildet erst ab einem pH-Wert von 9 eine schützende Passivschicht, die den Korrosionsprozess bremst. Bei Aluminium löst sich die Passivschicht bereits ab einem pH-Wert von 8,5 bis 9 auf.

Daher muss gerade bei der Erneuerung von Altanlagen der pH-Wert des Füllwassers genaustens geprüft werden. Niedrige pH-Werte sind oft auf verschleppte, chemisch abgebaute Frostschutzmittelreste zurückzuführen. Hohe Werte beruhen auf der Selbstalkalisierung vollenthärteter Füllwässer bzw. auf zu hoch dosierte Alkalisierungsmittel. Sauerstoff ist im Übrigen bei keiner dieser Korrosionsreaktionen notwendig.

Da der pH-Wert dafür verantwortlich ist, ob die metallischen Oberflächen in der Heizungsanlage ihre natürlichen Deckschichten aufbauen und aufrecht erhalten können, ist es sinnvoll, den pH-Wert der Medien bei etwa 8 zu konditionieren. Jedoch ist diese Mühe nicht notwendig. Sofern von vorne herein nur salzarmes Wasser verwendet und die Heizungsanlage entlüftet wurde, pendelt sich der pH-Wert nach wenigen Wochen Heizbetrieb auf natürliche Weise bei 8,2 bis 8,9 ein.

Wasserkonditionierung

Im Reklamationsfall bittet VAU Thermotech seine Kunden, den Plattenwärmetauscher zwecks Analyse einzuschicken. In der Regel ist eine Sichtprüfung völlig ausreichend, um objektiv nachweisen zu können, welche Faktoren zum Defekt des Wärmeübertragers geführt haben.

Normalerweise ist das Wasser, das in geschlossenen Heizungssystemen und Anlagen geführt wird, durchsichtig oder farblos. Sobald eine Gelbfärbung zu sehen ist, lässt das auf das Vorhandensein von Sauerstoff im Heizkreislauf schließen.

Braun gefärbtes Wasser bzw. braune Ablagerungen im Plattenwärmetauscher sind auf Eisenoxidhydroxid zurückzuführen, das durch starke und aktive Korrosion entsteht. Hervorgerufen wird diese durch einen niedrigen pH-Wert und Sauerstoff im Füllwasser. Wenn sich der Rost von den Oberflächen löst, führt das – wie beim Kalk – zu einer Verstopfung der Plattenwärmetauscherkanäle.

Schwarze Ablagerungen im Plattenwärmetauscher sind ein Zeichen für Magnetit – auch bekannt als Schwarzschlamm. Dieser entsteht, wenn Bauteile aus Stahl mit Sauerstoff reagieren und zu rosten beginnen. Sinkt der Sauerstoffanteil durch Korrosionsvorgänge, entstehen als Zwischenprodukte Hämatit bzw. Ferrihydrit. Neben schwarzen Schlamm kann sich dann auch grün gefärbtes Magnetit-Hydrat bilden. Der Schlamm bildet eine Schicht auf den Rohrleitungen, was den Wärmeübergang herabsetzt und gleichzeitig die Rohrquerschnitte minimiert. Auch hier setzen sich irgendwann die Kanäle des Wärmetauschers zu. Der Apparat fällt aus.

In etwa 95 Prozent rühren die Defekte in oder an den Plattenwärmetauschern von mangelnder Wasserqualität her.

Die vermeintlich gut gemeinte Konditionierung, bei der das Wasser nach dem Motto „weniger hilft mehr“ und unter Berufung auf die VDI 2035 komplett enthärtet und entsalzt wird, erweist sich in der Praxis als nicht notwendig. Gut gemacht wäre es, wenn die VDI 2035-Richtlinien fachmännisch und mit Augenmaß umgesetzt werden würden.

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