Leckagen durch Korrosion

Leckagen an Wärmetauschern entstehen aus zwei Gründen: Unsachgemäße Handhabung oder Korrosion. Eine Kollision zwischen Luftkühler und Gabelstapler geht zu Ungunsten des Verdampfers aus. Das beliebte Abtauen mittels Schraubenzieher deformiert Kupferrohre zuverlässig. Im Gegensatz dazu ist das Themengebiet der Korrosion umfangreicher. Vielfältige Ursachen kommen als Auslöser für Leckagen in Frage. Die Gründe sind nicht immer eindeutig feststellbar. Aufbauend auf den chemischen Grundlagen werden im Folgenden verschiedene Schadensfälle vorgestellt und analysiert.

Eine Kombination von unsachgemäßer Handhabung und Korrosion ist häufig im Bereich Hygiene zu beobachten. Entweder wird der Luftkühler nicht gereinigt oder er wird mit falschen Mitteln und Verfahren gereinigt. Beides begünstigt korrosive Angriffe auf den Luftkühler.

Wärmetauscher für die Lüftungs-, Klima- und Kältetechnik sind in den meisten Fällen aus der Materialkombination Kupfer/Aluminium gefertigt. Die Rohre sind aus phosphordesoxidiertem Kupfer. Die Lamellen werden in den meisten Fällen aus Aluminiumlegierungen gestanzt. Wird das Lamellen- oder Rahmenmaterial korrosiv angegriffen, kann eine daraus resultierende Schädigung des Kernrohres nicht ausgeschlossen werden.

Als Rahmenmaterial kommt die ganze Bandbreite an Blechmaterialien zum Einsatz, von Aluminium, über verzinktes Stahlblech, Edelstahl, Messing bis hin zu Kupfer. Als weiteres Rohmaterial ist das Lot zu beachten. In den meisten Fällen werden Kupfer/Phosphor/(Silber)-Lote eingesetzt.

Korrosionsarten

An Wärmetauschern treten in den meisten Fällen die folgenden Korrosionsarten auf: Spaltkorrosion, Spannungsrisskorrosion, Ameisennestkorrosion oder galvanische Korrosion.

Galvanische Korrosion

Ein Wärmetauscher besteht aus Kupferrohren, die in Aluminiumlamellen aufgeweitet werden. Die Werkstoffpaarung Kupfer/Aluminium ist in stetigem Kontakt miteinander. Die Normalspannungsreihe weist ein Potential von +340 mV für Kupfer und -1660 mV für Aluminium aus. Die Spannungsdifferenz von 2000 mV würde auf eine Korrosionsgefahr hindeuten. Bimetallkorrosion als Schadensursache ist bei Wärmetauschern vernachlässigbar. Aluminium und Kupfer bilden an der Atmosphäre eine Oxidschicht; wird diese dünne Schicht während der Produktion nicht beschädigt, ist zu keinem Zeitpunkt elementares Kupfer mit elementarem Aluminium in Kontakt.

Oxidschicht von Aluminium

Die Oxidschicht, die Aluminium unter normalen Umständen ausbildet, ist in einem pH-Wert-Bereich von 4,5 bis 8,8 [1] stabil. Diese Oxidschicht entsteht über Aluminium durch die folgenden Reaktionen:

Luft-Sauerstoff wird durch Wasser reduziert:

O₂ + 2H₂O + 4e^– ––›  4OH^–                   (1)                                                                                     

Die notwendigen Elektronen stellt das Aluminium zur Verfügung (Oxidation):

Al ––› Al³⁺ + 3e^–                                               (2)                                                                                

⇥

Wenn es trocken ist, bildet sich die Deckschicht aus Bauxit:

2Al³⁺ + 6OH^– ––› Al₂O₃ + 3H₂O                      (3)

Unter dem Einfluss von Wasser (Luftfeuchte) kann diese aus Aluminiumhydroxid bestehen:

Al³⁺ + H2O ––›  Al(OH)₃ + 3H⁺                       (4)                          

⇥                                                     

Bei hohen Temperaturen und dem Vorhandensein von Wasser kann diese Deckschicht aus Böhmit AlO(OH) bestehen, diese wird in der Regel künstlich zu Korrosionsschutzzwecken erzeugt.

Kupferoberfläche

Das Korrosionsverhalten von Kupfer ist auf Grund seiner langjährigen dekorativen Verwendung weitläufig bekannt. Kupfer reagiert mit Wasser zu:

Cu₂O

CuO

Cu(OH)₂

CuO_xH₂O

Es folgt eine Reaktion mit Luftverschmutzungsstoffen z.B.:

SO₂

NO₂

O₃

Cl₂

HCl

H₂S

Damit reagiert das oxidierte Kupfer zu folgenden Mineralien:

Cu₂CL(OH)₃: Atakamit

Cu₄[(OH)₆|SO₄] · H₂O: Posnjakit

Cu₄SO₄(OH)₆: Brochantit

Teilweise zu den Mineralien:

Cu₂SO₄(OH)₄: Antlerit

Cu₂CO₃(OH)₂: Malachit

Diese bilden die schützende Patina des eigentlichen Kupfers [2]. Die Patina bildet sich in einem pH-Bereich von 6 bis 8.

Angriff auf die Oxidschichten

Die Oxidschicht von Aluminium ist in einem pH-Wert-Bereich von 4,5 bis 8,8 [1] stabil.

Beschädigt wird die Oxidschicht, wenn Luftfeuchte auskondensiert und die in der Luft vorhandenen aggressiven Ionen, wie z.B. Chlorid (Meeresnähe) oder Schwefeloxid (Verbrennungsprodukt, z.B. Kraftwerke, Automobile, Vulkane), auf der Aluminiumoberfläche nach dem Verflüchtigen des Wassers als Feststoffe zurückbleiben. Sind zusätzlich die Oxidationsmittel O₃ (Ozon) oder H₂O₂ (Wasserstoffperoxid) in der Umgebung vorhanden, hat dies einen zusätzlichen Einfluss auf das Korrosionsverhalten von Aluminium [2]. Kupfer und seine Oxidschicht werden bei pH-Werten kleiner 5 und größer 9 angegriffen [5].

Wenn die Oxidschicht entfernt ist, kann der metallische Werkstoff angegriffen werden. Die Kompatibilität von Kupfer und verschiedenen Medien wird z.B. in [6] ausführlich dargestellt. Gewöhnliche Angriffsmedien sind: Schwefelwasserstoff, Kohlenstoffdisulfid und Ammoniakverbindungen.

Das Lamellenmaterial wird aus Aluminiumlegierungen (EN-AW 8006, 8011A) hergestellt. Diese verfügen über einen Eisenanteil und je nach Legierung über einen Mangan- oder Siliciumanteil. Damit wird in erster Linie die Umformbarkeit des Materials verbessert. Ebenfalls ergibt sich ein Einfluss auf die Korrosionseigenschaften des Materials.

Ein typischer galvanischer korrosiver Angriff auf Wärmetauscher findet z.B. in Meeresnähe statt. Hier opfert sich das Aluminium und schützt das edlere Kupfer, indem es zerfällt. Damit sinkt die Leistung des Wärmetauschers rapide.

Test

Korrosion wird durch den Wechsel von Feuchtigkeit, das Lösen und Antrocknen von Fremdstoffen auf der Materialoberfläche induziert. Das Messen des pH-Werts des am Wärmetauscher auftretenden Kondensats ist ein Indikator, ob an der Anlage eine grundsätzliche Korrosionsgefahr besteht.

Lokale Aufkonzentration von Schadstoffen – Lochfraß

Verschmutzungen, Fettreste u.ä. verhindern das Vordringen von Sauerstoff an die metallische Oberfläche. Dadurch wird die Bildung der Oxidschicht lokal verhindert. An den Rändern ist das Metall einem Angriff schutzlos ausgeliefert. Ein korrosiver Angriff startet mit einem kleinen Abtrag von Material, die Repassivierung der metallischen Oberfläche wird behindert, da an den Grund des Lochs kein Sauerstoff gelangt. Langsam frisst sich das Loch durch den metallischen Werkstoff.

Lochfraß ist an Wärmetauschern leicht zu diagnostizieren. Bei einer Dichtheitsprüfung ist das Leck einfach zu finden. In den meisten Fällen ist es mit bloßem Auge zu erkennen. Um das Loch herum finden sich Verfärbungen, die von den ursächlichen Verschmutzungen oder von Korrosionsprodukten her rühren.

Spaltkorrosion

Die Spaltkorrosion ist vereinfach gesagt ein Sonderfall der Lochkorrosion. Ist die Lötstelle beispielsweise mangelhaft ausgeführt, können die bei Lochfraß beschriebenen Mechanismen entlang des Lötspaltes ablaufen und zu einer Undichtheit des Wärmetauschers führen.

Ameisennestkorrosion

Ameisennestkorrosion ist eine spezielle Korrosionsart, die hauptsächlich an phosphordesoxidiertem Kupfer, wie es in Kälte- und Klimaanlagen zum Einsatz kommt, festgestellt wird. Wenn Luft, Feuchtigkeit und eine organische Säure vorhanden sind, kann diese Korrosionsart auftreten. Das Korrosionsphänomen sieht aus wie Gänge in einem Ameisennest. Im Vergleich zum Lochfraß ist Ameisennestkorrosion mit bloßem Auge nicht zu erkennen.

Ameisennestkorrosion kann von Essigsäure, Ameisensäure, Propansäure oder Buttersäure ausgelöst werden. Die offensichtlichen Quellen sind Salatdressings oder in Essig eingelegte Lebensmittel.

Weiterhin werden diese Carbonsäuren in vielen Reinigern oder Schmierstoffen eingesetzt oder deren Bestandteile zersetzen sich zu diesen. Weiterhin kommen Frostschutzmittel, Flussmittel fürs Löten oder Handcremes und Kosmetika als Quellen in Betracht. Trotz der begrenzten Anzahl an Angriffsmedien wird davon ausgegangen, dass ca. 10 % aller Leckagen auf diese Korrosionsart zurückzuführen sind.

Auf Grund der Voraussetzungen ist ein Schutz gegen diese Korrosionsart mit geringem Aufwand herzustellen. Man verwendet verzinnte Kupferrohre und beschichtet die Löt- und Steckseite des Wärmetauschers. Weder Kondensat, Luft noch die organische Säure kann in direkten Kontakt mit dem Kupfer gelangen. Das Zinn bildet in diesem Falle die Opferanode, falls es zu einem korrosiven Angriff kommen sollte. Der Leistungsverlust eines geschützten Wärmeaustauschers liegt innerhalb der Messtoleranz für Leistungsmessungen an Verdampfern.

Stress Corrosion Cracking / Spannungsrisskorrosion

Es gibt seltene Fälle von Leckagen an unbenutzten Wärmetauschern, die auf Spannungsrisskorrosion zurückzuführen sind. Da die Haarnadeln an Wärmetauschern kalt gebogen werden, verfestigen sich diese während des Biegevorgangs durch ins Material eingebrachte Eigenspannungen. Greift eine geringe Menge von Ammoniakverbindungen an einer Korngrenze, die unter Spannung steht, den Wärmetauscher an, kann ein dünner, interkristalliner Riss die Folge sein. Diese Korrosionsart ist nicht mit bloßem Auge zu erkennen.

Diese Korrosionsart ist extrem selten und kann theoretisch bei allen Wärmetauschern auftreten, da Umlenkbögen beim Einlöten nicht zwingend spannungsfrei geglüht werden. Ein Schutz beispielsweise durch Verzinnen der Kupferrohre und Beschichten der Lötseite ist zwar wirksam, aber nicht wirtschaftlich.

Medien im Wärmetauscher

Der Wärmeträger kann ursächlich zur Korrosion beitragen. Kommerzielle Wärmeträger sind meist mit Korrosionsschutzinhibitoren ausgestattet, die das Auftreten von Korrosion wirkungsvoll unterbinden.

Reines Wasser ist ein hervorragender Wärmeträger. Wie von jeder Sprudelflasche bekannt, sind im Wasser verschiedene Stoffe gelöst. Diese Bestandteile sind vor dem Einsatz im Wärmetauscher auf den Einhalt von Grenzwerten zu überprüfen.

Wesentliche Werte sind der pH-Wert, die freie Kohlensäure und vor allem der Sauerstoffgehalt. Bei völliger Abwesenheit von Sauerstoff geht von Wasser für Kupfer keinerlei Korrosionsgefahr aus. Wird eine Wasserprobe genommen und ins Labor geschickt, können sich die drei relevanten Werte während des Transports ändern. Wasserproben sind direkt vor Ort zu analysieren.

Die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist ein weiteres zu beachtendes Kriterium. Diese darf in reinem Kupfer nicht über 2 m/s liegen, sonst besteht die Gefahr von Leckagen durch Erosion.

Die Anforderungen an Kühlwasser in Kupferrohren können aus denen für Heizungsanlagen abgeleitet werden. In der VDI-Richtlinie 2035 [7] werden die Anforderungen an Heizungswasser beschrieben.

Wird der Wärmetauscher stillgelegt, ist er restlos zu entleeren oder vollständig mit dem Medium zu füllen.

Bei mit Kältemittel betriebenen Anlagen sind Leckagen auf externe Ereignisse zurückzuführen. Ein Wicklungsschluss im Verdichter führt zu einer thermischen Zersetzung des Öls, welches bei einer Ablagerung im Kupferrohr die Oxidschicht auflösen kann. Alle Anlagenteile, die zwischen Verdichter und dem „Burn Out“-Filtertrockner sitzen, sind besonders gefährdet.

Besprühen des Wärmetauschers mit Wasser

Die in einen Lufterhitzer eintretende Luft wird mit Wasser befeuchtet, um sie adiabatisch abzukühlen. Es existieren viele Systeme, die diesen Effekt auf die eintretende Luft haben. Ein optimales System verbraucht nur so viel Wasser, wie die Luft aufnehmen kann. Der Wärmetauscher wird selbst nicht feucht und es muss keine Abwasserbehandlung durchgeführt werden. In der Praxis wird sich bei besprühten Wärmetauschern Wasser und Luft am Wärmetauscher befinden. Kommt eines der zuvor genannten aggressiven Elemente hinzu, ist ein korrosiver Angriff wahrscheinlich.

Fazit

Kupfer und Aluminium sind relativ korrosionsresistente Werkstoffe. Statistisch relevant sind die folgenden Angriffsmechanismen:

Chloride (Aluminium)

Schwefelverbindungen (Kupfer)

Amine, Ammoniak (Kupfer)

Organische Säuren: Essigsäure, Buttersäure, Ameisensäure (Kupfer)

Wasser (innen): sauerstofffrei, pH-Wert, freie Kohlensäure, Fließgeschwindigkeit (Kupfer)

Wer bei der Auslegung des Wärmetauschers die genannten Punkte überprüft, kann die Eintrittswahrscheinlichkeit von Korrosionsschäden stark verringern.

Schutz vor Korrosion

Konstruktiver Korrosionsschutz

Beschichtungen verhindern den Kontakt korrosiver Medien mit dem Wärmetauscher. Kupferrohre werden durch Verzinnen vor dem Angriff von Schadstoffen geschützt. Zinn ist ein korrosionsresistentes Material und im Lebensmittelbereich zugelassen. Bei einem korrosiven Angriff bildet das Zinn eine Opferanode für das Kupfer. Der Wärmewiderstand der dünnen Zinnschicht auf dem Kupferrohr ist vernachlässigbar.

In salzhaltiger Umgebung kann die Aluminiumlamelle durch eine Kupferlamelle ersetzt werden. Korrosionsschäden werden vermieden, die Kosten steigen stark an. Damit einher geht eine leichte Erhöhung der Leistung.

Kunststoffe bieten einen guten Korrosionsschutz. Als Beschichtung aufgebracht, verschlechtern sie die Wärmeleitfähigkeit. Wirksamen Schutz bieten ausschließlich lückenlos beschichtete Wärmetauscher. Wird nur das Lamellenband beschichtet, wird die Kunststoffschicht durch Stanz- und Ziehvorgänge beschädigt. Die Schnittkanten im Lufteintritt sind der bevorzugte Angriffspunkt für korrosive Schäden. Die Korrosionsart, die das Aluminium unter der Lackschicht zersetzt, trägt den Namen Filiformkorrosion. Alleine die Tatsache, dass es einen eigenen Namen für diese Korrosionsart gibt, sollte zu denken geben.

Korrosionsprävention im Einbauzustand

Gründlich mit klarem Wasser abspülen! Egal mit was der Wärmetauscher gereinigt wird, gründlich mit klarem Wasser abspülen. Das Festsetzen von Rückständen während der Reinigung wird vermieden.

Regelmäßig reinigen! Nur ein sauberer Wärmetauscher kann seine volle Leistung zur Verfügung stellen. Gleichzeitig verhindert eine regelmäßige Reinigung Schmutzansammlungen und mögliche Angriffe auf die Oxidschicht.