Kampf gegen Korrosion in Kühlkreisläufen

Rich Roser, Manager bei Laird Engineered Thermal Systems | 21. November 2017

Viele Kühlanwendungen erfordern eine hohe Reinheit der Prozesskühlflüssigkeit. Korrosion verunreinigt die Flüssigkeiten, während die Reinheitsanforderungen für diese Flüssigkeiten in Teilen pro Milliarde gezählt werden können. In den meisten Anwendungen kann Metallkorrosion durch den Einsatz geeigneter Materialien und Präventionstechniken kontrolliert, verlangsamt oder sogar gestoppt werden.

Korrosion in Flüssigkeitskühlkreisläufen kann durch chemische, elektrochemische oder abrasive Einwirkung der Wärmeübertragungsflüssigkeit auf die benetzten Oberflächen verursacht werden. Durch Korrosion gebildete chemische Produktschichten können eine ordnungsgemäße Wärmeübertragung zwischen der Flüssigkeit und den benetzten Metalloberflächen verhindern. Die korrosiven Produkte können Ablagerungen in das Flüssigkeitssystem einbringen, die den Flüssigkeitsfluss beeinträchtigen, Filter und enge Verengungen verstopfen oder sogar Pumpenkomponenten beschädigen. Unter extremen Bedingungen können sich Undichtigkeiten bilden.

Auswahl der richtigen Materialien

Edelstahl und insbesondere Edelstahl der Serie 300 (austenitisch) sind aufgrund der Beschaffenheit der Chrom(III)-Oxid-Passivierungsschicht, die die Oberflächen solcher Stähle bedeckt, gegenüber fast allen Wärmeübertragungsflüssigkeiten inert. Bei der Verwendung von entionisiertem Wasser gelten Edelstahl und Nickel als geeignet für benetzte Oberflächen. Obwohl sich Edelstahl in den meisten Fällen hervorragend gegen Korrosion eignet, weist er doch einen erheblichen Nachteil auf. Edelstahl hat eine eher geringe Wärmeleitfähigkeit, insbesondere im Vergleich zu anderen Metallen wie Aluminium oder Kupfer. Hohe Chloridkonzentrationen können jedoch die Widerstandsfähigkeit von Edelstahl beeinträchtigen.

Aluminium ist aufgrund von Verunreinigungen in ungereinigtem Wasser tendenziell anfällig für Korrosion oder Lochfraß. Selbst mit einer Glykollösung in destilliertem Wasser bilden sowohl Ethylenglykol als auch Propylenglykol unter Oxidation saure Verbindungen. Dies wird auf benetzten Oberflächen korrosiv und bildet organische Säurenebenprodukte. Um dies zu verhindern, werden dem Glykol üblicherweise Korrosionsinhibitoren zugesetzt, wodurch seine Wirkung als Korrosionsschutzmittel gegenüber reinem Wasser deutlich verbessert wird.

Bei der Anodisierung benetzter Aluminiumoberflächen entsteht eine passivierte Schicht aus Aluminium(III)-oxid (Al2O3). Dadurch entsteht eine Schicht, die um Größenordnungen dicker ist als die dünne natürliche Passivschicht, die sich auf freiliegendem Aluminium bildet. Die natürliche Schicht stellt keine wirksame Barriere gegen Korrosion dar, eine eloxierte Schicht kann jedoch eine solche sein, sofern ein moderater pH-Wert aufrechterhalten wird und die Halogenidionenkonzentration niedrig bleibt. Andere Metalle können durch Beschichtungen wie Farbe oder Galvanisierung geschützt werden. Korrosionsschutzfarben und -beschichtungen werden üblicherweise verwendet, um Metalle vor Zersetzung aufgrund von Feuchtigkeit, Nässe, Salznebel, Oxidation oder der Einwirkung verschiedener Umweltbedingungen oder Industriechemikalien zu schützen. Diese korrosionsbeständigen Farben und Beschichtungen bieten zusätzlichen Schutz für Metalloberflächen. Um Korrosion zu verhindern, können auch metallische Beschichtungen oder Plattierungen angebracht werden.

Kupfer und Kupfer-Nickel-Legierungen weisen eine gute Korrosionsbeständigkeit und einen natürlichen Widerstand gegen biologisches Wachstum auf. Wie bei Aluminium sollten jedoch Korrosionsinhibitoren eingesetzt werden, um saure Korrosion zu vermeiden.

Lösung des Problems der Grubenkorrosion

Lochfraß ist auch in Kühlkreisläufen ein Problem. In einem Bereich mit niedriger Geschwindigkeit kann sich aufgrund der lokal hohen Konzentration eines Korrosionsmittels wie beispielsweise Halogenidionen eine Grube bilden. Sobald sich die Grube gebildet hat, beschleunigt sich die Korrosionsrate, da das Volumen innerhalb der Grube keine Flüssigkeit mit dem Rest des Flüssigkeitsvolumens austauscht, was zu immer höheren Konzentrationen korrosiver Ionen und einer Ausdehnung der Grube führt.

Schäden durch diese Art von Korrosion sind besonders gefährlich, da sie kaum sichtbare Auswirkungen auf das Aussehen oder die Leistung haben und die Korrosion nur einen kleinen Teil der Oberfläche betrifft. Die Korrosion dringt jedoch tief in das Metall ein und kann ohne Vorwarnung zu Undichtigkeiten führen.

Wie bei anderen Korrosionsformen schaffen hohe Halogenidkonzentrationen, insbesondere in Gegenwart von Sauerstoff und höheren oder niedrigeren pH-Werten, ideale Bedingungen für das Auftreten von Lochfraß in Aluminium oder Stahl. Stellen mit stagnierender Strömung sollten vermieden werden und es können Korrosionsinhibitoren zur Entfernung von Sauerstoff hinzugefügt werden.

Galvanische Korrosion überwinden

Galvanische Korrosion ist das Ergebnis der Differenz im Elektrodenpotential zweier verschiedener Materialien, die über einen elektrisch leitenden Pfad und einen ausreichend leitenden Elektrolyten in Kontakt stehen. Konkret handelt es sich dabei um das natürliche Ergebnis der chemischen Umwandlung von Materialien in ihren stabilsten Zustand in einem System mit anderen Komponenten, die Elektronen und Ionen transportieren oder absorbieren können. Der elektrisch leitende Pfad verläuft typischerweise durch metallische Rohrleitungen und Hardware, aus denen das Kühlsystem besteht.

Das unedlere der beiden Metalle korrodiert mit der Zeit und löst sich im Wasser auf. Aluminium und Kupfer, zwei häufig verwendete Wärmeübertragungsmetalle, sind Beispiele für unterschiedliche Metalle, die dazu neigen, bei der Wärmeübertragung zu galvanischen Korrosionsproblemen zu führen. Kombinationen aus Stahl und Kupferlegierungen können problematisch sein, wenn sich Kupfer in der Flüssigkeit auflöst und auf Stahloberflächen abscheidet, was zu einer aggressiven galvanischen Wirkung auf den Stahl führt.

Die Auswahl benetzter Materialien, die elektrochemisch ähnlich sind, verringert das Potenzial zwischen ihnen und verlangsamt die Geschwindigkeit der galvanischen Wirkung. Die Betrachtung der galvanischen Reihe zeigt die Rangfolge der Metalle und ihre Reaktivität in einer Flüssigkeit, die typischerweise für Meerwasser und Süßwasser verfügbar ist. Je größer der Unterschied zwischen den beiden betreffenden Metallen ist, desto größer ist die Korrosionsrate auf dem unedleren anodischen Metall.

Erosion als Form der Korrosion

Erosion ist ein weiteres Problem. Erosion tritt auf, wenn es zu Abrieb durch Feststofftrümmer und hohe Flüssigkeitsgeschwindigkeiten kommt. Eine ordnungsgemäße Filterung oder noch besser die Anwendung der oben beschriebenen Methoden verringert die Menge der zu beseitigenden Ablagerungen. Das Problem der hohen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten erfordert eine genauere Analyse. Eine lokalisierte Korrosionsstelle wird durch die passivierten Korrosionsprodukte tendenziell vor weiterer Korrosion in einem stehenden Volumen geschützt, aber eine zunehmende Flüssigkeitsgeschwindigkeit drückt die Produkte weg und legt nicht reagiertes und anfälliges Metall darunter frei.

Strategien zur Korrosionsverhinderung

Kühlflüssigkeiten können Korrosionsinhibitoren zugesetzt werden, die speziell auf das zu schützende Metall abgestimmt sind. Diese können jedoch eine zusätzliche Wartung erfordern, um den Inhibitor wieder aufzufüllen, da dieser mit der Zeit aufgebraucht wird. Verschiedene Flüssigkeitstypen, wie zum Beispiel sauberes destilliertes Wasser, können die Korrosionsrate verringern. Eine dielektrische Wärmeübertragungsflüssigkeit kann verwendet werden, um den Ionenweg vom korrosiven Metall zu eliminieren, wenn die Prozess- und Leistungsanforderungen ihre Verwendung zulassen.

Der kathodische Schutz ist eine Methode zum Schutz vor galvanischer Korrosion. Der kathodische Schutz nutzt ein opferfähigeres reaktives Metall, das als bevorzugte Anode fungiert. Dabei werden die anodischen (aktiven) Opferbereiche auf der Metalloberfläche durch Anlegen eines Gegenstroms in kathodische (passive) Bereiche umgewandelt. Die richtige Platzierung der Opferanode im Verhältnis zu den Anoden und Kathoden ist eine komplexe Angelegenheit. Dielektrische Verbindungen können eingesetzt werden, um den leitenden Pfad zwischen unterschiedlichen Metallen zu unterbrechen. Besondere Vorsicht ist bei den Hardware- und Sanitärkomponenten geboten, um sicherzustellen, dass sie keine Quelle unterschiedlicher Metalle für Korrosion darstellen.

Zur Erosionsverhinderung schaffen Strömungseinschränkungen und Richtungsänderungen die Möglichkeit für lokalisierte Hochgeschwindigkeitsbereiche, selbst wenn die gesamte Volumenströmungsrate durch das System einer beherrschbaren Flüssigkeitsgeschwindigkeit zu entsprechen scheint. Plötzliche Änderungen des Rohr- oder Rohrdurchmessers sollten vermieden werden, insbesondere von größeren zu kleineren Durchmessern. Richtungsänderungen sollten den größtmöglichen Wenderadius ermöglichen und scharfe Vorsprünge oder Vertiefungen im Strömungsweg eliminieren.

Ausgleich zwischen Korrosionsbeständigkeit und Kühlwirkung

Natürlich ist eine höhere Flüssigkeitsgeschwindigkeit typischerweise ein gewünschtes Konstruktionsmerkmal in einem Kühlsystem mit verbesserter Wärmeübertragungsleistung zwischen der Flüssigkeit und den Wärmeübertragungsoberflächen. Dazu muss ein Gleichgewicht zwischen Wärmeübertragungsleistung und Langzeitbeständigkeit gegenüber den Auswirkungen von Erosionskorrosion hergestellt werden. Geschwindigkeiten über 1-2 m/s sollten an jedem Ort vermieden werden. Darüber hinaus verringern sich akzeptable Flüssigkeitsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Anfälligkeit der betreffenden benetzten Oberfläche sowie der Temperatur und Aggressivität der Wärmeübertragungsflüssigkeit, wobei höhere Temperaturen offensichtlich die Geschwindigkeit des chemischen Angriffs auf die benetzte Oberfläche erhöhen.

Kein Metall ist in jeder Umgebung immun gegen Korrosion. Durch das Verständnis der Schlüsselbedingungen, die Korrosion verursachen, sowie durch konsequente Überwachung und Wartung kann die Korrosion jedoch eingedämmt und sogar kontrolliert werden. Die Überwachung des Oberflächenzustands und die Implementierung geeigneter Präventionsmethoden sind für den Schutz von Kühlkreisläufen vor Metallverfall und Korrosion von entscheidender Bedeutung.

Rich Roser ist Manager bei Laird Engineered Thermal Systems. Laird ist ein globales Technologieunternehmen, das sich auf die Bereitstellung von Systemen, Komponenten und Lösungen konzentriert, die Konnektivität durch drahtlose Anwendungen und Antennensysteme ermöglichen, die Elektronik vor elektromagnetischen Störungen und Hitze schützen.

Bild mit freundlicher Genehmigung von Laird.

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