Korrosion und Hygiene von Warmwasserbereitern

Werkstofftechnische Lösungen durch Emaillieren und kathodischen Schutz

G. Franke · Prof. Dr. W. Schwenk · Teil 1

Warmwasserbereiter dienen der Erwärmung von Wasser für den industriellen sowie für den privaten Gebrauch. Es wird von einem Warmwasserbereiter erwartet, daß er die zugedachte Funktion langzeitig erfüllt und daß dabei die Qualität des Wassers, insbesondere die von Trinkwasser, nicht beeinträchtigt wird. Warmwasserbereiter werden aus unterschiedlichen Werkstoffen erstellt, wobei technische und wirtschaftliche Gesichtspunkte in unterschiedlicher Weise Berücksichtigung finden. Der Beitrag gibt Hinweise zur Beurteilung der werkstofftechnischen Varianten in bezug auf Anforderungen und Belastungen. Im Detail wird die Kombination aus Stahlbehälter mit Email-Auskleidung und kathodischem Innenschutz als Lösungskonzept vorgestellt.

Anforderungen an Warmwasserbereiter

Wassererwärmer und Wassererwärmungsanlagen für Trink- und Betriebswasser müssen wasserseitig korrosionsbeständig sein. Darunter versteht man:

Beständigkeit gegen Undichtigkeiten als Folge einer örtlichen Materialzerstörung.
Keine Beeinträchtigung der betrieblichen Funktion durch Ablagerungen und Wasserverunreinigungen mit festen Korrosionsprodukten.
Keine Beeinträchtigung der Trinkwasserqualität durch Korrosionsreaktionen jeder Art.
Diese Anforderungen müssen für alle in Frage kommenden wasserseitigen und betrieblichen Einflußgrößen erfüllt werden, d. h.:
Bei Temperaturen bis zu etwa 90°C (wobei aus hygienischen Gründen [1] am Wasseraustritt etwa 60 °C überschritten sein sollen) bei einer Betriebsdauer von 8760 h (und nicht wie an der Verbraucherstelle - Badewanne - mit etwa 40 °C und 100 h) im Jahr.
Bei Wässern undefinierter und meist unbekannter Zusammensetzung hinsichtlich des Gehaltes korrosionsfördernder Salze und korrosiver Gase wie Sauerstoff und Kohlensäure, wobei die Grenzwerte [2, 3] lediglich einer Orientierung dienen können.

Warmwasserbereiter sind Bedarfsgegenstände im Sinne des Lebensmittel- und Bedarfsgegenständegesetzes [4]. Bei thermodynamisch unvermeidbaren [5] Reaktionen des Behälterwerkstoffs mit dem Trinkwasser sind Reaktionsprodukte technisch unvermeidbar. Sie müssen aber bei Abgabe des Wassers an den Verbraucher technologisch unwirksam sowie gesundheitlich, geschmacklich und geruchlich unbedenklich sein.

Eine Grundlage für die Beurteilung dieser Anforderungen liefern die in den Trinkwasser-Richtlinien [2, 3] angegebenen Höchstwerte für chemische Stoffe, wobei in der praktischen Handhabung aber immer wieder Fragen über die Probenahme in Verbindung mit dem jeweiligen Betriebszustand aufgeworfen werden. Diese Problematik ist in der Literatur [5] ausführlich beschrieben und kann inzwischen so interpretiert werden [6], daß einzelne oder nur von Stagnationswasser bestimmte Analysenwerte nicht allein als aussagefähig anerkannt werden.

In der derzeitig gültigen TrinkwVO [2] werden zwar für Cu und Zn 12-h-Stagnationswasser-Analysen verlangt, man ist aber hierbei anhand von Untersuchungen davon ausgegangen, daß bei verzinkten Stahlrohren und bei Kupferrohren der Tagesdurchschnittswert näherungsweise dem halben Wert eines 12-h-Stagnationswassers entspricht [7]. Wahrscheinlich aus rechtlichen Erwägungen wurde dieser Beurteilungsweg in der EG nunmehr verlassen [3], was sich dann auch auf die Novellierung der TrinkwVO auswirken muß.

Die in den Trinkwasser-Richtlinien [2, 3] genannten Höchstwerte sollen auch künftig als Gebrauchsmittelwerte angesehen werden. Da die Ermittlung derartiger Werte aber völlig undefiniert ist, können letztlich die Fragen über den Werkstoffeinsatz für Trinkwasseranlagen nur über die normative Festlegung von werkstoffabhängigen Grenzwerten der Wasserparameter beantwortet werden, wie dies für Kupfer und Zink [8 - 10] formuliert ist.

Diese Grenzwerte beruhen letztlich auf normativen Untersuchungen [11]. Nach solchen Untersuchungen gibt es dann für unlegierte Stähle ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen sowie z. B. auch für Blei keinen Anwendungsbereich [12] und andererseits für nichtrostende Stähle [13] keine Begrenzung der Anwendung im Trinkwasserbereich.

Über die korrosionstechnische Bewertung der verschiedenen Werkstoffe bei Korrosionsbelastung durch erwärmte Trinkwässer gibt die DIN 50930 Hinweise. Bei salzreicheren Betriebswässern sind womöglich Abweichungen zu beachten. Über die korrosionstechnische Bewertung und über die Anforderungen bei besonderen Schutzmaßnahmen können allgemeine Angaben [14 - 17] für den kathodischen Innenschutz sowie für organische Auskleidungen [15 - 18] herangezogen werden. Die anorganischen Auskleidungen, wie auch Email, werden im Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes [17] behandelt und sind der Schwerpunkt in den nachfolgenden Abschnitten.

Korrosionsbelastung von Warmwasserbereitern (Einflußgrößen der Korrosion)

Bereits aus den Darlegungen in DIN 50930 und DIN 50931 [8 - 13] folgt, daß die wasserseitigen Einflußgrößen der Korrosion bei jedem Werkstoff unterschiedlich wirksam sein können. Es gibt somit kein aggressives Wasser und keinen korrosionsanfälligen Werkstoff schlechthin. Aus diesem Grunde können die Einflußgrößen der Korrosion bzw. die Einsatzbereiche und deren Grenzen nur separat für die verschiedenen Werkstoffe und Schutzmaßnahmen erörtert werden.

Einen großen Einfluß hat im Warmwasserbereich die Temperatur, der man allgemein eine reaktionsbeschleunigende Wirkung zuschreibt. Es ist aber zu bedenken, daß auch die Ausbildung von schützenden Deckschichten durch eine Temperaturerhöhung unterstützt werden kann. Dann sinkt zwar die Geschwindigkeit einer Flächenkorrosion, u. U. wird aber die Bildung örtlicher Korrosionsformen begünstigt.

Im Warmwasserbereich ist somit vor allem örtlicher Korrosionsangriff zu erwarten. Dieser Effekt wird im allgemeinen durch Ablagerungen an der Werkstoffoberfläche noch unterstützt, wobei dann neben der Temperatur auch die Richtung eines Temperaturgefälles Einfluß nehmen kann. So wird bei einem Wärmeübergang vom Werkstoff in das zu erwärmende Wasser die Lochkorrosion von nichtrostendem Stahl erleichtert [13, 19]. Umgekehrt besteht bei einem Wärmeübergang vom Heizwasser zu einer kälteren beschichteten Komponente die Gefahr einer Blasenbildung [18, 20], was als DT-Effekt bekannt ist.

Besondere Bedeutung haben im Warmwasserbereich alle Arten einer Elementbildung, die aber nicht notwendigerweise eine Mischbauweise aus verschiedenen Metallen zur Voraussetzung haben muß, sondern auch bei beschichteten Objekten entstehen kann [17, 18, 20]. Das ist im allgemeinen darauf zurückzuführen, daß polare Kunststoffe, dazu zählen duromere Harze und einige Thermoplaste, in Warmwasser eine deutliche Ionenleitfähigkeit aufweisen können [17, 21 - 23]. Je nach Sauerstoffgehalt des Wassers wirken die beschichteten Teile als Kathode in einem Element. Poren oder kleine Verletzungen in der Beschichtung bilden die Anoden.

Befinden sich in einem beschichteten Behälter z. B. Heizeinsätze aus einem edleren Werkstoff, d. h. mit einem positiveren Ruhepotential als der beschichtete Behälter, können wiederum als Folge einer Ionenleitfähigkeit in der Beschichtung anodische Blasen [17, 20] entstehen, wobei unter der zunächst intakten Beschichtung eine Lochfraßstelle entsteht. Solche anodischen Blasen werden wegen ihrer geringen Größe stets übersehen und nach dem Aufplatzen an der Lochfraßstelle mit Poren verwechselt.

Die Gefährdung durch Elementbildung, d. h. der örtliche Korrosionsangriff an Poren oder an anodischen Blasen kann zwar durch kathodischen Innenschutz aufgehoben werden. Dann besteht jedoch die Gefahr einer kathodischen Blasenbildung, die auf den gleichen Mechanismus der Ionenleitfähigkeit zurückzuführen ist [17, 20]. Derartige Schwierigkeiten sind bei Emailauskleidungen vom Grundsatz her nicht möglich.

Weitere Einflußgrößen der Korrosion können auf mechanische Kräfte zurückgeführt werden. Im Gegensatz zu Rohrleitungen spielen bei Behältern erosive Belastungen sicherlich keine Rolle. Bei druckarmem Betrieb sollte auch die Möglichkeit einer Spannungsrißkorrosion ausgeschlossen werden. Bei austenitischen nichtrostenden Stählen ist aber bekannt, daß bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen um 50° C und auch bei verhältnismäßig niedrigen Zugspannungen, die durch Betriebs-, Eigen- und Konstruktionsspannungen aufgebracht werden können, transkristalline Spannungsrißkorrosion möglich ist. Die Risse können aber nur dann aufbrechen, wenn eine andere Korrosionsart (Lochkorrosion) primär stattgefunden hat. Spannungsrißkorrosionsschäden sind besonders leicht möglich, wenn auf warmen Werkstoffflächen Wasser eindunstet [13, 19, 21, 24], was im Falle von Leckwasser ebenfalls als Folge eines fremden Primärschadens anzusehen ist.

Für die hygienisch wichtigen Betrachtungen einer möglichen Beeinträchtigung der Wasserbeschaffenheit durch Korrosionsprodukte spielen die Abmessungen eine ganz wesentliche Rolle.

Nachfolgend soll die Zeit t bis zum Erreichen eines Grenzwertes c einer Legierungskomponente X im stagnierenden Wasser betrachtet werden. Bei einer zeitlich konstanten flächenbezogenen Massenverlustrate v der Legierung mit einem Masseanteil a in % der Komponente X läßt sich für einen zylinderförmigen Körper mit dem Radius r herleiten [25, 26]:

[Formel]

Die Zeit bis zum Erreichen einer als kritisch definierten Konzentration c ist somit in Behältern immer wesentlich länger als bei Rohrleitungen.

Für den Warmwasserbereich sollte somit nicht der Warmwasserbereiter, sondern vielmehr die angeschlossene Warmwasserleitung, insbesondere bei Zirkulation, von hygienischem Interesse sein. (Fortsetzung folgt)

(Bilder: DEV u. Buderus)

Literatur

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