Die in Deutschland bekannteste technische Regel zur Beurteilung der Korrosionsgefährdung von Heizanlagen ist die VDI-Richtlinie 2035-1, die seit März 2021 in einer neuen Version vorliegt und hinsichtlich der Wasserseite zu einem Blatt zusammengeführt wurde.
Wichtige Neuerungen in der VDI 2035
Die VDI 2035 geht dabei grundsätzlich von korrosionstechnisch geschlossenen Systemen aus, in denen es also keinen signifikanten Sauerstoffeintrag gibt. Nachfolgend einige wichtige Neuerungen im Überblick.
Neu ist die Einteilung in heizleistungsabhängige und -unabhängige Parameter (Härte bzw. pH-Wert und Leitfähigkeit) für Heizungs-, Füll- und Ergänzungswasser. Hier gilt es vor allem, eine Verschärfung des Werts beim spezifischen Anlagevolumen zu beachten. Der bisherige Wert, ab welchem mehr oder weniger alle Härtebildner entfernt werden müssen, wurde von 50 l/kW auf 40 l/kW Kesselleistung reduziert.
Als geringer Ausgleich dafür darf die Resthärte jetzt aber 0,3 °d betragen, gegenüber dem früheren Wert von 0,1 °d. Sind Komponenten aus Aluminiumlegierungen verbaut, muss nun bei dieser Zielhärte entsalzt werden, da eine Vollenthärtung explizit für Bauteile aus Aluminiumlegierungen nicht empfohlen wird. Begründet ist dies durch die häufigen Schäden durch Basenkorrosion (pH-Werte > 9 infolge der Eigenalkalisierung).
Weiterhin sind in allen Anlagen durch den Einbau eines Wasserzählers die Füll- und Ergänzungswassermengen zu erfassen. Sofern die Wasserhärte den Anforderungen von Bild 1 entspricht, ist dafür lokales Trinkwasser zu verwenden.
Das heißt: Erfüllt das aus dem letzten Spülgang verbliebene Spülwasser die anlagenspezifischen Anforderungen, so kann es als Füllwasser in der Anlage verbleiben. Werden die Anforderungen nicht erfüllt, sind Aufbereitungsmaßnahmen, vorzugsweise im Teilstromverfahren, erforderlich.
Auf der Seite der heizleistungsunabhängigen Parameter wurde das pH-Wert-Fenster für Anlagen mit Komponenten aus Aluminiumlegierungen generell auf 8,2 bis 9,0 geöffnet, da der frühere Bereich von pH 8,2 bis 8,5 in der Praxis schwer umzusetzen war. Zudem ist der Einsatz von Reinaluminium für Heizkreisläufe für nicht zulässig erklärt worden.
Auch sind in der neuen Ausgabe der VDI 2035 keine Richtwerte mehr für die Sauerstoffkonzentration im salzhaltigen und salzarmen Heizungswasser in der Tabelle aufgeführt. Was nicht heißt, dass der Sauerstoffgehalt im Heizungswasser damit per se zu vernachlässigen wäre.
In diesem Fachbeitrag wird noch darauf eingegangen, dass dieser als Korrosionstreiber von entscheidender Bedeutung ist und erst bei Konzentrationen von < 0,1 mg/l die Wahrscheinlichkeit für dieses Korrosionsphänomen gering wird.
Besonderes Lob verdient die VDI 2035 für die neu hinzugekommenen Empfehlungen für Bestandsanlagen in Kapitel 10. Hier erhält der Fachhandwerker wertvolle Hinweise zu den häufigsten Mängelursachen, die sich am Umlaufwasser feststellen lassen. Dabei werden auch gleich Abhilfemaßnahmen beschrieben, wie die jeweiligen Probleme praxisnah gelöst werden können.
Abgerundet wird die Hilfestellung für den Fachhandwerker durch ausführliche Hinweise im Anhang I, beginnend bei der Probenahme vor Ort über die Vorbereitung von Messungen bis zur Durchführung der Messungen von pH-Wert, elektrischer Leitfähigkeit und Summe der Erdalkalien.
Durch Sauerstoff verursachte Korrosion
Grundsätzlich hat Schwarzstahl die Tendenz, sich in wässriger Umgebung aufzulösen (gemäß Fe → Fe2+ + 2 e-) , wie in Bild 2 schematisch gezeigt. Das unedle Metall springt an bestimmten Stellen von der Oberfläche – als positives Teilchen (Ion) – förmlich ins Wasser und lässt dabei am Festkörper eine negative elektrische Ladung (e-) zurück. Diese Ladung muss nun von einer anderen im Wasser gelösten Substanz aufgenommen werden, damit sich ein sogenannter Korrosionsstromkreis ausbilden kann, der den Auflösungsprozess am Laufen hält.
Nicht speziell entgastes oder sauerstoffgezehrtes Füllwasser enthält 8 bis 11 g/m³ gelösten Sauerstoff. Bei der Reaktion mit Bauteilen aus Schwarzstahl bildet sich dadurch letztlich Magnetit (je m³ 30 bis 40 g), parallel dazu sinkt die Sauerstoffkonzentration ab. In der Praxis werden bei korrosionstechnisch geschlossenen Anlagen Werte von 0,02 bis 0,1 mg/l gemessen. Die VDI 2035 nennt hier einen Richtwert von 0,1 mg/l, unterhalb dessen keine Schäden zu erwarten sind. Für direkt an die Fernwärme angeschlossene Anlagen sind nach AGFW FW 510 aber strengere Vorgaben (0,02 bis 0,1 mg/l) zu beachten.
In den betrachteten Heizsystemen werden die Korrosionsprozesse im Wesentlichen durch die Menge des eindringenden Sauerstoffs bestimmt, solange sich die pH-Werte des Kreislaufwassers mehr oder weniger im Bereich von 8 bis 9 bewegen. Der im Wasser gelöste Sauerstoff übernimmt dabei die vom austretenden Metall zurückgelassenen Elektronen, wobei sich Hydroxidionen (gemäß ½ O2 + 2 e- + H2O → 2 OH-) bilden. Der „elektrische“ Ladungsausgleich zwischen Fe2+ und OH- geht dabei über das Wasser und wird von dessen elektrischer Leitfähigkeit mehr oder weniger begünstigt.
Die Korrosionsrate bleibt vernachlässigbar gering, falls der
Bei großen, verzweigten Anlagen ist dies aber in der Praxis kaum zu realisieren.
Bild: perma-trade
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Wie kommt Sauerstoff ins Heizsystem?
Sauerstoff kann auf verschiedenen Wegen in ein Heizsystem gelangen:
Werkstoffe aus Aluminiumlegierungen sind in puncto Sauerstoffkorrosion deutlich weniger anfällig, da sich dieser Werkstoff im sauerstoffhaltigen Wasser sehr gut passivieren kann. Sind allerdings Chloridionen in höherer Konzentration vorhanden, kann es trotzdem zu Lochkorrosion und Wanddurchbrüchen kommen. Dies gilt mehr oder weniger auch für molybdänfreie nichtrostende Stähle. Bei einer salzarmen Betriebsweise nach VDI 2035 (LF < 100 µS/cm) werden diese kritischen Chloridkonzentrationen jedoch nie erreicht.
Aber selbst wenn für einen Werkstoff alle Wasserparameter passen, kann dieser durch sedimentierende Stoffe, z. B. durch Korrosionsprodukte anderer Werkstoffe, so mitgenommen werden, dass ein Schaden eintritt (Bild 4).
Korrosionsprobleme durch Salze und Säuren
Der Salzgehalt eines Wassers zeigt sich direkt über seine elektrische Leitfähigkeit. Beim Korrosionsvorgang nach Bild 2 gehen sowohl positive Fe2+- als auch negative OH--Ionen in das Wasser über. Deren elektrischer Ladungsausgleich erfolgt über das Wasser und wird von einer zunehmenden Wasserleitfähigkeit begünstigt.
Niedrige Leitfähigkeiten behindern neben diesem auch alle anderen elektrochemischen Vorgänge an der Metalloberfläche. Einleuchtend ist auch, dass beim Fehlen bestimmter Salze einzelne Korrosionsarten erst gar nicht auftreten werden. Mögliche Quellen für den Eintrag von Salzen ins Heizsystem sind:
Wie sauer ein Wasser ist, lässt sich über dessen pH-Wert ablesen. Dieser Wert ist dimensionslos und nicht linear. Je niedriger der Zahlenwert, desto stärker der saure Charakter. Fällt der pH-Wert beispielsweise um eine Stufe von pH 6 auf pH 5 ab, so verzehnfacht sich damit der Säuregehalt im Wasser. Ursachen für niedrige pH-Werte sind:
Zunächst entscheidet der pH-Wert darüber, ob sich auf dem Metall eine passivierende Deckschicht ausbilden kann, welche die Flächenkorrosion massiv eindämmt. Als bestmöglichen Kompromiss für die im Heizkreis verbauten Metalle fordern die einschlägigen Regelwerke einen pH-Bereich von 8,2 bis 9,0.
Für Anlagen ohne Aluminiumkomponenten sollte der pH-Wert jedoch zwischen 9,3 und 10,0 gewählt werden, nicht nur hinsichtlich des passiven Verhaltens von Eisen, sondern auch weil die Reaktion des Sauerstoffs an der Metalloberfläche vom pH-Wert abhängig ist und bei niedrigeren pH-Werten leichter abläuft.
Bei pH-Werten < 6 tritt zunehmend die Säurekorrosion in Aktion und die H+-Ionen der Säure beginnen, den Sauerstoff als Korrosionstreiber abzulösen. Derart niedrige pH-Werte im Heizungswasser sind bei verschleppten, zu organischen Säuren abgebauten Frostschutzmittelresten keine Seltenheit.
Bild: perma-trade
Bild: perma-trade
Bild: perma-trade
Korrosionsrelevanten Sauerstoff aktiv reduzieren
Zusammenfassend bedeuten die obigen Erkenntnisse, dass eine salzarme Betriebsweise mit möglichst hohem pH-Wert wasserseitig zwar den bestmöglichen Korrosionsschutz darstellt, aber im Falle eines nennenswerten Sauerstoffeintrags keinen ausreichenden Schutz bietet.
Lässt sich ein Sauerstoffeintrag nicht durch andere technische Maßnahmen, wie Systemtrennung oder gar Innenbeschichtung, beherrschen, kann die direkte Sauerstoffbindung oder auch der Einsatz von Korrosionsinhibitoren im Heizungswasser erwogen werden. In Bild 6 sind die jeweiligen Möglichkeiten dargestellt und die wichtigsten Vor- bzw. Nachteile aufgeführt.
Eine neue Methode zur Reduzierung des korrosionsrelevanten Sauerstoffs im Füll-, Ergänzungs- und Umlaufwasser stellen sogenannte Sauerstoffzehrpatronen dar. Diese Patronen enthalten ein zugelassenes, anorganisches Sauerstoffbindemittel, das mit einem Trägermaterial komplexiert ist und nach der Reaktion mit dem gelösten Sauerstoff auf diesem verbleibt.
Im Gegensatz zur Dosierung von Sauerstoffbindemitteln wird die Zusammensetzung des Umlaufwassers hier nicht nennenswert verändert, was ganz im Sinne des Minimierungsprinzips ist. Auch die Bild 6 aufgeführten Nachteile und Nebenwirkungen lassen sich so vermeiden.
Anwendung auch während des Heizbetriebs
Der Prozess ist allerdings von der Wassertemperatur abhängig. Wird eine Heizanlage mit kaltem Wasser über eine solche Patrone – ggf. in Kombination mit einer Entsalzung oder Enthärtung – neu befüllt, können dem Füllwasser beim direkten Hindurchströmen 80 bis 90 % Sauerstoff entzogen werden. Logischerweise bilden sich dann auch mindestens 80 % weniger Korrosionsprodukte, die z. B. die Topmeter von Fußbodenheizungsverteilern belegen könnten.
Prädestiniert für dieses Filterverfahren ist die Anwendung während des Heizbetriebs in Kombination mit einer Teilstromentsalzung, wobei bereits ab einer Wassertemperatur von 35 °C der Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit auf eine Restkonzentration von < 0,02 mg/l gezehrt wird. Technisch eleganter ist die Lösung in Kombination mit dem fest installierten Modul zur Teilstromaufbereitung (Bild 8). Hier kann das Wasser entweder ständig oder zeitgesteuert mechanisch filtriert und permanent von eindringendem Sauerstoff befreit werden. Zudem lässt sich eine Entsalzungspatrone in Abhängigkeit der Leitfähigkeit des Anlagenwassers automatisch hinzuschalten.
Auch Unterdruck- oder Membranentgaser können den Sauerstoffgehalt von Nachspeisewasser in direktem Durchlauf absenken, in der Regel zwischen 60 und 80 %. Für Anlagen mit einem erhöhten Nachspeisebedarf kann diese Nachspeiseentgasung zwar sinnvoll sein, ist aber als alleinige Maßnahme nicht ausreichend. Hier kann eine Kombination mit nachgeschalteten Sauerstoffzehrpatronen sinnvoll sein.
Bild: perma-trade
Tipp
Praxishinweise zur neuen VDI 2035
+/- 0,2 verringern, d. h. ein Messwert von 8,0 erfüllt noch die Tabellenvorgabe von pH 8,2.
Literatur
Heizungsjournal 12/2008
Autor
Bild: perma-trade
