SB_18.507BLP

2017
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Verringerung der
Schwermetallionenmigration
kupfergelöteter
Plattenwärmeübertrager
(PWÜ) für Trinkwasseranwendungen

Verringerung der
Schwermetallionenmigration
kupfergelöteter
Plattenwärmeübertrager (PWÜ)
für Trinkwasseranwendungen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 18.507 N
DVS-Nr.: 07.078
Professur Verbundwerkstoffe und
Werkstoffverbunde,
Technische Universität Chemnitz
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 18.507 N / DVS-Nr.: 07.708 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2017 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 357
Bestell-Nr.: 170466
ISBN: 978-3-96870-356-5
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.507B
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis ..................................................................................................... 3
Einleitung ......................................................................................................................... 6
Stand der Technik ........................................................................................................... 7
Durchgeführte Arbeiten ................................................................................................. 16
Prüfung industriell hergestellter PWÜ im Trinkwasserprüfstand ................................. 16
Stromdichte-Potenzial-Untersuchungen ..................................................................... 21
Metallografische Charakterisierung industriell hergestellter PWÜ .............................. 25
Optimierung der Wärmebehandlungsparameter ........................................................ 30
Untersuchung von Prüfkörpern im Trinkwasserprüfstand ........................................... 38
Projektbegleitender Ausschuss ..................................................................................... 43
Verwendung der Zuwendung ......................................................................................... 43
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ........................................... 43
Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen ............................................ 44
Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten Transferkonzepts ................. 48
Literaturverzeichnis ....................................................................................................... 49

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.507B
Einleitung
Bereits seit vielen Jahren ist die Korrosionsproblematik kupfergelöteter PWÜ bekannt.
Dabei treten korrosionsbedingte Leckagen sowie innere Undichtigkeiten auf, die teilweise
auch die angrenzenden Rohrleitungen betreffen. Neben den wirtschaftlichen Risiken
durch Ausfall bzw. Austausch der PWÜ stellt vor allem die Beeinträchtigung der
Trinkwasserqualität ein erhebliches Gefahrenpotenzial für die Gesundheit der
Verbraucher dar, zumal die kontinuierliche Abgabe von Korrosionsprodukten nur selten
bemerkt wird. Für trinkwasserführende Bauteile müssen deshalb technische und
hygienische Anforderungen eingehalten werden. Bei metallischen Komponenten, die in
leitenden Flüssigkeiten naturgemäß Korrosionsangriff unterliegen, betrifft dies vor allem
die Schwermetallabgabe. Die Untersuchungen zum Ablauf der Korrosion kupfergelöteter
PWÜ und der dabei auftretenden Schwermetallionenabgabe ins Trinkwasser liefern
einen wichtigen Beitrag zum umfassenden wissenschaftlichen Verständnis von
komplexen Werkstoffverbunden. Durch die Vielzahl der Einflussgrößen wie
Herstellbedingungen, Platten- und Lotwerkstoff, Wasserqualität und wechselnden
Betriebszuständen kann es zu starken Unterschieden im Korrosionsverhalten und der
Korrosionskinetik kommen. Dementsprechend umfangreich sind die notwendigen
Untersuchungen und damit insbesondere für KMU nur äußerst schwierig zu realisieren.
In diesem Zusammenhang ist besonders die Trinkwasserprüfung gemäß DIN EN 15664
zu nennen. Im Projekt wird sowohl das Korrosionsverhalten industriell hergestellter PWÜ
als auch ein Ansatz zur Verringerung der Korngrenzeninfiltration der verwendeten Cr/Ni-
Stähle durch eine vor dem Lötprozess stattfindende Wärmebehandlung untersucht.
Das Forschungsvorhaben wurde durch Mittel des Bundesministeriums für Wirtschaft und
Energie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
„Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördert. Der AiF-Förderung sei gedankt.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.507B
Stand der Technik
Wärmeübertrager, auch Wärmetauscher genannt, dienen dem Austausch von
thermischer Energie zwischen getrennten Stoffströmen. Dabei existieren
unterschiedliche Bauformen. Gelötete Plattenwärmeübertrager (PWÜ) sind für
Anwendungen unter hohen Drücken und Temperaturen konzipiert. Sie bestehen aus
geprägten Platten, die jeweils um 180° in der Ebene gedreht, gelötet werden. So
entstehen zwei voneinander getrennte Strömungskanäle, in denen die an der
Wärmeübertragung beteiligten Medien im Gegenstrom geführt werden. Die Prägung der
Platten erzeugt eine turbulente Strömung, welche eine sehr effektive Wärmeübertragung
schon bei geringen Volumenströmen ermöglicht. Die Einsatzgrenzen liegen bei etwa
30 bar und 225 °C [Paj04a]. Die Herstellung erfolgt meist durch Vakuumlöten mit Kupferoder
Nickelbasisloten gemäß DIN EN 17672, als Plattenwerkstoffe kommen
austenitische rost- und säurebeständige Stähle zum Einsatz. Reines Kupfer besitzt
aufgrund sehr guter Verarbeitungseigenschaften und hoher Wirtschaftlichkeit die größte
Bedeutung als Lotwerkstoff. Die Applikation erfolgt meist als Folie, die zwischen die
Platten gelegt wird. Bereits seit den 90er Jahren ist das Korrosionsproblem
kupfergelöteter PWÜ bekannt [Sti98]. Dabei treten korrosionsbedingte Leckagen sowie
innere Undichtigkeiten auf, die teilweise auch die angrenzenden Rohrleitungen betreffen.
Damit verbunden sind Ausfall- und Austauschkosten. Um ein derartiges Risiko zu
minimieren, sollten die Lebensdauer sowie mögliche Ausfallursachen bekannt sein. Zur
Abschätzung der Korrosionswahrscheinlichkeit von metallischen Werkstoffen in
Wasserverteilungs- und -speichersystemen findet die DIN EN 12502 Anwendung. Darin
sind die möglichen Korrosionsarten berücksichtigt und deren Einflussfaktoren benannt.
Trotzdem ist eine Vorhersage aufgrund der hohen Komplexität und der Vielzahl an
Einflussgrößen, wie beispielsweise Trinkwasserzusammensetzung und auch
Werkstoffkombinationen, die den jeweiligen Anlagenaufbau betreffen, schwierig. Zudem
kann es zu Schwankungen in Trinkwasserqualität und -temperatur kommen.
Untersuchungen aufgrund sich häufender Ausfälle von kupfergelöteten PWÜ und
nachfolgender Rohrleitungen aus verzinktem Stahl ergaben als Ausfallursache
Undichtigkeiten, teilweise nach nicht einmal einem Jahr Betriebszeit. Das Kupferlot wird
dabei an den Korngrenzen interkristallin angegriffen und letztendlich aufgelöst, Abbildung
1. In einigen Bereichen ist ebenfalls Spaltkorrosion am Stahl aufgetreten [Sti98].

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.507B
Abbildung 1: Korngrenzenangriff im Kupferlot [Sti98]
Die Analyse des in den Rohren zirkulierenden Wassers zeigt einen deutlich erhöhten
Kupferionengehalt. Dies veranlasste den Autor zu der Aussage, dass derartige Bauteile
wie Installationsbauteile aus Kupfer zu betrachten sind. Nach der Fließregel ist ein Einbau
in Fließrichtung vor verzinkten Stahlrohren unzulässig. Als letztendlichen Grund für die
Kupferabgabe der PWÜ wird die Auflösung des Lotes durch galvanische Korrosion
benannt [Ehr98]. Auch Pajonk bestätigt, dass die Chromoxidschicht an der Oberfläche
der nichtrostenden Stähle zur anodischen Auflösung des Kupferlotes im Trinkwasser
führt [Paj04a]. Beim Löten wird zudem der Grundwerkstoff ungewollt einer
sensibilisierenden Wärmebehandlung unterzogen. Dabei kommt es zur Bildung von
Chromcarbiden an den Korngrenzen und zur Chromverarmung in korngrenzennahen
Bereichen. Bei Vorhandensein eines Elektrolyts werden die unedleren Bereiche anodisch
abgetragen. Dieser kritische Temperaturbereich wird beim Löten gleich zweimal
durchfahren. Dabei reichen zehn Minuten Verweildauer für eine beeinträchtigende
Sensibilisierung der Stahlsorten 1.4301 und 1.4401, Abbildung 2. Ein entsprechender
Vermerk ist im Entwurf für die DIN EN 10088-3 enthalten. Zur Vermeidung werden
low carbon-Stahlsorten mit Kohlenstoff-Gehalten < 0,03 Gew.-% für trinkwasserführende
PWÜ empfohlen. Die Sensibilisierungsdauer kann so auf mehr als eine Stunde erhöht
werden. Diese Stähle konnten sich aber bislang aufgrund der preisintensiven Herstellung
mittels Vakuumumschmelzens nicht industriell durchsetzen.