Koper, messing, cupronikkel en aluminium: hoe ze corroderen in koelers

Roest koper? Hoe koper corrodeert in koelers

Koper roest niet: roest is ijzeroxide en komt alleen op ijzer en staal voor. Maar koper corrodeert wel degelijk. In lucht en water vormt het eerst een dunne, roodbruine laag koperoxide, en op den duur de bekende groene patina van koperzouten. Die oxidelaag is in schoon water redelijk dicht en beschermend; daarom gaat koper in zoet water tientallen jaren mee.

In koelers hebben koper en zijn legeringen een belangrijk voordeel: ze geleiden warmte uitstekend en zijn van nature ongunstig voor biologische aangroei, omdat vrijkomende koperionen organismen afstoten. De zwakke plek is de oxidelaag zelf. Hij is zacht, en bij hoge stroomsnelheid, luchtbellen of meegevoerd zand wordt hij weggeschuurd. Het blanke koper eronder oxideert opnieuw, wordt opnieuw weggeschuurd, en zo ontstaat erosiecorrosie: hoefijzervormige putten en groeven, vooral in de eerste decimeters na de buisinlaat. Daarom gelden voor zuiver koper lage maximale watersnelheden, en wordt het in zeewater meestal vervangen door een legering.

Messing corrosie: ontzinking als zwakke plek

Messing is een legering van koper met zink. Het is sterker en goedkoper dan koper en laat zich makkelijk bewerken, waardoor het veel in pijpenplaten, buizen en waterkastonderdelen van oudere koelers zit. De corrosievorm die messing kenmerkt is ontzinking: het zink lost selectief op en laat een poreuze, sponsachtige koperstructuur achter. Het onderdeel houdt zijn vorm en kleurt roodachtig, maar heeft vrijwel geen sterkte meer. Een pijpenplaat kan er van buiten goed uitzien en toch bij de eerste drukproef scheuren.

Ontzinking treedt vooral op bij messing met veel zink, in stilstaand of langzaam stromend water, bij hoge temperatuur en in chloriderijk water. Zeewater en brak water zijn dus het ongunstigste milieu. Legeringen met toevoegingen van arseen, tin of aluminium, zoals admiraliteitsmessing en aluminiummessing, zijn er beter tegen bestand, maar niet immuun. Daarnaast is messing in de galvanische reeks onedeler dan koper en cupronikkel, zodat het in combinatie met die metalen de anode wordt; zie galvanische corrosie.

Cupronikkel: beter in zeewater, niet onkwetsbaar

Cupronikkel, koper met 10 of 30 procent nikkel en meestal wat ijzer en mangaan, is ontwikkeld voor zeewater. De oxidelaag die het vormt is dichter en taaier dan die van koper, hecht beter en herstelt zich sneller. Daardoor verdraagt cupronikkel hogere stroomsnelheden zonder erosiecorrosie, is het ongevoelig voor ontzinking en blijft het aangroeiwerend. Het is het gangbare materiaal voor pijpenbundels van box coolers en zeewatercondensors.

De zwakke plekken van cupronikkel zijn specifiek. De beschermende laag moet zich in schoon, zuurstofrijk zeewater kunnen vormen; in vervuild havenwater met sulfiden, of bij een eerste ingebruikname in slecht water, ontstaat een slechte laag die later moeilijk te herstellen is. Onder slib en aangroei ontstaat spleetcorrosie. Cupronikkel is bovendien edel, zodat een stalen pijpenplaat of waterkast eromheen de galvanische rekening betaalt.

Aluminium roest niet, maar aluminium corrosie bestaat wel

Ook aluminium roest niet, en het is van nature goed beschermd: binnen seconden na blootstelling aan lucht vormt zich een dunne, harde, doorzichtige laag aluminiumoxide die zichzelf herstelt. Daardoor is aluminium in droge of schone omstandigheden heel bestendig. In koelers zit het vooral in lamellen van luchtkoelers en charge air coolers, en in sommige platenkoelers, vanwege het lage gewicht en de goede warmtegeleiding.

De oxidelaag is echter alleen stabiel in een beperkt pH-gebied, grofweg tussen licht zuur en licht basisch. Zure of alkalische reinigingsmiddelen en condens met zwaveldioxide tasten de laag over het hele oppervlak aan. Chloriden doen iets anders: ze doorbreken de laag plaatselijk en veroorzaken putcorrosie, de typische witte, poederige plekken met gaatjes eronder. Zoute zeelucht, zeewaterspatten en strooizout zijn daarom funest voor onbeschermde aluminium lamellen. Daarbij komt de galvanische kwetsbaarheid: aluminium staat laag in de reeks, en op het contactvlak met koperen buizen corrodeert het bij de minste elektrolytfilm.

Overzicht: zwakke plekken per legering

Wat de vier gemeen hebben: hun bescherming hangt af van een oxidelaag die onder de juiste omstandigheden werkt en onder de verkeerde omstandigheden faalt. In een koeler wisselen die omstandigheden voortdurend, zeker in zeewater, brak water en rivierwater. Dat is de kern van het probleem, zoals in wat is corrosie is uitgelegd.

Wanneer is coaten van koper, messing of aluminium zinvol?

Niet elke koperen koeler in zoet water hoeft gecoat te worden. Coaten wordt zinvol zodra de natuurlijke oxidelaag het niet meer redt, en dat is in een aantal situaties voorspelbaar:

• Zeewater, brak water of zoute lucht: chloriden breken elke oxidelaag van deze vier metalen op den duur af.
• Meerdere metalen in één koeler: messing of aluminium naast koper, cupronikkel of roestvast staal vraagt om elektrische isolatie.
• Hoge stroomsnelheden of vervuild water: erosiecorrosie bij koper en messing is met een harde, gladde laag te voorkomen.
• Agressieve dampen aan de luchtzijde: lamellenkoelers in een chemische, zoute of zwavelhoudende atmosfeer.
• Vervuild of wisselend koelwater waarin cupronikkel geen goede laag kan opbouwen.
• Een refit van een bestaande koeler waarvan de bundel nog goed is, maar de pijpenplaat of waterkast is aangetast.

De voorwaarde is dat de coating dun en warmtegeleidend is, want het hele doel van deze metalen is warmteoverdracht. Phenol-epoxy inbrandcoatings worden in dunne lagen opgebouwd en in de oven vernet, en zijn warmtegeleidend en elektrisch isolerend. Voor lamellenkoelers wordt de coating met de overvloeimethode aangebracht, zodat ook de lamellen tot in de kern van het blok egaal bedekt zijn; zie lamellen- en luchtkoelers. Voor koperlegeringen is een goede chemische voorbehandeling essentieel, omdat de coating op het blanke, gepassiveerde metaal moet hechten en niet op een losse oxidelaag.

Wat betekent dit voor jouw installatie

Weet je welk materiaal in je koeler zit, dan weet je ook waar je bij inspectie moet kijken: buisinlaten bij koper, pijpenplaten en waterkastdelen bij messing, afzettingen bij cupronikkel, lamellen en contactvlakken bij aluminium. Een koeler die er van buiten goed uitziet kan op die plekken toch al ver heen zijn, zeker bij ontzinking.

Novocoatings coat warmtewisselaars met phenol-epoxy inbrandcoatings, na een chemische voorbehandeling in de eigen wasstraat: voor box coolers met Novotherm 210, voor lamellenkoelers met Novotherm 130H. Zie de inbrandcoatings voor de eigenschappen per systeem. Welke methode van corrosiebescherming bij welke situatie past, en hoe coating zich verhoudt tot anoden en materiaalkeuze, staat in het volgende artikel van het thema corrosie en bescherming.