Erosion in Dampf- und Kondensatleitungen

Erosion ist ein physikalischer Prozess, bei dem ein Feststoff durch Reibung allmählich abgetragen wird. Dieser Artikel befasst sich mit Erosion in Dampf- und Kondensatleitungen - ein verbreitetes Problem in Dampfanlagen, bei denen Rohrleitungselemente bis hin zur Lochbildung ausgewaschen werden, so dass beträchtliche Dampfleckagen entstehen können.

Dampfleckagen duch Rohrleitungserosion

Durch Erosion wird die Wandstärke der Rohrleitung allmählich verringert. Schließlich entsteht ein Loch, durch das der Dampf entweicht und dabei ein großes Sicherheitsrisiko darstellt.

Was verursacht Erosion?

Feinverteilte Wassertröpfchen und Kondensat, das mit hoher Geschwindigkeit im Dampfstrom mitgerissen wird, sind die Hauptursachen für Erosion. In Rohrbögen und anderen Rohrleitunselementen mit Umlenkung der Strömung bewirken diese durch den dauerhaften Aufprall auf die Wandung eine allmähliche Auswaschung und Verringerung der Wandstärke. Man spricht von Tröpfchenerosion.

Vor allem bei Rohrleitungen aus C-Stahl kann Erosion die Schutzschicht auf der Innenwand beseitigen, so dass das Material zusätzlich elektrochemisch angegiffen wird und sich auch durch Korrosion die Wandstärke verringert. Damit wirken Erosion und Korrosion zusammen und sind beide an der allmählichen Reduzierung der Rohrwandstärke beteiligt.

Rohrleitungsschäden durch Erosion

Die Beständigkeit der Rohrleitung gegenüber Erosion hängt vom Werkstoff ab. Aus Kostengründen werden in Dampfanlagen meistens Rohrleitungen aus C-Stahl verwendet, auch wenn dieses Material weniger beständig ist als Edelstahl. Rohrleitungen aus Edelstahl findet man hauptsächlich in der Pharamaindustrie, Biotechnonolgie, Lebensmittelindustrie und anderen Branchen, in denen sterilisiert wird und Reindampf eingesetzt wird.

Erosion in Rohrleitungen

Wenn Wassertröpfchen auf die Innenwand der Rohrleitung treffen, wird die Rohrwandung allmählich abgetragen.

Manche Oberflächenbehandlungen von Rohrleitungen aus C-Stahl bieten einen gewissen Schutz vor Korrosion, der jedoch nicht an den von Edelstahlleitungen heranreicht. Die Beschichtung kann das Material nur vorübergehend schützen und die Einwirkung durch Erosion und Korrosion verzögern.

Sobald jedoch die Auswaschung der Rohrwandung erst einmal begonnen hat, wird das Fortschreiten beschleunigt: Nun wirken nicht mehr nur die Wassertröpfchen abrasiv auf die Rohrwand, sondern durch den Verlust der Schutzschicht an dieser Stelle wird dort auch die Korrosion begünstgt.

Andere Formen der Erosion in Dampf- und Kondensatleitungen.

Erosion in Dampf- und Kondensatleitungen ist nicht auf die o.g. Tröpfchenerosion oder mitgerissenes Kondensat beschränkt.

Kondensatleitungen können durch die Einwirkung von Entspannungsdampf von Erosion betroffen sein, wenn dieser bei der Leitungsauslegung nicht bedacht wurde. In der Kondensatsammelleitung entsteht immer ein gewisser Anteil von Nachdampf, so dass hier Verhältnisse wie in einer Dampfleitung mit Nassdampf von hoher Fließgeschwindigkeit entstehen können.

Die Erosion durch Entspannungsdampf wird häufig durch zwei Faktoren begünstigt:

• Unterdimensionierte Kondensatleitungen, die zu einer hohen Strömungsgeschwindigkeit des Entspannungsdampfs führen.
• Korrosiv wirkende Stoffe wie Kohlensäure, die sich im kühlen Kondensat finden.

Außerdem kann durch Stoßwellen infolge der Implosion kleiner Dampfblasen im Kondendsat die sogenannte "Kavitationserosion" hervorgerufen werden. Diese entsteht, weil Entspannungsdampf einen großen Volumenanteil im Kondensat einnehmen kann, der durch die Wärmeabgabe an die Umgebung kondensiert und sein Volumen plötzlich in sich zusammenbricht.

Durch den Unterschied des spezifischen Volumens von Dampf und Kondensat kann die plötzliche Kondensation von Entspannungsdampf einen großen Leerraum hervorrufen, der schnell und oft schlagartig mit dem umgebenden Kondensat aufgefüllt wird. Dabei entstehen Stoßwellen, die als Wasserschlag bekannt sind. Dieser Vorgang kann zu starker Erosion und Beschädigung der Rohrleitung führen.

Maßnahmen gegen Erosion

Maßnahmen zur Vermeidung von Erosion in Kondensatleitungen

Zur Vermeidung von Erosion in Kondensatleitungen müssen mehrere Punkte bei der Auslegung beachtet werden. Ein wichtiger Aspekt ist die ausreichende Dimensionierung der Rohrleitung für eine Zweiphasenströmung aus Kondensat und Entspannungsdampf, wie hier näher erläutert:

• Entspannungsdampf

Kondensatleitungen werden meistens für den mittleren Kondensatanfall ausgelegt. Bei Verwendung von diskontinuierlich arbeitenden Kondensatableitern, wie Glockenschwimmer, Thermodynamische und Thermische, kann der momentane Durchsatz deutlich höher sein als der durchschnittliche. Damit wird die Strömungsgeschwindigkeit viel höher als erwartet, und es kommt zu einer stärkeren Erosion der Rohrleitung.

Kondensatableiter mit diskontinuierlicher Arbeitsweise

Kondensatableiter mit diskontinuierlicher Arbeitsweise können zu einer stärkeren Erosion der Rohrleitung am Austritt führen.

In solchen Fällen sollte der Kondensatableiter möglichst weit vorne in Strömungsrichtung installiert werden, so dass er genügend Abstand zu sich anschließenden Strömungsumlenkungen hat. Diese sollten am Austritt des Kondensatableiters weitestgehend vermieden werden und die Rohrleitung sollte großzügig dimensioniert werden. Schließlich kann ein Kondensatableiter mit kontinuierlicher Arbeitsweise helfen, wie z.B. Freischwimmer-Kondensatableiter.

Maßnahmen zur Vermeidung von Erosion in Dampfleitungen

Die Vermeidung von Erosion in Dampfleitungen ist einfacher und erfordert vor allem die Beseitigung von Wassertröpfchen, die im Dampfstrom mitgerissen werden. Dafür werden Dampftrockner eingesetzt.

Dampftrockner

Mitgerissenes Kondensat im Dampfstrom wird mittels Dampftrockner mechanisch abgeschieden.

Selbst wenn der Dampf am Austritt des Kessels einen hohen Trockenheitsgrad haben kann, wird doch bei Dampfsystemen ohne Überhitzungsstufe immer eine gewisse Menge Kondensat in der Leitung gebildet und im Dampfstrom mitgerissen. Kondensat entsteht durch Wärmeverluste der Dampfleitung. Aus diesem Grund ist es notwendig, sowohl in regelmäßigen Abständen Leitungsentwässerungen vorzusehen als auch an entsprechenden Stellen Dampftrockner zu installieren, um feinverteilte Kondensattröpfchen abzuscheiden.