Blitzblank wie neu
Oberflächentechnik in Wärmeaustauschern

Verschmutzung und Korrosion setzen vielen Oberflächen heftig zu. Abhilfe gegen Algen, Rost, Kalk und Co. schaffen Beschichtungen oder vergleichsweise teure Materialien wie z.B. hoch legierte Stähle. Im BASF-Fachzentrum für Polymer- und Oberflächentechnik haben Experten ein Beschichtungssystem auf Basis von Fluorpolymeren entwickelt, das in Sachen Antihafteffekt und Korrosionsschutz erhebliche Vorteile bei der Gesamtkostenbetrachtung bietet. Erste Ergebnisse aus Langzeitversuchen mit Plattenwärmeaustauschern liegen nun vor.

Fluorpolymere wie PFA, MFA und FEP sind in Antihaft- und Korrosionsschutzbeschichtungen keineswegs neu. Entscheidend ist jedoch das Aufbringungsverfahren. Die BASF hat mehr als 50 Jahre Erfahrung bei der Entwicklung von Antikorrosions- und Antihaftbeschichtungen aus dem Betrieb der eigenen Chemieanlagen in das neue Beschichtungssystem einfließen lassen. Ursprünglich entstanden ist das Verfahren für Antihaftoberflächen aus Versuchsansätzen für den Korrosionsschutz mit einer damals unternehmensintern eingesetzten Beschichtung, die auf PFA basiert. „PFA ist in Sachen Korrosionsbeständigkeit in der Chemieproduktion sozusagen die eierlegende Wollmilchsau", fasst Dr. Norbert Krollmann die besondere Eignung des Grundstoffs in aggressiven Umgebungen zusammen. Er leitet das Fachzentrum Polymer- und Oberflächentechnik der BASF. Die Herangehensweise an BASF-interne Beschichtungslösungen ist hier stets durch die Erfahrung aus Schadensfällen geprägt - Schichtdicken und der Grad der Porenfreiheit liegen aus Sicherheitsgründen teilweise erheblich über den Werten, die außerhalb der Chemieproduktion zum Einsatz kommen. Für diese Lösungen interessieren sich auch Kunden außerhalb der BASF, wie z.B. Laboratorien, die Glasbauteile bei der BASF transparent beschichten lassen, um sie besser gegen Korrosion und Bruch zu schützen.

Im Lauf der Entwicklung entstand aus der Arbeit mit Fluorpolymeren im Korrosionsschutz die erste Antihaftbeschichtung. „Entscheidend für die Wirksamkeit und Langlebigkeit der Antihaftbeschichtung ist der Schichtaufbau", so Krollmann. „Hier flossen unsere Erfahrungen aus dem Dickschichtaufbau im Korrosionsschutz ein, die aus vielen unterschiedlichen - weil fast immer individuellen - Anforderungen unserer internen Kunden stammen."
Das Testgebiet für den ersten Praxiseinsatz der selbst entwickelten Antihaftbeschichtung lag quasi vor der Haustür - die Plattenwärmeaustauscher in den Anlagen, die mit Flusswasser aus dem Rhein gekühlt wurden. Fouling und Korrosion bilden hier ein ständiges Problem für die Standzeit und die Reinigungsintervalle der Platten im Dauereinsatz. Die ersten Versuche starteten mit viel Elan - und gingen glatt schief. „Die einfache Antihaftbeschichtung war nach wenigen Tagen aufgrund ihrer Mikroporosität schlichtweg aufgeweicht", erinnert sich Fachzentrumsmitarbeiter Peter Dillmann. Die Entwicklung mit anderen Primersystemen ging weiter, und am Ende stand eine vergleichsweise dünne Fluorpolymeroberfläche von 15 µm bis 20 µm, die als zweite Schicht im Spritzverfahren auf einen inzwischen vielfach bewährten Primer mit anschließendem Einbrennprozess dauerhaft aufgebracht wird. Das System wirkt auf den Wärmeaustauscherplatten sowohl hochgradig antihaftend und gleichzeitig antikorrosiv. Genutzt werden die Fluorpolymere FEP, MFA und PFA.

Das Ziel: Nichts auf der Platte
Bei herkömmlichen Wärmeaustauschern setzen Fouling und Korrosion der Effizienz und der Lebensdauer und damit den Gesamtkosten erheblich zu. Kurze Reinigungs- und Wartungszyklen schlagen durch die damit verbundenen Betriebsunterbrechungen ebenfalls zu Buche. Die häufig in den Kreisläufen verwendeten Biozide und die verwendeten Reinigungsmittel bedürfen ihrerseits wiederum einer aufwändigen Nachbehandlung und Entsorgung.
Die BASF-Antihaftbeschichtungen haben ihre Bewährungsprobe unter diesen Gesichtspunkten in verschiedenen Anwendungen bereits hinter sich. So wurden 240 Platten des Wärmeaustauschers eines Containerschiffs aus Edelstahl 1.4401 im Format 1.800 mm x 700 mm bei BASF mit einer Antihaftschicht auf MFA-Fluorpolymerbasis im genannten Verfahren versehen. Nach 14 Monaten Laufzeit im Meer- und Brackwasser mit Temperaturen von 15 bis 30 °C und einer Frischwassertemperatur von 25 bis 40 °C zeigten die Platten weder Korrosionsspuren noch Ablagerungen und waren in einem quasi neuwertigen Zustand. Der Wärmeaustauscher musste während der gesamten Laufzeit nicht gereinigt werden. Im Vergleich zu den parallel eingesetzten Platten aus Titan, die während des Versuchszeitraums mehrmals gereinigt werden mussten, war die Kühlwirkung um bis zu zwei Grad effizienter. Herkömmliche Plattenpakete aus unbeschichtetem Edelstahl 1.4401 in Schiffswärmeaustauschern haben dagegen wegen des Korrosionsangriffs eine Standzeit von maximal vier Wochen. Im genannten Testwärmeaustauscher hätte ein unbeschichtetes Plattenpaket rund 7.000 € gekostet, so dass in dem betrachteten Zeitraum für den regelmäßigen Austausch allein rund 95.000 € aufgelaufen wären. Hinzu kommen für Wartungsaufwand und Ausfallzeiten noch einmal rund 10.000 €. Die Kosten für das MFA-beschichtete Plattenpaket von BASF lagen dagegen bei rund 37.000 €. Inzwischen zeigen Versuche, dass die Platten selbst nach einer Laufzeit von vier Jahren bei vergleichbarer Beanspruchung noch völlig intakt sind.
Der direkte Kostenvergleich mit Titanplatten bei Standzeiten von etwa 10 Jahren steht den BASF-Experten dagegen noch bevor. „Wir gehen jedoch davon aus, dass bei einer Großserienbeschichtung der Edelstahlplatten Einsparpotentiale von bis zu 50 % im Vergleich zu Titanplatten möglich sind", meint Krollmann.

Mit klarem Wasser spülen reicht
Weitere Daten liegen aus einem Langzeittest mit einer FEP-Antihaftschicht im Plattenwärmeaustauscher einer BASF-Anlage vor. Dort wurden acht Jahre lang 60 °C heiße Polymerdispersionen mit etwa 20 °C warmem Flusswasser gekühlt. Der Befund: Keine der Platten fiel während des Zeitraums aus, und die Austauscherleistung blieb konstant hoch. Der Reinigungszyklus verlängerte sich von ca. sechs Wochen auf bis zu vier Monate, die Reinigung selbst dauerte mit einfachem Spülen der Oberflächen zwei Stunden - gegenüber den früher üblichen zwei Tagen. Alles in allem liegen die geschätzten Einsparungen bei rund 50.000 € pro Jahr. Die Beschichtung der 80 Platten mit den Maßen 1.700 x 500 mm kostete dagegen rund 10.000 €.

Vier Jahre Brackwasser - blitzblanke Bleche
Ein anderer Plattenwärmeaustauscher im BASF-Werk in Antwerpen kühlt mit dem Brackwasser der Schelde-Mündung. Hier kamen sechs Testplatten aus Edelstahl 1.4401 mit PFA-Antihaftbeschichtung zum Einsatz. Vier Jahre lang wurde damit 50 °C heißes VE-Wasser gekühlt. Das Ergebnis: keinerlei Korrosionsangriff und nur minimales Fouling. Der Zustand der Platten: nahezu neuwertig. „In dieser Anwendung haben sich die preisgünstigen antihaftbeschichteten Edelstahlplatten auch dank des wesentlich geringeren Reinigungsaufwands als gute Alternative zu teurem, hoch legiertem Edelstahl, Nickelbasis-Legierungen und Titan erwiesen", resümiert Krollmann.

Firmeninfo
Das Fachzentrum Polymer- und Oberflächentechnik der BASF arbeitet in den drei Bereichen Kunststoffe, Gummi und Oberflächentechnik. Die Aufgabe der Einheit besteht kurz gesagt darin, individuelle Lösungen für Bauteile in der Chemieproduktion zu finden, die unterschiedlichsten Anforderungen vom Korrosions- und Verschleißschutz über Anlagen- und Arbeitssicherheit bis zum Antifouling genügen. Das Fachzentrum arbeitet darüber hinaus als kommerzieller Beschichter für externe Unternehmen der unterschiedlichsten Branchen, wie zum Beispiel Chemie, Maschinenbau, Automotive und Schiffsbau - und stellt damit sein intern erworbenes Know-how aus bewährten Lösungen dem Markt zur Verfügung.

Korrosionsschutz im Kunststoffkleid
Der Bereich Kunststoff des Fachzentrums Polymer- und Oberflächentechnik hat ein Verfahren optimiert, mit dem sich durch das Auskleiden von Tanks mit Fluorpolymerplatten Korrosionsschutz dauerhaft sicherstellen lässt. Zudem sind so ausgekleidete Tanks für den Transport von hochreinen, so genannten Electronic Grade-Chemikalien geeignet, wie sie beispielsweise in der Halbleiterindustrie eingesetzt werden. Für die Auskleidung werden glasfaserkaschierte Platten - zum Beispiel aus PVDF, FEP, MFA, PFA und PTFE - unter Vakuum auf die Tankinnenseiten aufgeklebt und verschweißt. Das Know-how für das Aufbringen und Verschweißen stammt aus Aufträgen für Anlagen und Tanks in der BASF und steht nun auch externen Kunden zur Verfügung.