Langelier-Index und Korrosion von Edelstahl

Edelstahl kommt dabei in zahlreichen Bauteilen zum Einsatz – insbesondere in Überlaufrinnen, Treppen, Geländern, Haltegriffen oder Einbauteilen. Trotz seiner hohen Korrosionsbeständigkeit kann Edelstahl unter bestimmten Bedingungen korrodieren. In diesem Kontext wird häufig der sogenannte Langelier-Index (LI) diskutiert. Der vorliegende Artikel erörtert die Eignung bzw. Nicht-Eignung des Langelier-Index zur Bewertung der Korrosionsgefahr für Edelstahl in Schwimmbecken. In einem zweiten Artikel werden die tatsächlichen, maßgeblichen Einflussfaktoren auf die Korrosion von Edelstahl in Schwimm- und Badebecken analysiert.

 

Was ist der Langelier-Index?

Der Langelier-Index (auch: Langelier Sättigungsindex, kurz LSI für Langelier Saturation Index) ist ein empirisch entwickelter Kennwert zur Bewertung der Kalkabscheidungstendenz von Wasser. Er entstammt dem Namensgeber Wilfried Francis Langelier, der als Dozent in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts an der University of California im Bereich der Wasser- und Abwasserbehandlung tätig war. Der Begriff wurde 1936 von Wilfred F. Langelier eingeführt und beschreibt die Differenz zwischen dem gemessenen pH-Wert des Wassers und dem sogenannten Sättigungs-pH (pHₛ). Der pHₛ ist der pH-Wert, bei dem das Wasser mit Calciumcarbonat (CaCO₃) gesättigt ist – das heißt, weder Tendenz zur Ausfällung (Kalkbildung) noch zur Lösung von Kalk besteht. Langelier entwickelte diesen Index unter Einbeziehung von pH-Wert, Temperatur, Säurekapazität (im englischsprachigen Raum: alcalinity), Kalziumgehalt und Gesamtsalzgehalt als Berechnungsmethode, um den Sättigungsindex eines Gewässers zu beurteilen.

Die Formel lautet: LI = pH – pHₛ

Die Berechnung des pHₛ erfolgt auf Grundlage folgender Parameter:

• pH-Wert• Calciumhärte (Ca²⁺-Ionenkonzentration)• Gesamthärte / Alkalinität (Hydrogencarbonat-Konzentration)• Temperatur• Ionenstärke (als Summenparameter des Salzgehalts)

Interpretation des LI:

• LI > 0: Übersättigtes Wasser – Tendenz zur Kalkausfällung• LI ≈ 0: Sättigung – Gleichgewichtszustand• LI < 0: Untersättigtes Wasser – Tendenz zur Kalklösung

Der Langelier-Index dient also der Quantifizierung des Risikos von Kalkausfällung (Kalkabscheidung) oder Kalkauflösung im Wasser [Langelier 1936].

Anwendung auf Schwimmbadwasser

Grundsätzliche Gültigkeit

Im Grundsatz sind die Ausführungen weiterhin und ohne Einschränkung gültig. Auch in Schwimm- und Badebeckenwasser mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen, pH-Werten und Temperaturen kann sich Kalk abscheiden oder auflösen. Der Langelier-Index hat damit durchaus auch im Schwimmbeckenwasser seine Berechtigung, um abschätzen zu können, wann Kalkausfall wahrscheinlich und wann eher Kalkauflösung zu erwarten ist.

Besonderheiten in Schwimmbädern

Schwimmbeckenwasser ist im Allgemeinen calcitlösend, da durch den Aufbereitungsprozess und die damit verbundenen Hygieneanforderungen das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht i.d.R. nicht erreicht werden kann [Dygutsch & Reuß 2013, DIN EN 16713-3]. Die Säurekapazität dient in einem Schwimm- und Badebeckenwasser in erster Linie dem Pufferungsvermögen des Wassers sowie einer einwandfreien Flockung und ist aus hygienischer Sicht von untergeordneter Bedeutung, solange alle gesundheitlich relevanten Wasserwerte eingehalten sind [Dygutsch & Reuß 2023].

Langelier-Index und Korrosion von Edelstahl

Der Langelier-Index wurde ursprünglich für die Bewertung des Korrosionsrisikos von Eisenrohren in Trinkwassernetzen entwickelt. Er beschreibt, ob sich auf metallischen Oberflächen eine schützende Kalkschicht (CaCO₃) bilden kann oder ob das Wasser diese Schicht auflöst[Langelier 1936]. Für Eisenrohre ist ein negativer LI ein Indikator für ein erhöhtes Korrosionsrisiko, da keine schützende Kalkschicht aufgebaut werden kann.

Für Edelstahl in Schwimm- und Badebecken ist die Aussagekraft des Langelier-Index jedoch begrenzt. Edelstahl ist ein hochlegierter Stahl mit mindestens 10,5 % Chrom, der eine schützende Passivschicht aus Chromoxid ausbildet, die ihn gegenüber Korrosion weitgehend schützt. Die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl hängt in erster Linie von der Zusammensetzung der Legierung, der Chloridkonzentration, dem pH-Wert, der Temperatur, mechanischen Belastungen und möglichen Kontaktkorrosionen ab [MB 828 der Informationsstelle Edelstahl Rostfrei].

Der Langelier-Index kann nicht vorhersagen, ob Edelstahl in einem Schwimm- oder Badebecken korrodiert. Er beschreibt lediglich das Potenzial des Wassers, Kalk abzuscheiden oder aufzulösen, was für Eisenrohre relevant ist, nicht aber für Edelstahl, dessen Korrosionsschutzmechanismus auf der Passivschicht beruht. Auch wenn der Langelier-Index negativ ist, bedeutet das nicht automatisch, dass Edelstahl korrodiert – und umgekehrt kann ein positiver Index nicht garantieren, dass Edelstahl vor Korrosion geschützt ist.

Was ist Edelstahl und was ist Korrosion?

Edelstahl ist eine Bezeichnung für legierte oder unlegierte Stähle mit besonderem Reinheitsgrad, zum Beispiel Stähle, deren Schwefel- und Phosphorgehalt (sog. Eisenbegleiter) 0,025 % nicht übersteigt. Häufig sind danach weitere Wärmebehandlungen (z.B. Vergüten) vorgesehen.

Die Beständigkeit erhalten die meisten in der Industrie eingesetzten Edelstahlsorten durch ihre Legierung. Die weitaus häufigsten Legierungskomponenten sind: Chrom, Nickel, Molybdän und Titan. Daneben gibt es je nach Verwendung etliche Spezialstähle mit weiteren Komponenten.

„Rostfreier“ Edelstahl zeichnet sich durch einen Anteil von mehr als 10,5 % Chrom aus. Die weiteren o.g. Legierungsbestandteile führen zu einer noch besseren Korrosionsbeständigkeit. Es gibt tatsächlich viele verschiedene Sorten, die sich nicht nur im Chromanteil unterscheiden, sondern vor allem im Nickel- und Molybdänanteil. Die in Schwimmbädern mit niedrigem Chloridgehalt am häufigsten zum Einsatz kommenden Werkstoffe wie z.B. 1.4401, 1.4404 oder 1.4571, welche in der Regel Kontakt mit dem Wasser haben, sind anders als minder legierte Edelstähle beständiger gegen Chloridangriffe. Sie zeichnen sich neben einem Chrom- (16,5 bis 18,5 %) und Nickelanteil (10 bis 13 %) durch einen zusätzlichen Molybdänanteil in der Größenordnung von 2,0 bis 2,5 % aus.

Edelstähle für den Einsatz in und um Schwimm- und Badebecken

Bei mit Schwimm- und Badebeckenwasser in Berührung kommenden Teilen aus Edelstahl sind üblicherweise Stähle der folgenden Qualitäten zu verwenden:

Tabelle 1: Auswahl an Edelstählen in der Schwimmbadtechnik und ihre Einsatzgrenzen [Reuß 2009]

Werkstoffbezeichnung	Einsatzgrenzen	Einsatzbereiche
1.4401, 1.4404, 1.4571	Chlorid bis ca. 500 mg/l	Beckenmaterial, Beckeneinbauteile in normalen Schwimmbädern
1.4462, 1.4439	Chlorid bis ca. 3000 mg/l	Beckenmaterial und Beckeneinbauteile in Solebädern
1.4529, 1.4539, 1.4547	Chlorid bis ca.12000 mg/l	Beckenmaterial sowie Beckeneinbauteile in Solebädern

 

Hierbei muss objektiv ausgeführt werden, dass die angegebenen Chloridkonzentrationen eine reine grobe Zuordnung darstellen. So ist nicht auszuschließen, dass bei Verwendung einer geeigneten Edelstahlsorte auch bei bereits „nur“ 250 mg/l Korrosionen auftreten können, wenn z.B. keine Reinigung erfolgte, die Oberfläche beschädigt wurde etc.

Welche Edelstähle im genauen Anwendungsfall geeignet sind, ist abhängig vom konkreten Einsatzzweck und der mechanischen Belastung usw. Chloride (chem.: Cl–), welche im Becken problemlos gemessen werden können (eine Überprüfung ist also jederzeit möglich), sind das Endzerfallsprodukt der Chlorung und gelangen deshalb durch die Desinfektion in den Badebeckenkreislauf (in Solebecken werden sie außerdem gezielt in hoher Konzentration eingebracht).

Die Verwendung von Chlor als Desinfektionsmittel ist in Deutschland in öffentlichen Anlagen nachDIN 19643 vorgegeben (Ausnahme: Ozon-Brom-Verfahren). Auch in privaten Schwimmbecken, wird das Chlor (neben Brom) und seine Verbindungen als sog. empfohlene Desinfektionsmethoden aufgeführt [DIN EN 16713-3].

Chloride können durch die Schwimm- und Badebeckenwasseraufbereitung nicht entfernt werden. Aus diesem Grund muss dem Beckenkreislauf regelmäßig Frischwasser zugeführt werden. Dies geschieht z.B. durch die durchgeführten Filterspülungen. Normalerweise ist die Chloridkonzentration in einem Nicht-Sole-Becken deutlich niedriger als 400 mg/l, sodass eine zu hohe Chloridkonzentration im Beckenwasser selten Ursache für Korrosionserscheinungen ist, wenn ordnungsgemäß gespült bzw. Füllwasser zugeführt wird und kein externer Chlorideintrag erfolgt ist (Voraussetzung ist natürlich, dass das eingesetzte Material grundsätzlich geeignet ist).

Korrosion

Korrosion (lat. corrodere = zerfressen, zernagen) ist die physikalisch-chemische Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung, die zu einer Veränderung der Eigenschaften des Metalls führt und die zu erheblichen Beeinträchtigungen der Funktion des Metalls, der Umgebung oder des technischen Systems, zu dem das betreffende korrodierende Bauteil gehört, führen kann. Diese Wechselwirkung ist oft elektrochemischer Natur.

Es wird unterschieden zwischen dem anodischen Prozess

Fe à Fe2+ + 2e–

(Oxidation des Eisens, es bildet sich ein lösliches Kation, welches das Metallgitter verlässt; Elektronen bleiben im Metall zurück und laden es negativ auf)

und dem kathodischen Prozess (Reduktion des Sauerstoffs/Wasserstoffs im Elektrolyten, dieser nimmt die im Metall zurückgebliebenen Elektronen auf und reagiert dabei mit Wasser oder im Wasser gelösten Hydronium-Ionen).

Man unterscheidet hierbei die Wasserstoffkorrosion

2e– + 2H+ ​à H2​​​E = 0 V

2e– + 2H2O ​à H2 + 2OH–

2e– + 2H3O+ ​à H2 + 2H2O

und die Sauerstoffkorrosion

2e– + ½ O2 + H2O à 2 OH–​E = 1,23 V

2e– + ½ O2 + 2 H3O+ à 3 H2O

Es handelt sich in der Gesamtheit um eine Redox-Reaktion (Oxidation und Reduktion):

à ein Stoff wird aufgelöst, ein anderer „beschichtet“

à Wasser ist der Elektrolyt (Elektronentransport & Abtransport Oxidationsprodukt, evtl. auch Reaktionspartner bei Wasserstoffkorrosion)

Dieser Prozess wird also immer dann ausgelöst, wenn zwischen zwei Materialien (einem davon eisenhaltig) ein elektrochemisches Spannungspotential vorliegt.

Dabei gilt vereinfacht:

- Je größer die elektrochemische Spannungsdifferenz (siehe elektrochemische Spannungsreihe weiter unten), desto größer die Korrosionsspannung, desto schneller läuft der Korrosionsprozess ab (alternativ: bei geringerer Korrosionsspannung, aber „ewig“ Zeit, dann gleiches Korrosionsprodukt).- Bei höherer Leitfähigkeit (geringerer elektrischer Widerstand) größerer Korrosionsstrom trotz gleicher Korrosionsspannung.- Mechanisches Biegen und lokaler Wärmeeintrag können im mikroskopischen Bereich die Struktur (das Gefüge) so verändern, dass es durch Ent-Homogenisierung (Entmischung) der Legierungsbestandteile zu lokalen Eisenansammlungen und damit zu Spannungsunterschieden innerhalb des gleichen Werkstoffs im gleichen Bauteil kommen kann (was interkristalline Korrosion auslösen kann).- Früher oder später korrodieren alle Bauteile (nichts ist für die Ewigkeit), denn das durch Energieaufwand veredelte Eisen möchte in seinen natürlichen Ausgangszustand (energetisch niedrig) zurückkehren (siehe nachfolgende Darstellung),- Chlorid kann die korrosionsbeständige Chromoxidschicht durchdringen, wodurch die Korrosion der darunterliegenden Legierung ermöglicht wird. Chlorid selbst wirkt nicht oxidierend und verursacht selbst direkt keine Korrosion, Chlorid ist also (lediglich) ein Korrosionsförderer.

  Bild 1: elektrochemische Spannungsreihe [Qvist Jessen 2011]

Grenzen des Langelier-Indexes bei der Korrosionsbeurteilung von Edelstahl

Mit den vorgenannten Prozessen, die zu Korrosion führen, beschäftigt sich der Langelier-Index nicht und sie nehmen daher auch keinen Einfluss auf seine Berechnung.

Materialspezifische Unterschiede

Der seit vielen Jahren eingesetzte Edelstahl besteht gegenüber dem reinen Eisen aus einer Legierung mit einem Anteil Chrom, welcher für den Aufbau einer Schutzschicht (Passivschicht) verantwortlich ist. Bei der Heranziehung verschiedener eingesetzter Materialien ist erkennbar, dass die häufig propagierte Anwendung des Langelier-Index für die Korrosionsbeurteilung nur mit Einschränkungen möglich ist.

Erforderliche Anpassungen

Um den Langelier-Index für die Korrosion sicher heranziehen zu können, müsste die Berechnung deutlich umfangreicher erfolgen und neben den Materialeigenschaften auch weitere Einflüsse wie Sauerstoffkonzentration sowie Anteile der freien und gebundenen Kohlensäure berücksichtigt werden. Dies würde aber dann voraussetzen, dass seitens der Verarbeitung, Nachbehandlung, konstruktive Ausführung alles völlig fachgerecht gemacht wurde.

Temperatureffekte als Widerspruch

Bei Anwendung des Langelier-Index tritt zudem ein gegenteiliger Effekt auf. Belässt man die Wasserparameter konstant und erhöht nur die Temperatur, nimmt der Langelier-Index zu, was bedeutet, dass die Korrosionsgefahr damit abnimmt und Kalk ausfallen kann. Jedoch führt eine Erhöhung der Temperatur grundsätzlich zu einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit und damit auch Korrosionsprozesse.

Zur Verdeutlichung: Eine Erhöhung um 10 K führt zu einer Verdoppelung bis Vervierfachung der Reaktionsgeschwindigkeit, was auch für Korrosionsprozesse gilt.Auch daran ist erkennbar, dass die Bedeutung für die Beurteilung von Korrosionen eingeschränkt wird. Mit diesem Index wird daher lediglich das Vermögen beschrieben, ob sich Kalk auflöst oder abscheidet.

Fazit

Der Langelier-Index ist ein nützliches Werkzeug zur Beurteilung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts in Wasser und damit für die Tendenz zur Kalkabscheidung oder -auflösung sowie die Bewertung des Korrosionsrisikos von zementären Werkstoffen und Eisenrohren. Die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl beruht jedoch vor allem auf der Passivschicht und der Legierungszusammensetzung [MB 831 der Informationsstelle Edelstahl Rostfrei]. Für die Korrosion von Edelstahl in Schwimm- und Badebecken besteht kein direkter Zusammenhang zwischen dem LI und dem Korrosionsrisiko. Der Langelier-Index ist daher nicht geeignet, um die Korrosion von Edelstahl zu bewerten.