Die Werkstoffauswahl einer Kreiselpumpe in Trinkwasseranwendung muss mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen: Verschleissfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, mechanische Beanspruchungen und die langfristige Einhaltung der hygienischen Anforderungen.
Diese Anforderung stellt zunächst die wichtigsten Schädigungsmechanismen einer Pumpe, sowie die Besonderheiten von Trinkwasseranwendungen dar. Anschliessend werden verschiedene Werkstofflösungen hinsichtlich Langlebigkeit und Robustheit verglichen.
Trinkwasser: ein weniger neutrales Medium als oft angenommen
Trinkwasser wird häufig als wenig aggressives Medium betrachtet. Seine Zusammensetzung kann jedoch je nach Versorgungsnetz, Herkunft und Aufbereitung deutlich variieren.
Mehrere Parameter können die Beständigkeit der Werkstoffe beeinflussen:
- der pH-WertDer pH-Wert ist ein Mass für den sauren oder basischen Chara... Mehr
- der Gehalt an gelöstem Sauerstoff
- der Chloridgehalt
- die Wasserhärte
- die Temperatur
- Stillstandzeiten
Trinkwasser kann unter gewissen Bedingungen eine geringe Korrosivität aufweisen und unter anderen Gegebenheiten jedoch deutlich korrosiver wirken. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten und Strömungsstörungen innerhalb einer Pumpe können zudem die auf den Werkstoffoberflächen gebildeten Schutzschichten beeinträchtigen, abtragen oder deren kontinuierliche Neubildung begünstigen.
Der Werkstoff muss daher nicht lediglich als „trinkwassergeeignet“ eingestuft sein, sondern auch bei Schwankungen der Wasserchemie sowie unter den hydraulischen Belastungen im Betrieb eine dauerhaft ausreichende Beständigkeit aufweisen.
Daher bleibt die Korrosionsbeständigkeit auch bei Trinkwasseranwendungen ein wichtiges Auswahlkriterium.
Verschleisserscheinungen einer Kreiselpumpe
Auch in Trinkwasseranwendungen ist eine Kreiselpumpe verschiedenen Schädigungsmechanismen ausgesetzt. Diese hängen von der Strömung, der Wasserqualität, dem Werkstoff und der Betriebsdauer ab.
Kavitation entsteht durch die Bildung und anschliessende Implosion von Dampfblasen in Oberflächennähe. Dadurch wird der Werkstoff lokal wiederholt mechanisch belastet, weshalb eine gute mechanische Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit erforderlich sind.
Abrasion bezeichnet den Materialabtrag durch Aufprall oder Reibung von Feststoffpartikeln, die mit dem Wasser transportiert werden. Die Beständigkeit dagegen hängt vor allem von der Härte und der Verschleissfestigkeit des Werkstoffs ab.
Korrosion entsteht infolge chemischer oder elektrochemischer Reaktionen zwischen dem Werkstoff und dem Wasser. Eine hohe Korrosionsbeständigkeit setzt daher neben der Beständigkeit des Werkstoffs selbst auch die Fähigkeit voraus, eine stabile und schützende Oberflächenschicht auszubilden und diese unter den gegebenen Betriebsbedingungen dauerhaft aufrechtzuerhalten.
Erosionskorrosion entsteht durch das Zusammenwirken hydraulischer Beanspruchung und korrosiver Prozesse. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten und lokale Strömungsstörungen können schützende Oberflächenschichten wiederholt beschädigen oder abtragen. Entscheidend sind daher eine hohe Beständigkeit der Oberfläche gegenüber strömungsbedingtem Materialabtrag sowie die Fähigkeit des Werkstoffs, die Schutzschicht durch Repassivierung rasch wiederherzustellen.
Ermüdung entsteht infolge wiederkehrender mechanischer Belastungen, wie sie beispielsweise durch Druckschwankungen, Vibrationen und zyklische Kräfte auftreten. Eine hohe Ermüdungsbeständigkeit setzt daher eine ausreichende mechanische Festigkeit und Duktilität sowie eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Fehlstellen und lokalen Spannungskonzentrationen voraus.
Werkstoffauswahl für eine Kreiselpumpe in Trinkwasseranwendung
Bei der Werkstoffauswahl ist daher ein ausgewogenes Verhältnis zwischen mechanischer Festigkeit, Verschleissbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Langlebigkeit und langfristiger hygienischer Konformität entscheidend. Die untenstehende Auflistung vergleicht die wichtigsten im Trinkwasserpumpenbau eingesetzten Werkstoffe hinsichtlich ihrer Beständigkeit und Zuverlässigkeit, um die für den langfristigen Betrieb am besten geeignete Werkstoffe zu identifizieren.
- Grauguss: Gusseisen mit Lamellengraphit, wirtschaftlich und gut giessbar, jedoch wenig duktil und vergleichsweise empfindlich gegenüber KavitationDas Entstehen und Zusammenbrechen von Hohlräumen (Dampfblase... Mehr und AbrasionAbrasion bezeichnet den Materialabtrag durch Reibung und den... Mehr
- Sphäroguss: Gusseisen mit Kugelgraphit, das gegenüber Grauguss eine höhere Duktilität und mechanische Festigkeit aufweist. Unter hohen hydraulischen Belastungen ist die Beständigkeit gegenüber Verschleiss und Erosionskorrosion jedoch weiterhin begrenzt.
- Beschichteter Guss: Gusseisen mit einer schützenden Oberflächenbeschichtung. Der Schutz ist grundsätzlich wirksam, bleibt jedoch von der Haftfestigkeit und Schichtdicke sowie vom langfristigen Erhalt und der Unversehrtheit der Beschichtung abhängig. Beschädigungen oder lokale Ablösungen können die Schutzwirkung deutlich beeinträchtigen
- Bronze: Kupferlegierung mit guter Korrosionsbeständigkeit und guter Giessbarkeit. Die Beständigkeit gegenüber KavitationDas Entstehen und Zusammenbrechen von Hohlräumen (Dampfblase... Mehr, AbrasionAbrasion bezeichnet den Materialabtrag durch Reibung und den... Mehr und Erosionskorrosion kann je nach Legierungszusammensetzung und Betriebsbedingungen deutlich variieren
- Edelstahl 304: austenitischer Cr-Ni-Edelstahl, sehr duktil und gegen allgemeine KorrosionDie Reaktion eines zumeist metallischen Werkstoffs mit Stoff... Mehr beständig, jedoch vergleichsweise weich und bei starker KavitationDas Entstehen und Zusammenbrechen von Hohlräumen (Dampfblase... Mehr oder AbrasionAbrasion bezeichnet den Materialabtrag durch Reibung und den... Mehr weniger leistungsfähig
- Edelstahl 316: austenitischer Cr-Ni-Mo-Edelstahl mit höherer Beständigkeit gegenüber lokaler KorrosionDie Reaktion eines zumeist metallischen Werkstoffs mit Stoff... Mehr als Edelstahl 304. Besonders bei chloridhaltigem Wasser bietet er eine verbesserte Beständigkeit gegen Loch- und Spaltkorrosion
- Duplex: austenitisch-ferritischer Edelstahl mit hoher mechanischer Festigkeit, guter Duktilität, guter Härte und ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit. Er bietet einen besonders ausgewogenen Kompromiss für hydraulische Bauteile mit hoher Beanspruchung
Werkstoffvergleich
Der Vergleich basiert auf vier Hauptkriterien: mechanische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Verschleissbeständigkeit und langfristige Robustheit.
| Werkstoff | Rm Richtwert [MPa] | Härte [HBW] | Kor-rosion | Ver-schleiss/ Kavi-tation | Gesamt-bestän-digkeit |
| Grauguss | ~240 | ~210 | mittel | gering | gering |
| Sphäroguss | ~410 | ~150 | mittel | gering bis mittel | mittel |
| Bronze | bis zu ~600 | variabel | gut | mittel | gut |
| Edelstahl 304 / 316 | ~485 | ~150 | sehr gut | mittel | gut |
| Duplex | ~655–690 | ~230–250 | hervor-ragend | sehr gut | sehr gut |
Legende: Rm = Zugfestigkeit
HBW = Brinellhärte
Die Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Materialeigenschaften und die folgende Grafik zeigt, wie sich diese in der Praxis auf Verschleiss- und Korrossionsbeständigkeit auswirken kann und welches mögliche Einsatzgebiete sind.
Folgende Grafik zeigt auf wie die Abtragung durch KavitationDas Entstehen und Zusammenbrechen von Hohlräumen (Dampfblase... Mehr bei verschiedensten Materialien in Erscheinung tritt.
Langfristige Einhaltung der hygienischen Anforderungen
Bei einer Pumpe für Trinkwasser muss die hygienische Konformität über die gesamte Betriebsdauer gewährleistet werden und nicht nur im Neuzustand. Deshalb ist das Verhalten des Werkstoffs gegenüber Verschleiss, KorrosionDie Reaktion eines zumeist metallischen Werkstoffs mit Stoff... Mehr, KavitationDas Entstehen und Zusammenbrechen von Hohlräumen (Dampfblase... Mehr und AbrasionAbrasion bezeichnet den Materialabtrag durch Reibung und den... Mehr zu berücksichtigen.
Für die Trinkwasserhygiene massgebend sind dabei die gesetzlichen Vorgaben des Bundes sowie die anerkannten Regeln der Technik. Entscheidend ist, dass von den mit dem Trinkwasser in Kontakt stehenden Materialien keine Stoffe in relevanten Mengen an das Wasser abgegeben werden, die dessen Qualität beeinträchtigen können.
Als Nachweis der hygienischen Eignung kommen je nach Werkstoff, Bauteil und Anwendungsbereich entsprechende Konformitäts- oder Prüfbescheinigungen zum Einsatz. Eine wichtige Rolle spielt dabei beispielsweise die französische ACS-Bescheinigung (Attestation de Conformité Sanitaire), mit der die gesundheitliche Unbedenklichkeit von Produkten für den Kontakt mit Trinkwasser nachgewiesen wird. Auch andere anerkannte Nachweise können je nach Einsatzbereich relevant sein. Entscheidend ist deshalb nicht allein eine Zertifizierung des Pumpenherstellers, sondern die hygienische Konformität der tatsächlich eingesetzten, wasserberührten Komponenten.
Mit der neuen SVGW-Richtlinie W7 «Pumpsysteme in der Trinkwasserversorgung» wird diesem Thema künftig noch grössere Bedeutung beigemessen. Die Richtlinie definiert die allgemein anerkannten Regeln der Technik für Pumpsysteme in der Trinkwasserversorgung und betrachtet dabei den gesamten Lebenszyklus einer Anlage – von der Planung und Auswahl der Komponenten über die Inbetriebnahme bis hin zu Betrieb und Instandhaltung. Die W7 befindet sich derzeit in der Vernehmlassung; die Veröffentlichung ist für das vierte Quartal 2026 vorgesehen.
Eine Lösung aus Gusseisen mit Epoxidbeschichtung kann aufgrund der guten Korrosionsschutzwirkung zunächst attraktiv erscheinen. Bei komplexen Geometrien wie Laufrädern, Diffusoren und Pumpengehäusen ist jedoch eine gleichmässige und dauerhaft haftende Beschichtung nur schwer sicherzustellen. Insbesondere Schaufeln, Kanten und Schaufelvorderkanten stellen erhöhte Anforderungen an die Beschichtung und können zu lokalen Schwankungen der Schichtdicke, Haftungsproblemen oder Fehlstellen führen.
Mechanische Stösse, AbrasionAbrasion bezeichnet den Materialabtrag durch Reibung und den... Mehr oder lokale Beschichtungsfehler können zu Rissen und Ablösungen führen, die teilweise visuell nicht erkennbar sind. Wird dadurch das Gusseisen lokal freigelegt, kann sich die Schädigung der Beschichtung weiter ausbreiten und die Schutzwirkung beeinträchtigen. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, dass sich Bestandteile der Beschichtung in das Trinkwasser lösen. Damit kann die Pumpe langfristig die hygienische Konformität nicht mehr zuverlässig gewährleisten und zu einer potenziellen Verunreinigungsquelle im Trinkwassernetz werden. Aus diesem Grund bevorzugen wir einen massiven metallischen Werkstoff, dessen Eigenschaften über den gesamten Bauteilquerschnitt homogen erhalten bleiben.
Fazit
Der Bericht zeigt auf, dass die Werkstoffauswahl nicht allein auf die Korrosionsbeständigkeit reduziert werden darf. Ebenso zu berücksichtigen sind mechanische Festigkeit, Beständigkeit gegen KavitationDas Entstehen und Zusammenbrechen von Hohlräumen (Dampfblase... Mehr und AbrasionAbrasion bezeichnet den Materialabtrag durch Reibung und den... Mehr, Ermüdungsverhalten sowie die langfristige Einhaltung der hygienischen Anforderungen.
Gusseisenlösungen und insbesondere beschichtete Lösungen weisen für Trinkwasseranwendungen, vor allem bei hohem Druck, wesentliche Grenzen auf. Eine Epoxidbeschichtung kann den Schutz im Neuzustand verbessern, bleibt jedoch empfindlich gegenüber Applikationsfehlern, Stössen, Verschleiss und Alterung. Jede lokale Schädigung kann das Gusseisen freilegen und dazu führen, dass Bestandteile der Beschichtung in das Wasser gelangen, wodurch ein Risiko für die Verunreinigung des Versorgungsnetzes entsteht. Aus diesem Grund werden beschichtete Lösungen nicht empfohlen.
Unter den verglichenen massiven Werkstoffen bietet Duplex den ausgewogensten Kompromiss aus mechanischer Festigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit und Verschleissfestigkeit. Da diese Eigenschaften über den gesamten Bauteilquerschnitt erhalten bleiben, ist Duplex nicht auf die Integrität einer oberflächlichen Schutzschicht angewiesen. Dies macht den Werkstoff zu einer besonders robusten und langlebigen Lösung für Trinkwasserpumpen.
Duplex wird daher als bevorzugter Werkstoff empfohlen, da er eine hohe mechanische und korrosive Beständigkeit mit einer langfristig stabilen Werkstoffoberfläche verbindet und damit die Zuverlässigkeit der Pumpe sowie die hygienische Sicherheit über die gesamte Betriebsdauer unterstützt.
Illustration
Die drei Fotos zeigen Pumpenbauteile nach mehreren tausend Betriebsstunden, die aus Gusseisen, Bronze und Duplex-Edelstahl gefertigt sind.
Das Bauteil aus Gusseisen weist eine ausgeprägte Schädigung der Oberfläche auf, insbesondere in Form deutlicher KorrosionDie Reaktion eines zumeist metallischen Werkstoffs mit Stoff... Mehr und grossflächiger Materialbeeinträchtigungen. Das Bauteil aus Bronze zeigt eine höhere Beständigkeit, weist jedoch ebenfalls sichtbare Spuren von Verschleiss und KorrosionDie Reaktion eines zumeist metallischen Werkstoffs mit Stoff... Mehr auf.
Demgegenüber befindet sich die Oberfläche des Bauteils aus Duplex-Edelstahl noch in einem Zustand, der dem ursprünglichen Oberflächenzustand weitgehend entspricht. Es sind lediglich geringfügige sichtbare Schädigungen erkennbar. Der Vergleich verdeutlicht die unterschiedliche Beständigkeit der drei Werkstoffe unter den betrachteten Betriebsbedingungen, wobei Duplex-Edelstahl die geringste sichtbare Schädigung aufweist.
