Verträglichkeit von Beschichtungen mit kathodischem Korrosionsschutz (KKS)

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1 Verträglichkeit von Beschichtungen mit kathodischem Korrosionsschutz (KKS) Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH Dipl.-Ing. (FH), SFI Peter Lebelt Folie 1 HTG-Workshop: Korrosionsschutz für Meerwasserbauwerke

2 Verträglichkeit von Beschichtungen mit kathodischem Korrosionsschutz (KKS) 1. Ausgewählter Schadensfall durch KKS 2. Forschungsgegenstand Probleme des KKS 3. Beschichtungs-, Defekt- und Belastungsvarianten 4. Permeationsuntersuchungen der Beschichtungen 5. Ergebnisse des Forschungsprojektes 6. Zusammenfassung Folie 2 Vortragsschwerpunkte

3 Schiffshebewerk Niederfinow Inbetriebnahme 1934 Sanierung erfolgte 1997/1998; Schadensfall von 2004 Folie 3 1. Ausgewählter Schadensfall durch kathodischen Korrosionsschutz

4 Bei der Sanierung wurde ein von der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) für den kathodischen Korrosionsschutz geprüftes und freigegebenes Beschichtungssystem der Fa. SIKA verwendet: Strahlen: Oberflächenvorbereitungsgrad Sa 2½ 2K-EP-GB: Friazinc R 80 µm 2K-EP-DB: Icosit SW µm Festgestellte Schäden: - Blasenbildung mit einem Durchmesser von bis zu 5 cm - Stark alkalischer ph-wert der Blasenflüssigkeit mit ph teilweise >12,5 - Zinkionen in Lösung Angenommene Schadensursachen: - Lokal zu dünne Schichtdicken durch Poren in der Deckbeschichtung - Abschirmungseffekte und Überlagerung von Schutzpotentialen (Lokal zu hohes Schutzpotential) - Kathodische Polarisation des Stahlsubstrates mit anschließender Bildung alkalischer Blasen Folie 4 1. Ausgewählter Schadensfall durch kathodischen Korrosionsschutz

5 Problem Überspannung beim Schutzpotential: - Standardschutzpotential in der Regel -850 bis -950 mv gegenüber Cu/CuSO 4 Elektrode - Trichterförmiger Verlauf des Potentials kann Überspannungen an der Anode erzeugen - Ausfall von Anoden bzw. der Anlage möglich U S = -850 U [mv] Ag/AgCl/KCl ges bis -830 mv Anode Anode Kathode / Schutzobjekt Problem Auswahl der Grundbeschichtung: Es wird vermutet, dass sich das Zink in Zinkstaubgrundbeschichtungen, aufgrund des alkalischen Mediums das an der Kathode (Defekt) zwangsläufig entsteht, forciert auflöst und damit Zinkstaubgrundbeschichtungen für den kathodischen Korrosionsschutz durch deren Adhäsionsversagen von der Stahloberfläche ungeeignet sind. Anode 2H 2 O 4H + + O 2 + 4e - (I) Schutzbereich + - Schutzstrom korrosives Medium Problem Belastung der Proben bei Zertifizierung der Beschichtungen für den KKS: e - -Strom Kathode Schutzobjekt 2H 2 O + O 2 + 4e - 4OH - (II) STG Richtlinie Nr RPB (Richtlinie BAW) DIN EN ISO Belastung 9 Monate 15 Monate mindestens 6 Monate Potential Ag/AgCl/KCl ges mv -930 mv mv Folie 5 2. Forschungsgegenstand Probleme des KKS

6 Beschichtungsvarianten mit 2-komponentigen Epoxidharz Beschichtungen (2K-EP) Systembezeichnung Beschichtungssystem Oberflächenvorbereitungsgrad: Sa 2 ½ Pigment BAW Zulassung für den KKS Beschichtung 1 EP-GB: DFT: 80 µm EP-DB: DFT: 550 µm GB: Zinkstaub DB: Divers ja Beschichtung 2 EP-GB: DFT: 80 µm EP-DB: DFT: 550 µm GB: Divers DB: Divers nein Beschichtung 3 EP-GB: DFT: 80 µm EP-ZwB: DFT: 120 µm EP-DB: DFT: 430 µm GB: Zinkstaub ZwB: Divers DB: Divers nein Beschichtung 4 EP-GB: DFT: 80 µm EP-ZwB: DFT: 120 µm EP-DB: DFT: 430 µm GB: Divers ZwB: Divers DB: Divers nein Beschichtung 5 EP-GB: DFT: 80 µm EP-ZwB: DFT: 120 µm EP-DB: DFT: 430 µm GB: Zinkstaub ZwB: Eisengl. DB: Divers nein Beschichtung 6 EP-GB: DFT: 80 µm EP-ZwB: DFT: 120 µm EP-DB: DFT: 430 µm GB: Divers ZwB: Eisengl. DB: Divers nein Folie 6 3. Beschichtungs-, Defekt- und Belastungsvarianten

7 Beschichtungsvarianten mit 1-komponentigen Polyurethan Beschichtungen (1K-PUR) Systembezeichnung Beschichtung 7 Beschichtung 8 Beschichtung 9 Beschichtung 10 Beschichtungssystem Oberflächenvorbereitungsgrad: Sa 2 ½ PUR-GB: DFT: 150 µm PUR-DB: DFT: 450 µm PUR-GB: DFT: 80 µm PUR-DB: DFT: 520 µm PUR-GB: DFT: 150 µm PUR-ZwB: DFT: 160 µm PUR-DB: DFT: 300 µm PUR-GB: DFT: 80 µm PUR-ZwB: DFT: 200 µm PUR-DB: DFT: 320 µm - Aktiv pigmentierte Grundbeschichtung für Prüfung zur Eignung des Zinkstaubs in der Grundbeschichtung - Inert pigmentierte Grundbeschichtung für Vergleich mit der aktiv pigmentierten Grundbeschichtung - Eisenglimmer-Zwischenbeschichtung zur Verringerung der Diffusionsgeschwindigkeit (Permeation) des Elektrolyten Pigment GB: Zinkstaub DB: Divers GB: Fe-Oxid DB: Divers GB: Zinkstaub ZwB: Eisengl. DB: Divers GB: Fe-Oxid ZwB: Eisengl. DB: Divers BAW Zulassung für den KKS ja nein nein nein Medium (Wasser, Sauerstoff, Salze,...) Diffusion korrosiver Stoffe DB ZB GB Substrat Folie 7 3. Beschichtungs-, Defekt- und Belastungsvarianten

8 Untersuchte Defektvarianten: Ritzdefekt 2mm Fräse Kreisdefekt Ø 10mm Korrosives Medium (Elektrolyt) gemäß DIN EN ISO ist künstliches Meerwasser. Folie 8 3. Beschichtungs-, Defekt- und Belastungsvarianten

9 Untersuchte Belastungsvarianten: Belastung Modifizierung gegenüber DIN EN ISO Zielstellung keine keine Untersuchung der Beschichtungssysteme im unbelasteten Zustand Referenz Standard Standard Langzeit Temperatur Potentialerniedrigung Anlagenausfall Ohne Schutzpotential keine Ritzdefektbreite 2mm Verlängerte Belastungsdauer Um -50mV verringertes Schutzpotential Salzwassertemperatur 35 C Unterbrechung der Belastung Verhalten des Beschichtungssystems im künstlichen Meerwasser ohne kathodischen Schutz Untersuchung der Beschichtungssysteme zur Eignung im Kathodischen Korrosionsschutz mit Erkenntnissen zur Haftfestigkeit der Beschichtungssysteme auf verschieden rauen Substratoberflächen Einfluss der Defektart auf den kathodischen Korrosionsschutz mit Zusammenhang zwischen Art von Defekten und Delaminationsgeschwindigkeit Herausarbeitung der KKS Verträglichkeit zwischen aktiv und inert pigmentierten Beschichtungssystemen durch längere Belastungsdauer, falls nach 26 Wochen Belastungsdauer kein signifikanter Unterschied erkennbar war Verhalten des Beschichtungssystems bei forcierter Belastung durch Verringern des Schutzpotentials auf mv bezogen auf die gesättigte Kalomel-Bezugselektrode ( mv gegenüber Cu/CuSO 4 ) Verhalten des Beschichtungssystems bei forcierter Belastung durch Erhöhung der Salzwassertemperatur wie sie in äquatorialen Breiten vorkommen kann Verhalten des Beschichtungssystems bei Unterbrechung des kathodischen Schutzes und Rücktrocknung des künstlichen Defekts Folie 9 3. Beschichtungs-, Defekt- und Belastungsvarianten

10 Permeationsmessung gemäß ASTM D1653 Wet-Cup an 2K-EP-Beschichtungssystemen Gesamtverlustvolumen in ml 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 Glasvolumen 100 ml Herstellung freier Beschichtungsfilme 50% r.lf. 23 C 100% r.lf. 25 ml VE-H 2 O Nullwert 8 Wochen 16 Wochen 24 Wochen 32 Wochen Zeit in Wochen Beschichtung 1 Beschichtung 2 Beschichtung 3 Beschichtung 4 Beschichtung 5 Beschichtung 6 GB: Zinkstaub GB: Divers GB: Zinkstaub ZwB: Divers GB: Divers ZwB: Divers GB: Zinkstaub ZwB: Eisengl. GB: Divers ZwB: Eisengl. Beschichtung 1 Beschichtung 2 Beschichtung 3 Beschichtung 4 Beschichtung 5 Beschichtung 6 Folie Permeationsuntersuchungen der Beschichtungen

11 Permeationsmessung gemäß ASTM D1653 Wet-Cup an 1K-PUR-Beschichtungssystemen Gesamtverlustvolumen in ml 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 Beschichtung 7 Beschichtung 8 Beschichtung 9 Beschichtung 10 GB: Zinkstaub GB: Fe-Oxid GB: Zinkstaub ZwB: Eisengl. GB: Fe-Oxid ZwB: Eisengl. 0,00-0, Zeit in Tagen 11 Wochen Beschichtung 7 Beschichtung 8 Beschichtung 9 Beschichtung 10 Folie Permeationsuntersuchungen der Beschichtungen

12 Nr.: Beschichtungssysteme mit 2K-EP-Zn-Staub-GB 66 Wochen ohne KKS 66 Wochen mit KKS Querschliffe der KKS Proben Folie Ergebnisse des Forschungsprojektes

13 Nr.: Beschichtungssysteme mit 2K-EP-Inerter-GB 66 Wochen ohne KKS 66 Wochen mit KKS Querschliffe der KKS Proben Folie Ergebnisse des Forschungsprojektes

14 2K-EP-Beschichtungen nach 80 Wochen forciertem KKS Nr.: 1 3 Nr.: 2 4 Lichtmikroskop: - Keine Delamination der Grundbeschichtung erkennbar REM EDX der kalkhaltigen Ablagerungen: - Ablagerungen bestehen mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit aus Magnesiumhydroxid 5 6 Folie Ergebnisse des Forschungsprojektes

15 Haftfestigkeiten und Bruchbilder der 2K-EP Beschichtungssysteme nach Belastung Beschichtungssystem 80 Wochen ohne KKS Referenz 66 Wochen mit KKS 80 Wochen forciert KKS 1 14,6 MPa; 90C, 10C/Y (B) 13,4 MPa; 50B, 10C, 40C/Y 19,2 MPa; 100C (B) 2 15,7 MPa; 100B (C) 8,5 MPa; 40C, 60C/Y 18,3 MPa; 100B 3 13,3 MPa; 100C (C/D) 12,1 MPa; 80C, 20D 13,9 MPa; 100C 4 14,7 MPa; 70C, 30D 10,1 MPa; 40C, 60C/Y 14,8 MPa; 70C, 30D 5 16,6 MPa; 60C, 40D 8,5 MPa; 90C, 10D/Y 12,4 MPa; 100C 6 14,1 MPa; 50B, 50C 8,4 MPa; 30B, 70C 12,1 MPa; 50B, 50C Folie Ergebnisse des Forschungsprojektes

16 Beschichtung 7 mit 1K-PUR-Zn-Staub-GB 33 Wochen ohne KKS 33 Wochen mit KKS Defektunterschiede Defekt 10,9 mm 12,2 mm Defekt Folie Ergebnisse des Forschungsprojektes

17 33 Wochen ohne KKS Beschichtung 9 mit 1K-PUR-Zn-Staub-GB 33 Wochen mit KKS Defektunterschiede Defekt 2,5 mm 3,2 mm Blase Folie Ergebnisse des Forschungsprojektes

18 Beschichtung 8 mit 1K-PUR-Inerter-GB 33 Wochen ohne KKS 33 Wochen mit KKS Defektunterschiede Defekt 19,6 mm 17,3 mm Blase Folie Ergebnisse des Forschungsprojektes

19 Beschichtung 10 mit 1K-PUR-Inerter-GB 33 Wochen ohne KKS 33 Wochen mit KKS Defektunterschiede 16,9 mm 28,0 mm Defekt Blase Folie Ergebnisse des Forschungsprojektes

20 Haftfestigkeiten und Bruchbild der 1K-PUR-Beschichtungen nach Belastung Beschichtungssystem 33 Wochen ohne KKS Referenz 33 Wochen mit KKS Rz = 80 µm 33 Wochen mit KKS Rz = 60 µm 7 4,3 MPa; 90C, 10C/Y 8 3,6 MPa; 90C, 10C/Y 9 4,8 MPa; 60D, 30D/Y, 10Y/Z 10 2,9 MPa; 100D 4,8 MPa; 30C, 70C/Y 2,8 MPa; 10A/B, 80C,10Y/Z 6,8 MPa; 100D 4,3 MPa; 100D 3,8 MPa; 90C, 10C/Y 3,6 MPa; 100C (C/Y) 4,8 MPa; 50D, 50D/Y 2,5 MPa; 100D (D/Y) REM EDX der Ablagerung im Defekt: - Ablagerungen bestehen mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit aus Magnesiumhydroxid Blasenflüssigkeit: ph-wert ca. 12 ph - Chlorid: 1,70 g/l - Sulfat: 247 mg/l - Natrium: 16,4 g/l - Kalium: 247 mg/l - Magnesium: 523 mg/l - Calcium: 4,41 g/l Folie Ergebnisse des Forschungsprojektes

21 1. Die durch die BAW zugelassenen Beschichtungssysteme auf Basis von EP (System 1) und PUR (System 7) bestehen die Belastung gemäß DIN EN ISO Vorteil: lediglich 6 Monate Belastungsdauer gegenüber 9 Monaten bei STG und 15 Monaten bei BAW 2. Ritzförmige Defekte wären als Defekt ebenfalls geeignet. Vorteil: günstigere Geometrie für das Ausmessen der Enthaftung der Beschichtung am Ritz 3. Geringere Rauheiten führen zu größerer Enthaftung. Angestrebte Rauheit: Rz > 80 µm 4. Die erhöhte Prüftemperatur bei 35 C führt zu einer schnelleren und stärkeren Schädigung der untersuchten Beschichtungssysteme 5. Die Erhöhung des Schutzpotentials auf mv gegen Ag/AgCl/KCl ges führt zu einer stärkeren Schädigung der Beschichtungssysteme Epoxidharzbeschichtung - Zinkstaub-GB weist gegenüber inerter-gb Schwächen bei zu hohem Schutzstrom auf Polyurethanbeschichtung - Zinkstaub-GB beständiger als inerte-gb - Höhere Wasserdampfdurchlässigkeit als EP Beschichtungen, alkalische Blasenbildung wird begünstigt Folie Zusammenfassung

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fragen? Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH Gostritzer Str Dresden Tel: 0351 / Fax: 0351 / peter.lebelt@iks-dresden.de Die Arbeiten zum Thema: Zinkstaub im kathodischen Korrosionsschutz wurden aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die EuroNorm GmbH mit der Projektnummer: IW gefördert. Für diese Förderung und Unterstützung sei gedankt. Folie 22 Dipl.-Ing. (FH), SFI Peter Lebelt