Korrosion und kathodischer Korrosionsschutz. Kathodischer Korrosionsschutz wirkt. Mit Sicherheit.

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1 Korrosion und kathodischer Korrosionsschutz Kathodischer Korrosionsschutz wirkt. Mit Sicherheit.

2 Korrosion verursacht Schäden große Schäden! Betroffen sind insbesondere Metallkonstruktionen, die sich im Erdreich oder Wasser befinden: Stationen, en, Industrieanlagen, Schleusen, Lagerbehälter, Düker, Spundwände, Hafen-Anlagen, Schiffe, Bohrinseln, Stahlbetonbauwerke. Die Gesamtschäden durch Korrosion belaufen sich in den Industrienationen auf ungefähr 4 % des Bruttoinlandproduktes, d.h. auf 90 Mrd. Euro in Deutschland! Doch nicht nur der materielle Aspekt darf hierbei eine Rolle spielen, auch die menschliche Sicherheit und die Umwelt sind gefährdet, wenn Konstruktionen oder Anlagen korrodieren und in ihrer Standsicherheit versagen. In diesen Fällen ist der aktive Schutz der Anlagen durch kathodischen Korrosionsschutz (KKS) eine absolute Notwendigkeit für deren Erhaltung. Denn heute weiß man, dass passiver Korrosionsschutz durch Umhüllungen aus Polyethylen oder Bitumen bei weitem keinen ausreichenden und langfristigen Schutz vor Korrosion bieten kann. Und: Die Installation einer Anlage zum kathodischen Korrosionsschutz kostet unterm Strich nur einen Bruchteil der später entstehenden Schäden. So kann eine einzige KKS-Anlage Schutz bieten für eine kunststoffumhüllte von bis zu 100 km Länge! Sie sehen, gerade beim Korrosionsschutz zahlt sich Vorbeugung aus. Korrosion und kathodischer Korrosionsschutz was ist das? Korrosion oder im Volksmund auch unter dem Begriff Rosten bekannt ist die elektrochemische Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, was zu einer qualitätsmindernden Veränderung bis hin zur vollständigen Zerstörung des Werkstoffes führen kann. Bei unseren en aus Stahl in Erdböden setzt sich der Korrosionsvorgang aus zwei Teilreaktionen zusammen: der anodischen Teilreaktion der Metallauflösung (Oxidation) und der kathodischen Teilreaktion der Sauerstoffreduktion. Mit Hilfe von sogenannten Strom-Spannungs-Kurven (Abbildung 1) können die anodische und kathodische Teilreaktion dargestellt und Korrosionsvorgänge bzw. Potentialabhängigkeiten erkannt werden. Durch Überlagerung der anodischen und kathodischen Teilstrom-Potential-Kurven erhält man die so genannte Summenstrom-Potential-Kurve, die als elektrische Kennlinie einer homogenen Mischelektrode dient und durch Messung ermittelt werden kann (Abbildung 1). Bei homogenen Mischelektroden ist nur gleichmäßige Korrosion und nicht örtliche Korrosion möglich.

3 [ I ] anod. Teilstromdichte positiver Strom Kathodische Polarisation Summenstromdichte I A I a Potential E p I k E n [ E ] negativer Strom I K kathod. Teilstromdichte Abb. 1: Teil- und Summenstromdichten bei Korrosion einer homogenen Mischelektrode Ist der anodische Teilstrom I A gleich dem kathodischen Teilstrom I K, ergibt sich das freie Korrosionspotential E n, was in diesem Fall dem Ruhepotential entspricht. Das Metall unterliegt im Ruhepotential einem Metallabtrag, wobei der anodische Teilstrom I A der Korrosionsgeschwindigkeit entspricht. Bewegt man sich vom Ruhepotential nach rechts spricht man von anodischer Polarisation durch positive Summenstromdichten I a, wodurch die Korrosionsgeschwindigkeit steigt. Links vom Ruhepotential ergibt sich eine kathodische Polarisation durch negative Summenstromdichten I k, wodurch das Potential negativer und die Korrosionsgeschwindigkeit kleiner werden. Beim kathodischen Korrosionsschutz wird nun durch Einspeisen eines Stromes soweit kathodisch polarisiert, bis das Schutzpotential E p erreicht ist und die Korrosionsgeschwindigkeit bzw. der Metallabtrag auf den vernachlässigbaren und maximal zulässigen Wert von 0,01 mm pro Jahr herabgesenkt wird. Die bei homogenen Elektroden auftretende Flächenkorrosion ist relativ harmlos im Vergleich zu der lokalen Korrosion von heterogenen Elektroden. Durch unterschiedlich stark belüftete oder verdichtete Bereiche über der Stahloberfläche kommt es zur Bildung sogenannter Korrosionselemente, wodurch sich eine homogene Elektrode im Laufe der Korrosion zu einer heterogenen Elektrode mit unterschiedlichen Flächenbereichen entwickelt. Abbildung 2 zeigt die örtlichgetrennte Anode in der Mitte und Kathoden im Randbereich eines Korrosionselementes. Die anodische Reaktion (Metallauflösung) findet

4 nun verstärkt an der anodischen Stelle mit einer sehr hohen Korrosionsgeschwindigkeit statt und führt schließlich zu den bekannten Rostpusteln. Abb. 2: Korrosionselement mit lokal getrennter Anode und Kathode ½O 2 + H 2O + 2e - Stahl 2 Na + Na + Kathode O 2 - Diffusion Migration der Ionen 2 Cl - Anode Fe (OH) + O 2 Erdboden Fe OOH 2 Rostpustel OH - Fe Cl - + H 2O Fe (OH) Cl + HCl 2e - 2+ Fe Deckschicht Kathode An den gut belüfteten kathodischen Bereichen der Stahloberfläche überwiegt die kathodische Reaktion, d.h. es liegt ein negativer Summenstrom vor, der dem kathodischen Elementstrom entspricht. Bei diesem Vorgang werden kathodische Reaktionsprodukte neutralisiert und stabile Deckschichten über den Kathoden gebildet. Kathodischer Korrosionsschutz von en Der für den kathodischen Korrosionsschutz benötigte Schutzstrom wird entweder durch galvanische Anoden oder durch Fremdstromanlagen in die eingespeist. Der Schutzstrom fließt dabei von den Anoden über das Erdreich zu den kritischen Bereichen der, dringt in die beschädigten Stellen der Umhüllung ein und verhindert Korrosion. Beim KKS mit Fremdstromanlagen wird der Schutzstrom von Schutzstromgeräten erzeugt, die am öffentlichen Stromnetz angeschlossen sind oder von Solaranlagen versorgt werden. In Abbildung 3 ist der schematische Aufbau einer Fremdstrom-Schutzanlage dargestellt. Die Anoden aus Ferrosilicium, Graphit oder Magnetit werden bei ausreichendem Platzangebot und niedrigen spezifischen Bodenwiderständen in den oberen Bodenschichten vorzugsweise horizontal eingebaut. Die Anoden werden dabei in eine Koksschicht eingebettet, um einen günstigen Ausbreitungswiderstand und einen gleichmäßigen Abtrag zu erreichen. Um das Potential des Schutzobjektes messen und mit den Schutzkriterien vergleichen zu können, wird neben der eine Dauerbezugselektrode eingebaut.

5 + = ~ - Schutzstromgerät Muffe Koksbettung Fremdstromanoden Schutzstrom Anodenkabel Bezugselektrode Schutzstrom Messanschluss Kathodenanschluss (-) Abb. 3: Aufbau einer kathodischen Korrosionsschutzanlage mit Fremdstrom Korrosion durch Streustrom Der von den Fremdstromanoden-Anlagen ausgehende Schutzstrom ist im Bereich der Anodenanlagen am größten und nimmt mit zunehmender Entfernung ab. Abbildung 4 zeigt den Spannungsverlauf einer Anodenanlage und einer kathodische geschützten. Tiefenanode Anodenkabel (+) Schutzstromgerät Kathodenanschluss (-) Schutzstrom Schutzstrom kathodisch geschützte nicht geschützte Abb. 4: Beeinflussung einer nicht kathodisch geschützten Leitung durch Streustrom

6 Wegen der trichterförmigen Verteilungskurve auf der Erdoberfläche spricht man auch vom Spannungstrichter der Anodenanlage. Führt nun eine fremde durch den Spannungstrichter der Anodenanlage, so nimmt diese den Schutzstrom auf und wird kathodisch polarisiert. Man spricht dabei von einer Beeinflussung durch Streustrom. Wird die fremde Leitung von einer kathodisch geschützten gekreuzt, so tritt der Strom im Kreuzungsbereich aus der Fremdleitung wieder in das Erdreich ein, um die kathodisch geschützte zu erreichen. An der Stromaustrittsstelle unterliegt die nicht geschützte einer anodischen Polarisation und ist stark korrosionsgefährdet. Beeinflussungsproblemen dieser Art kann durch sorgfältige Auswahl der Anodenstandorte oder durch hohe Umhüllungswiderstände der entgegengewirkt werden. Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung von Beeinflussung durch Streustrom besteht darin, die fremden Objekte mit in den kathodischen Korrosionsschutz einzubeziehen. Eine weitere Beeinflussung durch Streuströme tritt bei en auf, die unterhalb gleichstrombetriebener Bahnen verlaufen. Bei diesen Bahnen werden die Fahrschienen zur Rückleitung des Betriebsstromes verwendet, der einen Längsspannungsabfall an den Schienen aber über die Gleisbettung auch am Erdreich erzeugt. Ein Teil dieses Rückstromes kann somit durch den Erdboden fließen und in die eindringen. Abbildung 5 zeigt die Gefahr der Streustromkorrosion bei einer Gleichstrombahn. + Unterwerk Oberleitung - Schiene Schienenstrom Stromaustritt Streustrom Korrosion Abb. 5: Korrosion durch Streustrom Tritt der Streustrom dann in Bereichen mit negativeren Potentialen (zum Beispiel Anschluss des Minuspols des Unterwerks mit den Fahrschienen) wieder aus der aus, erfolgt verstärkt anodische Korrosion. Nur mit dem richtigen Know-how und langjähriger Erfahrung können Beeinflussungen dieser Art erkannt, Problem beseitigt und KKS-Anlagen konzipiert werden.

7 Vertrauen Sie daher der Ideenfabrik der Firma Steffel, in der KKS-Konzeptionen in den Bereichen: individuelle Projektstudien, Engineering, Planung, Analysen, Untersuchungen und Bewertungen durch Ingenieure und KKS-Spezialisten, entstehen. Im Anschluss an die konzeptionellen Vorarbeiten realisieren wir kundenspezifisch maßgeschneiderte Gesamt-Lösungen. Im Full-Service installieren wir für Sie die betriebsfertige Schutzanlage. Um noch besser auf individuelle Vorgaben eingehen zu können, fertigen wir eigene Schutzstromgeräte und modernste Datenübertragungs-Technik. Durch die günstige Produktion auch von Kleinserien entstehen Vorteile für unsere Kunden. Wir kümmern uns um Ihre Schutzanlagen von A bis Z: mit Wartungsmessungen, Fehlerortung, Intensivmessung und Fehlereinmessung sorgen unsere KKS-Experten für das reibungslose Funktionieren Ihrer Schutzanlagen. Auch im Bereich Datenfernübertragung übernehmen wir als Dienstleistung für Sie die komplette Verwaltung und Überwachung Ihrer Daten. Lokaler kathodischer Korrosionsschutz (LKS) Beim KKS müssen die zu schützenden Objekte von allen Anlagen, die einen kleinen Ausbreitungswiderstand haben, elektrisch getrennt werden. In Industrieanlagen, Kraftwerken oder Raffinerien wäre die Trennung mehrerer en mit großen Nennweiten nur mit hohem finanziellen und technischen Aufwand durchzuführen. Stahlbeton-Bauwerk Bewehrung H + Erdreich ½ O 2 Fe 2+ Erder Umhüllung Fehlstelle Abb. 6: Korrosionsgefahr bei Elementbildung mit Stahlbeton-Bauwerken Erder Doch besonders in diesen Industrieanlagen sind die en im Allgemeinen durch eine Elementbildung mit Stahlbeton-Fundamenten (Abbildung 6) einer höheren Korrosionsgefahr ausgesetzt als Fernleitungen.

8 Das freie Korrosionspotential des Stahls im Beton, der auch als Fremdkathode bezeichnet wird, liegt ca. 0,5 V positiver als das Potential des Stahlrohres im Erdboden. Diese Spannungsdifferenz verursacht einen Metallabtrag an der im Bereich der Umhüllungsfehlstellen. Mit Hilfe des Lokalen kathodischen Korrosionsschutzes wird nun der Elementstrom der Fremdkathoden kompensiert und die ausreichend kathodisch geschützt. Beim LKS müssen auch die Fremdkathoden (Fundamente, Erder) auf das Schutzpotential polarisiert werden, damit die en vollständig kathodisch geschützt sind. Da bei diesem Vorgang der größte Anteil des Schutzstromes zu den Fremdkathoden fließt, liegt der Schutzstrombedarf beim LKS für eine Industrieanlage im Allgemeinen über 100 A. Zum Einspeisen derartig hoher Schutzströme werden zunächst Tiefenanoden eingesetzt, um das gesamte Schutzobjekt einschließlich der Stahlbetonbauwerke und Erdungsanlagen zu schützen. Abbildung 7 zeigt den Aufbau des Basis-Schutzes mit einer Tiefenanode. Gebäude Stahlbetonwand - = ~ + Schutzstromgerät Stahlbetonfundament Erder Schutzstrom Anode Abb. 7: Einspeisung eines Grundstromes durch eine Tiefenanode An Stellen des Schutzobjektes, an denen durch den Basis-Schutz keine ausreichend negativen Potentiale erreicht werden, werden zusätzliche Einzelanoden eingebaut. Kathodische Korrosionsschutzmaßnahmen an solchen einzelnen gefährdeten Bereichen wird auch als Hot-Spot -Verfahren bezeichnet. Durch die Einzelanoden wird ein anodischer Spannungstrichter in unmittelbarer Nähe der Anoden erzeugt und das Potential des Erdbodens gegenüber der neutralen Erde angehoben. Diese Spannung

9 kompensiert die Spannung des Korrosionselementes und verhindert einen korrosionsverursachenden Stromaustritt aus der. Um eine bessere Stromverteilung zu erreichen werden Stahlbetonobjekte, die sich weniger als 2 m von der entfernt befinden und im Bereich der Wanddurchführung, mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung, auch Pohl scher- Kragen genannt, versehen. Bei Wanddurchführungen wird die mindestens 2 mm dicke Bitumen- oder Kunststoffschicht mindestens 2 m allseitig um die aufgetragen. In Abbildung 8 sind der Lokale kathodische Korrosionsschutz mit einer Einzelanode und die beschichtete Stahlbetonwand dargestellt. Stahlbetonwand Schutzstromgerät + = ~ - Anode Schutzstrom Beschichtung (Pohl scher Kragen) Abb. 8: LKS mit dem Hot-Spot -Verfahren Unsere Kompetenz im Lokalen kathodischen Korrosionsschutz (LKS) haben wir uns als zukunftsweisende Ergänzung zu unserer langen Erfahrung im kathodischen Korrosionsschutz (KKS) erarbeitet. Die Steffel GmbH ist ein wesentlicher Wegbereiter des LKS in Deutschland, jetzt z.b. das erste Unternehmen, das die Datenfernüberwachung des LKS ermöglicht. Kathodischer Innenschutz (KIS) Der kathodische Innenschutz ist für alle Behälter, Tanks, en und alle metallenen Lager- bzw. Transportanlagen anwendbar, die eine Elektrolytlösung mit ausreichender Leitfähigkeit (z.b. Trink-, Kühl-, Gebrauchs- und Schmutzwässer sowie Industriestoffe) enthalten. Enthalten Behälter Einbauten wie Heiz- oder Kühlelemente, Trennbleche, Fühler usw., so können diese in den kathodischen Korrosionsschutz mit einbezogen werden. Eine ausreichende Stromverteilung wird durch konstruktive Maßnahmen sowie gezielte Anordnung und Anzahl der Anoden erreicht.

10 Abbildung 9 zeigt den kathodischen Schutz eines innenbeschichteten Wasserbehälters. In den Behälter führt ein unbeschichteter Heizeinsatz, der als Fremdkathode wirkt und vom Behälter isoliert werden muss. + - Anode Schutzobjekt Erder Isolierstücke Heizungswasser Abb. 7: KIS eines Wasserbehälters mit eingebautem WT-Rohr Fehlstelle R Abgleichswiderstand Heizeinsatz Außerhalb des Behälters wird in das Wärmetauscher-Rohr ein weiteres Isolierstück eingebaut, damit es vom Erdungssystem elektrisch getrennt ist und eine Überbrückung verhindert wird. Im Inneren des Behälters kann am WT-Rohr Stromaustritts-Korrosion entstehen, wenn in der Nähe des Isolierstückes Fehlstellen in der Behälterwand einen kathodischen Spannungstrichter erzeugen. Im Inneren des Wärmetauscher-Rohres kann es ebenfalls zu einer anodischen Gefährdung kommen, da das Isolierstück von der Elektrolytlösung überbrückt werden kann und ein Stromfluss ermöglicht wird. Die Höhe der Gefährdung ist daher stark von der nichtmetallischen Länge des Isolierstückes abhängig. Zur Vermeidung von Stromaustritts-Korrosion kann der Wärmetauscher durch einen Abgleichswiderstand mit dem Schutzobjekt verbunden und somit in den kathodischen Korrosionsschutz mitintegriert werden. Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton (KKSB) Stahl in Beton ist durch die Alkalität des Beton-Porenwassers und die sich daraus ergebende Passivschicht über Jahre vor Korrosion geschützt. Erst durch das Eindringen von Chloriden, meistens als Streusalz bei Verkehrsbauwerken wie Brücken oder Parkhäusern, kann die Passivschicht zerstört werden und der Stahl beginnt zu korrodieren. Eine weitere Ursache für Korrosion ist die Carbonatisierung, d.h. Calciumhydroxid reagiert in Gegenwart von Feuchtigkeit und Kohlendioxid aus der Luft zu Calcium-

11 carbonat. Bei diesem Vorgang sinkt der ph-wert des Betons von etwa 12,6 auf 9 und die Vorraussetzung für eine Passivierung des Stahls ist nicht mehr gegeben. Vor allem wird die Carbonatisierung durch mangelhafte Betonqualität, schlechte Verdichtung und unzureichende Betonüberdeckung begünstigt. Der kathodische Korrosionsschutz von Stahl in Beton kann als Alternativlösung gegenüber einer konventionellen Betoninstandsetzungsmaßnahme die Lebensdauer eines Bauwerkes um einige Jahrzehnte erhöhen. Durch den Einsatz eines kathodischen Korrosionsschutzsystems bei Stahlbeton-Neubauten wird ein vorbeugender Schutz vor Korrosion erreicht und zukünftige Instandsetzungsmaßnahmen verhindert. Das Prinzip des kathodischen Korrosionsschutzes beruht darauf, dass die anodische Teilreaktion der Korrosionsreaktion, nämlich die Metallauflösung, durch einen entgegengesetzt gerichteten Gleichstrom unterbunden wird. Dazu wird auf die Betonoberfläche eine dauerhafte Anode, in der Regel Mischmetalloxid (MMO) beschichtetes Titan, aufgebracht und von einem leitfähigen Milieu (meist Spritzbeton) umgeben. Die freigelegte Bewehrung wird an den Minuspol und die Anode an den Pluspol einer Gleichstromquelle angeschlossen. Nach Einschalten der Stromquelle erzwingt diese einen Stromfluss durch den Stahl, der dem Stromfluss der anodischen Metallauflösung entgegengesetzt ist und somit weiteres Korrodieren unterdrückt. In Abbildung 10 ist der Aufbau des kathodischen Korrosionsschutzes eines Stahlbetonbodens mit den dazugehörigen KKS-Komponenten schematisch dargestellt. SCHUTZSTROM Beton Anodennetz Bewehrung Einbettmörtel Referenzelektrode + - = ~ Schutzstromgerät Abb. 10: Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton Im Gegensatz zu herkömmlichen Betonreparaturmaßnahmen muss beim kathodischen Korrosionsschutz chloridkontaminierter Altbeton nicht in großer Tiefe entfernt und erneuert werden, da eine Weiterentwicklung der Korrosion durch das Schutzsystem verhindert wird.

12 Durch den geringeren Eingriff in die Bauwerkssubstanz wird die benötigte Bauzeit der Instandsetzung reduziert, wodurch die Nutzungseinschränkung und somit die Gewinnverluste für den Betreiber (zum Beispiel bei Parkhäusern) niedrig gehalten werden. Installations- und Unterhaltungskosten sind über Jahrzehnte gesehen geringer als ständige Reparaturmaßnahmen, was den KKSB als ein wirtschaftliches Instandsetzungsverfahren auszeichnet. Kontakt: Steffel GmbH Im Bulloh Lachendorf Telefon: +49 (05145) Telefax: +49 (05145) URL:

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