KORROSIONSVERHALTEN NICHTROSTENDER STÄHLE IN MEERWASSER UND MARITIMER ATMOSPHÄRE. werkstoffseitig. elektrolytseitig. Inhibitoren.

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1 KORROSIONSVERHALTEN NICHTROSTENDER STÄHLE IN MEERWASSER UND MARITIMER ATMOSPHÄRE Andreas Burkert, Jens Lehmann BAM Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung, Berlin Fachbereich 6.1 Korrosion und Korrosionsschutz HTG Workshop Korrosionsschutz für Meerwasserbauwerke 5. November 2015, Hamburg 1 Korrosionsschutz Korrosionsschutzmethoden planungsseitig werkstoffseitig elektrolytseitig elektrochemisch Anforderungen Überzüge 1 Inhibitoren galvanische Anoden Konstruktion Beschichtungen 2 O 2 Entfernung Fremdstrom Werkstoff Legierung ph-wert Einstellung Streustromableitung 1) Überzüge = metallische Schichten (z.b. Verzinkung, stromloses Vernickeln) 2) Beschichtungen = nichtmetallische Schichten (z.b. Lack- und Pulverbeschichtungen)

2 Nichtrostender Stahl - Grundlagen Edelstahl NIRO Edelstahl Rostfrei rost- und säurebeständige Stähle INOX NIROSTA Cromargan V2A V4A Edelstahl: Stahl mit abgesenktem Phosphor- und Schwefelgehalt (hat bei un- und niedrigleg. Stählen keine Auswirkung auf das Korrosionsverhalten) Edelstahl Rostfrei: Edelstahl mit mehr als 10,5 % Chrom Nichtrostend = keine sichtbaren Korrosionserscheinungen bei Zutritt von Wasser und Sauerstoff! Nichtrostender Stahl - Grundlagen Bedingungen für den schadensfreien Einsatz: 1) Passivschicht muss sich vollständig ausbilden können 2) Repassivierung von Defektstellen unter Einsatzbedingungen ist möglich Eine unvollständige Passivierung führt zu örtlicher Korrosion, auch ohne besondere Korrosivität der Umgebung!

3 Systematik der Kurznamen X6CrNiMoTi hochlegierte Stähle Kohlenstoffgehalt x 100 chemische Symbole der Hauptlegierungselemente gezielt eingesetzte Legierungselemente unter 1 % werden nur mit dem chemischen Symbol angegeben Anteile in % der Hauptlegierungselemente Ein allgemein vorangestelltes G kennzeichnet Stahlguss z.b. GX10CrNi18-8 (Wst ) Einflussfaktoren auf die Korrosionsbeständigkeit Legierungszusammensetzung (Werkstoffauswahl, Regelwerke) DIN 81249, DIN EN , Z , RiLi GL. Konstruktive Ausführung Halbzeug- / Werkstofffehler Beispiel Verarbeitungsprozesse (Schleifen, Schweißen, Verformen) Oberflächenausführung Prozessbedingte Schäden (unplanmäßige Betriebszustände) Reinigung und Pflege

4 Wirksumme Werkstoffranking bezüglich der Korrosionsbeständigkeit W = % Cr + 3,3 % Mo + x % N mit 0 x 30 (für x häufig verwendet: 0 für Standardaustenite, 16 für Duplexstähle, 30 für Superaustenite) gibt Anhaltspunkte zur Beständigkeit verschiedener Werkstoffe weitere Legierungselemente müssen dennoch beachtet werden Wst. Nr. Kurzname Wirksumme X5CrNi X8CrNiS signifikant schlechtere Korrosionseigenschaften als , aber bessere Spanbarkeit Werkstoffauswahl Zulassung Z ,KWK und Wirksummenbereiche Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z vom (bis 2017)

5 Werkstoffauswahl nach Z Einwirkung Exposition Kriterien und Beispiele KWK I II III IV V Feuchte, Jahresmittelwert U der Feuchte SF0 trocken bis wechselfeucht U < 95 % X SF1 dauerfeucht 95 % U X SC0 gering Land, Stadt, M > 10 km, S > 0,1 km X Chloridgehalt der Umgebung, SC1 mittel Industriegebiet, 1 km < M 10 km, 0,01 km < S 0,1 km Entfernung M vom 1) Durch Meer, regelmäßige Reinigung zugänglicher Konstruktionen oder direkte Beregnung wird die Korrosionsbelastung erheblich verringert, so dass um eine KWK abgemindert werden kann. Bei Abstand möglicher S belebter Aufkonzentration der Stoffe auf Oberflächen Maritimes ist eine Gebiet KWK höher zu wählen. Straßen mit SC2 hoch 0,25 km < M 1 km X 1) Streusalz-einsatz S 0,01 km X DIN Teil 2: Freie Korrosion in Seewasser, Werkstoffauswahl Werkstoff-Untergruppen FE 1 bis FE 3: nichtrostende Stähle und nichtrostender Stahlguss, nicht magnetisierbare Stähle und nicht magnetisierbarer Stahlguss Klasse FE Wirksummenbereich vgl. mit KWK Empfindlichkeit Spalt-/Lochkorr. FE 1, Teil V äußerst gering FE 1, Teil IV sehr gering FE 1, Teil IV gering FE 1, Teil III mäßig FE II hoch FE 3 k.a. I (sehr) hoch

6 DIN Teil 2: Freie Korrosion in Seewasser, Werkstoffauswahl Grenztemperatur für Lochkorrosionsbeständig keit in Seewasser [ C] Wirksumme W* (min.) *) W = %Cr + 3,3 x %Mo + 30 x %N Austenite > 3% Mo W = %Cr + 3,3 x %Mo + 16 x %N Duplex W = %Cr + 3,3 x %Mo Austenite < 3% Mo DIN EN , Anhang A, 2015 Werkstoffauswahl F1 Risiko der Exposition gegenüber Chloriden aus Salzwasser oder Auftausalzen (Streusalz) ANMERKUNG Mist derabstand vom MeerundSistderAbstand vonstraßenmiteinsatz von Auftausalzen. 1 Innenräume 0 NiedrigesExpositionsrisiko M >10kmoderS>0,1km 3 MittleresExpositionsrisiko 1km <M 10kmoder0,01km <S 0,1km 7 HohesExpositionsrisiko 0,25km <M 1kmoderS 0,01km Sehr hohes Expositionsrisiko Sehr hohes Expositionsrisiko Straßentunnel, bei denen Auftausalz ausgebracht wird oder wenn Fahrzeuge Auftausalze in den Tunnel einbringen können. M 0,25km Nordseeküste Deutschlands, alle Küstenregionen der Ostsee. 15 Sehr hohes Expositionsrisiko M 0,25km Atlantikküste Portugals, Spaniens und Frankreichs, Küste des Ärmelkanals und der Nordseeregionen des UK, Frankreichs, Belgiens, den Niederlanden und Südschwedens.

7 DIN EN , Anhang A, 2015 Werkstoffauswahl F2 Risiko der Exposition gegenüber Schwefeldioxid In den europäischen Küstenregionen ist die Schwefeldioxidkonzentration üblicherweise gering. Im Landesinneren ist die Schwefeldioxidkonzentration entweder gering oder mittel. Ein hohes Expositionsrisiko ist selten und stets mit besonderen Standorten der Schwerindustrie oder spezifischen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Straßentunneln, verbunden. Die Schwefeldioxidkonzentration kann in Übereinstimmung mit dem Verfahren in ISO 9225 bewertet werden. 0 Niedriges Expositionsrisiko Mittelwert der Gaskonzentration <10µg/m Mittleres Expositionsrisiko Hohes Expositionsrisiko Mittelwert der Gaskonzentration 10bis 90µg/m 3 Mittelwert der Gaskonzentration 90bis 250µg/m 3 DIN EN , Anhang A, 2015 Werkstoffauswahl F3 Reinigungskonzept oder die Exposition gegenüber der Witterung (wenn F1 +F2 0, dann F3 =0) 0 Vollständige Exposition gegenüber der Witterung(frei beregnet) 2 7 Spezifisches Reinigungskonzept Kein Abwaschen durch Regen oder keine spezifische Reinigung Wenn das Bauteil regelmäßig auf Anzeichen von Korrosion überprüft und gereinigt werden muss, sollte das dem Anwender in schriftlicher Form mitgeteilt werden. Die Überprüfung, das Reinigungsverfahren und die Häufigkeit sollten festgelegt sein. Je häufiger die Reinigung erfolgt, desto größer ist der Nutzen. Die Zeitspanne zwischen den Reinigungen sollte nicht größer als 3 Monate sein. Ist eine Reinigung festgelegt, sollte sie für alle Teile des Bauwerks gelten und nicht nur für die leicht zugänglichen und gut sichtbaren Bauteile. Corrosion Resistance Factor CRF = F 1 + F 2 + F 3

8 DIN EN , Anhang A, 2015 Werkstoffauswahl CRF =1 0 CRF > 7 7 CRF > CRF 20 CRF < 20 Korrosionsbeständigkeitsklasse (CRC) I II III IV V Die Stahlsorte einer höheren Klasse kann anstelle der durch den CRF vorgegeben verwendet werden. ANMERKUNG:Die Korrosionsbeständigkeitsklassen sind nur für die Anwendung mit diesem Auswahlverfahren vorgesehen und gelten nur für Konstruktionen mit tragender Funktion. Nichtrostender Stahl in maritimer Atmosphäre Nicht immer die blanke Freude

9 Auslagerungsstand maritime Atmosphäre Insel Helgoland in Betrieb seit 2009 direkt am Hafen gelegen 4 Freibewitterungsstände mit überdachten Bereichen Mittlere Jahrestemperatur: 9,1 C Mittlerer Jahresniederschlag: 59 mm Chloridgehalte in Seeatmosphäre: 0,1 3 mg / m³ Luft (DIN 81249) Auslagerungsstand für maritime Atmosphäre Flächenbeaufschlagung Chlorid im überdachten Bereich jährliche Wischproben aus überdachten Bereich des Auslagerungsstands beprobte Flächen sowohl senkrecht als auch waagerecht Messfläche 20 x 20 cm Bestimmung der Chloridionen mittels Photometrie und Ionenchromatographie

10 Untersuchte Werkstoffe Werkstoff Kurzbezeichnung Wirksumme W* Bemerkungen X5CrNi (17 20)** Austenit, KWK II X2CrNiMo (23 27) Austenit, KWK III (erhöhter S- Gehalt innerhalb der Norm) X8CrMnNi (17 20) Austenit, Mangan X2CrMnNiN (25 29) Lean Duplex, Mangan, KWK III X2CrNiN (25 30) Lean Duplex, KWK III X2CrNiN (23 29) Duplex, KWK III *W=%Cr+3, %Mo+x X2CrTiNb18 %N (Mo 1,0%;Austenit/Ferrit: 18 (18 19) x=0;duplex:x=16) Ferrit ** Wirksummenbereich entsprechend der möglichen chemischen Zusammensetzung lt. Norm X2CrMoTi (23 28) Ferrit, Molybdän GfKorr AK Eisen und Stahl 19 Auslagerung in maritimer Atmosphäre 60 Monate, Walzoberflächen freibewittert 1W W W W W W W W W überdacht 1W W W W W W W W W

11 Auslagerung in maritimer Atmosphäre Lochtiefenbestimmung nach 5 Jahren * * Werkstoff zeigt Übergang zu flächigem Abtrag mit ca. 8 µm/a, zum Vergleich unlegierter Stahl weist unter diesen Bedingungen einen Abtrag > 50 µm/a auf Meeresatmosphäre Lochtiefenbestimmung im Spalt nach 24 Monaten Spaltausführung als Metall/Metallspalt Austenit Duplex Ferrit 1W W W W W W W W W freibewittert überdacht 160 Austenit Duplex Ferrit 160 max. 170 µm Austenit Duplex Ferrit max. 270 µm Lochtiefe [µm] Lochtiefe [µm] W W W W W W W W W W W W W W W W W W

12 Werkstofffehler Befestigungen im maritimen Bereich Konsole und Befestigungsmittel (KWK IV), Nordsee, Einsatzzeit 3 Monate Korrosionserscheinungen an den Schlüsselflächen der Muttern aber keine Korrosion im Spaltbereich zum Gewindestab Werkstofffehler Befestigungen im maritimen Bereich Freies Korrosionspotential Prüflösung: Meerwasser, Nordsee, am Objektstandort entnommen, Prüfung bei T = 20 C

13 Werkstofffehler Befestigungen im maritimen Bereich Ursache: Ausscheidung von Sigma-Phase in der Randzone rechnerische Wirksumme: 32 praktische Wirksumme: < 18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Weitere Informationen finden Sie unter: