Neue Erkenntnisse zur Wechselstromkorrosion: Auswirkung auf die Praxis

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1 Schweizerische Gesellschaft für Korrosionsschutz Neue Erkenntnisse zur Wechselstromkorrosion: Auswirkung auf die Praxis Dr. Markus Büchler

2 Kathodischer Korrosionsschutz Die Dauerhaftigkeit von Rohrleitungen wird erreicht durch: Beschichtung der Rohrleitung Kathodischer Schutz von Fehlstellen Ein korrekt eingestellter kathodischer Schutz führt zu Korrosionsgeschwindigkeiten < 10 µm/a

3 Wechselspannungsbeeinflussung und deren Folgen Parallelführung von Hochspannungsleitung und Rohrleitung Wechselstromfluss Umhüllungsfehlstellen kann zu Korrosionsangriff führen

4 Korrosion von Stahl Anodische Metallauflösung Kathodische O 2 Reduktion Fe Fe e - Fe e - Fe H 2 O FeOOH+ 3H + O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH - Korrosion Passivität Kathodischer Schutz

5 Das Pourbaix Diagramm für Eisen Stromdichte-Potentialkurven

6 Stahl unter kathodischem Schutz Der kathodische Schutz bewirkt Sauerstoffreduktion O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH - Der ph-wert steigt an Wechsel zwischen kathodischem Schutz und Passivität unter AC-Einfluss Es tritt keine Korrosion auf

7 Mechanismus der Wechselstromkorrosion Bei Oxidation von einer Atomlage pro Zyklus: 70 mm/jahr

8 Das Verhalten der Rostschicht Die Ansammlung von Rost wird experimentell beobachtet Der Ladungszustand des Eisens im Rost kann durch Strom verändert werden (Fe 3+ zu Fe 2+ ) Messung der Oxidationsladung in der coulometrischen Oxidation ermöglicht die Abschätzung der Dicke der Rostschicht: Zyklische Stromdichte- Potentialkurve bei ph 13 Fe 2+ Fe 3+ + e -

9 Die coulometrische Oxidation Nach kathodischem Schutz bei zwei Wechselstromdichten

10 Korrelation von coulometrischer Oxidation und tatsächlichem Korrosionsabtrag

11 Mögliche Aussagen aus der coulometrischen Oxidation Die Ladungsmenge für die vollständige Passivierung hängt von der Menge an Rost ab. Das Ausmass an Korrosion kann unter folgenden Bedingungen bestimmt werden: Die Korrosionsprodukte sind elektrochemisch reduziert Der ph-wert an der Metalloberfläche ist ausreichend für die Passivierung Alle Korrosionsprodukte müssen elektrochemisch zugänglich sein

12 die Korrosionsgeschwindigkeit unter Wechselspannungsbeeinflussung hängt vom kathodischen Schutzstrom ab

13 Mögliche Ursache für den negativen Effekt der hohen Schutzstromdichte Absinken des Ausbreitwiderstands Der Anstieg des ph-werts führt zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit und dadurch zu erhöhten Wechselstromdichten Anstieg des ph-werts Der hohe ph-wert kann zur Bildung von löslichen Eisenhydraten führen Reduktive Auflösung des Passivfilm Ein hoher Schutzstrom verbessert die Auflösung des Passivfilms und dadurch den Korrosionsabtrag

14 Erhöhung der Leitfähigkeit

15 Aufbau für die ph-messung Anstieg des ph-werts ph-messung als Funktion der Zeit und der Stromdichte Stahl ph-sensor

16 Messungen in stark alkalischer Lösung bei hoher Wechselstromdichte Keine Korrosion in ph 14 selbst bei Wechselstromdichten von bis zu 1200 A/m 2 Keine Korrosion bei optimiertem kathodischem Schutzstromdichte Weder der hohe ph-wert noch der tiefe Ausbreitwiderstand können die negativen Auswirkungen der hohen Schutzstromdichte erklären Die Wirkung muss folglich direkt mit dem kathodischen Schutzstrom verknüpft sein

17 Bei geringem kathodischem Schutzstrom wird der Passivfilm nicht aufgelöst Der kathodische Schutzstrom führ zu einer reduktiven Auflösung des Passivfilms Wenn keine reduktive Auflösung stattfindet, wird keine Neubildung erfolgen Damit kann der Korrosionsprozess gestoppt werden

18 Verbrauch der anodischen und kathodischen Ladung des Wechselstroms Die anodische und kathodische Ladung kann in der Rostschicht durch Oxidation und Reduktion von Eisenionen verbraucht werden Wie in einem Akkumulator können grosse Ladungsmengen gespeichert werden 5. Zyklus bei ph 13 Fe 2+ Fe 3+ + e - Fe 3+ + e - Fe 2+

19 Überlagerung von anodischem und kathodischem Schutz kathodischer Schutz abnehmender Wechselstrom zunehmender Schutzstrom anodischer Schutz Keine Korrosion Korrosion Keine Korrosion

20 Experimenteller Befund in Böden Der Verhältnis zwischen Gleich- und Wechselstromdichte ist relevant Zusammen mit der Messung des Einschaltpotenzials könnte dies möglicherweise ein wertvolles Kriterium darstellen

21 Konsequenzen für die Praxis Vorschläge für die pren Fall hoher kathodischer Schutz: Wechselspannung maximal < 4 V, wenn das Einschaltpotential negativer als -2.5 V CSE ist Wechselstromdichte < 30 A/m² 3>Iac/Idc (für Wechselstromdichte 30 A/m²) Fall geringer kathodischer Schutz: Wechselspannung < 15 V im Mittel, wenn das Einschaltpotential positiver als -1.4 V CSE ist Wechselstromdichte < 30 A/m² Schutzstromdichte < 1 A/m² (für Wechselstromdichte 30 A/m²) Diese Grenzwerte verringern die Gefährdung, garantieren aber keine Sicherheit!