Wie (un-)berechenbar ist Korrosionsschutz?

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1 Formel (Polynomfunktion): Günter Binder Abrostung = b o + b 1 x 1 + b 2 x 2 + b 3 x 3 + b 4 x b m x m Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) Wie (un-)berechenbar ist Korrosionsschutz? HTG workshop 2016 Fachausschuss für Korrosionsfragen der HTG Hamburg, 10. November 2016 Korrosionsstrom/Massenabtrag m = M I t /(z F) Massenabtrag m hängt u. a. von Stromstärke I ab Bildquelle: BAW

2 Inhalt 1. Elektrochemische Kalkulationen 2. Korrosionseinschätzungen MIC Spundwandabrostung (u.a. Labor/Natur-Vergleich) Berechnungen zur Schutzdauer von Beschichtungen Kalkulationen zum mechanischen Widerstand von Beschichtungen 3. Hinweise zum Korrosionseinfluss der Ermüdungsfestigkeit Seite 2

3 Korrosion elektrochemische Betrachtungen Korrosionsszustand von Baustahl im Pourbaix-Diagramm Schutz des Stahls durch Herausführen aus dem Korrosionsfeld (z.b. - 0,4 Volt und ph~7) Mittels Alkalisierung oder Elektronenzufuhr mittels KKS: Fe e Fe Achtung: Thermodynamische Betrachtung! In der Praxis überwiegen elektrokinetische Vorgänge! s. Handbuch KKS-B der HTG (FA KOR) Seite 3

4 Korrosion elektrochemische Berechnungen KKS-Berechnung auf Basis von MKKS 1. Objekt: Kanalbrücke Ilmenau Süd (53,5 m 42 m 4 m = m²) el. Widerstand (Wasser ESK): Ω cm ( el. L. von 600 µs/cm) 20% Beschichtungsschäden im Troginnern 2. Zu schützende Fläche und erforderlicher Schutzstrombedarf: Fläche x Schutzstromdichte = Schutzstrom [m²] [ma/m²] gesamt [ma] nichtrostender Stahl unbeschichtet nichtrostender Stahl beschichtet unlegierter Stahl unbeschichtet unlegierter Stahl beschichtet Stahl in Beton (bei Kontakt zum Objekt) (Werte s. Anlage 4, MKKS) Gesamtschutzstrombedarf: = ma s. Merkblatt KKS der BAW Seite 4

5 Korrosion elektrochemische Berechnungen KKS-Berechnung einer Kanalbrücke Gesamtschutzstrombedarf (s. oben): ma Angaben zum Anodenmaterial: Magnesium, Dichte 1,8 g/cm³; Läge = 100 cm, d = 9 cm praktischer Strominhalt = Ah/kg Berechnung der Anodenmasse nach v. Baeckmann: =, /!!/" = 230 kg/a Erforderliche Anodenmasse und -anzahl in [kg] pro Jahr (a): Stromabgabe einer Anode: = 79 ma Anodenanzahl = Schutzstrombedarf / Stromabgabe der Einzelanode = 28,89 A / 0,079 A = = 366 Mg-Anoden (d.h. alle 29 cm eine Anode!). s. Merkblatt KKS der BAW Seite 5

6 Korrosion elektrochemische Berechnungen Berechnung der Anodenanzahl Rednitztalbrücke Magnetit-Anode Fallbeispiele: 1: 0% Schaden, 6 MOX-Anoden Anodenabstand [cm] MOX-Anoden Mg-Anoden 5 2: 2% Schaden, 12 MOX-Anoden 3: 5% Schaden, 20 MOX-Anoden 4: 0% Schaden, 140 m2 CrNi-Stahl 22 MOX-Anoden 5: 10% Schaden, 32 MOX-Anoden Schutzstrombedarf [A] Binder & Enders, BAW Seite 6

7 Korrosion - Schutzstromberechnung im Labor Grenzwert für Gesamtprüfplatte Ist 50 µa Berechnung der Schutzstromdichte einer Beschichtung: Gesamtstromverbrauch = I (Besch) + I (Fehlstellen) Quelle: BAW 2015 Während der Prüfung ändert sich der Schutzstrombedarf: Initialphase: Vermehrt Strom zur Polarisation; gleichmäßiger Verlauf bei dichtenden Beschichtungen; Schlussphase: erhöhter Strombedarf bei Beschichtungsschäden Seite 7

8 Cathodic corrosion protection test demand of current Calculation of protection current in laboratory threshold value Threshold Value Current density (steel in seawater) Area (panel, holiday) calculation results 50 µa: need of current/panel m² (panel) 0,05 ma / 0,0225 m² 2.22 ma/m² 100 ma/m² 111 mm² ~ m² 100 ma/m² m² 11 µa* 50-11* = 39 µa coated panel m² (panel) 0.039mA / 0,0225m² 1.73 ma/m² dimension of panel: mm; area of holiday : 111 m² Result: There rest an allowed current density for protected area of 1,73 ma/m² when the total need of current/panel is 50 µa ( threshold value) add. remark: if corr. current ~ 20 µa 0,5 ma/m² for coated areas!! Binder, Eurocorr 2016 New guidelines for corrosion protection for offshore wind Günter Binder Page 8

9 Beschleunigte Spundwandkorrosion Kollaps einer Spundwand wegen Durchrostung eines Ankers Verdacht auf MIC auf Grund des Erscheinungsbildes: Durchrostung knapp unter dem Grundwasserspiegel Seite 9

10 Beschleunigte Spundwandkorrosion Ursache: Mikrobiell Induzierte Korrosion (MIC) meist Sulfatreduzierende Bakterien (SRB) Ort: anaerobe Umgebung mit S und Eisen-Angebot sowie verwertbare Kohlenwasserstoffe Binder & Graff, Mat. & Corr Seite 10 oben: REM-Aufnahme von SRB (Bildbreite ~ 100 µm) links: Lebensbereich von SRB im Pourbaix-Diagramm

11 Beschleunigte Spundwandkorrosion - Verteilungsdiagramm EH [mv] Variation der Konzentrationen an elementarem S und der gemessenen Potenziale: Erhöhung der MIC-Gefahr mit Zunahme des S-Gehalts und der Potenzialerniedrigung erhöht sich die SRB-Dichte (blaue Punkte)!! Quelle: BAW ~ Seite 11 S 0 [µg/cm 2 ]

12 Spundwandkorrosion Vorhersage auf Grund des Alters und des Immersionsmediums Abrostungsrate U mittel [µm/a] y = 109,2e -0,0624x R 2 = 0,5913 R = 0,769 y = 34,526e -0,0066x R 2 = 0,0509 R = 0, Standzeit [a] 0-20 Jahre 21 Jahre Abrostung an Spundwänden im Meerwasser: nichtlinear bei 20 Jahren Standzeit Quelle: FuE BAW Seite 12

13 Spundwandkorrosion Abhängigkeit der Korrosionsrate r von der Aggressivität des Mediums Wo Ausgleichskurve des Zusammenhangs Abrostungsrate r und Wasseraggressivität (DIN 50929, Beiblatt) Vorr.: Abrostungsraten im linearen Bereich, d.h. Bauwerksalter > 10 Jahre! Quelle: BAW FuE Grün: Mittelwert Rot: 95% Wahrscheinlichkeit Seite 13

14 Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von Spundwänden Spundwandlänge [m] Spundwanddicke [mm] Korrosionsfortschritt; Abrostung nach 10 und 50 Jahren im Vergleich zum erforderlichen Biegemomentverlauf Zone Wechsel-Zone Zone Spritzwasser- Wasser- Niedrigwasser- Immersions- Zone - Ermittlung der Wasserchemismus - Übernahme des Wo x O2 Wertes in das Variationsdiagramm (s. oben) - Biegemomentfestlegung nach Ankerlage und Einspanntiefe - Unterschreitung der Kurve im Altersvergleich feststellen - probalistische Vorgehensweise! Quelle: BAW FuE bzw. DIN 50929, 3 Beiblatt Seite 14

15 Spundwandkorrosion - Labormessungen Schematischer Aufbau der Korrosionsmesszelle /KMZ (Gasleitung a; Probehalterung b; Stromschlüssel zur Bezugselektrode c; Referenzelektrode d; Gegenelektrode e; weitere Messelektroden f Messung des Korrosionsstroms bei Potenzialverschiebung zur Ermittlung der Korrosionsraten von Metallen über Stromdichte wird mit Hilfe von Faraday r ermittelt Quelle: BAW Seite 15

16 Spundwandkorrosion versus Labormessungen Bestimmung der Korrosionsrate r [µm/a] an Stählen Abrostungsrate Labor (KMZ) im Vergleich zur Natur (hier: UW-Zone) r KMZ sehr viel höher als in der Natur r KMZ konstant ca. 8fach erhöht gegenüber Natur! (bedingt) signifikante Korrelation Schnittpunkt bei 0! Natur/Labor: (kontrolliert) vergleichbar! Vor.: Nachstellen des Im-Mediums im Labor Quelle: BAW Seite 16

17 Ermüdung von Stahlbauwerken - Korrosionseinfluss Einfluss der Korrosionsnarbe/Korrosionstiefe bei Dauerschwingversuchen Abbildung der Testplatte und Abbildung der Verschiebung der Wöhlerlinie Festlegung der Korrosionseinwirkung (Rauheit, Abrostung) Bestimmung der Abhängigkeit der Wöhler-Linie und Feststellung der der Einschränkung der Ermüdungsfestigkeit über die Minimierung der Lastspielzahlen Ermüdungsfestigkeiten gelten für Konstruktionen unter normalen atmosphärischen Bedingungen und ausreichendem Korrosionsschutz. DIN EN Sander Seite 17

18 Ermüdung von Stahlbauwerken - Korrosionseinfluss Erste Ergebnisse bei Dauerschwingversuchen (ohne Schweißnaht) Korrodierte Prüfkörper vor Dauerbelastung (li) Zwischenergebnisse: Verschiebung der Wöhlerlinie (etwa Halbierung der Lastspielzahl) Hesse, BAW, Seite 18

19 Standzeit der Beschichtung Auswertung Korrosionsschutzdatenbank (KorDaBa/BAW) Schleusenverschlüsse (ohne KKS; 1954 bis 2010) Rostgrad Ri r = 0,4577 n = 591 stat. Sich. >99% r = 0,4527 n = 591 stat. Sich. >99% Alter / a Zunahme des Rostgrads: Linear oder exponentiell? Quelle: BAW Seite 19

20 Schadensmechanismus Blasenbildungsmechanismus e - e - Anodische Blasenbildung an Fehlstelle; durch kathodische Umsetzung wird Korrosion am laufen gehalten Seite 20

21 Standzeit der Beschichtung Kostenberechnung Reparatur, Teilinstandsetzung sowie Vollerneuerung (Landwehr, DB ca. 1990) Kostenvorteile bei Reparatur und Teílerneuerung gegenüber Vollerneuerung Seite 21

22 Typische Entschichtungsschäden an Stahlbrücken Vorhersagen des Risikos Test des Haftverbandes nach Zwischenbewitterung (siehe Probleme bei Anwendung von Blatt 87 / ZTV-ING 4/3) These: Entschichtung der DB (blau) nach Zwischenbewitterung kann vermieden werden, wenn die ZB aus Epoxid (grau) durch PUR ersetzt wird! Antithese: Geeignete ZB herausprüfen Vorgehen: Test des Rissbildes nach der Bewitterung verschiedener Zwischenbeschichtungen Quelle: BAW Seite 22

23 Entschichtungssschäden - Schadensvorhersage /-begrenzung Untersuchung des Witterungseinflusses auf die Haftung Adhäsionsbrüche (C/D) li. bzw. in rot Kohäsionsbrüche (C) re. bzw. in grün Test der Haftfestigkeiten nach natürlicher Bewitterung und KW-Test im Labor Ergebnisse (Labor/Natur): EP-Zwischenbeschichtungen zeigen überwiegend (negative) Adhäsionsbrüche! - PUR-Zwischenbeschichtungen hingegen (günstigere) Kohäsionsbrüche + höhere Abreißwerte - Vorder- und Rückseite reagieren nahezu identisch! Schlussfolgerung: Zur Risikominimierung wird EP- Schicht bei vorhersehbarer Zwischenbewitterung durch (widerstandsfähigeres) PUR ersetzt!, Seite 23 BAW-FuE (2014), Mittbl. 100 (in Druck)

24 und übrigens: die wahre Schichtdicke einer Grundbeschichtung Magnetinduktive Schichtdickenmessung nach ZTV-W 218 / ISO Rautiefe wird berücksichtigt (ZTV) Angaben der NDFT auf den Spitzen GB = 50 µm (ISO 19840) daraus ergibt sich eine Messwerttoleranz von µm (ZTV-W) Was liefert der Stoffhersteller bzw. der Applikateur? Ziemlich genau das was man misst! Seite 24

25 Mechanische Belastung Abrieb (Aw) Abriebverhalten Labor / Natur Bauwerksmessungen an Wehranlage an der Mosel Messungen der Schichtdicken (EP + PUR) an Segmentverschluss (Abfallwand) Schichtdickenminimierung im Labor (Abriebgut: Kies-Wasser-Gemisch) Beschichtete Prüfplatten werden mit einem Kies-Wasser-Gemisch in einer sich drehenden achteckigen Trommel auf Abrieb getestet. Mit der Schichtdickenminderung ergibt sich der Abriebwert (Aw). Im Bild sind die Prüfplatten gewendet und nach der Prüfung dargestellt. Quelle: RPB der BAW Seite 25

26 Mechanische Belastung Abrieb (Aw) Abfallwände an einer Wehranlage Aw ~ µm Moselwehr mit typischen Abriebschäden Aw ~ 1 800µm Vergleich zweier unterschiedlicher Beschichtungen: Aw (~ Laborwert) und tatsächlicher Abrieb vor Ort (in µm) Quelle: BAW Seite 26

27 Mechanische Belastung Abrieb (Aw) Schichtdickenverlauf am Wehr in vierzehn Jahren Trockenfilmdicke [µm] Zeit Seite 27

28 Mechanische Belastung Abrieb (Aw) Abriebverhalten Labor / Natur Vergleich der Aw durch Normierung auf ein Jahr Belastung Material Aw (Labor) Aw (Natur) Faktor PUR (gelb) EP (schwarz) < 876 µm/a < 73 µm/a 12 ~ µm/a Faktor ~ 24 ~ 1,8 ~ 132 µm/a 159 Resultate der Vergleichsmessung: Labor spreizt und erhöht Abriebeigenschaften Bauwerk: EP zeigt deutliche Abnutzung an den Kanten Absoluter Vergleich schwierig Reihung passt jedoch Bauwerk: PUR löst sich stellenweise ab Seite 28

29 Mechanische Eigenschaft Impact-Testverfahren - Panel short time after impact (left) - Panel after impact and salt spray test (below) - Summary of test results (left, below) Impact-underlying rusting (mm²) without zinc; av. val. = 103 with zinc; av. val. = R L 38R L L 39R test number Quelle: BAW Page 29

30 Variationsdiagram Korrosion nach Impact und an künstlicher Verletzung ( Ritz ) 25 water changing zone, rusting at the scribe [mm] without zinc with zinc threshold value LTT threshold value Impact Impact underlying rusting [mm 2 ] Auswahl der geeignetsten Schutzsysteme mit Hilfe des Variationsdiagramms: Zuhilfenahme mehrerer Testergebnisse! entscheidender Einfluss der Grundbeschichtung (Zn-Staub-Grundierung)! Vernachlässigbarer Einfluss des Polymertyps (EP / PUR z.b.)! Vergleiche hierzu: DIN EN ISO 12944, Teil 9 (Gelbdruck)!! Quelle: RPB der BAW Page 30

31 Zusammenfassungen Tabellarische Zusammenstellung der Einschätzungen/Kalkulationen Untersuchung berechenbar abschätzbar Hinweis Schutzstrombedarf etc FE-Modell KKS-Tauglichkeit der Beschichtung +++ Korrosion durch MIC (+) + Abrostung in nat. Umgebung / r +++ Abrostung in der Natur/KMZ r Ermüdungsfestigkeit bei Korrosion Schutzdauer von Beschichtungen (+++) ++ KorDaBa! Spezialfälle von Beschichtungen/Bl Risikominimierung Abrieb- und Schlagfestigkeit +++ neue Prüfung! Seite 31

32 20 20 Juni Juni Juni 15 Temperatur in C 10 Mai Apr. Sept. Okt. 5 März Nov. 0 Febr. Jan rel. Luftfeuchte in % Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bundesanstalt für Wasserbau Karlsruhe

33 Veranstaltungen. es geht auch im neuen Jahr weiter.. Korrosionsschutz in der Maritimen Technik am 25./26. Januar 2017 in Hamburg/Elbkuppelsaal BAW-Kolloquium Stahlbau-Korrosionsschutz am 8./9. Februar 2017 in Karlsruhe/BAW Seite 33