Korrosion und Schutz vor Korrosion: Einführung

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1 Korrosion und Schutz vor Korrosion: Einführung Dr. Markus Büchler SGK Schweizerische Gesellschaft für Korrosionsschutz Technoparkstrasse 1, CH-8005 Zürich Tel Fax

2 Programm Grundlagen der Korrosion Die Messung von relevanten Grössen Schutzmassnahmen gegen Korrosion Aussenkorrosion Innenkorrosion Atmosphärische Korrosion Wechselstromkorrosion Anwendungsbeispiele Diskussion

3 Das galvanische Element Es fliesst ein Strom aufgrund der unterschiedlichen Potenziale bei metallischer und elektrolytischer Verbindung Zink wird aufgelöst: Zn Zn e - Kupfer wird abgeschieden: Cu e - Cu

4 Elektrochemische Zustände von Stahl Fe Fe e - 3Fe+4H Fe e - 2 O Fe 3 O 4 +8H + +8e - Fe Korrosion Passivität Immunität Kathodische O 2 Reduktion O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH -

5 Das Pourbaix Diagramm für Eisen Stahl in Beton Stahl im Boden Stahl mit kathodischem Schutz

6 Flächige Korrosion Stahlwasserleitung nach 135 Jahren Die Korrosionsgeschwindigkeit ist bestimmt durch den Sauerstofftransport und Deckschichtbildung Trotz flächiger Korrosion können technisch relevante Lebensdauern erreicht werden

7 Galvanische Korrosion Stahl Kupfer A p : edlere Fläche A k : unedlere Fläche Kupfer I Korr = I 0 (1+A p /A k ) Geometrie und Flächenverhältnisse sind für die effektiv auftretenden Korrosionsgeschwindigkeiten entscheidend

8 Lochkorrosion an passiven Werkstoffen In Gegenwart von Chloriden kann an passiven Werkstoffen Lochkorrosion auftreten Cl - Passivität Lochkorrosion

9 Beispiele von Lochkorrosion Behälter aus nichtrostendem Stahl nach 3 Monaten Bewehrung in Beton nach 15 Jahren

10 Schlussfolgerungen Die Korrosion von erdvergrabener Infrastruktur erfolgt primär durch deren Kontakt zu Fundamenterdern Die Bildung eines galvanischen Elements führt dabei zu Abtragsgeschwindigkeiten im Bereich von Millimetern pro Jahr

11 Programm Grundlagen der Korrosion Die Messung von relevanten Grössen Schutzmassnahmen gegen Korrosion Aussenkorrosion Innenkorrosion Atmosphärische Korrosion Wechselstromkorrosion Anwendungsbeispiele Diskussion

12 Die Potenzialmessung mit einer Bezugselektrode Indem ein Kupferstab einer gesättigten Kupfersulfatlösung ausgesetzt wird entsteht ein definiertes Bezugspotenzial Die Kupfersulfatlösung ist gesättigt, wenn Kristalle sichtbar sind Die Elektrode muss regelmässig mit einer gewarteten Elektrode verglichen werden

13 Potenzialmessung Metall Potenzial [V CSE] Zink Stahl Nichtrostender Stahl Kupfer

14 Messung des Metall/Elektrolyt Potenzials Typische Potenzialwerte von Werkstoffen in verschiedenen Elektrolyten Metall Potential [V CSE] Kupfer -0.2 Nichtrostender Stahl -0.2 Eisen im Beton -0.2 Eisen in belüftetem Boden -0.4 Eisen im nicht belüfteten Boden -0.7 Bezugselektrode Elektrolyt Zink -1

15 Strommessung Paarung Strom ma Stahl - Zink Stahl - Kupfer Stahl nichtrostender Stahl Kupfernichtrostender Stahl

16 Programm Grundlagen der Korrosion Die Messung von relevanten Grössen Schutzmassnahmen gegen Korrosion Aussenkorrosion Innenkorrosion Atmosphärische Korrosion Wechselstromkorrosion Anwendungsbeispiele Diskussion

17 Bildung von galvanischen Elementen mit Fremdkathoden (Erdungssystemen) Der Einbezug der Wasserleitung in den Potenzialausgleich bewirkt eine Makroelementbildung Die Flächenverhältnisse sind besonders ungünstig Korrosionsgeschwindigkeiten im Bereich von Millimetern pro Jahr sind die Folge

18 Makroelementkorrosion Rohrleitung in Reservoir Rohrleitung im Erdboden

19 Schlussfolgerungen Die Korrosion von erdvergrabener Infrastruktur erfolgt primär durch deren Kontakt zu Fundamenterdern Die Bildung eines galvanischen Elements führt dabei zu Abtragsgeschwindigkeiten im Bereich von Millimetern pro Jahr Der Effekt kann zusätzlich verstärkt werden, wenn Streuströme beteiligt sind Unter Ausschluss dieser Effekte sind Nutzungsdauern von Jahre von Rohrleitungen möglich

20 Schutzmassnahmen (1/6): Beschichtung der Anode Stahl NRS

21 Schutzmassnahmen (2/6): Entfernung des Elektrolyten

22 Schutzmassnahmen (3/6): Beschichtung der Kathode Stahl NRS

23 Schutzmassnahmen (4/6): Beschichtung von Kathode und Anode Stahl NRS

24 Schutzmassnahmen (5/6): Verringerung der Spannungsdifferenz Stahl NRS

25 Schutzmassnahmen (6/6): Trennung des Stromkreises Stahl NRS

26 Schutzmassnahmen gegen Elementbildung: Schlussfolgerung Die wirtschaftlichsten Schutzmassnahmen sind: Trennung der elektrischen Verbindung zwischen Kathode und Anode Begrenzung der Kathodenfläche Falls dies technisch nicht möglich ist, muss eine Kathodischer Schutz durch Opferanoden oder durch Fremdstrom eingerichtet werden Die Anforderungen an den Personenschutz sind sicherzustellen

27 Problematik der Aussenkorrosion: Erdungssituation bis 1991

28 Vorgehensweise für die Trennung (1)

29 Vorgehensweise für die Trennung (2)

30 Vorgehensweise für die Trennung (3) SVGW Merkblatt W10 015: Elektrische Trennung von Wasserleitungen und Erdungsanlagen

31 Lösung ohne Zusatzerder Die Verwendung der Wasserleitung als Erder ist nicht zulässig!

32 Elementbildung innerhalb der Rohrleitung Metall Potenzial [V CSE] Eisen im Beton -0.2 Eisen in belüftetem Boden -0.4 Eisen im nicht belüfteten Boden Kies -0.7 Lehm Auch innerhalb der Rohrleitung kann es zu Elementbildung kommen Ursache sind die unterschiedlichen Potenziale von Stahl in verschiedenen Böden Das Risiko nimmt mit zunehmender Leitungslänge zu Potenzialmessung ermöglicht die Eingrenzung der kritischen Bereiche

33 Bei elektrischer Auftrennung: Kathodischer Korrosionsschutz wird umsetzbar Elektrische Trennung der Rohrleitung zur Vermeidung von Makroelementen Passiver Korrosionsschutz mit Beschichtung Kathodischer Schutz in den Fehlstellen durch Fremdstromeinspeisung Überwachung der Isolierstücke durch den KKS Anodische Sauerstoffentwicklung 2H 2 O O 2 + 4H + + 4e - O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH - Kathodische Sauerstoffreduktion

34 Korrosion durch KKS oder Fremdstromanlagen

35 Schlussfolgerung Makroelementbildung kann verhindert werden durch Trennen von Anode und Kathode Beschichtung der Kathode Einführung einer Opferanode Bei elektrischer Trennung sowie Beschichtung der Anode kann ein KKS implementiert werden Der KKS bietet folgende Vorteile: Die Korrosionsgeschwindigkeit verringer sich auf unter 0.01 mm/jahr Die Funktion der elektrischen Trennung wird überwacht Korrosionsgefährdete Bereiche lassen sich bei späteren Kontrollmessungen lokalisieren

36 Programm Grundlagen der Korrosion Die Messung von relevanten Grössen Schutzmassnahmen gegen Korrosion Aussenkorrosion Innenkorrosion Atmosphärische Korrosion Wechselstromkorrosion Anwendungsbeispiele Diskussion

37 Korrosion durch Kontakt zum Fundamenterder im Kraftwerk Abtragsgeschwindigkeiten von mehreren Millimetern pro Jahr Die Trennung der Turbine vom Fundamenterder ist nicht zulässig Durch den Einbau eines Isolierstücks wird die Problematik gelöst Verzinkte Erder sind im gleichen Umfang von Korrosion betroffen

38 Erdungssystem im Boden Im Boden kann es zu Anreicherung von aggressiven Substanzen kommen Aufgrund der galvanischen Korrosion kommen für erdverlegte Erder nur Kupfer und nichtrostender Stahl V4A in Frage Diese beiden Werkstoffe haben identisches Korrosionspotenzial Galvanische Korrosion mit dem Fundamenterder ist nicht möglich Verzinkter Stahl sollte vermieden werden

39 Programm Grundlagen der Korrosion Die Messung von relevanten Grössen Schutzmassnahmen gegen Korrosion Aussenkorrosion Innenkorrosion Atmosphärische Korrosion Wechselstromkorrosion Anwendungsbeispiele Diskussion

40 Isolierstücke beim Übergang zu nicht kathodisch geschützten Leitungen Die Problematik steigt mit zunehmender Spannungsdifferenz

41 Anforderungen an elektrische Trennstellen Isolierendes Zwischenstück Isolierende Innenbeschichtung l d Länge der Isolierstrecke ist abhängig von der Spannungsdifferenz, Leitfähigkeit des Mediums und Rohrinnendurchmesser

42 Einbindung von nichtrostendem Stahl Korrosion auf der Rohrinnenseite durch Elementbildung Durch isolierende Flanschverbindung kann die Korrosionsproblematik gelöst werden Stahl NRS Stahl Schutzmassnahme: Isolierflansche

43 Überbrückung durch elektrifizierte Einheiten Galvanisch getrennte Anlageteile können durch den Potenzialausgleich überbrückt werden Durch den Einbau von Abgrenzeinheiten kann sowohl Korrosions- als auch Personenschutz gewährleistet werden Stahl Schutzmassnahme: Abgrenzeinheiten NRS Stahl

44 Mischkonstruktionen aus nichtrostendem Stahl Bei Mischkonstruktionen ist eine galvanische Trennung nicht möglich Stahl NRS Stahl

45 Programm Grundlagen der Korrosion Die Messung von relevanten Grössen Schutzmassnahmen gegen Korrosion Aussenkorrosion Innenkorrosion Atmosphärische Korrosion Wechselstromkorrosion Anwendungsbeispiele Diskussion

46 Korrosionsschutz Trennung von Werkstoff und Angriffsmittel Beschichtung Veränderung des Werkstoffs Nichtrostender Stahl anstelle von C-Stahl Veränderung des Angriffsmediums Einbetonieren Veränderung der Angriffsbedingungen Unterbrechen von galvanischen Elementen Das Unterbrechen von galvanischen Elementen und die isolierende Beschichtung sind beim Blitzschutz nicht möglich

47 Werkstoffe im Blitzschutz Kupfer Nichtrostender Stahl Zinn Stahl Aluminium Zink

48 Das Pourbaix Diagramm von Stahl Die Korrosionsbeständigkeit ist keine Werkstoffeigenschaft. Sie lässt sich nur über das gesamte System definieren Stahl in Beton mit einer Einbettungstiefe von 4 cm ist dauerhaft vor Korrosion geschützt

49 Passivität 1 nm Beton ist stark basisch (ph 13) Auf der Stahloberfläche bildet sich eine Schutzschicht - Passivfilm Passivfilm hat eine Dicke von wenigen nm Fe Fe 3+ O 2- H 2 O

50 Nichtrostender Stahl Nichtrostender Stahl ist passiv Aufgrund des Passivfilms ist nichtrostender Stahl gegen Korrosion geschützt In Anwesenheit von Chloriden (Kochsalz) tritt Lochkorrosion auf Die Beständigkeit von nichtrostendem Stahl kann durch Zulegieren von ca. 2% Molybdän erhöht werden kein Molybdän: , V2A 2 % Molybdän: , , V4A

51 Aluminium Aluminium ist in neutralen Medien passiv Selbst bei geringsten Mengen an Chloriden wird Lochkorrosion ausgelöst Galvanische Elemente verstärken den Effekt Im dauernassen Zustand ist Aluminium schlecht beständig Die Korrosionsprodukte sind elektrisch isolierend

52 Kupfer Kupfer ist ein Edelmetall Kupferionen können sich bei atmosphärischer Korrosion auf anodischen Oberflächen als Kupfer abscheiden Cu e - Cu Dies führt zu einer Beschichtung von unedler Oberflächen mit Kupfer Als Folge entsteht starke galvanische Korrosion

53 Zink Zink bildet eine schützende Deckschicht, welche die Korrosionsgeschwindigkeit auf wenige Mikrometer pro Jahr begrenzt Feuerverzinkte Bauteile mit 50 µm Dicke sind an Luft für 30 Jahre geschützt Galvanisch verzinkte Bauteile haben eine Zinkschichtdicke von wenigen Mikrometern und Korrodieren nach kurzer Zeit Hochfester Stahl mit galvanischer Verzinkung zeigt oft Spannungsrisskorrosion Zink zeigt schlechte Beständigkeit im Beton

54 Zinn Zinn zeigt passives Verhalten Durch die Beschichtung von Kupfer mit Zinn kann die Bildung von Kupferionen verhindert werden Nach Verzinnen kann Kupfer mit Aluminium und verzinktem Stahl verbunden werden Zinn zeigt schlechte Beständigkeit im Beton

55 Elektrochemische Potenziale Metall Potenzial Zustand [V CSE] Kupfer in Wasser Immunität Nichtrostender Stahl in Wasser Passivität Verzinntes Kupfer in Wasser Passivität Eisen in Beton Passivität Eisen in belüftetem Wasser Korrosion Eisen im stagnierendem Wasser Korrosion Aluminium Passivität Verzinkter Stahl in Wasser (Passivität)

56 Erdungssystem im Beton Stahl in Beton ist Passiv Das Potenzial von Kupfer, Stahl und nichtrostendem Stahl ist identisch Die Betonüberdeckung muss 4 cm betragen Bei Anschlüssen ist nichtrostender Stahl V4A oder Kupfer zu verwenden

57 Erdungssystem an Luft Aggressive Substanzen werden regelmässig durch Regen abgewaschen Die galvanische Korrosion ist begrenzt Werkstoffe mit hoher Empfindlichkeit gegen Lochfrass (Aluminium, V2A) und flächiger Korrosion können eingesetzt werden Die Korrosion kann durch Kupferionen stark erhöht werden. Kupfer darf bei Verbindung zu Aluminium und Zink nur mit Verzinnung eingesetzt werden

58 Zusammenfassung Korrosionsschäden treten oft nach sehr kurzer Zeit auf. Bei Neubauten oder Umbauten werden oft die Aspekte des Korrosionsschutzes nur ungenügend beachtet. Eine Mehrzahl der Schadensfälle kann verhindert werden, wenn die entsprechenden Richtlinien und Normen beachtet werden. Durch Beiziehen einer Fachperson in der Planungsphase können Kosten gespart werden.

59 Programm Grundlagen der Korrosion Die Messung von relevanten Grössen Schutzmassnahmen gegen Korrosion Aussenkorrosion Innenkorrosion Atmosphärische Korrosion Wechselstromkorrosion Anwendungsbeispiele Diskussion

60 Wechselstrombeeinflussung Parallelführung führt zur Induktion von Wechselspannungen In Fehlstellen kommt es trotz KKS zu Korrosion

61 Der Mechanismus Wechselstromkorrosion erfolgt durch wiederholte Bildung und Auflösung des Passivfilms Bei einer Dicke des Passivfilms von einer Atomlage sind Korrosionsgeschwindigkeiten von 70 mm/jahr zu erreichen Korrosion kann gestoppt werden, wenn die Bildung oder die Auflösung des Passivfilms verhindert wird

62 Schlussfolgerung Schäden aufgrund von Wechselstromkorrosion sind primär an kathodisch geschützten Rohrleitungen beobachtet worden Wechselströme in Rohrleitungsanlagen (ohne KKS) hatten bisher keine negativen Auswirkungen auf die Dauerhaftigkeit Damit es zu einer Korrosionsschädigung kommen kann muss ein Übertritt aus dem Metall in den Elektrolyten erfolgen Wechselstromkorrosion ist ein untergeordnetes Problem

63 Programm Grundlagen der Korrosion Die Messung von relevanten Grössen Schutzmassnahmen gegen Korrosion Aussenkorrosion Innenkorrosion Atmosphärische Korrosion Wechselstromkorrosion Anwendungsbeispiele Diskussion

64 Hinweise für mögliche Verbindungen Die Bewertung kann von weiteren Einflüssen abhängen

65 Verbindung verschiedener Werkstoffe Aluminium und verzinkter Stahl Kann diese Werkstoffkombination eingesetzt werden? Im Boden Im Beton In der Luft Was sind die Ursachen für die Eignung, respektive Beschränkung Welches Element wird stärker korrodieren

66 Verbindung verschiedener Werkstoffe Nichtrostender Stahl V2A mit nichtrostendem Stahl V4A Kann diese Werkstoffkombination eingesetzt werden? Im Boden Im Beton In der Luft Was sind die Ursachen für die Eignung, respektive Beschränkung Welches Element wird stärker korrodieren

67 Verbindung verschiedener Werkstoffe Aluminium und Kupfer Kann diese Werkstoffkombination eingesetzt werden? Im Boden Im Beton In der Luft Was sind die Ursachen für die Eignung, respektive Beschränkung Welches Element wird stärker korrodieren

68 Verbindung verschiedener Werkstoffe Kupfer mit verzinktem Stahl Kann diese Werkstoffkombination eingesetzt werden? Im Boden Im Beton In der Luft Was sind die Ursachen für die Eignung, respektive Beschränkung Welches Element wird stärker korrodieren

69 Verbindung verschiedener Werkstoffe Verzinntes Kupfer mit verzinktem Stahl Kann diese Werkstoffkombination eingesetzt werden? Im Boden Im Beton In der Luft Was sind die Ursachen für die Eignung, respektive Beschränkung Welches Element wird stärker korrodieren

70 Verbindung verschiedener Werkstoffe Nichtrostender Stahl V2A mit Aluminium Kann diese Werkstoffkombination eingesetzt werden? Im Boden Im Beton In der Luft Was sind die Ursachen für die Eignung, respektive Beschränkung Welches Element wird stärker korrodieren

71 Verbindung verschiedener Werkstoffe Nichtrostender Stahl V2A mit blankem Stahl Kann diese Werkstoffkombination eingesetzt werden? Im Boden Im Beton In der Luft Was sind die Ursachen für die Eignung, respektive Beschränkung Welches Element wird stärker korrodieren

72 Korrosionsprobleme Was ist die Ursache für die Korrosion? Wie wäre sie zu vermeiden gewesen?

73 Anwendungsbeispiele Ist diese Installation aus Sicht der Korrosion optimal? Wie könnte eine idealer Anschluss aussehen?

74 Anwendungsbeispiele Ist diese Installation aus Sicht der Korrosion optimal? Wie könnte eine idealer Anschluss aussehen?

75 Grundablass in Staudamm Erhebliche Korrosionsschäden an Segmentschützen nach 2 Jahren Betriebsdauer:

76 Grundablass in Staudamm Korrosionsmechanismus: Kontakt der beschichteten Stahloberfläche mit nichtrostendem Stahl Kontakt der beschichteten Stahloberfläche mit der passiven Bewehrung

77 Grundablass in Staudamm Massnahmen Kathodischer Korrosionsschutz: Einbau von Anodenblechen aus Titan im Unterwasserund Oberwasserbereich Einbau von Messproben zur Überwachung der Anlage

78 Auswirkung von Strom in Wasserreservoirs: Betonkorrosion Untersuchungen im Zusammenhang mit der Endlagerung von radioaktiven Abfällen zeigen, dass Strom einen Einfluss auf die Betonstruktur haben kann Durch Stromeinwirkung wird der Austrag von Calcium gefördert

79 Sauerstoffreduktion Auswirkung von Strom in Wasserreservoirs: Betonkorrosion Galvanische Korrosion Prinzip O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH - Ca 2+ Metallauflösung Fe Fe e - Einbetonierte Bewehrung im elektrischen Kontakt mit nichtrostendem Stahl Die Galvanische Trennung vermindert die Korrosionsrisiken

80 Streustromkorrosion in Wasserspeicher Leckage nach wenigen Monaten Betrieb Nichtrostender Stahl Untersuchung: Keine Streuströme Keine galvanischen Elemente Ursache: Schlechte Verarbeitung

81 Programm Grundlagen der Korrosion Die Messung von relevanten Grössen Schutzmassnahmen gegen Korrosion Aussenkorrosion Innenkorrosion Atmosphärische Korrosion Wechselstromkorrosion Anwendungsbeispiele Diskussion

82 Weiterführende Literatur C2 der SGK: Richtlinien zum Korrosionsschutz von erdverlegten metallischen Anlagen SVGW Merkblatt W10 015: Elektrische Trennung von Wasserleitungen und Erdungsanlagen SVGW Merkblatt W10 018: Korrosion durch galvanische Elemente bei der Verbindung verschiedener Werkstoffe von Trinkwasserleitungen in Haustechnikanlagen Leitsätze des SEV Fundamenterder 4113:2008 Weisungen für elektrische Installationen in Abwasserreinigungsanlagen(WeARA) Version 0712