Beschichtungen und Kathodischer Korrosionsschutz: Grundlagen und Voraussetzungen. Lisa Herter, M.Sc.

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1 Beschichtungen und Kathodischer Korrosionsschutz: Grundlagen und Voraussetzungen Lisa Herter, M.Sc. Steffel KKS GmbH Im Bulloh Lachendorf Tel.: lisa.herter@steffel.com Sika Symposium Hannover Folie 1

2 Vortragsinhalt 1. Grundlagen des KKS 2. Wechselwirkungen: Beschichtungssysteme und KKS 3. Prüfverfahren für Beschichtungssysteme 4. Zusammenfassung und Fazit Sika Symposium Hannover Folie 2

3 Vortragsinhalt 1. Grundlagen des KKS 2. Wechselwirkungen: Beschichtungssysteme und KKS 3. Prüfverfahren für Beschichtungssysteme 4. Zusammenfassung und Fazit Sika Symposium Hannover Folie 3

4 Korrosion Begriffsdefinition gemäß DIN EN ISO 8044: physikochemische Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung, die zu einer Veränderung der Eigenschaften des Metalls führt und die zu erheblichen Beeinträchtigungen der Funktion des Metalles, der Umgebung oder des technischen Systems, von dem diese einen Teil bilden, führen kann Anmerkung: Diese Wechselwirkung ist oft elektrochemischer Natur. Sika Symposium Hannover Folie 4

5 Korrosionsursache Metallgewinnung unter Energiezuführung FeO Fe O 2 Energiearmer Zustand stabil Korrosion Energiereicher Zustand instabil Sika Symposium Hannover Folie 5

6 Phasengrenzreaktion Anodische Teilreaktion: Me = Me z+ + ze (Oxidation) Kathodische Teilreaktion: Ox n+ + ze = Red n z + (Reduktion) Sika Symposium Hannover Folie 6

7 Stromdichte-Potential-Kurve Quelle: W.v.Baeckmann/W.Schwenk: Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes, 4. Auflage, 1999 Sika Symposium Hannover Folie 7

8 Pourbaix-Diagramm von Eisen in wässriger Lösung Quelle: Nürnberger, U.: Korrosion und Korrosionsschutz im Bauwesen, Band 1, 1995 Sika Symposium Hannover Folie 8

9 Funktionsprinzip des KKS Beim kathodischen Korrosionsschutz (KKS) wird durch Einspeisen eines Stromes das Metall soweit kathodisch polarisiert, bis das Schutzpotential erreicht ist und die Korrosionsgeschwindigkeit bzw. der Metallabtrag auf den vernachlässigbaren und maximal zulässigen Wert von 10µm/Jahr herabgesenkt wird. Sika Symposium Hannover Folie 9

10 Schutzpotentiale gemäß DIN EN Werkstoff Kohlenstoff-Mangan- und niedriglegierte Stähle mit einer SMYS gleich oder kleiner als 550 N/mm² Bereich des Schutzpotentials (Ag/AgCl/Meerwasser) Mindestwert des negativen Potentials Höchstwert des negativen Potentials - Aerobe Umgebung - Anaerobe Umgebung -800 mv -900 mv mv mv Sika Symposium Hannover Folie 10

11 KKS-Systeme Fremdstrom Galvanische Anoden Sika Symposium Hannover Folie 11

12 Vortragsinhalt 1. Grundlagen des KKS 2. Wechselwirkungen: Beschichtungssysteme und KKS 3. Prüfverfahren für Beschichtungssysteme 4. Zusammenfassung und Fazit Sika Symposium Hannover Folie 12

13 Allgemeine Zusammenhänge Schutzstrom fließt zu den Fehlstellen und Poren in der Beschichtung und verhindert dort Korrosion Verringerung des Schutzstrombedarfs und Erhöhung der Schutzreichweite KKS kann Blasenbildung und/oder Enthaftung bei Beschichtungssystemen bewirken Sika Symposium Hannover Folie 13

14 beschichtet unbeschichtet Beispiel: Schutzstrombedarf eines Monopile-Fundaments Zone Erweiterte Wasserwechselzone (beschichtet) Unterwasserzone Zone Erweiterte Wasserwechselzone (beschichtet) Unterwasserzone Schutzstrombedarf [A] Initial Mean Final 0,41 2,58 5,45 74,88 44,93 49,92 (unbeschichtet) Bodenzone (unbeschichtet) 18,94 15,16 15,16 Summe 127,22 84,59 95,21 Schutzstrombedarf [A] Initial Mean Final 0,41 2,58 5,45 0,75 8,87 19,22 (beschichtet) Bodenzone (beschichtet) 0,01 0,17 0,32 Bodenzone (unbeschichtet) 17,89 14,31 14,31 Summe 25,74 35,01 53,07 Sika Symposium Hannover Folie 14

15 Ermittlung des Schutzstrombedarfs Unbeschichtetes Objekt: I = S d I S d Schutzstrombedarf [ma] Gesamtfläche des betreffenden Teils oder der betreffenden Zone [m²] Schutzstromdichte [ma/m²] Sika Symposium Hannover Folie 15

16 Schutzstromdichten gemäß DIN EN z.b. südliche Nordsee (unterhalb 55 N) Zone Schutzstromdichte [ma/m²] Initial Mean Final Erweiterte Wasserwechselzone Unterwasserzone Bodenzone Sika Symposium Hannover Folie 16

17 Ermittlung des Schutzstrombedarfs Beschichtetes Objekt: I = S d f c I S d Schutzstrombedarf [ma] Gesamtfläche des betreffenden Teils oder der betreffenden Zone [m²] Schutzstromdichte [ma/m²] f c Beschichtungsreduktionsfaktor [-] Sika Symposium Hannover Folie 17

18 Ermittlung des Beschichtungsreduktionsfaktors f c = a + b t f c a b t Beschichtungsreduktionsfaktor Faktor für anfängliche Fehlstellenrate Faktor für jährliche Zunahmerate von Fehlstellen Alter der Beschichtung Sika Symposium Hannover Folie 18

19 Fehlstellenraten gemäß DIN EN Fehlstellenraten für übliche Beschichtungssysteme: Anfänglich: 2 bis 5 % für die erweiterte Wasserwechselzone und 1 bis 2 % für die Eintauchzone Jährliche Abnahmerate: 1 bis 1,5 % pro Jahr ANMERKUNG: Übliche Beschichtungssysteme schließen mindestens zwei Schichten eines bei Raumtemperatur gehärteten Beschichtungsstoffes (Steinkohlenteer-Epoxidharz, Epoxidharz usw.) mit Trockenschichtdicken von 300 μm bis 500 μm ein. Sika Symposium Hannover Folie 19

20 Beispiel: Potentialverteilung am Monopile-Fundament Studie 1: 3 Anoden (ø = 0,4m) im Wasser nahe der Wasseroberfläche mit geringem Abstand (1,5m) zum Monopile (Unterwasserbereich unbeschichtet) Sika Symposium Hannover Folie 20

21 Beispiel: Potentialverteilung am Monopile-Fundament Studie 2: 3 Anoden (ø = 0,4m) im Wasser nahe der Wasseroberfläche mit geringem Abstand (1,5m) zum Monopile (Unterwasserbereich beschichtet) Sika Symposium Hannover Folie 21

22 Ergebnis Studie 1 Initial Mean Final IR-free potential vs Ag/AgCl [V] Sika Symposium Hannover Folie 22

23 Ergebnis Studie 2 Initial Mean Final IR-free potential vs Ag/AgCl [V] Sika Symposium Hannover Folie 23

24 Reaktionen an beschichteten Metallen Quelle: W.v.Baeckmann/W.Schwenk: Handbuch des kathodischen Korrosions-schutzes, 4. Auflage, 1999 Sika Symposium Hannover Folie 24

25 Ungeeignete Beschichtungssysteme gemäß DIN EN Beschichtungen vom ölharzartigen oder Alkyd-Typ Aluminiumhaltige Beschichtungen Polyvinylbutyralgrundierungen Sika Symposium Hannover Folie 25

26 Vortragsinhalt 1. Grundlagen des KKS 2. Wechselwirkungen: Beschichtungssysteme und KKS 3. Prüfverfahren für Beschichtungssysteme 4. Zusammenfassung und Fazit Sika Symposium Hannover Folie 26

27 Prüfverfahren für Beschichtungssysteme DIN EN ISO 15711: : Beschichtungsstoffe - Bestimmung der Widerstandes gegen kathodische Enthaftung von Beschichtungen in Meerwasser BAWRichtlinie: Prüfung von Beschichtungssystemen für den Korrosionsschutz im Stahlwasserbau (RPB), Ausgabe 2011 STG-Richtlinie Nr. 2220: Prüfung und Beurteilung der Verträglichkeit von Unterwasserbeschichtungs-systemen für Schiffe und Seebauwerke mit dem Kathodischen Korrosionsschutzverfahren, Ausgabe 1988 Sika Symposium Hannover Folie 27

28 Prüfverfahren für Beschichtungssysteme DIN EN ISO BAWRichtlinie STG-Richtlinie Nr Prüfpotential Ag/AgCl/KClges mv -930 mv -930 mv Aber: Höchstwert des negativen Potentials gemäß DIN EN bezogen auf Ag/AgCl/Meerwasser: mv (-1050 mv gegenüber Ag/AgCl/KClges.) Sika Symposium Hannover Folie 28

29 Vortragsinhalt 1. Grundlagen des KKS 2. Wechselwirkungen: Beschichtungssysteme und KKS 3. Prüfverfahren für Beschichtungssysteme 4. Zusammenfassung und Fazit Sika Symposium Hannover Folie 29

30 Zusammenfassung und Fazit Synergieeffekte bei Kombination von KKS mit Beschichtungssystemen Schädigung der Beschichtung durch KKS möglich, aber vermeidbar durch Nachweis der Eignung des Beschichtungssystems im Rahmen einer Prüfung Einheitliche Regelung von Prüfpotentialen für Beschichtungssysteme sowie Anpassung von Prüfpotentialen oder Schutzpotentialen Sika Symposium Hannover Folie 30

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Steffel KKS GmbH Sika Symposium Hannover Folie 31