Die Wirksamkeit des kathodischen Korrosionsschutzes bei Abschirmung: Enthaftete Werks- und Nachumhüllungen Dr. Markus Büchler 12. Praxistag Korrosionsschutz SGK Schweizerische Gesellschaft für Korrosionsschutz Technoparkstrasse 1, CH-8005 Zürich Tel. +41 44 213 15 90 Fax +41 44 213 15 91 www.sgk.ch
Übersicht Teil 1: Enthaftete Umhüllungen mit Fehlstellen (Werksumhüllungen) DIN 30670:2012 "Polyethylen-Umhüllungen von Rohren und Formstücken aus Stahl - Anforderungen und Prüfungen" Untersuchungen von Schwenk Theoretische Betrachtungen Neuste Ergebnisse Teil 2: Enthaftete Umhüllungen ohne Fehlstellen (Nachumhüllungen) Theoretische Betrachtungen Angaben von Schwenk Schlussfolgerungen
Teil 1: Enthaftete Umhüllungen mit Fehlstellen Es werden hohe Anforderungen an den elektrischen Widerstand von Umhüllungen gestellt Wenn diese enthaften, stellt sich die Frage in Bezug auf die Korrosionsschutzwirkung Fusion bonded Epoxy (FBE) Angelsächsischer Raum dünn (0.5 mm) Nicht abschirmend (Nonshielding) 3-Lagen Polyethylen (3LPE) Rest der Welt dick (2.5 mm) Abschirmend (Shielding) Beide Beschichtungssysteme haben sich im Einsatz bewährt Auch im Falle von grossflächiger Enthaftung sind bei beiden Systemen kaum Schäden aufgetreten Trotzdem gibt es einen erheblichen Druck in Bezug auf einen Wechsel zu "non-shielding"
DIN 30670:2012 DIN 30670:2012 "Polyethylen-Umhüllungen von Rohren und Formstücken aus Stahl - Anforderungen und Prüfungen": "Umfangreiche Untersuchungen und praktische Beobachtungen haben gezeigt, dass unabhängig vom Herstellverfahren je nach Salzgehalt des Bodenwassers sowie Höhe einer kathodischen Polarisation von Verletzungen ausgehend die Polyethylen-Umhüllung unterwandert werden kann. Mit diesem Vorgang ist aber weder eine Unterrostung, noch eine Erhöhung des Schutzstrombedarfes verbunden." Gemäss DIN 30670:2012 ist Abschirmung kein Problem Es stellt sich die Frage nach der Wirkungsweise des KKS bei enthafteter Umhüllung
Schwenk (1989): Messungen Eine PE Folie mit Fehlstelle wurde auf Stahl aufgelegt IR-freie Potentiale wurden in verschiedenen Abständen von der Fehlstelle gemessen (0, 20, 40 and 60 mm) Potential an der Fehlstelle wurde potentiostatisch auf -1.1 V CSE eingestellt Verschiebung von -1.1 V CSE auf -0.92 V CSE Zurückstellen auf -1.1 V CSE
Schwenk (1989): Resultate
Schwenk (1989): Schlussfolgerung "Im Falle der kathodischen Unterwanderung konnte sogar gezeigt werden, dass kathodischer Schutz im Spalt zwischen Rohroberfläche und Beschichtung möglich ist." "Auf keinen Fall ist es aber zweckmässig, nichthaftende, aber noch dicht anliegende Beschichtung zu entfernen. Da eine dicht anliegende und in sich feste Umhüllung, z.b. von Behältern und Rohren, bei fehlender Haftung nicht abfallen kann, bleibt der Korrosionsschutz erhalten." In diesem Zusammenhang wird oft der Begriff formstabile Umhüllung genannt. Dieser beschreibt den Umstand, dass die Umhüllung nach Enthaftung weiterhin auf der Rohrleitung aufliegt. Dies verhindert die Bildung eines relevanten Volumens.
Wirksamkeit des KKS Kathodischer Schutz wirkt durch Polarisation Gemäss DIN EN ISO 8044:2015 hat die Polarisation zwei Beiträge Aktivierungspolarisation Potenzialveränderung als direkte Folge des Stromeintritts Die Polarisation baut sich innerhalb von Millisekunden auf Die Aktivierungspolarisation geht innerhalb von Millisekunden wieder verloren Konzentrationspolarisation Die Veränderung der Konzentration an der Stahloberfläche führt zu Potenzialveränderungen Diese Konzentrationsveränderungen bauen sich innerhalb von Sekunden, Minuten bis Stunden auf Die Depolarisation erfolgt innerhalb von Minuten bis Stunden Wie schnell polarisieren Rohrleitungen nach Inbetriebnahme des KKS?
Wirksamkeit des KKS Aktivierungspolarisation Konzentrationspolarisation Stromeintritt: blaue Pfeile Reine Aktivierungspolarisation: blaue Linie Konzentrationspolarisation: Blaue Halbkreise Passivfilm: grüne Linie
Auswirkung der Konzentrationspolarisation Die Schutzkriterien der DIN EN ISO 15589-1:2017 können einfach erklärt werden Das IR-freie Potenzial entspricht einer ph-messung IR-freies Potential ph-wert -0.85 V CSE 9 Ausreichend für Passivierung -0.95 V CSE 10.5 Passivierung in aggressiven Böden -1.20 V CSE 13 Aktivierungspol.: Roter Pfeil Konzentrationspol.: Grüner Pfeil Kriterien von EN ISO 15589-1: Gelbe Kreise Führt zu Problemen mit der Haftung von Umhüllungen Die langsame Depolarisation nach Unterbruch des KKS bestätigt Konzentrationspolarisation
Wirksamkeit des KKS bei enthafteter Umhüllung Aktivierungspolarisation Konzentrationspolarisation Aktivierungspolarisation ist nur im Nahbereich der Fehlstelle möglich Konzentrationspolarisation bewirkt den Anstieg des ph-werts Diffusion bewirkt Konzentrationspolarisation unter der Umhüllung Wie von Schwenk beobachtet ist die Polarisation zeitabhängig Dies ist "Telepolarisation", da Stromeintritt und Polarisation getrennt sind Die elektrischen Isolationswerte der Beschichtung sind irrelevant
Yan et al. (2017): Versuche Aufbau analog zu Schwenk aber mit zusätzlicher ph-wert Messung Das Potential an der Fehlstelle wurde wie folgt eingestellt: von -0.85 V CSE (während 10 Tagen) auf -0.90 V CSE (während 17 Tagen) auf -1.0 V CSE (während 31 Tagen) auf -1.2 V CSE (während 54 Tagen) Messung von zwei Beschichtungstypen 3LPE (Dicke 1.5 mm) FBE (Dicke 0.75 mm)
Polarisation 50 mm von der Fehlstelle: E on -0.85 V CSE
17 Tage Eon -0.90 VCSE
31 Tage Eon -1.0 VCSE
54 Tage Eon -1.2 VCSE
Maximal erwartete Polarisation Die Daten sind in guter Übereinstimmung mit den theoretischen Erwartungen
Schlussfolgerung zu Teil 1: Werksumhüllungen Die Beobachtungen von Schwenk werden bestätigt Die Wirksamkeit des KKS wird unabhängig vom Beschichtungstyp unter der enthafteten Umhüllung erreicht Die Aussagen der DIN 30670:2012 werden bestätigt: Die Enthaftung der Umhüllung führt nicht zu Korrosion Der ph-wert steigt an Daraus resultiert eine kathodische Verschiebung des IR-freien Potentials Bedingungen für Passivierung werden geschaffen Es tritt keine relevante Erhöhung des Strombedarfs auf da: der Strom durch die ursprüngliche Fehlstellengrösse bestimmt wird Aktivierungspolarisation abgeschirmt wird der Korrosionsschutz über Telepolarisation bewirkt wird Die Erwartungen des im DVGW Forschungsvorhaben validierten Modells werden bestätigt
Teil 2: Enthaftete Umhüllungen ohne Fehlstellen Das Umhüllungssystem ist irrelevant in Bezug auf die abschirmende Wirkung bei Enthaftung bei Fehlstellen Die Korrosionsschutzwirkung wird durch Konzentrationspolarisation ausgehend von Fehlstellen sichergestellt Bei nicht haftender Umhüllung ohne Fehlstellen kann die Schutzwirkung nur durch Stromfluss durch die Umhüllung erfolgen Die Eigenschaften des Beschichtungssystems sind somit relevant für die abschirmenden Eigenschaften
Einfluss des elektrischen Widerstands Jedes Beschichtungssystem hat einen endlichen Widerstand Ein kathodischer Strom muss zu einer Erhöhung des ph-werts und Konzentrationspolarisation führen Ob eine Erhöhung des ph-werts möglich ist, hängt vom Verhältnis zwischen CO 2 Diffusion und Stromdichte ab Ohne Berücksichtigung dieser Einflussgrössen kann kein maximaler Widerstand für nicht abschirmende Bedingungen definiert werden Wenn die CO 2 Diffusion gering ist, können auch hohe elektrische Widerstände zulässig sein In Blasen werden meist erhöhte ph-werte gefunden Abschirmung kann nicht nur auf Basis des elektrischen Widerstands behandelt werden
Durchlässigkeit für Gase Beschichtungswerkstoff Permeationskoeffizient [cm 2 s -1 bar -1 ] Dicke [mm] v korr [µm/jahr] H 2 O CO 2 O 2 HD-PE (3LPE) 6 10-7 7 10-8 2 10-8 3 1.8 EP (FBE) (1-2) 10-6 3 10-8 (0.5-2) 10-9 0.5 0.3-1 Selbst bei vollständiger Abschirmung des Stroms ist bei eng anliegender (formstabiler) Umhüllung nicht mit Korrosion zu rechnen Dies ist die Folge der sehr geringen Sauerstoffpermeation Diese bewirkt Konzentrationspolarisation
Schlussfolgerung Basierend auf Konzentrationspolarisation (von Baeckmann 1996) kann die gute Korrosionsschutzwirkung unter vollständig enthafteter Beschichtung erklärt werden Die abschirmende Wirkung ist weniger verknüpft mit der Produktklasse als mit deren Formstabilität In den letzten 40 Jahren haben sich Umhüllungssysteme basierend auf PE hervorragend bewährt, da auch diese Konzentrationspolarisation zulassen Die abschirmende Wirkung in Bezug auf Aktivierungspolarisation führt zu deutlich besserem Verhalten von 3LPE im Falle von beeinflussten Rohrleitungen Die Reduktion der Diskussion der Abschirmung auf Stromzutritt stellt eine unzulässige Vereinfachung dar Es gibt keinen Grund die bewährten heutigen Systeme für Werks- und Nachumhüllungen in Frage zu stellen
Besten Dank für Ihr Interesse. SGK Schweizerische Gesellschaft für Korrosionsschutz Technoparkstrasse 1, CH-8005 Zürich Tel. +41 44 213 15 90 Fax +41 44 213 15 91 www.sgk.ch