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Vorstellung des Fachbereiches Offshore

Der Fachbereich "Offshore" startete mit seiner Tätigkeit im November 2011 nach der konstituierenden Sitzung des Fachbeirats des fkks am 30.03.2011.
Dieser Fachbereich beschäftigt sich mit den besonderen Bedürfnissen des Kathodischen Korrosionsschutzes von metallischen Konstruktionen im oder unter dem Einfluss von Seewasser.
Die Aufgabe des Fachbereiches liegt in der Präsenz und Mitarbeit in maßgebenden nationalen und internationalen Gremien sowie der Bearbeitung normungstechnischer Fragestellungen aus dem nationalen und internationalen Umfeld.
Außerdem soll die technische Weiterentwicklung begleitet und die Qualität der Fachleute und Fachfirmen im Rahmen von Schulungsprogrammen und -möglichkeiten stetig gesteigert werden.
Im Rahmen der 3R-Ausgabe 1-2/2012 wurde ein Fachbericht zum Thema „Grundlagen des KKS und spezielle Anwendungen im maritimen Stahlwasserbau“ veröffentlicht.
Zur 12. Tagung "Korrosionsschutz in der Maritimen Technik" am 23./24. Januar 2013 in Hamburg wird wie auch in diesem Jahr ein Vortrag im Block „KKS von Seewasseranlagen“ gehalten.

Leitung: Dipl.-Ing. Torsten Krebs

Kontakt: offshore@fkks.de



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Grundlagen des KKS und spezielle Anwendungen im maritimen Stahlwasserbau

Thorsten Krebs

1. Einführung
Dieser Vortrag beschreibt eine wesentliche Problematik aller Stahl- und Stahlbetonkonstruktionen im maritimen Stahlwasserbau – die Korrosion.
Neben der Definition und Beschreibung der Ursachen der Korrosion wird die Funktion und Wirkungsweise des Kathodischen Korrosionsschutzes (KKS) dargestellt, welcher auch oftmals „aktiver“ Korrosionsschutz genannt wird, zur Abgrenzung zum „passiven“ Korrosionsschutz durch Beschichtung.
Für Seewasserbauwerke, wie Pfähle, Spundwände usw. werden meist Konstruktionen aus Stahl oder Stahlbeton eingesetzt.
Überwiegend handelt es sich hierbei um Konstruktionen aus unlegierten oder niedriglegierten Stählen. Diese Werkstoffe unterscheiden sich in ihren chemischen Eigenschaften praktisch nicht. Die für Sonderfälle vorgesehenen hochlegierten, sogenannten nichtrostenden Stähle, zeigen jedoch ein völlig andersartiges chemisches Verhalten, das je nach Legierungstyp in weiten Grenzen schwanken kann.
In dieser Darstellung zum Korrosionsverhalten wird vornehmlich die Gruppe der unlegierten und niedriglegierten Stahlgüten behandelt. Geringfügige Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der Stähle können vernachlässigt werden. Daher wird im Folgenden diese Gruppe vereinfachend mit „Stahl“ bezeichnet.
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Abbildung 1:Ohne Korrosionsschutz!

2. Korrosion
Unter „Korrosion“ versteht man Reaktionen des Werkstoffs mit chemischen Bestandteilen in seiner Umgebung.
Dadurch verursachte Veränderungen sind Korrosionserscheinungen. Bei Stahl in Wässern und in feuchtem Erdboden ist dies stets die Umwandlung von Eisen in meist feste Korrosionsprodukte, bekannt als Rost und der damit hervorgerufenen Materialverlustes. Ob dadurch auch ein Schaden entsteht, ist ausschließlich eine Frage des Ausmaßes der Korrosion und der Anforderung an das Bauteil. Wenn das Bauteil seine Funktion nicht mehr erfüllt oder wenn es seine Funktion während seiner vorgesehenen Betriebsdauer verlieren kann, liegt ein Schaden vor. Das ist bei Pfählen und Spundwänden dann der Fall, wenn die Wandung perforiert wird und somit den betrieblichen Anforderungen nicht mehr genügt. Im Allgemeinen ist davon auszugehen, dass der Tatbestand eines Korrosionsschadens vorliegt, wenn die Mindestwanddicke unzulässig unterschritten ist.
Diese in DIN 50900 dargelegte Unterscheidung zwischen den verschiedenen Begriffen zur Korrosion berücksichtigt den Tatbestand, dass alle Gebrauchsmetalle im Allgemeinen mehr oder weniger schnell korrodieren, ohne dass hiermit zwangsläufig auch Schäden auftreten.
Wesentlich für die Beurteilung der Korrosionsbeständigkeit ist immer die Definition der an das Produkt zu stellenden Anforderung und somit die tolerierbare maximale Korrosionsgeschwindigkeit. Für Stahlkonstruktionen im Seewasserbereich kann diese mit wenigen 0,01 mm/Jahr angesetzt werden. Sollten jedoch Korrosionsgeschwindigkeiten bei wenigen 0,1 mm/Jahr vorliegen, können diese je nach Wanddicke der Pfähle oder Spundwandprofilen zu Spätschäden führen oder bleiben ohne Folgen, wenn z. B. die Korrosionsraten im Laufe der Zeit durch Deckschichtbildung abnehmen. Diese abtragende Korrosion wird im Allgemeinen bei der Auslegung der Stahlkonstruktion durch einen Wanddickenzuschlag berücksichtigt. Gefährlich sind solche Korrosionsbedingungen, bei denen Korrosionsgeschwindigkeiten von einigen mm/Jahr auftreten, weil diese in den meisten Fällen in wenigen Jahren zum Wanddurchbruch bzw. Materialversagen führen.
Um den KKS und die Wirkungsweise zu verstehen, muss man jedoch erst einmal die elektrochemischen Ursachen und Reaktionen der Korrosion betrachten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der KKS in seiner Wirkungsweise zur Minimierung bzw. Eliminierung der elektrochemischen Korrosion, welche die meist verbreitete und dominante Form der Korrosion bei Stahl darstellt, genutzt wird.

3. Grundlagen der elektrochemischen Korrosion
Gemäß DIN 50 900, Teil 2, wird die elektrochemische Korrosion wie folgt definiert: Korrosion, bei der elektrochemische Vorgänge stattfinden. Sie laufen ausschließlich in Gegenwart einer ionenleitenden Phase ab. Hierbei muss die Korrosion nicht unmittelbar durch einen elektrolytischen Metallabtrag bewirkt werden, sie kann auch durch Reaktion mit einem elektrolytischen Zwischenprodukt (z.B. atomarer Wasserstoff) erfolgen.
Die elektrochemische Reaktion ist die häufigste Ursache der Korrosion von Metallen. Kennzeichnend ist der Transport von elektrischer Ladung zwischen den beteiligten Phasen - messbar durch den fließenden Strom.

3.1. Thermodynamische Betrachtungen zur Stabilität von Eisen
Wird der Werkstoff Stahl, im allgemeinen Baustahl, der Atmosphäre oder dem Wasser ausgesetzt, so wird gleichzeitig seine Stabilität gefährdet. Die Ursache kann auf Basis der Elektrochemie (s. Abschnitt 3.2) aber auch über die Energiebilanz erklärt werden: Der physikochemisch stabile Zustand der Materie ist im ungeordneten, energiearmen Zustand (hohe Entropie) zu beschreiben. Die stabile Form des Eisens an der Atmosphäre ist der oxidierte Zustand. Eisen in der Erdkruste liegt als Erz (Oxide, Sulfide, Karbonate, etc.) also in nicht reiner Form vor. Zur Gewinnung von Eisen bzw. Stahl muss im Hochofenprozess dieser Ausgangszustand durch Zufuhr von Energie überwunden werden. Dieser künstlich hohe Energiezustand des metallischen Eisens (hohe Ordnung - geringe Entropie) kann unter den Bedingungen an der Erdoberfläche nicht ohne besondere Maßnahmen aufrechterhalten werden. Das Streben nach dem energieärmeren Ausgangszustand leitet den Prozess des Zerfalls ein. Das heißt, dass das Eisen die Energie wieder freigibt, die ihm bei der Verhüttung zugeführt worden ist. In Worten der Thermodynamik ausgedrückt, lässt sich der Vorgang auch als Übergang eines hoch geordneten Systems zum ungeordneten System, also als Maß der maximalen Entropie (Maß für die Unordnung), beschreiben. Derartige Reaktionen laufen nicht in direkter Abfolge ab bzw. sind diese in ihrer Geschwindigkeit von der Kinetik bestimmt. So können z.B. neugebildete Oxidschichten (z.B. Fe3O4 (Magnetit)) auf der Metalloberfläche die Reaktionsgeschwindigkeit wiederum erheblich reduzieren oder sogar zum Stillstand bringen.
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Abbildung 2: Redox-Kreislauf des Eisens

3.2. Elektrochemische Teilreaktionen
Aufgrund der einher laufenden Ladungsverteilungen kommt es zur Herausbildung negativ und positiv geladener Bereiche. Infolgedessen kann man auch anodische und kathodische Teilprozesse unterscheiden. Die entstehenden Teilströme sind u. a. vom Potentialunterschied der beteiligten Phasen abhängig bzw. proportional. Die treibende Kraft der elektrochemischen Korrosion sind Potentialdifferenzen (unterschiedliche Ladungsverteilungen) zwischen verschiedenen Bereichen des Stahls oder zwischen verschiedenen Metallen. Die entstehenden Teilströme und damit einhergehende Korrosionsraten (s. Faraday’sches Gesetz, Abschnitt 3.2.5) sind dabei proportional abhängig von dem Potentialunterschied (Spannung) zwischen den beteiligten Bereichen oder Metallen
.
3.2.1. Anodische Teilreaktion
Die oben beschriebene "Triebkraft" von Metallen in den stabileren Ausgangszustand zurückzukehren führt in der Umgebung von Elektrolyten zu Lösungsvorgängen. Die chemische Reaktionsgleichung für Eisen kann dabei wie folgt beschrieben werden:
Anodische Reaktion: Feo  Fe++ + 2e- (Gl. 1)
Das zunächst elektrisch neutrale Eisen wird in einem Elektrolyten (wässrige Lösung) eine (stoffspezifische) Auflösung erfahren. Dabei entsteht, unter Freisetzung von Elektronen der äußeren Atomhülle, ein positiv geladenes Ion (Fe2+), auch Kation genannt. Dieses Ion überwindet die Phasengrenze Eisen/Elektrolyt und geht im wässrigen Milieu in Lösung. Die Elektronen hingegen verbleiben im Metall wegen dessen hervorragenden Elektronenleitfähigkeit. Dabei wird die Metalloberfläche, aufgrund der Ladung der Elektronen, elektrisch negativ aufgeladen. Mit zunehmend negativer Ladung wird es für neu entstehende Ionen wegen der gleichzeitigen Elektronenanreicherung immer schwieriger zu entweichen, da die sog. Rückhaltekraft (Anziehung von positiv und negativ geladenen Teilchen) der Abwanderung der positiv geladenen Metallionen entgegenwirkt (s. Abb. 3). Hierbei wird sich letztlich ein Gleichgewichtszustand einstellen, welcher eine weitere Ionisation, d.h. Auflösung des Eisens, verhindert.
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Abbildung 3: Anodischer Teilschritt

3.2.2. Kathodische Teilreaktion
Die Möglichkeit einer kathodischen Reaktion ist dort gegeben, wo sich Elektronen angereichert haben. Da diese Bereiche elektrisch negativ geladen sind, spricht man von Kathoden (ziehen Kationen an).
Diese verbleiben zunächst an der Metalloberfläche, solange ein Elektronenakzeptor oder die äußere Einwirkung elektrischer Ströme fehlt. Stehen an der Metalloberfläche Reaktionspartner zur Verfügung, z.B. Sauerstoff (O2) und Wasser (H2O), so verläuft im chemisch neutralen Medium die Reaktion nach dem Muster von Gleichung 2.
½ O2 + H2O +2e-  2(OH)- (Gl. 2)
Dabei wird Sauerstoff durch e--Aufnahme, unter Bildung von negativ geladenen Hydroxylionen, reduziert. Bei dieser Reaktion werden Elektronen und Sauerstoff verbraucht; fehlt einer der Reaktionspartner, kommt die Reaktion zum Stillstand. Daneben zeigt die Gleichung 2, dass ein Elektrolyt (Wasser) zur Verfügung stehen muss. Neben dieser kathodischen Teilreaktion gibt es noch weitere, jedoch meist untergeordnete Reaktionen, die hier nicht weiter behandelt werden.

3.2.3. Korrosionszelle
Beide oben beschriebenen Teilreaktionen kommen nur dann zur vollen Wirksamkeit, wenn sie in räumlichem Zusammenhang stehen und gleichzeitig ablaufen. Die Ionisation (Oxidation) von Eisen im Stahl ist nur dann weiter möglich, wenn die Rückhaltekraft durch die elektrisch negative Ladung an der Stahloberfläche nachlässt. Dies geschieht z.B. durch den Abzug von Elektronen. Dies wird wiederum durch den kathodischen Prozess des Elektronenverbrauchs unter Hydroxylbildung bewerkstelligt. Das heißt umgekehrt, dass eine Eisenauflösung auch kathodisch gesteuert sein kann, indem an einer großen Kathode viele Elektronen verbraucht werden. Bildlich kann dieser Vorgang so verstanden werden, dass frei werdende Elektronen von der Anode "abgesaugt" werden, mit der Folge, dass der anodische Prozess der Eisenauflösung beschleunigt wird (s. Abb. 4).
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Abbildung 4: Korrosionszelle am Beispiel eines eingetauchten Stahlteiles

3.2.4. Elektroden
Elektroden können als Anode (Metallauflösung) oder als Kathode (Ort der Abscheidung von Metallen/Stoffen) ausgebildet sein. Diese Vorgänge können als Teilkurven in Strom-Spannungs-Kurven dargestellt werden. Der anodische Teilstrom ist durch die Menge des aufgelösten Metalls charakterisiert und kann mit dem Faraday‘schen Gesetz (s. Abschnitt 3.2.5) berechnet werden. Die kathodische Teilkurve kann über die Menge des entwickelten Wasserstoffes oder Hydroxylionen (Sauerstoffreduktion) berechnet werden. Der Übergang vom kathodischen zum anodischen Bereich liegt auf der Abszisse (U) ohne messbare Stromdichte (i=0). Die Schnittpunkte werden als Gleichgewichtspotentiale (UA bzw. UK) bezeichnet. In der Summe ergeben beide Teilkurven eine Stromdichte-Potential-Kurve (Abb. 5). Zwischen den Gleichgewichtspotentialen der Teilreaktionen liegt das freie Korrosionspotential (UR; synonym für Ruhepotential). Da beide Teilprozesse an einer Elektrode (korrodierender Werkstoff) ablaufen, spricht man auch von einer (homogenen) Mischelektrode. Mit dem Austreten von Metallionen entsteht an der Anode ein Auflösungsstrom der Stromdichte i1. Dieser ist wiederum abhängig vom Verbrauch an Elektronen an der Kathode, womit der Sauerstoffdiffusionsstrom (i2) beschrieben ist. Aus beiden Teilkurven kann eine Summenkurve erstellt werden. Ohne Einwirkung eines äußeren Stromes wird im Gleichgewichtspotentialpunkt gleichzeitig das Korrosions- bzw. Mischpotential eines Werkstoffes erkennbar. Der Betrag der Verschiebung der Kurve entlang der Abszisse, z.B. durch äußeren Strom, entspricht der Überspannung, welcher gleichzeitig dem Polarisationspotential entspricht.
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Abbildung 5: Stromdichte-Potential-Kurven der beiden Teilreaktionen (qualitativ, Homogene Mischelektrode)

Die Steigung der Summenkurve beim Durchtritt durch die Abszisse (Gleichgewichtspotential) ist ein Maß für die Polarisierbarkeit und zugleich ein reziprokes Maß für die Korrodierbarkeit: Eine große Steigung (delta U/delta i) zeigt z.B. eine kleine Polarisation mit großer Korrosion an.
Indem sich homogene Mischelektroden dadurch auszeichnen, dass Anode und Kathode sich ständig verschieben bzw. wechseln, führt dies zu einem (gleichmäßigen) Flächenabtrag. Bei heterogenen Mischelektroden hingegen sind Anode und Kathode räumlich festgelegt. Üblicherweise stark ausgeprägt ist dies bei Kombination unterschiedlich edler Metalle. In der Summenstrom-Potential-Kurve zeigt sich dies durch die Verschiebung des Korrosionsmischpotentials (Ukk). Eine derartige Kontaktkorrosion auf Basis eines Galvanischen Elements führt im anodischen Bereich zur Lochfraßkorrosion.

3.2.5. Abtrag gemäß Faraday'schem Gesetz

Sind zwei Metalle mit unterschiedlichem Ruhepotential unmittelbar (metallen leitend) und durch einen Elektrolyten verbunden, so fließt gemäß dem Ohm'schen Gesetz (U ~ I  R) ein Strom zwischen beiden Metallen. Der Metallabtrag bzw. Massenverlust (m) des unedleren Materials (Anode) ist nach Faraday der Elektrizitätsmenge proportional (m ~ Q ~ I  t). Durch Formelumstellung gelangt man zur folgenden Gleichung, die eine Quantifizierung des Abtrages ermöglicht:
m= M x I x t/(z x F (Gl. 3)
m = Masse des abgeschieden Stoffes [g]
M = molare Masse des Stoffes [g/mol] (hier Eisen: 55,8 g/mol)
I = Stromstärke [A]
t = Zeit bzw. Dauer der Einwirkung [s]
z = Wertigkeit (Ladung) des entladenen Ions (n = 1 bis 5, Eisen: 3)
F = Faraday-Konstante [96 485 As/mol]

3.3. Einflussgrößen für den Ablauf der Korrosion
Die Korrosionserscheinung und das Maß des korrosiven Abtrages an einer Elektrode hängen von verschiedenen Randbedingungen ab. Die Hauptursachen liegen zunächst im Elektrodenmaterial selbst, wie auch in dem umgebenden Elektrolyten begründet. Einige der Einflussgrößen für den Ablauf der Korrosion sind im Folgenden beschrieben.

3.3.1. Passivierung
Die Passivierung geschieht meistens durch die Entstehung dünner, fest haftender Oxid- bzw. Salzschichten, welche den Stahl porenfrei bedecken. Dadurch ist kein Durchtritt von Metallionen in den Elektrolyten mehr möglich. Passivschichten haben gewöhnlich einen nur begrenzten Stabilitätsbereich.

3.3.2. Galvanische Elemente, Elektrochemische Spannungsreihe
Auf Grund von unterschiedlichen Potentialen von Metallen in Elektrolyten (s. elektrochemische Spannungsreihe) kommt es bei einer galvanischen Verbindung unterschiedlicher Metalle in einem Elektrolyten zu einem Stromfluss vom Metall mit dem negativeren Potenzial zum Metall mit dem positiveren Potential, d.h. das negativere Metall wirkt als Anode und korrodiert. Diesem Vorgang nennt man auch Kontaktkorrosion.
Werden zwei verschiedene Metalle miteinander kombiniert, z.B. aus konstruktiven Gründen, so stehen diese gewöhnlich in elektrisch leitenden Kontakt zueinander. Der Stromkreis wird durch Eintauchen in einen Elektrolyten geschlossen ("kurzgeschlossenes Kontaktkorrosionselement"). Da zwei Metalle meist auch unterschiedliche Korrosionspotentiale besitzen, ist die Korrosion des unedleren Metalls vorhersehbar (Ausnahme: vorliegende Passivierungsschichten). Eine Erhöhung der (anodischen) Stromdichte stellt sich, entsprechend der Flächenregel, bei großem Verhältnis der Fläche Kathode/Anode ein. Die Stromdichte ist dabei unmittelbar an der Kontaktstelle am größten. In Tabelle 1 sind Massenverluste von Metallen im Kontakt mit Eisen in Kochsalzlösung aufgelistet.

Zweites Metall Korrodiertes Fe [mg] Korrodiertes zweites Metall [mg]
Magnesium 0,0 3.104,3
Zink 0,4 688,0
Aluminium 9,8 105,9
Blei 183,2 3,6
Nickel 180,0 1,6
Kupfer 183,1 0,0

Tabelle 1: Massenverluste von Metallen im Kontakt mit Eisen (in 1%iger NaCl-Lösung) [1]

3.3.3. Einfluss des Elektrolyten
Das Immersionsmedium (Elektrolyt) beeinflusst das Korrosionsverhalten von Stahl auf vielfältigste Weise. Vorkommende Anionen (Chlorid, Sulfat) greifen die Rostschicht an bzw. überführen Eisen in leicht lösliche Verbindungen. Sie erhöhen die Leitfähigkeit und erhöhen dadurch auch die den Strom zwischen Anode und Kathode und damit auch den Abtrag an der Anode. Maßgeblich ist selbstverständlich auch der Sauerstoffgehalt des Elektrolyten. Bei zonierten O2- Konzentrationen treten Belüftungselemente auf. Erhöhte Gehalte an Alkalien tragen zur Schutzschichtbildung am Stahl und zur Erhöhung des pH-Wertes und der Säurekapazität und somit insgesamt zur höheren Stabilität des Stahlbauteiles bei.

3.3.4. Flächenverhältnis
Die Eisenabträge sind abhängig vom an der Anode austretenden Strom. Dabei gilt bezogen auf die Anoden- und Kathodenflächen und Ströme die folgende Flächenregel (i = Stromdichte, a = Fläche):
iAnode  aAnode = iKathode  aKathode (Gl. 4)
Die Flächenregel besagt z.B. dass die spezifische Anodenstromdichte der Anodenflächen im reziproken Verhältniss zur Kathodenfläche steht. Dadurch kann bei kleinen Anodenflächen (z.B. Beschichtungsschäden), ein sehr großer spezifischer Anodenstrom fließen und dadurch lokal an kleinen Anodenflächen zu einer sehr großen punktuellen Korrosion führen!

3.3.5. Streuströme

"Streustrom ist der in einem Elektrolyten (Erdboden/Wasser) fließende Strom, soweit er von im Elektrolyten liegenden Leitern stammt und von elektrischen Anlagen geliefert wird" (DIN 57150/VDE 0150 8.75).
Durch (ungewollte) Streuströme können erhebliche Materialmengen an Stahlbauwerken abgetragen werden. Relevant sind dabei nur Gleichströme und meist Stromaustrittsstellen. Als Quellen kommen Kran- und Bahnanlagen, (kathodische) Fremdstrom- und Schweißanlagen in Frage. Tritt z.B. bei Schweißarbeiten ein Schweißstromanteil von 100 Ampere als Streustrom auf, dann werden in 2 1/2 Stunden gemäß dem Faraday'schen Gesetz mehr als 300 g Stahl aufgelöst.
An Stromeintrittsstellen treten andere unerwünschte Begleitumstände in Form von übermäßiger Wasserstoff- und/oder Hydroxylentwicklung auf. Dieser Effekt ist vergleichbar mit einem Überschutz durch KKS-Anlagen.

3.3.6. Fremdkathoden
Materialen und Gegenstände, welche elektrolytisch in Kontakt mit dem zu schützenden Bauteil stehen und gleichzeitig in der Spannungsreihe der Elemente darüber stehen, wirken als Fremdkathoden. In Böden können dies z.B. Kohleteilchen (Ruhepotential vergleichbar mit Graphit) oder Kupfererder und dergleichen sein. Bei eingetauchten Bauwerken gilt dies für CrNi-Stähle oder auch für Baustahl (eingebettet in Beton) gegenüber allen freiliegenden Baustahlteilen.

4. Kathodischer Korrosionsschutz
Ein passiver Korrosionsschutz wird durch isolierende Beschichtungen gewährleistet, die auf der Stahloberfläche den Austausch von elektrischen Ladungen bzw. den Zutritt des Elektrolyten zur Stahloberfläche verhindern. Damit wird
der anodische Teilschritt oder
der kathodische Teilschritt oder
beide Teilschritte
gemäß der Beschreibung im Abschnitt 3.2 unterbunden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass ein passiver Korrosionsschutz alleine nur solange wirksam ist, solange die aufgetragene Beschichtung fehlstellenfrei ist! Sobald jedoch ein Teil der Beschichtung beschädigt ist, so bildet sich an dieser Fehlstelle ein anodischer Bereich dessen spezifische anodische Stromdichte von der Flächenregel und damit vom spezifischen kathodischen Strom und dem Verhältnis der meist sehr großen beschichteten Fläche (Kathode) zur Fehlstelle (Anode) ist. Dadurch können sehr hohe lokale Anodenströme mit entsprechenden Materialabtragsraten wirksam werden! Daher wird meistens eine Kombination von passiven und aktiven Korrosionsschutz im Stahlwasserbau eingesetzt.
Von einem aktiven Korrosionsschutz spricht man, wenn im Stahl durch Zufuhr von Gleichstrom ein Elektronenüberschuss erzeugt und aufrecht erhalten wird, so dass die während einer üblichen Korrosion (anodischer Teilschritt) frei werdenden Elektronen bei der kathodischen Teilreaktion nicht mehr verbraucht werden. Voraussetzung dafür ist, dass das Potential so weit abgesenkt wird bis die anodische Reaktion gestoppt wird, bzw. das Gleichgewichtspotential erreicht ist. Eine zu starke Absenkung sollte allerdings wegen einsetzender chemischen Reaktionen (u. a. H2-Entwicklung) vermieden werden.

4.1. Wirkungsweise von kathodischen Korrosionsschutzanlagen
Wie unter Abschnitt 3.2.2 für die anodische Teilreaktion beschrieben wurde, kommt die Eisenauflösung zum Stillstand, wenn sich die Eisenelektrode, d. h. das zu schützende Bauteil, derart mit Elektronen angereichert und negativ aufgeladen hat, dass weitere Eisenatome ihre Elektronen nicht mehr abgeben und deshalb im Metallverbund verbleiben (Selbsthemmung der Korrosionsreaktion). Diese Selbsthemmung kann aber nur dann stattfinden, wenn im Elektrolyten Akzeptoren (Elektronennehmer) wie Sauerstoff gänzlich fehlen. Das ist unter natürlichen Bedingungen praktisch jedoch nicht der Fall. Bei der freien Korrosion in Wässern und Böden wird die Elektronensättigung nicht erreicht bzw. wieder abgebaut, weil der hinzutretende Sauerstoff in Verbindung mit H2O (s. Abb. 6) entsprechend dem kathodischen Teilschritt (s. Abschnitt 3.2.3) laufend Elektronen verbraucht.
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Abbildung 6: Herausbildung anodischer und kathodischer Bereiche am Stahl

Unter diesen Bedingungen wandern nur noch Elektronen aus dem Metall zur Phasengrenze, wenn sie bei entsprechender Anwesenheit von Sauerstoff verbraucht werden können. Dies entspricht einem Stromfluss in technischer Stromrichtung (Schutzstrom), der aus dem Elektrolyten in die Eisenelektrode (Bauteil) fließt. Dabei wird das Bauteil insgesamt zu einer Kathode (s. Abb. 7). Anodische Bereiche mit Metallauflösung können demzufolge nicht mehr existieren, denn der für Anoden charakteristische Stromzufluss aus dem Metall in den Elektrolyten wird durch ausreichend hohe kathodische Schutzströme verhindert bzw. kompensiert. Wenn nur noch kathodische Ströme vorhanden sind, gilt Eisen bzw. Stahl als kathodisch geschützt, wobei die Korrosionsgeschwindigkeit (Restkorrosion) praktisch gegen Null geht.
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Abbildung 7: Kompensation der Korrosionsströme

Die Elektronensättigung im Zustand der kathodischen Schutzwirkung entspricht einer negativen Aufladung des Metalls. Damit dieser Ladungszustand auch bei Elektronenverbrauch durch anwesenden Sauerstoff oder andere Akzeptoren erhalten bleibt, genügt nicht nur das Anlegen einer Spannung, sondern diese muss auch so groß sein, dass ständig ein Schutzstrom in die Kathode eingeleitet wird. Seine Stärke ist abhängig von der Kathodenfläche aKathode [m²] und der erforderlichen spezifischen Schutzstromdichte i [mA/m²]. Die Schutzstromdichte wird bestimmt durch die Sauerstoffzufuhr, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten, die Temperatur, der Salzgehalt, der Bedeckungsgrad mit Deckschichten u.a. jeweils von Einfluss ist.

4.2. Das Potential als Beurteilungskriterium
Auf Grund der Messung der freien Korrosionspotentiale an einem zu schützenden Bauwerk kann auf die Korrosionsgeschwindigkeit, den Schutzstrombedarf und qualitative Korrosionsverteilung geschlossen werden. Dabei liegen die Potentiale von Baustahl im Binnenwasser (-430 bis –530 mV/Cu) allgemein positiver als im Meerwasser (-530 bis –600 mV/Cu).
Grundsätzlich deuten negativere Werte auf aktive Korrosionsvorgänge hin, während positivere Werte auf eine gewisse Schutzschichtbildung, z.B. durch den Belag von Korrosionsprodukten, hinweisen.
Aus den Potentialunterschieden an einem Bauwerk lassen sich z.B. Hinweise auf Elementbildung erkennen. Mit der Messung des Potentials kann der Schutznachweis einer Kathodenschutzanlage erbracht werden. Zunächst wird durch die Elektronenzufuhr ein e-Überschuss erzeugt, welcher wiederum eine Potentialverschiebung verursacht. Darüber hinaus kann die Potentialmessung dazu verwendet werden, die Schutzpotentiale zu steuern bzw. zu regeln.

4.3. Schutzsysteme
Erzeugung des Elektronenüberschusses durch kathodische Schutzanlagen
Der benötigte Schutzstrom wird durch kathodische Korrosionsschutzanlagen geliefert und möglichst gleichmäßig über das Bauwerk verteilt. Dabei ist es unerheblich, auf welche Weise er erzeugt wird. Er kann dem Wechselstromnetz entnommen (Fremdstromanlagen) oder galvanisch erzeugt werden (Anlagen mit galvanischen Anoden, so genannten Opferanoden).
a) Fremdstrom
Das Wechselstromnetz liefert einer Kathodischen Schutzanlage mit Fremdstrom die benötigten Elektronen (s. Abb. 8). Dabei ist es erforderlich, die Netzspannung mit Hilfe eines Schutzstromgeräts auf eine niedrige Spannung von < 50 Volt zu bringen und mittels Gleichrichter in Gleichstrom umzuwandeln. Am Minuspol des Schutzstromgeräts stehen dann die benötigten Elektronen zur Verfügung und werden von da aus in das Bauwerk geleitet. Das entspricht der technischen Stromrichtung aus dem Elektrolyten in das Bauwerk. In technischer Stromrichtung muss dem Elektrolyten aus dem Pluspol zudem Gleichstrom zugeführt werden. Das geschieht über metallisch leitende Elektroden, die als Fremdstromanoden bezeichnet werden und in den Elektrolyten eintauchen.
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Abbildung 8: Fremdstrom Schutzanlage

b) Galvanische Anoden (Opferanoden)
Durch die leitende Verbindung von Metallen mit unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften im Elektrolyten kann, ähnlich einer Taschenlampenbatterie, ein Stromfluss aufgrund des Potentialunterschiedes erzeugt werden. Dabei wird das unedlere Metall zur Anode und löst sich unter Elektronenlieferung auf:
Meo -> Me2+ + 2e- (Gl. 5)
Die frei werdenden Elektronen fließen über die elektrisch leitende Verbindung in das edlere Metall, d. h. in das Bauwerk (s. Abb. 9).
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Abbildung 9: Funktionswise einer galvanischen Schutzanlage

Das in dieser galvanischen Kette edlere Metall gibt, unter gleichen elektrolytischen Bedingungen, wesentlich weniger Elektronen ab als das unedlere Metall und wird zur Kathode. Dabei übernimmt es den für seinen kathodischen Schutz erforderlichen Überschuss an Elektronen. Abtragungswerte bestimmter Metallkombinationen sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Damit ist im Prinzip ein galvanisches Korrosionselement geschaffen. Nur wird dabei gezielt das zu schützende Bauwerk zur Kathode gemacht und die Korrosion ebenfalls gezielt auf die (austauschbare) Anode verlagert. Als unedlere Reaktionspartner für Eisen und niedriglegierte Stähle (Baustähle) können Zink (Zn), Aluminium (Al) und Magnesium (Mg) verwendet werden.

4.4. Technische Vor- und Nachteile beider Schutzsysteme

Obwohl die kathodische Schutzwirkung auf den gleichen elektrochemischen Vorgängen beruht und grundsätzlich sowohl mit galvanischen Anoden als auch mit Fremdstrom gleich gut erzielt werden kann, sind einige charakteristische Eigenarten und Unterschiede zu berücksichtigen:
a) Fremdstromanlagen
- Anodenspannung von 0 – 50V einstellbar, damit Schutzstrom und Potential regulierbar
- Ein- und Ausschaltpotentiale messbar, genauere Messung des Schutzzustandes
- Generell wesentlich größere Schutzströme möglich
- Kann durch einen breiten Einstellbereich auch bei großem Strombedarf durch Beschichtungsalterung und –fehlern die Anlage wirksam schützen.
- Verschieden Schutzbereiche können separat geregelt werden.
Abbildung 9: Funktionsweise einer galvanischen Schutzanlage
- Automatische Regelung ermöglicht eine optimale Anpassung an veränderte Betriebsbedingungen.
- Meist höhere Lebensdauer der Anoden möglich.
b) Anlagen mit galvanischen Anoden
- Durch geringe Treibspannung nur für Flächen mit relativ geringem Schutzstrombedarf wirtschaftlich einsetzbar.
- Werden meist direkt mit dem Bauwerk durch Schweiß- oder Schraubverbindungen unter Wasser befestigt.
- Durch permanenten Kontakt können keine Ausschaltpotentiale gemessen werden.
- Schwankungen der Umgebungsbedingungen (Leitfähigkeit des Wassers, Temperaturschwankungen) können nicht ausgeglichen werden. Dadurch evtl. temporärer Unterschutz oder Überschutz (bei Magnesiumanoden).
- Schichtbildung oder Passivierung der Anodenoberfläche können die Funktion beeinträchtigen.

5. Beispiele für kathodisch geschützte Bauwerke
Beispiele für Seewasserbauwerke, welche kathodisch korrosionsgeschützt werden, sind:
- Hafenanlagen (Spundwände und Pfeiler, Abb. 11 und 12)
- Tankerlöschbrücken (Abb. 15)
- Schiffsanleger (Abb. 14)
- Offshore-Plattformen (Abb. 13)
- Offshore-Pfeiler (z. Bsp. für Windkraftanlagen)
- Offshore-Rohrleitungen
- Stahlbetonkonstruktionen
- Schleusen (Abb. 10)
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Abbildung 10: Schleusen

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Abbildung 11: Spundwand

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Abbildung 12: Spundwand

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Abbildung 13: Platform

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Abbildung 14: Anleger

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Abbildung 15: Brücke
Literatur:
[1] Evans: Einführung in die Korrosion der Metalle, Weinheim 1965
[2] HTG: Kathodischer Korrosionsschutz im Wasserbau, 3. Auflage 2009



 

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Zertifikat DIN EN 15257

Zertifizierungen nach
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DVGW GW11:2013, DVGW G100:2015 und DVGW GW101
:2013
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04.07.2016 22:05