Kathodischer Korrosionsschutz für die Innenflächen von metallischen Anlagen (KKS-I) ist eine weltweit eingesetzte Technik um sicheren Schutz von metallischen Anlagen gegen Korrosion zu bewirken. Anwendungen bestehen für Anlagen in der Trinkwasseraufbereitung und -speicherung, für Behälter und Reaktionsgefäße in der chemischen Industrie, für Anlagen in der Erdöl- und Erdgasindustrie sowie für Behälter und großdimensionierte Rohrleitungen, die Seewasser beinhalten, wie z.B. zur Kühlung von Luftverflüssigungsanlagen, Kraftwerken und Meerwasserentsalzungsanlagen. Darüber hinaus bestehen weitere Spezialanwendungen für Abwasser- und Biogasanlagen.
Diese allgemeine Beschreibung des KKS-I soll Betreibern entsprechender Anlagen eine Information vermitteln, dass kathodischer Korrosionsschutz auch für Schutz der Innenflächen von Anlagen gegen Korrosion ein großes Anwendungsspektrum bietet.
Neben den eingangs genannten Standardanwendungsbereichen bestehen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für metallische Anlagen, wobei hervorgehoben werden soll, dass nicht nur für un- oder niedrig legierte Stähle, sondern auch für nichtrostende Stähle, Aluminium, Blei, Kupfer, Titan und Zink etc. Anwendungsmöglichkeiten bestehen. Mit der erstmalig in 2003 herausgegebenen DIN EN 12499 liegt zudem ein Regelwerk vor, aus dem Grundlagen, Anwendungsbereiche und Ausführungsdetails entnommen werden können.

Einleitung
Analog zur weit verbreiteten und bekannten Technik des kathodischen Außenschutzes von Rohrleitungen, Behältern, Hafen- und Offshoreanlagen ist oft weniger bekannt, dass kathodischer Korrosionsschutz (KKS) auch für die Innenflächen von metallischen Anlagen eine wirksame Methode zur Vermeidung von Korrosion darstellen kann. Zur Unterscheidung von anderen Anwendungsbereichen des KKS wird für die spezielle Adaption des KKS auf die Innenflächen von Anlagen das Kürzel KKS-I verwendet. Umgangssprachlich findet sich die Kurzform „kathodischer Innenschutz“. Im industriellen Bereich wird KKS-I oft standardmäßig bei Anlagen vorgesehen, die mit Seewasser beaufschlagt werden. Nicht vergessen werden soll aber auch, dass sich häufig auch im privaten Bereich eine KKS-I Anlage befindet. KKS-I wird von Herstellern der Warmwasserspeicher für häusliche Heizungsanlagen standardmäßig vorgesehen, um Innenkorrosion des Warmwasserspeichers zu verhindern.
Gegenstand dieses Artikels ist es die prinzipielle Möglichkeiten des KKS-I aufzuzeigen und spezifische Besonderheiten darzulegen, die KKS-I von den klassischen Anwendungen des KKS im Außenbereich von Anlagen unterscheiden. Die Betrachtungen sind schwerpunktmäßig auf den industriellen Bereich ausgerichtet, wo klassische Anwendung für den Innenschutz von Tanks (Rohöl und Wasser), Rohrleitungen mit großen Dimensionen und Wasserkreislaufsysteme, wie Anlagen, die große Mengen Seewasser zur Kühlung benötigen, bestehen. Sonderanwendungen des KKS-I ergeben sich darüber hinaus oft dort, wo durch aggressive Medien oder Betriebsbedingungen die Korrosionsbedingungen unwirtschaftlich kurze Standzeiten hervorrufen (Bild 1) oder sich durch Verzicht auf höherwertige Werkstoffe wirtschaftliche Vorteile ergeben.
Voraussetzung zur Anwendung des KKS-I ist naturgemäß ein vollständiges Eintauchen der gegen Korrosion zu schützenden Flächen in einen elektrisch leitfähigen Elektrolyten. Prinzipiell treten bei der Korrosion im Inneren von Anlagen die gleichen Korrosionsmechanismen auf, die auch beim kathodischen Außenschutz anzutreffen sind. Die Korrosionswahrscheinlichkeit in Systemen, die Wässer für den menschlichen Gebrauch umfassen, können nach den Regelwerken in der DIN EN 12502-Reihe abgeschätzt werden. Für Anlagen, die stark salzhaltige Wässer oder aggressive Chemikalien enthalten, sind häufig eigene Untersuchungen erforderlich. Oft können erforderliche Informationen aber auch in entsprechenden Veröffentlichungen oder spezieller Fachliteratur gefunden werden. Grundsätzliche Informationen und Anforderungen, die bei der Anwendung des KKS-I zugrunde gelegt werden sollten, finden sich in DIN EN 12499. Für Anlagen im außereuropäischen Ausland finden sich entsprechende Normenanforderungen spezifisch nach Anwendungsfall unterteilt, für Trinkwasser oder trinkwasserähnliche Wässer in NACE SP0196 für den kathodischen Innenschutz mit galvanischen Anoden bzw. NACE SP0388 für den kathodischen Innenschutz mit Fremdstrom. Für spezialisierte Anwendungen bei Anlagen, die durch Prozeßwässer gefährdet sind, finden sich Empfehlungen in NACE SP0575. Darüber hinaus ist eine vielfältige Fachliteratur verfügbar, aus der oft notwendige Hinweise bezüglich Korrosionsgrundlagen, Planungsparametern, Ausführungs- und Überwachungsdetails entnommen werden können.
Wie bei vielen Anlagen gilt auch für den KKS-I, dass die wirtschaftlich günstigste Lösung in der Regel erreicht wird, wenn KKS-I bereits während der Planung bzw. des Neubaus der Anlage berücksichtigt wird. Hat die Korrosion erst einmal gravierende Ausmaße (Bild 2)angenommen, so kann der KKS-I zwar das weitere Fortschreiten der Korrosionsschädigung verzögern, aber massiv geschädigte Bereiche lassen sich nur durch eine konstruktive Sanierung wieder in den gebrauchsfähigen Zustand versetzen.

Grundsätze und Kriterien für KKS-I
DIN EN ISO 8044 definiert Korrosion wie folgt:
„Korrosion, ist die Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteils oder eines ganzen Systems führen kann. In den meisten Fällen ist die Reaktion elektrochemischer Natur, in einigen Fällen kann sie chemischer oder metallphysikalischer Natur sein.“
Um mittels KKS-I die Korrosion zu verhindern bzw. zu reduzieren, muss eine elektrochemische Reaktion vorliegen, da durch den KKS eine Verschiebung des Korrosionspotentials zu negativeren Potentialen bis zum Erreichung eines Schutzpotentials bewirkt werden muss, um vollständigen Korrosionsschutz zu erreichen. Besondere Bedingungen für den KKS-I treten dadurch auf, dass naturgemäß sehr unterschiedlich Medien mit unterschiedlichen Betriebsbedingungen im Inneren von Anlagen vorliegen können. Erschwerend kommt hinzu, dass die Anlagen selbst aus verschiedenen Metallpaarungen bestehen können, wodurch bei hoch leitfähigen Elektrolyten massive Korrosion durch Elementbildung ausgelöst wird (Bild 3). Angesichts dieser Komplexität weist DIN EN 12499 darauf hin: „Ein einziges Potentialkriterium kann nicht den Bereich der unterschiedlichen Bedingungen abdecken, die beim kathodischen Innenschutz vorliegen können.“ Insofern ist es wesentlich, dass in einer ersten Stufe zur Anwendung des KKS-I zunächst der jeweils vorliegende
Korrosionsmechanismus ermittelt wird. In einer 2. Stufe sind dann Abschätzungen zu den Schutzmöglichkeiten vorzunehmen.
Zur grundsätzlichen Abschätzung, ob ein thermodynamisch stabiler Zustand erreicht werden kann, können die Potential-pH-Diagramme nach Pourbaix (Diagramm 1) genutzt werden. In einem kartesischen Koordinatensystem wird auf der Abszisse der pH-Wert und auf der Ordinate das Normalpotential, welches mit Hilfe der Nernst-Gleichung ermittelt wird, abgebildet. In der Regel lassen sich 3 Bereiche definieren. Der Korrosionsbereich mit einem Anteil gelöster Metallionen > 10-6 mol/l. Der Passivitätsbereich, wo vornehmlich die Bildung von Oxiden und/oder Hydroxiden erfolgt, welche bei entsprechender Haftfestigkeit vor weiteren Korrosionen schützen können. Der Immunitätsbereich, wo die Konzentration gelöster Metallionen < 10-6 mol/l beträgt. Derartige Diagramme können für alle Metalle erstellt werden. Umfangreiche Erklärungen finden sich in [1].
Die thermodynamische Betrachtung allein gibt aber noch keine Information, ob die betrachteten Reaktionen auch tatsächlich ablaufen. Hierzu ist die Kinetik der elektrolytischen Teilreaktionen zu untersuchen. Die Potentialabhängigkeit einer elektrolytischen Reaktion wird dabei durch die Stromdichte-Potentialkurve beschrieben. Der Stromdichte-Spannungsverlauf charakterisiert den Reaktionsablauf und erlaubt die Bestimmung der wesentliche Parameter zur Auslegung des KKS-I. In der Praxis wird allerdings meist nur die Schutzstromdichte im Bereich des Schutzpotentials ermittelt. Wie in DIN EN 12499 aufgeführt, müssen die Schutzpotentiale aufgrund praktischer Erfahrungen und durch Untersuchungen individuell bestimmt werden. In Diagramm 2 ist der kathodische Ast einer potentiostatisch ermittelten Stromdichte-Spannungskurve exemplarisch dargestellt. Richtwerte für Schutzpotentialbereiche werden in DIN EN 12499 für Eisen und niedrig legierten Stahl, nichtrostenden Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen, Zinn, Zink, Blei, Aluminium und Titan sowie niedriglegierten Stahl in Verbindung mit nichtrostendem Stahl und Aluminiumlegierungen mit Magnesium oder Mangan aufgeführt. Nur wenn sich unter Berücksichtigung aller Einflüsse das Vorhandensein eines Schutzpotentialbereiches ermitteln lässt, ist die Anwendung des KKS-I möglich.

Besonderheiten des KKS-I
Auch wenn das Prinzip des KKS unabhängig vom Anwendungsbereich wie Außenschutz von Rohrleitungen, Casings, Schutz von Hafenanlagen oder Innenschutz von Anlagen etc. prinzipiell stets gleich ist, treten naturgemäß spezifische Besonderheiten auf, die bei der Planung und Anwendung des KKS-I zu beachten sind. Ein wesentlicher Punkt ergibt sich durch die Begrenzung des Innenraumes aufgrund der äußeren Geometrie des Schutzobjektes, wobei u.U. durch Einbauten weitere zu beachtende Einflüsse auftreten können. Die Begrenzungen durch die Geometrie des Objektes haben Auswirkungen auf die Stromverteilung an der Metalloberfläche und es können elektrische Abschirmeinflüsse auftreten. Diese Effekte müssen bei der Anodenkonfiguration spezifisch berücksichtigt werden. Bei komplizierten Oberflächen kann eine modellhafte Berechnung der Stromverteilung hilfreich für die Planung der Anodenpositionen sein [2, 3]. Mitunter bestehen in der praktischen Ausführung aber Einschränkungen durch die Möglichkeiten am Objekt selbst, wie z.B. durch freien, verfügbaren Raum, Zugänglichkeit oder Strömungsbedingungen etc., wie beispielhaft Bild 4 verdeutlicht.
Weiterhin ist zu beachten, dass sowohl an Kathoden wie Anoden Gasentwicklung auftreten kann. Vorrangig ist hier aufgrund der möglichen Knallgasbildung die kathodische Wasserstoff-Entwicklung
von Bedeutung, so dass aus Sicherheitsgründen bei geschlossenen Behältern Maßnahmen zur gefahrlosen Ableitung berücksichtigt werden müssen.

Planungsdetails und Schutzverfahren
Durch die Vielfältigen Einflüsse, die sich aus den verschiedenen Werkstoffen, Medien, Betriebsbedingungen und Objektgeometrie ergeben, ist in der Regel für jeden Einzelfall ein spezifisches KKS-I-Design erforderlich. In Tabelle 1 sind die wesentlichen Parameter zusammengestellt, die bei der Auslegung eines KKS-I-Systems beachtet werden sollten. NACE SP0575 nennt für die in der Planung zugrunde zu legende Schutzstromdichte einen Bereich von 50 bis 400 mA/m². Für Abscheider in der Erdgasförderung, die stark mit CO2 und H2S beaufschlagt sind, werden in der Literatur [4] Stromdichten von bis zu 3,45 A/m² genannt, um bei Betriebstemperaturen von 89°C kathodischen Schutz zu erzielen. Eigene Untersuchungen für einen Abscheidungsbehälter in der Kaliindustrie ergaben eine Schutzstromdichte von über 1 A/m² im Bereich von stark angeströmten Strömungsbrechern (C-Stahl, v > 3 m/s, T 50°C, gesättigte, KCL-Sole). Werden die Metalloberflächen mit geeigneten Materialien beschichtet, so wird eine drastische Reduzierung der erforderlichen Schutzstromdichte bewirkt. In der Regel wird durch die Kombination „KKS-I und Beschichtung der Innenflächen“ wirtschaftlich und technisch die günstigste Lösung erreicht, auch wenn KKS-I für blanke Oberflächen durchaus angewandt werden kann.
Die KKS-I Anlagen können sowohl mit galvanischen Anoden als auch mit Fremdstrom realisiert werden. In der Praxis haben sich typische Anwendungsbereiche herausgebildet. Galvanische Anoden finden bevorzugt Anwendung für den Innenschutz von Wassererhitzern, Warmwasserspeichern, Kühlern, Kondensatoren, Rohölbehältern und Röhren-Wärmetauschern (Bild 5). Der Fremdstromschutz wird vorrangig für große Objekte und Objekte in Prozessanlagen angewandt.
Bei der Verwendung von galvanischen Anoden ist zu beachten, dass u.U. eine große Anodenmasse benötigt wird. Bei Verwendung von Zink errechnet sich bei einer mittleren Schutzstromdichte von 100 mA/m² für eine 2 jährige Nutzungsdauer eine Anodenmasse von ca. 240 kg pro 100 m² unbeschichteter Kathodenfläche. Bei Extremstromdichten von 2 A/m² resultieren bei gleichen Ausgangsparametern bereits ca. 4.800 kg. Hier gilt es nicht nur ausreichend Platz für diese Massen zur Verfügung zu haben, sondern es ist auch zu bedenken, dass entsprechende Mengen Anodenkorrosionsprodukt im Medium anfallen. U.U. muss auch bedacht werden, dass der turnusmäßige Wechsel, insbesondere bei größeren Anodenmassen, zeitaufwändig wird und damit Auswirkungen auf die erforderlichen Stillstandszeiten der Anlage haben kann. Die dominierenden Vorteile des Schutzes mit galvanischen Anoden durch einfache Installation, keine Stromzuführung von außen und quasi Wartungsfreiheit können damit in Frage gestellt sein. Grenzen für die Verwendung galvanischer Anoden bestehen bei sauren Elektrolyten (pH < 5,5), aufgrund der dann stark zunehmenden Eigenkorrosionsrate. Amphoteres Verhalten und Potentialumkehr bei erhöhten Temperaturen gegenüber Stahl kann den Einsatz von Zink weiter begrenzen.
Der KKS-I mit Fremdstrom kann Probleme der Kontamination des Elektrolyten durch Reaktionsprodukte der Anoden umgehen, indem Anodenmaterialien ausgewählt werden, die einen praktisch vernachlässigbaren Abtrag aufweisen, wie platiniertes oder mit Mischmetalloxiden beschichtetes Titan. Eine Nutzungsdauer von > 25 Jahren kann bei entsprechendem Design gewährleistet werden. Wie bei allen technischen Anlagen ist aber beim Fremdstromverfahren
regelmäßige Wartung unumgänglich und die Anlagen erfordern Potentialkontrolleinrichtungen, um eine Einstellung auf das erforderliche Schutzpotential zu gewährleisten. Besonderer Beachtung bedürfen rotierende Bauteile wie Rührer oder Impeller, da hier nicht immer davon auszugehen ist, dass eine ausreichend niederohmige Verbindung zu den übrigen Teilen der Anlage besteht. In diesem Fall ist, z.B. durch Wellen-Gleitringkontakte, die niederohmige Verbindung sicher zu stellen.
Meist werden für die Potentialüberwachung beim KKS-I Bezugselektroden zweiter Art eingesetzt, wobei darauf zu achten ist, dass die Bezugselektroden für den Einsatz im jeweiligen Elektrolyten geeignet sind. Hinweise zum Anwendungsbereich verschiedener Bezugselektroden finden sich in DIN EN 12499 oder in [5]. Besonderer Beachtung bedarf u.U. die Temperaturabhängigkeit der Bezugselektroden. In einigen Fällen kann es auch ratsam sein die Bezugselektroden außerhalb des geschützten Innenraumes zu installieren und die elektrische Ankopplung über einen Elektrolytschlüssel zu realisieren.

Beispiele zur Anwendung des KKS-I
In [5] sind praktisch ausgeführte Beispiele von KKS-I Projekten zu einem Wärmetauscher, einem Öl-Salzwasserbehälter, einem Tank für Kesselspeisewasser, einem Naßgasometer, einem Druckfilter-Kessel, einem nickelplatierten Laugen-Eindampfer und einer Kreiselpumpe aufgeführt. Weitere Beispiele für die KKS-I Planungen oder Projektrealisierungen vorgenommen wurden sind Trinkwassertanks (Bild 6), Prozeßbehälter (Bild 7), Filterbehälter (Bild 8) und Krählwerke (Bild 9). Bei kathodisch von außen geschützten Rohrleitungen, die elektrolytisch leitfähige Medien transportieren, tritt häufig eine Beeinflussung an Isolierverbindungen auf. In diesem Fall kann mittels einer speziellen KKS-I Maßnahme, die nur lokal im Bereich des Isolierflansches wirksam ist, die Beeinflussung aufgehoben werden.

Literatur
[1] Pourbaix, M., Lectures on electrochemical corrosion, Plenum Press, 1973
[2] Martinez S. and Stern I., A mathematical model for the internal cathodic protection of cylindrical structures by wire anodes, Journal of Applied Electrochemistry 30, 2000
[3] Yan J.-F et al., Mathematical modeling of cathodic protection using the boundary element method with a nonlinear polarization curve, The Electrochemical Society Inc., No. 7, Vol. 139, July 1992
[4] Gareth J. et al., Use of internal impressed current cathodic protection systems for CO2 corrosion control in offshore seperators, NACE Corrosion 2000, Paper 00011
[5] Baeckmann W.v., et al., Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes, VCH Verlagsgesellschaft mbH

Bild 1: massiver Korrosionsangriff bis zum Durchbruch an den Wänden eines 3000 m³ -Solelagertanks; Wandstärke 10 mm; Medium Sole; Werkstoff Kesselblech H II; Betriebstemperatur 25-45 °C; pH 11; Cl- 300 g/l; NaOH bis 1,5 g/l; Na2CO3 bis 1 g/l; NaOCl bis 50 ppm ; Standzeit < 3 Jahre


Bild 2: diverse Undichtigkeiten aufgrund von Innenkorrosion an der Prozesswanne eines Biomassekessels; Medium Rauchgaskondensat; Werkstoff 1.4571; Betriebstemperatur 56-62°C; Chloridgehalt des Kondensats 450 ppm; Standzeit < 5 Jahre


Bild 3: Korrosion durch Elementbildung zwischen Edelstahlschraube und C-Stahl-Leitblech in einem Reaktionsgefäß zur Aufbereitung von Sulfatlauge; Medium gesättigte KCL mit Begleitsalzen; Betriebstemperatur 40°C; spez. Widerstand 3,5 Ωcm; Standzeit < 6 Monate


Bild 4: Innenraum einer 2-stufigen Kreiselpumpe max. Betriebsdruck 80 bar; Durchsatz max. 4800 m³/h; Werkstoffe C-Stahl und Edelstahl; Medium Trinkwasser; Betriebstemperatur 35 °C


Bild 5: Zn-Opferanode in einem Wärmetauscher im Übergangsbereich Behälter (C-Stahl) / Kühlrohrbündel (Titan); Betriebszeit ca. 2 Jahre


Bild 6: Trinkwassertankfarm, Fassungsvermögen je Tank 100.000 m³


Bild 7: Prozeßgefäß, Fassungsvermögen 120 m³


Bild 8: Aktivkohlefilter, Fassungsvermögen 120 m³


Bild 9: Krählwerk, Behälterdurchmesser 25 m
Diagramm 1: vereinfachte Potential-pH-Diagramme für Eisen in Wasser mit den theoretischen Bereichen für Korrosion, Immunität und Passivität [1]
a) Eisen in Wasser

b) Eisen in Wasser bei 10-2 Mol/l Chromgehalt

Diagramm 2: Stromdichte-Potentialkurve bei der Polarisation von Stahl in alkalischer Lösung


Tabelle 1: Schematische Übersicht wesentlicher Einflussfaktoren zur Anwendung des KKS-I

Anwendungsvoraussetzungen	Elektrische Kontinuität
	Leitfähigkeit des Elektrolyten
	Existenz eines gemeinsamen Schutzpotentialbereiches
Schutzstromdichte(n) ermitteln	Elektrolyteinfluss (pH, Salze, Gase)
	Beschichtung
	Polarisationswiderstand
Anodendesign zur Erzielung ausreichender Stromdichten	Betriebsbedingungen (Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit)
	Beschichtungseigenschaften
	Anlagengeometrie
Konstruktive Maßnahmen	Einführungen für Kabel, Anoden und Messelektroden
	Ableitung von Gasen (H2, Cl2)
	Anlagengeometrie
Randeffekte im Elektrolyten	Gasentwicklung
	Reaktionsprodukte der Anoden
	kathodische Niederschläge
	Sauerstoffzehrung
Auswirkungen auf Beschichtungen	Enthaftung
	kathodische Unterwanderung an Beschichtungsfehlstellen
	kathodische Blasenbildung in der Beschichtung
	alkalische Verseifung