Korrosion undkathodischer Korrosionsschutz

Kathodischer Korrosionsschutz wirkt.Mit Sicherheit.

Korrosion verursacht Schäden – große Schäden!

Betroffen sind insbesondere Metallkonstruktionen, die sich im Erdreich oder Wasser

befinden: Stationen, Rohrleitungen, Industrieanlagen, Schleusen, Lagerbehälter, Dü-

ker, Spundwände, Hafen-Anlagen, Schiffe, Bohrinseln, Stahlbetonbauwerke.

Die Gesamtschäden durch Korrosion belaufen sich in den Industrienationen auf

ungefähr 4 % des Bruttoinlandproduktes, d.h. auf 90 Mrd. Euro in Deutschland!

Doch nicht nur der materielle Aspekt darf hierbei eine Rolle spielen, auch die

menschliche Sicherheit und die Umwelt sind gefährdet, wenn Konstruktionen oder

Anlagen korrodieren und in ihrer Standsicherheit versagen.

In diesen Fällen ist der aktive Schutz der Anlagen durch kathodischen Korrosions-

schutz (KKS) eine absolute Notwendigkeit für deren Erhaltung. Denn heute weiß

man, dass passiver Korrosionsschutz durch Umhüllungen aus Polyethylen oder Bi-

tumen bei weitem keinen ausreichenden und langfristigen Schutz vor Korrosion bie-

ten kann.

Und: Die Installation einer Anlage zum kathodischen Korrosionsschutz kostet unterm

Strich nur einen Bruchteil der später entstehenden Schäden. So kann eine einzige

KKS-Anlage Schutz bieten für eine kunststoffumhüllte Rohrleitung von bis zu 100 km

Länge!

Sie sehen, gerade beim Korrosionsschutz zahlt sich Vorbeugung aus.

Korrosion und kathodischer Korrosionsschutz – was i st das?

Korrosion oder im Volksmund auch unter dem Begriff “Rosten“ bekannt ist die elek-

trochemische Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, was zu

einer qualitätsmindernden Veränderung bis hin zur vollständigen Zerstörung des

Werkstoffes führen kann.

Bei unseren Rohrleitungen aus Stahl in Erdböden setzt sich der Korrosionsvorgang

aus zwei Teilreaktionen zusammen: der anodischen Teilreaktion der Metallauflö-

sung (Oxidation) und der kathodischen Teilreaktion der Sauerstoffreduktion .

Mit Hilfe von sogenannten Strom-Spannungs-Kurven (Abbildung 1) können die ano-

dische und kathodische Teilreaktion dargestellt und Korrosionsvorgänge bzw. Poten-

tialabhängigkeiten erkannt werden.

Durch Überlagerung der anodischen und kathodischen Teilstrom-Potential-Kurven

erhält man die so genannte Summenstrom-Potential-Kurve, die als elektrische Kenn-

linie einer homogenen Mischelektrode dient und durch Messung ermittelt werden

kann (Abbildung 1). Bei homogenen Mischelektroden ist nur gleichmäßige Korrosion

und nicht örtliche Korrosion möglich.

[ E ]

[ I ] po

sitiv

er S

trom

ne

gativ

er S

trom

Potential

En

IK

Ik

Ia IA

Kathodische Polarisation

anod. Teilstromdichte

kathod. Teilstromdichte

Summenstromdichte

Ep

Abb. 1: Teil- und Summen-stromdichten bei Korrosion einer homogenen Mischelektrode

Ist der anodische Teilstrom IA gleich dem kathodischen Teilstrom IK, ergibt sich das

freie Korrosionspotential En, was in diesem Fall dem Ruhepotential entspricht. Das

Metall unterliegt im Ruhepotential einem Metallabtrag, wobei der anodische Teilstrom

IA der Korrosionsgeschwindigkeit entspricht.

Bewegt man sich vom Ruhepotential nach rechts spricht man von anodischer Polari-

sation durch positive Summenstromdichten Ia, wodurch die Korrosionsgeschwindig-

keit steigt. Links vom Ruhepotential ergibt sich eine kathodische Polarisation durch

negative Summenstromdichten Ik, wodurch das Potential negativer und die Korrosi-

onsgeschwindigkeit kleiner werden.

Beim kathodischen Korrosionsschutz wird nun durch Einspeisen eines Stromes so-

weit kathodisch polarisiert, bis das Schutzpotential Ep erreicht ist und die Korrosions-

geschwindigkeit bzw. der Metallabtrag auf den vernachlässigbaren und maximal

zulässigen Wert von 0,01 mm pro Jahr herabgesenkt wird.

Die bei homogenen Elektroden auftretende Flächenkorrosion ist relativ harmlos im

Vergleich zu der lokalen Korrosion von heterogenen Elektroden. Durch unterschied-

lich stark belüftete oder verdichtete Bereiche über der Stahloberfläche kommt es zur

Bildung sogenannter Korrosionselemente , wodurch sich eine homogene Elektrode

im Laufe der Korrosion zu einer heterogenen Elektrode mit unterschiedlichen Flä-

chenbereichen entwickelt.

Abbildung 2 zeigt die örtlichgetrennte Anode in der Mitte und Kathoden im Randbe-

reich eines Korrosionselementes. Die anodische Reaktion (Metallauflösung) findet

Erdboden

Stahl

Rostpustel

Kathode Kathode Anode

½O2 + H2O + 2e-

Na+

OH- 2

O2 - Diffusion

Fe (OH)+ Fe OOH O2

Migration der Ionen

Fe2+ + 2 Cl- + H2O Fe (OH) Cl + HCl

2e- Fe2+ Deckschicht

2 Cl- 2 Na+

nun verstärkt an der anodischen Stelle mit einer sehr hohen Korrosionsgeschwindig-

keit statt und führt schließlich zu den bekannten Rostpusteln.

Abb. 2: Korrosionsele-ment mit lokal getrenn-ter Anode und Kathode An den gut belüfteten kathodischen Bereichen der Stahloberfläche überwiegt die ka-

thodische Reaktion, d.h. es liegt ein negativer Summenstrom vor, der dem kathodi-

schen Elementstrom entspricht. Bei diesem Vorgang werden kathodische Reaktions-

produkte neutralisiert und stabile Deckschichten über den Kathoden gebildet.

Kathodischer Korrosionsschutz von Rohrleitungen

Der für den kathodischen Korrosionsschutz benötigte Schutzstrom wird entweder

durch galvanische Anoden oder durch Fremdstromanlagen in die Rohrleitung

eingespeist. Der Schutzstrom fließt dabei von den Anoden über das Erdreich zu den

kritischen Bereichen der Rohrleitung, dringt in die beschädigten Stellen der Umhül-

lung ein und verhindert Korrosion.

Beim KKS mit Fremdstromanlagen wird der Schutzstrom von Schutzstromgeräten

erzeugt, die am öffentlichen Stromnetz angeschlossen sind oder von Solaranlagen

versorgt werden.

In Abbildung 3 ist der schematische Aufbau einer Fremdstrom-Schutzanlage darge-

stellt. Die Anoden aus Ferrosilicium, Graphit oder Magnetit werden bei ausreichen-

dem Platzangebot und niedrigen spezifischen Bodenwiderständen in den oberen Bo-

denschichten vorzugsweise horizontal eingebaut. Die Anoden werden dabei in eine

Koksschicht eingebettet, um einen günstigen Ausbreitungswiderstand und einen

gleichmäßigen Abtrag zu erreichen.

Um das Potential des Schutzobjektes messen und mit den Schutzkriterien verglei-

chen zu können, wird neben der Rohrleitung eine Dauerbezugselektrode eingebaut.

Schutzstromgerät

Tiefenanode

Anodenkabel (+)

Kathodenanschluss (-)

nicht geschützte Rohrleitung

Schutzstrom

Schutzstrom

kathodisch geschützte Rohrleitung

Schutzstrom

Messanschluss Anodenkabel

Fremdstromanoden

Muffe

Bezugselektrode Rohrleitung

Koksbettung

Schutzstrom

=

- +

~

Kathoden- anschluss (-)

Schutzstromgerät

Abb. 3: Aufbau einer kathodischen Korrosionsschutzanlage mit Fremdstrom

Korrosion durch Streustrom

Der von den Fremdstromanoden-Anlagen ausgehende Schutzstrom ist im Bereich

der Anodenanlagen am größten und nimmt mit zunehmender Entfernung ab. Abbil-

dung 4 zeigt den Spannungsverlauf einer Anodenanlage und einer kathodische ge-

schützten Rohrleitung.

Abb. 4: Beeinflussung einer nicht kathodisch geschützten Leitung durch Streustrom

Rohrleitung

Stromaustritt

Streustrom Korrosion

-

+ Unterwerk

Schienenstrom

Oberleitung

Schiene

Wegen der trichterförmigen Verteilungskurve auf der Erdoberfläche spricht man auch

vom Spannungstrichter der Anodenanlage. Führt nun eine fremde Rohrleitung durch

den Spannungstrichter der Anodenanlage, so nimmt diese Rohrleitung den Schutz-

strom auf und wird kathodisch polarisiert. Man spricht dabei von einer Beeinflus-

sung durch Streustrom .

Wird die fremde Leitung von einer kathodisch geschützten Rohrleitung gekreuzt, so

tritt der Strom im Kreuzungsbereich aus der Fremdleitung wieder in das Erdreich ein,

um die kathodisch geschützte Rohrleitung zu erreichen. An der Stromaustrittsstelle

unterliegt die nicht geschützte Rohrleitung einer anodischen Polarisation und ist stark

korrosionsgefährdet.

Beeinflussungsproblemen dieser Art kann durch sorgfältige Auswahl der Anoden-

standorte oder durch hohe Umhüllungswiderstände der Rohrleitung entgegengewirkt

werden. Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung von Beeinflussung durch Streu-

strom besteht darin, die fremden Objekte mit in den kathodischen Korrosionsschutz

einzubeziehen.

Eine weitere Beeinflussung durch Streuströme tritt bei Rohrleitungen auf, die un-

terhalb gleichstrombetriebener Bahnen verlaufen. Bei diesen Bahnen werden die

Fahrschienen zur Rückleitung des Betriebsstromes verwendet, der einen Längs-

spannungsabfall an den Schienen aber über die Gleisbettung auch am Erdreich er-

zeugt. Ein Teil dieses Rückstromes kann somit durch den Erdboden fließen und in

die Rohrleitung eindringen. Abbildung 5 zeigt die Gefahr der Streustromkorrosion bei

einer Gleichstrombahn.

Abb. 5: Korrosion durch Streustrom

Tritt der Streustrom dann in Bereichen mit negativeren Potentialen (zum Beispiel An-

schluss des Minuspols des Unterwerks mit den Fahrschienen) wieder aus der Rohr-

leitung aus, erfolgt verstärkt anodische Korrosion.

Nur mit dem richtigen Know-how und langjähriger Erfahrung können Beeinflussun-

gen dieser Art erkannt, Problem beseitigt und KKS-Anlagen konzipiert werden.

½ O2 H+

Fe2+

Rohrleitung Fehlstelle

Umhüllung Erder

Erder

Stahlbeton-Bauwerk Bewehrung

Erdreich

Vertrauen Sie daher der “Ideenfabrik“ der Firma Steffel, in der KKS-Konzeptionen in

den Bereichen: individuelle Projektstudien, Engineering, Planung, Analysen, Unter-

suchungen und Bewertungen durch Ingenieure und KKS-Spezialisten, entstehen.

Im Anschluss an die konzeptionellen Vorarbeiten realisieren wir kundenspezifisch

maßgeschneiderte Gesamt-Lösungen. Im Full-Service installieren wir für Sie die be-

triebsfertige Schutzanlage.

Um noch besser auf individuelle Vorgaben eingehen zu können, fertigen wir eigene

Schutzstromgeräte und modernste Datenübertragungs-Technik. Durch die günstige

Produktion auch von Kleinserien entstehen Vorteile für unsere Kunden.

Wir kümmern uns um Ihre Schutzanlagen von A bis Z: mit Wartungsmessungen,

Fehlerortung, Intensivmessung und Fehlereinmessung sorgen unsere KKS-Experten

für das reibungslose Funktionieren Ihrer Schutzanlagen. Auch im Bereich Datenfern-

übertragung übernehmen wir als Dienstleistung für Sie die komplette Verwaltung und

Überwachung Ihrer Daten.

Lokaler kathodischer Korrosionsschutz (LKS)

Beim KKS müssen die zu schützenden Objekte von allen Anlagen, die einen kleinen

Ausbreitungswiderstand haben, elektrisch getrennt werden. In Industrieanlagen,

Kraftwerken oder Raffinerien wäre die Trennung mehrerer Rohrleitungen mit großen

Nennweiten nur mit hohem finanziellen und technischen Aufwand durchzuführen.

Abb. 6: Korrosionsgefahr bei Elementbildung mit Stahlbeton-Bauwerken

Doch besonders in diesen Industrieanlagen sind die Rohrleitungen im Allgemeinen

durch eine Elementbildung mit Stahlbeton-Fundamenten (Abbildung 6) einer hö-

heren Korrosionsgefahr ausgesetzt als Fernleitungen.

= -

+ ~

Schutzstromgerät

Rohrleitung

Anode

Schutzstrom

Gebäude

Stahlbetonfundament Erder

Stahlbetonwand

Das freie Korrosionspotential des Stahls im Beton, der auch als Fremdkathode be-

zeichnet wird, liegt ca. 0,5 V positiver als das Potential des Stahlrohres im Erdboden.

Diese Spannungsdifferenz verursacht einen Metallabtrag an der Rohrleitung im Be-

reich der Umhüllungsfehlstellen.

Mit Hilfe des Lokalen kathodischen Korrosionsschutzes wird nun der Element-

strom der Fremdkathoden kompensiert und die Rohrleitung ausreichend kathodisch

geschützt.

Beim LKS müssen auch die Fremdkathoden (Fundamente, Erder) auf das Schutzpo-

tential polarisiert werden, damit die Rohrleitungen vollständig kathodisch geschützt

sind. Da bei diesem Vorgang der größte Anteil des Schutzstromes zu den Fremdka-

thoden fließt, liegt der Schutzstrombedarf beim LKS für eine Industrieanlage im All-

gemeinen über 100 A.

Zum Einspeisen derartig hoher Schutzströme werden zunächst Tiefenanoden einge-

setzt, um das gesamte Schutzobjekt einschließlich der Stahlbetonbauwerke und Er-

dungsanlagen zu schützen. Abbildung 7 zeigt den Aufbau des “Basis-Schutzes“ mit

einer Tiefenanode.

Abb. 7: Einspeisung eines “Grundstromes“ durch eine Tiefenanode

An Stellen des Schutzobjektes, an denen durch den Basis-Schutz keine ausreichend

negativen Potentiale erreicht werden, werden zusätzliche Einzelanoden eingebaut.

Kathodische Korrosionsschutzmaßnahmen an solchen einzelnen gefährdeten Berei-

chen wird auch als “Hot-Spot“-Verfahren bezeichnet. Durch die Einzelanoden wird

ein anodischer Spannungstrichter in unmittelbarer Nähe der Anoden erzeugt und das

Potential des Erdbodens gegenüber der neutralen Erde angehoben. Diese Spannung

Anode

Schutzstromgerät

=

-

+

~

Rohrleitung Beschichtung

(Pohl’scher Kragen)

Stahlbetonwand

Schutzstrom

kompensiert die Spannung des Korrosionselementes und verhindert einen korrosi-

onsverursachenden Stromaustritt aus der Rohrleitung.

Um eine bessere Stromverteilung zu erreichen werden Stahlbetonobjekte, die sich

weniger als 2 m von der Rohrleitung entfernt befinden und im Bereich der Wand-

durchführung, mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung, auch “Pohl’scher-

Kragen“ genannt, versehen. Bei Wanddurchführungen wird die mindestens 2 mm

dicke Bitumen- oder Kunststoffschicht mindestens 2 m allseitig um die Rohrleitung

aufgetragen. In Abbildung 8 sind der Lokale kathodische Korrosionsschutz mit einer

Einzelanode und die beschichtete Stahlbetonwand dargestellt.

Abb. 8: LKS mit dem “Hot-Spot“-Verfahren

Unsere Kompetenz im Lokalen kathodischen Korrosionsschutz (LKS) haben wir uns

als zukunftsweisende Ergänzung zu unserer langen Erfahrung im kathodischen Kor-

rosionsschutz (KKS) erarbeitet. Die Steffel GmbH ist ein wesentlicher Wegbereiter

des LKS in Deutschland, jetzt z.B. das erste Unternehmen, das die Datenfernüber-

wachung des LKS ermöglicht.

Kathodischer Innenschutz (KIS)

Der kathodische Innenschutz ist für alle Behälter, Tanks, Rohrleitungen und alle

metallenen Lager- bzw. Transportanlagen anwendbar, die eine Elektrolytlösung mit

ausreichender Leitfähigkeit (z.B. Trink-, Kühl-, Gebrauchs- und Schmutzwässer so-

wie Industriestoffe) enthalten.

Enthalten Behälter Einbauten wie Heiz- oder Kühlelemente, Trennbleche, Fühler

usw., so können diese in den kathodischen Korrosionsschutz mit einbezogen wer-

den. Eine ausreichende Stromverteilung wird durch konstruktive Maßnahmen sowie

gezielte Anordnung und Anzahl der Anoden erreicht.

Anode Erder

Isolierstücke

Heizungswasser

WT-Rohr

- +

Schutzobjekt

Fehlstelle

R Abgleichswiderstand

Abbildung 9 zeigt den kathodischen Schutz eines innenbeschichteten Wasserbehäl-

ters. In den Behälter führt ein unbeschichteter Heizeinsatz, der als Fremdkathode

wirkt und vom Behälter isoliert werden muss.

Abb. 7: KIS eines Wasser-

behälters mit eingebautem

Heizeinsatz

Außerhalb des Behälters wird in das Wärmetauscher-Rohr ein weiteres Isolierstück

eingebaut, damit es vom Erdungssystem elektrisch getrennt ist und eine Überbrü-

ckung verhindert wird.

Im Inneren des Behälters kann am WT-Rohr Stromaustritts-Korrosion entstehen,

wenn in der Nähe des Isolierstückes Fehlstellen in der Behälterwand einen kathodi-

schen Spannungstrichter erzeugen. Im Inneren des Wärmetauscher-Rohres kann es

ebenfalls zu einer anodischen Gefährdung kommen, da das Isolierstück von der

Elektrolytlösung überbrückt werden kann und ein Stromfluss ermöglicht wird. Die

Höhe der Gefährdung ist daher stark von der nichtmetallischen Länge des Isolierstü-

ckes abhängig.

Zur Vermeidung von Stromaustritts-Korrosion kann der Wärmetauscher durch einen

Abgleichswiderstand mit dem Schutzobjekt verbunden und somit in den kathodi-

schen Korrosionsschutz mitintegriert werden.

Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton (K KSB)

Stahl in Beton ist durch die Alkalität des Beton-Porenwassers und die sich daraus

ergebende Passivschicht über Jahre vor Korrosion geschützt. Erst durch das Ein-

dringen von Chloriden , meistens als Streusalz bei Verkehrsbauwerken wie Brücken

oder Parkhäusern, kann die Passivschicht zerstört werden und der Stahl beginnt zu

korrodieren.

Eine weitere Ursache für Korrosion ist die Carbonatisierung , d.h. Calciumhydroxid

reagiert in Gegenwart von Feuchtigkeit und Kohlendioxid aus der Luft zu Calcium-

Anodennetz

Referenz - elektrode SCHUTZSTROM

Bewehrung

Beton

Einbettmörtel

=

-

+

~

Schutzstrom - gerät

carbonat. Bei diesem Vorgang sinkt der pH-Wert des Betons von etwa 12,6 auf 9 und

die Vorraussetzung für eine Passivierung des Stahls ist nicht mehr gegeben. Vor al-

lem wird die Carbonatisierung durch mangelhafte Betonqualität, schlechte Verdich-

tung und unzureichende Betonüberdeckung begünstigt.

Der kathodische Korrosionsschutz von Stahl in Beton kann als Alternativlösung

gegenüber einer konventionellen Betoninstandsetzungsmaßnahme die Lebensdauer

eines Bauwerkes um einige Jahrzehnte erhöhen. Durch den Einsatz eines kathodi-

schen Korrosionsschutzsystems bei Stahlbeton-Neubauten wird ein vorbeugender

Schutz vor Korrosion erreicht und zukünftige Instandsetzungsmaßnahmen verhin-

dert.

Das Prinzip des kathodischen Korrosionsschutzes beruht darauf, dass die anodi-

sche Teilreaktion der Korrosionsreaktion, nämlich die Metallauflösung, durch einen

entgegengesetzt gerichteten Gleichstrom unterbunden wird.

Dazu wird auf die Betonoberfläche eine dauerhafte Anode, in der Regel Mischmetall-

oxid (MMO) beschichtetes Titan, aufgebracht und von einem leitfähigen Milieu (meist

Spritzbeton) umgeben. Die freigelegte Bewehrung wird an den Minuspol und die

Anode an den Pluspol einer Gleichstromquelle angeschlossen.

Nach Einschalten der Stromquelle erzwingt diese einen Stromfluss durch den Stahl,

der dem Stromfluss der anodischen Metallauflösung entgegengesetzt ist und somit

weiteres Korrodieren unterdrückt. In Abbildung 10 ist der Aufbau des kathodischen

Korrosionsschutzes eines Stahlbetonbodens mit den dazugehörigen KKS-Kompo-

nenten schematisch dargestellt.

Abb. 10: Kathodischer

Korrosionsschutz von Stahl

in Beton

Im Gegensatz zu herkömmlichen Betonreparaturmaßnahmen muss beim kathodi-

schen Korrosionsschutz chloridkontaminierter Altbeton nicht in großer Tiefe entfernt

und erneuert werden, da eine Weiterentwicklung der Korrosion durch das Schutzsys-

tem verhindert wird.

Durch den geringeren Eingriff in die Bauwerkssubstanz wird die benötigte Bauzeit

der Instandsetzung reduziert, wodurch die Nutzungseinschränkung und somit die

Gewinnverluste für den Betreiber (zum Beispiel bei Parkhäusern) niedrig gehalten

werden.

Installations- und Unterhaltungskosten sind über Jahrzehnte gesehen geringer als

ständige Reparaturmaßnahmen, was den KKSB als ein wirtschaftliches Instandset-

zungsverfahren auszeichnet.

Kontakt: Steffel GmbH Im Bulloh 6 29331 Lachendorf Telefon: +49 (05145) 9891 - 0 Telefax: +49 (05145) 9891 - 90 URL: www.kks.de e-Mail: steffel@kks.de