KORROSIONSVERHALTEN NICHTROSTENDER STÄHLE IN

MEERWASSER UND MARITIMER ATMOSPHÄRE

Andreas Burkert, Jens Lehmann

BAM Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung, Berlin

Fachbereich 6.1 „Korrosion und Korrosionsschutz“

HTG Workshop Korrosionsschutz für Meerwasserbauwerke

5. November 2015, Hamburg

05.11.2015

1

1) Überzüge = metallische Schichten (z.B. Verzinkung, stromloses Vernickeln)

2) Beschichtungen = nichtmetallische Schichten (z.B. Lack- und Pulverbe-schichtungen)

Korrosionsschutz

Korros ionsschutzmethoden

Anforderungen

Konstruktion

Werkstoff

planungsseitig

Überzüge1

Beschichtungen2

Legierung

werkstoffseitig

Inhibitoren

O2 Entfernung

pH-Wert Einstellung

elektrolytseitig

galvanische Anoden

Fremdstrom

Streustrom-ableitung

elektrochemisch

Nichtrostender Stahl - Grundlagen

Nichtrostend = keine sichtbaren Korrosionserscheinungenbei Zutritt von Wasser und Sauerstoff!

Edelstahl: Stahl mit abgesenktem Phosphor- und Schwefelgehalt(hat bei un- und niedrigleg. Stählen keine Auswirkung auf das Korrosionsverhalten)

Edelstahl Rostfrei: Edelstahl mit mehr als 10,5 % Chrom

Edelstahl NIROEdelstahl Rostfrei

rost- und säurebeständige StähleINOX NIROSTA Cromargan

V2A V4A

Nichtrostender Stahl - Grundlagen

Bedingungen für den schadensfreien Einsatz:

1) Passivschicht muss sich vollständig ausbilden können

2) Repassivierung von Defektstellen unter Einsatzbedingungen ist möglich

Eine unvollständige Passivierung führt zu örtlicher Korrosion,auch ohne besondere Korrosivität der Umgebung!

Systematik der Kurznamen

1.4571 X6CrNiMoTi17-12-2

hochlegierte Stähle

Kohlenstoffgehalt x 100

chemische Symbole der Hauptlegierungs-elemente

Anteile in % der Hauptlegierungs-elemente

• Ein allgemein vorangestelltes G kennzeichnet Stahlgussz.B. GX10CrNi18-8 (Wst. 1.4312)

gezielt eingesetzte Legierungselemente unter 1 % werden nur mit dem chemischen Symbol angegeben

Einflussfaktoren auf die Korrosionsbeständigkeit

� Legierungszusammensetzung (Werkstoffauswahl, Regelwerke)

� DIN 81249, DIN EN 1993-1-4, Z-30.3-6, RiLi GL ….

� Konstruktive Ausführung

� Halbzeug- / Werkstofffehler

� Beispiel 1.4462

� Verarbeitungsprozesse (Schleifen, Schweißen, Verformen)

� Oberflächenausführung

� Prozessbedingte Schäden (unplanmäßige Betriebszustände)

� Reinigung und Pflege

W = % Cr + 3,3 • % Mo + x • % Nmit 0 ≤≤≤≤ x ≤≤≤≤ 30

(für x häufig verwendet: 0 für Standardaustenite, 16 für Duplexstähle, 30 für Superaustenite)

Wst. Nr. Kurzname Wirksumme

1.4301 X5CrNi18-10 18

1.4305 X8CrNiS18-9 18

• gibt Anhaltspunkte zur Beständigkeit verschiedener Werkstoffe

• weitere Legierungselemente müssen dennoch beachtet werden

signifikant schlechtere Korrosionseigenschaften als 1.4301, aber bessere Spanbarkeit

WirksummeWerkstoffranking bezüglich der Korrosionsbeständigkeit

WerkstoffauswahlZulassung Z-30.3-6,KWK und Wirksummenbereiche

Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z-30.3-6 vom 22.04.2014 (bis 2017)

Einwirkung Exposition Kriterien und BeispieleKWK

I II III IV V

Feuchte,Jahresmittelwert U

der Feuchte

SF0trocken bis

wechselfeuchtU < 95 % X

SF1 dauerfeucht 95 % ≤ U X

Chloridgehaltder Umgebung,

Entfernung M vom Meer,

Abstand S belebter Straßen mit

Streusalz-einsatz

SC0 gering

Land, Stadt,M > 10 km,S > 0,1 km

X

SC1 mittel

Industriegebiet,1 km < M ≤ 10 km,

0,01 km < S ≤ 0,1 kmX

SC2 hochMaritimes Gebiet

0,25 km < M ≤ 1 kmS ≤ 0,01 km

X1)

Werkstoffauswahl nach Z-30.3-6

1) Durch regelmäßige Reinigung zugänglicher Konstruktionen oder direkte Beregnung wird dieKorrosionsbelastung erheblich verringert, so dass um eine KWK abgemindert werden kann. Beimöglicher Aufkonzentration der Stoffe auf Oberflächen ist eine KWK höher zu wählen.

DIN 81249-Teil 2: Freie Korrosion in Seewasser, Werkstoffauswahl

Klasse FEWirksummen-

bereichvgl. mit

KWKEmpfindlichkeitSpalt-/Lochkorr.

FE 1, Teil 1 37-50 V äußerst gering

FE 1, Teil 2 31-36 IV sehr gering

FE 1, Teil 3 27-30 IV gering

FE 1, Teil 4 23-26 III mäßig

FE 2 17-20 II hoch

FE 3 k.A. I (sehr) hoch

Werkstoff-Untergruppen FE 1 bis FE 3: nichtrostende Stähle und nichtrostender Stahlguss, nicht magnetisierbare Stähle und nicht magnetisierbarer Stahlguss

DIN 81249-Teil 2: Freie Korrosion in Seewasser, Werkstoffauswahl

Grenztemperatur für Lochkorrosionsbeständig

keit in Seewasser [°C]Wirksumme W* (min.)

40 35

25 30

10 25*) W = %Cr + 3,3 x %Mo + 30 x %N … Austenite > 3% Mo

W = %Cr + 3,3 x %Mo + 16 x %N … Duplex 1.4462

W = %Cr + 3,3 x %Mo … Austenite < 3% Mo

DIN EN 1993-1-4, Anhang A, 2015Werkstoffauswahl

F1 Risiko der Exposition gegenüber Chloriden aus Salzwasser oder Auftausalzen (Streusalz)

ANMERKUNG M ist der Abstand vom Meer und S ist der Abstand von Straßen mit Einsatz von Auftausalzen.

1 Innenräume

0 Niedriges Expositionsrisiko M > 10 km oder S > 0,1 km

−−−− 3 Mittleres Expositionsrisiko 1 km < M ≤ 10 km oder 0,01 km < S ≤ 0,1 km

−−−− 7 Hohes Expositionsrisiko 0,25 km < M ≤ 1 km oder S ≤ 0,01 km

−−−− 10 Sehr hohes Expositionsrisiko Straßentunnel, bei denen Auftausalz ausgebracht wird oderwenn Fahrzeuge Auftausalze in den Tunnel einbringen können.

−−−− 10 Sehr hohes ExpositionsrisikoM ≤ 0,25 kmNordseeküste Deutschlands, alle Küstenregionen der Ostsee.

−−−− 15 Sehr hohes Expositionsrisiko

M ≤ 0,25 km

Atlantikküste Portugals, Spaniens und Frankreichs,Küste des Ärmelkanals und der Nordseeregionen des UK, Frankreichs, Belgiens, den Niederlanden und Südschwedens.

DIN EN 1993-1-4, Anhang A, 2015Werkstoffauswahl

F2 Risiko der Exposition gegenüber Schwefeldioxid

In den europäischen Küstenregionen ist die Schwefeldioxidkonzentration üblicherweise gering. Im Landesinneren ist die Schwefeldioxidkonzentration entweder gering oder mittel. Ein hohes Expositionsrisiko ist selten und stets mit besonderen Standorten der Schwerindustrie oder spezifischen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Straßentunneln, verbunden. Die Schwefeldioxidkonzentration kann in Übereinstimmung mit dem Verfahren in ISO 9225 bewertet werden.

0 Niedriges ExpositionsrisikoMittelwert der Gaskonzentration

< 10 µg/m3

−−−−5 Mittleres ExpositionsrisikoMittelwert der Gaskonzentration

10 bis 90 µg/m3

−−−−10 Hohes ExpositionsrisikoMittelwert der Gaskonzentration

90 bis 250 µg/m3

DIN EN 1993-1-4, Anhang A, 2015Werkstoffauswahl

F3 Reinigungskonzept oder die Exposition gegenüber der Witterung

(wenn F1 ++++ F2 ≥≥≥≥ 0, dann F3 ==== 0)

0 Vollständige Exposition gegenüber der Witterung (frei beregnet)

−−−−2 Spezifisches Reinigungskonzept

−−−−7 Kein Abwaschen durch Regen oder keine spezifische Reinigung

Wenn das Bauteil regelmäßig auf Anzeichen von Korrosion überprüft und gereinigt werden muss, sollte dasdem Anwender in schriftlicher Form mitgeteilt werden. Die Überprüfung, das Reinigungsverfahren und dieHäufigkeit sollten festgelegt sein. Je häufiger die Reinigung erfolgt, desto größer ist der Nutzen. DieZeitspanne zwischen den Reinigungen sollte nicht größer als 3 Monate sein. Ist eine Reinigung festgelegt,sollte sie für alle Teile des Bauwerks gelten und nicht nur für die leicht zugänglichen und gut sichtbarenBauteile.

CRF = F1 + F2 + F3

Corrosion Resistance Factor

DIN EN 1993-1-4, Anhang A, 2015Werkstoffauswahl

Korrosionsbeständigkeitsklasse (CRC)

I II III IV V

1.4003 1.4301 1.4401 1.4439 1.4565

1.4016 1.4307 1.4404 1.4462 1.4529

1.4512 1.4311 1.4435 1.4539 1.4547

1.4541 1.4571 1.4410

1.4318 1.4429 1.4501

1.4306 1.4432 1.4507

1.4567 1.4162

1.4482 1.4662

1.4362

1.4062

1.4578

Die Stahlsorte einer höheren Klasse kann anstelle der durch den CRF vorgegeben verwendet werden.

ANMERKUNG: Die Korrosionsbeständigkeitsklassen sind nur für die Anwendung mit diesem Auswahlverfahren vorgesehen und gelten nur für Konstruktionen mit tragender Funktion.

CRF ==== 1 0 ≥≥≥≥ CRF >>>> −−−−7 −−−−7 ≥≥≥≥ CRF >>>> −−−−15 −−−−15 ≥≥≥≥ CRF ≥≥≥≥ −−−−20 CRF <<<< −−−−20

Nichtrostender Stahl in maritimer AtmosphäreNicht immer die „blanke“ Freude

Auslagerungsstand maritime AtmosphäreInsel Helgoland

in Betrieb seit 2009

direkt am Hafen gelegen

4 Freibewitterungsstände

mit überdachten Bereichen

Mittlere Jahrestemperatur: 9,1 °C

Mittlerer Jahresniederschlag: 59 mm

Chloridgehalte in Seeatmosphäre:

0,1 – 3 mg / m³ Luft (DIN 81249)

jährliche Wischproben aus überdachten Bereich des Auslagerungsstands

beprobte Flächen sowohl senkrecht als auch waagerecht

Messfläche 20 x 20 cm

Bestimmung der Chloridionen mittels Photometrie und Ionenchromatographie

Auslagerungsstand für maritime AtmosphäreFlächenbeaufschlagung Chlorid im überdachten Bereich

Untersuchte Werkstoffe

Werkstoff Kurzbezeichnung Wirksumme W* Bemerkungen

1.4301 X5CrNi18-10 18 (17 – 20)** Austenit, KWK II

1.4404 X2CrNiMo17-12-2 23 (23 – 27)Austenit, KWK III (erhöhter S-Gehalt innerhalb der Norm)

1.4376 X8CrMnNi19-6-3 18 (17 – 20) Austenit, Mangan

1.4162 X2CrMnNiN22-5-2 25 (25 – 29) Lean Duplex, Mangan, KWK III

1.4062 X2CrNiN22-2 26 (25 – 30) Lean Duplex, KWK III

1.4362 X2CrNiN23-4 25 (23 – 29) Duplex, KWK III

1.4509 X2CrTiNb18 18 (18 – 19) Ferrit

1.4521 X2CrMoTi18-2 24 (23 – 28) Ferrit, Molybdän** Wirksummenbereich entsprechend der möglichen chemischen Zusammensetzung lt. Norm

10.07.2015 GfKorr AK Eisen und Stahl 19

* W = % Cr + 3,3 ∙ % Mo + x ∙ % N (Mo ≥ 1,0 % ; Austenit/Ferrit: x=0 ; Duplex : x=16)

1W1.4301

2W1.4404

4W1.4162

6W1.4362

5W1.4062

7W1.4509

8W1.4521

9W1.4376

3W1.4003

freibewittert

1W1.4301

2W1.4404

4W1.4162

6W1.4362

5W1.4062

7W1.4509

8W1.4521

9W1.4376

3W1.4003

überdacht

Auslagerung in maritimer Atmosphäre60 Monate, Walzoberflächen

Auslagerung in maritimer AtmosphäreLochtiefenbestimmung nach 5 Jahren

* Werkstoff 1.4003 zeigt Übergang zu flächigem Abtrag mit ca. 8 µm/a, zum Vergleichunlegierter Stahl weist unter diesen Bedingungen einen Abtrag > 50 µm/a auf

*

MeeresatmosphäreLochtiefenbestimmung im Spalt nach 24 Monaten

freibewittert überdacht

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1W1.4301

2W1.4404

9W1.4376

4W1.4162

5W1.4062

6W1.4362

7W1.4509

8W1.4521

3W1.4003

Lo

chti

efe

[µm

]

max. 270 µmAustenit Duplex Ferrit

max. 170 µm

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1W1.4301

2W1.4404

9W1.4376

4W1.4162

5W1.4062

6W1.4362

7W1.4509

8W1.4521

3W1.4003

Lo

chti

efe

[µm

]

Austenit Duplex Ferrit

1W1.4301

2W1.4404

4W1.4162

6W1.4362

5W1.4062

7W1.4509

8W1.4521

9W1.4376

3W1.4003

Austenit Duplex Ferrit

Spaltausführung als Metall/Metallspalt

WerkstofffehlerBefestigungen im maritimen Bereich

� Konsole und Befestigungsmittel 1.4462 (KWK IV),

� Nordsee, Einsatzzeit 3 Monate

� Korrosionserscheinungen an den Schlüsselflächen der Muttern

� aber keine Korrosion im Spaltbereich zum Gewindestab

WerkstofffehlerBefestigungen im maritimen Bereich

Prüflösung: Meerwasser, Nordsee, am Objektstandort entnommen,Prüfung bei T = 20 °C

Freies Korrosions-

potential

Ursache: Ausscheidung von Sigma-Phase in der Randzone

WerkstofffehlerBefestigungen im maritimen Bereich

rechnerische Wirksumme: 32 praktische Wirksumme: < 18

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Weitere Informationen finden Sie unter:

www.bam.de/fb-61.htm