Kurze Einführung in die Technik des kathodischen Korrosionschutzes

1. Allgemeines

Der kathodische Korrosionsschutz ist ein elektrochemisches Schutzverfahren, bei dem über den Elektrolyt (Erdboden oder Wasser) ein elektrischer Gleichstrom auf die zu schützenden Metallstrukturen (Leitungen, Tanks) fliesst. Durch diesen Schutzstrom erfolgt an der Metalloberfläche im Elektrolyten eine kathodische Polarisation. Dadurch wird verhindert, dass Metallionen aus der Metalloberfläche gelöst werden. Jede Art von Korrosion findet immer in Verbindung mit einem Ladungstransport vom Metall in Richtung Elektrolyt statt, das heisst es tritt ein Strom in positiver Richtung aus der Metallstruktur in den Elektrolyt aus. Durch den Ladungstransport werden Metallionen aus der Metallstruktur herausgelöst und es entsteht Korrosion.

Ein Stromfluss vom Eisen in Richtung Elektrolyt kann hauptsächlich durch die folgenden Ursachen hervorgerufen werden:

Lokalelemente (aggressives Erdreich, heterogene Bettung)

Makroelemente  (Galvanische Elemente zwischen Rohrleitungen und geerdeten Sekundärstrukturen mit positiverem Potential)

Streustrombeeinflussung durch Bahnen etc.

Der Korrosionsabtrag ist immer proportional zur Stromstärke, bei Eisen beträgt der Materialabtrag 10g pro mA pro Jahr an der anodisch belasteten Stromaustrittstelle.

Durch den kathodischen Schutzstrom welcher in der umgekehrten Richtung aus dem Elektrolyt in die Metallstruktur eintritt, wird der Korrosionsvorgang durch Kompensation des positiven Ionenstromes gestoppt.

Das Metall / Elektrolyt – Potential einer Metalloberfläche ist abhängig von der Korrosionsgeschwindigkeit.

Mit der Potentialmessung kann deshalb festgestellt werden, wann durch den kathodischen Schutzstrom alle Korrosionsvorgänge aufgehoben sind. Bei Stahl ist das Kriterium des kathodischen Schutzes mit dem Erreichen des Schutzpotentials von –0.85V gegen eine CSE-Referenzelektrode (mit Kupfersulfat gesättigte Kupferelektrode) erfüllt. Dies bedeutet, dass beim Erreichen dieses Wertes an einer Stahloberfläche keine Metallionen mehr aus dem Metall heraus gelöst werden können. Die Korrosionsgeschwindigkeit beträgt dann Null.

Durch den kathodischen Schutz wird das geschützte Objekt auf ein negativeres Potential verschoben, das heisst, dass nur noch Strom in der entgegengesetzten Richtung, also vom Elektrolyt in Richtung Schutzobjekt (Kathode) fliesst.

Der für einen kathodischen Schutz notwendige Schutzstrom richtet sich nach der Art des Schutzobjektes und der Oberfläche desselben, die nachstehende Aufstellung gibt einige Richtwerte.

 

Spezifischer Schutzstrombedarf für verschiedene Objekte

Schutzobjekt

Umhüllung / Aussenisolation

Schutzstrom

mA/m2

Rohrleitung oder Tank aus Stahl im Erdboden

alte Bitumen- oder Kunststoffisolation

0.500 – 2.000

Rohrleitung oder Tank aus Stahl im Erdboden

mittelmässige Kunststoffisolation

0.100 – 0.500

Rohrleitung oder Tank aus Stahl im Erdboden

gute Kunststoffisolation

0.010 – 0.050

Rohrleitung aus Stahl im Wasser (z.B.: Reservoir)

keine

5 - 20

Bewehrungseisen im Beton

keine

2 - 10

Für die Erzeugung des Schutzstromes gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, entweder mit galvanischen Aktivanoden (Opferanoden) aus Magnesium oder Zink unter Ausnützung der Spannungsdifferenz zwischen dem unedleren Anodenmaterial und dem Schutzobjekt aus Stahl, oder mit einer technischen Spannungsquelle (Schutzstromgerät)  in Verbindung mit inerten Passivanoden aus Titan, Ferrum - Silizium oder Niob.

Die Methode mit den galvanischen Aktivanoden hat den Nachteil, dass nur eine relativ kleine Spannung zur Verfügung steht und die Lebensdauer der Anoden wegen dem durch den Schutzstrom an der Anode selbst resultierenden Materialabtrag sehr beschränkt ist.

 

Heute werden hauptsächlich Schutzanlagen mit Fremdstromeinspeisung angewendet, dabei wird mit einem Gleichrichter ein Schutzstrom über eine oder mehrere Passivanoden auf das Schutzobjekt eingespiesen.

Der Vorteil der Schutzanlagen mit Gleichrichter ist, dass der Schutzstrom je nach Anforderung reguliert werden kann, und dass die Passivanoden ohne einen galvanisch bedingten Materialverlust über beinahe unendliche Standzeiten genützt werden können.

Korrosionsschutz-Gleichrichter verfügen über einen stufenlos regulierbaren Leistungsteil sowie über eine entsprechende Messeinrichtung für die Funktionsüberwachung.

In Fällen mit Streustrombeeinflussungen werden auch Gleichrichter mit potentialgeregeltem Ausgang eingesetzt.

Für andere Anwendungen wie z.B. für den kathodischen Schutz von Bewehrungseisen im Eisenbeton mit eingebetteten Netzanoden aus Titan werden Gleichrichter mit konstantem Schutzstrom (Galvanostaten) eingesetzt.

2. Schutzmassnahmen

Es wird unterschieden zwischen passiven und aktiven Korrosionsschutzmassnahmen, häufig ist eine Kombination aus beiden Gruppen notwendig.

Passive Schutzmassnahmen:

Galvanische Auftrennung durch Einbau von Isolierstücken, Isolierungen sowie Auftrennungen mit Abgrenzeinheiten für die elektrische Trennung der korrosionsgefährdeten Objekte von Sekundärstrukturen mit ungünstigen Beeinflussungsfaktoren.

Aktive Schutzmassnahmen:

Kathodische Korrosionsschutzanlagen mit Aktiv- und Passivanoden

 

Streustromableitungen an Leitungen mit Hochspannungsbeeinflussungen

oder mit Beeinflussungen durch Bahnanlagen.

 

Der kathodische Korrosionsschutz (aktive Massnahme) ist die beste Möglichkeit für den Schutz von metallischen Leitungen und anderen erdverlegten Metallstrukturen gegen Korrosionen.

Für die Wirksamkeit des kathodischen Schutzes ist es meist auch notwendig, durch den Einbau von Isolierstücken (passive Massnahme) eine Auftrennung des Objektes von Sekundärstrukturen zu erreichen.

Auch bei Korrosionsangriffen an Bewehrungseisen, z.B. bei chloridkontanimiertem Beton durch eindringendes Tausalz oder Beton mit fortgeschrittener Karbonatisierung ist das kathodische Schutzverfahren die effizienteste und ökonomischste Lösung für einen dauerhaften Schutz gegen korrodierende Armierungseisen.

3. Was sind vagabundierende Ströme ?

Wenn ein Strom nicht auf seinem vorbestimmten Weg fliesst, sondern ganz oder teilweise über stromkreisfremde und besser leitende Strukturen seinen Weg sucht, handelt es sich um einen vagabundierenden Strom. In der Fachsprache werden solche Ströme auch Streuströme genannt.

Der elektrische Strom vagabundiert grundsätzlich nicht, dieser gehorcht vielmehr den physikalischen Gesetzmässigkeiten und nimmt immer den Weg des geringsten elektrischen Widerstandes.

Trotzdem hat sich der Ausdruck vagabundierender Strom durchgesetzt, allerdings mehr wegen den häufig wechselnden Fremdstrukturen welche vom Streustrom als Leiter benützt werden.

Zur Hauptsache entstehen die für erdverlegte Leitungen schädlichen Streuströme durch Gleichstrombahnen. Der Bahnstrom welcher auf den Schienen zum Speisepunkt zurückfliessen sollte, sucht teilweise seinen Weg über benachbarte erdverlegte Leitungen. An den Leitungen findet im Erdreich ein Streustrom – Eintritt wie auch ein Streustrom – Austritt statt, an der Stromaustrittstelle findet am Rohr durch Elektrolyse ein zum Strom proportionaler Materialabtrag statt (10 Gramm Eisen pro mA x Jahr!).

Solche vagabundierenden Ströme erreichen Werte von einigen hundert Milliampere bis zu einigen Ampere, in einzelnen Fällen fliessen bis zu einigen zehn Ampere !

Gegen Streustrombeeinflussungen an bestehenden Leitungsnetzen können verschiedene Massnahmen ergriffen werden, diese müssen von Fall zu Fall individuell bestimmt werden.

Es sind dies:

Drainageverbindungen zwischen der Rohrleitung und dem Schienensystem welche den Streustrom auf galvanischem Weg zurückfliessen lassen, dadurch kann der Materialabtrag durch die Aufhebung der  elektrolytischen Vorgänge gestoppt werden.

Kathodenschutzanlage mit einem potentialgesteuerten Gleichrichter welcher die häufig stark schwankenden Streuströme durch den Schutzstrom entsprechend kompensiert.

Auftrennung des Leitungsnetzes durch Einbau von Isolierstücken zur Verminderung der Längsleitfähigkeit und als Auftrennung gegen das Erdungssystem, damit wird vor allem das Verschleppen der Streuströme über längere Strecken verhindert.

Galvanische Ableitung der Streuströme über Wechselstromableiter und Abgrenzeinheiten aus antiparallelen Dioden.

Meist werden mehrere der genannten Massnahmen kombiniert angewendet.

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Safety & protection for tanks & pipelines

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