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Download Kritische Betrachtungen zu Mi Muldenkorrosion entsteht bei heterogenen Mischelektroden. Die Heterogenitäten

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  • Kritische Betrachtungen zu Mischkonstruktionen

    Die Einfhrung von "rostfreien Sthlen" fr Rohrsysteme auf Klranlagen wargleichzeitig damit verbunden, dass sich die Mischkonstruktionsbauweise und eineUnzahl von galvanischen Trennungen zur vermeintlichen Verhinderung vonKontaktkorrosion auf Klranlagen verbreitet haben. Die hufig vllig berflssigen,unwirksamen oder defekten galvanischen Trennungen belegen, dass diese Techniknie gnzlich verstanden wurde und dass nach wie vor unntig komplizierte undvermeintlich kostengnstige Systeme ohne Nachkontrollen und mit Restrisikenrealisiert werden.

    1. Einleitung1.1 Kontaktkorrosion beifeuerverzinkten Sthlen

    Feuerverzinkte Rohrleitungssysteme auf Klranlagenwerden seit Jahrzehnten verwendet. Anfnglichentstanden zwar im Bereich der Beckenabgnge bzw. -eingnge Korrosionsschden in Form vonMuldenkorrosion, ausgeprgter als die blicheEigenkorrosion. Die Ursache war Kontaktkorrosion,ausgelst durch galvanische Elemente. Beispielsweisewaren die betroffenen Teile mittels Erdleiter oder berBefestigungen elektrisch leitend direkt oder indirekt mitdem Armierungsstahl der Becken verbunden gewesen.Trotz der Zinkkarbonat-Deckschicht derFeuerverzinkung wurde der metallische berzug undschliesslich auch der darunter liegende niedriglegierteStahl mit Korrosionsraten von ber 1 mm/a lokal auf-gelst [1].

    1.2 Mischkonstruktionen auf Klranlagen

    Seit etwa zehn Jahren haben sich "nicht- rostendeRohrsysteme", eine Ausfhrung in austenitischem,hochlegiertem Stahl, immer mehr verbreitet. Nebst der"Rostfreiheit" versprachen sie, ohne Rostzuschlge frdie Wanddicken auszukommen und somit leichter undhandlicher zu werden. Das konnte einen Teil ihresKosten-Handicaps wettmachen, schliesslich warendazumal die Kilopreise gegenber C-Stahl noch relativhoch. Ausserdem entfielen gegenber derFeuerverzinkung einige Arbeitsschritte wie Demontage,Feuerverzinken, Wiedermontage, ohne dass man auf dieVorzge metallischer Werkstoffe verzichten musste.

    Allerdings wurde der Praxis-Grundsatz, wonachartgleiche, einheitliche Werkstoffe "am wenigstenProbleme" machen, angesichts der Kosten undLieferzeiten von Armaturen im elektrochemischartgleichen Werkstoff, sehr schnell aufgegeben.

    Es entstand ein Kompromiss:"Weisse Rohrleitungen,schwarze Armaturen" - und die heute typischeMischkonstruktionsbauweise fr Klranlagen war

    geboren. Doch dieser Kompromiss hatte einige Folgenmit Tragweite.

    2. Galvanische Elemente

    2.1 Makroelemente als Ursachen frMuldenkorrosion

    In wsseriger Umgebung korrodiert niedriglegierter Stahlaufgrund elektrochemischer Vorgnge auf seinerbenetzten Oberflche, d. h. zwischen elektrochemischaktiven und passiven Elementen, die insgesamt eingalvanisches Element bilden. Aufgrund der Grsse derElemente sind zu unterscheiden:

    Mikroelemente:

    Das Korngefge und der Oberflchenzustand bewirkenkleinste aktive und passive Bereiche(Anoden/Kathoden). Eine gleichmssigeFlchenkorrosion entsteht, wenn bezglichOberflchenzustand und Medium homogeneVerhltnisse vorliegen (homogene Mischelektrode).

    Makroelemente:

    Muldenkorrosion entsteht bei heterogenenMischelektroden. Die Heterogenitten habenverschiedene Ursachen:

    Mediumseitig: Korrosion durchKonzentrationselemente (Spaltkorrosion,Belftungselemente)

    Metallseitig: Ausscheidungen an Korngrenzen

    Fremdbeeinflussung: Metallpaarungen(Kontaktkorrosion), Streustrme, indirekterKontakt mit Fremdkathoden (Abb. 1 bis 5)

    Zum Verstndnis werden die wichtigsten Makroelementenachfolgend kurz erlutert.

    Ingo Wulff, SCE GmbH,8634 HombrechtikonErschienen: gwa 10/99

  • A Hochlegierter Stahl in

    belftetem Abwasser

    (in Extremfllen

    ca.-200

    ca. -200

    +100 mV

    +500 mV)

    B Passivierter Armierungsstahl

    im wasserfhligen,

    alkalischen Beton (ohne

    Elementbildung) ca.-100 -200 mV

    C dito, aber in trockenem

    Beton ca.-200 0 mV

    D Unlegierter Stahl in

    belftetem Abwasser ca.-450 -650 mV

    E Unlegierter Stahl in

    anaerobem Abwasser ca.-700 -950 mV

    F Feuerverzinkung in

    belftetem Abwasser (blank,

    Reinzinkschicht, ohne

    Zinkkarbinat-Deckschicht

    oder Kalkablagerungen ca.-800 -1000 mV

    Abb.1 Freie Korrosionspotentiale gegenber Cu/CuSO4-Bezugselektrode von auf Klranlagen typischen Metalllegierungen(C6) [3]

    Abb. 2 Galvanisches Element aus Rohrleitung in C-Stahl, im Bereichder Mauerdurchfhrung passiviert (Kathode) und im anschliessenden

    wasserberhrten Bereich (Anode) perforoert

    2.2 Konzentrationselemente

    In neutrale Wsser eingetauchte, korrosionsfhigeMetalle korrodieren mehrheitlich nach dem Sauerstoff-Korrosionstyp. Es stellt sich eine bestimmteEigenkorrosionsrate und ein Ruhepotential ein,abhngig davon, wie viel freier Sauerstoff im Wasser frdie (Sauerstoff-)Korrosion vorhanden ist, ferner vonvorhandenen Oxidationsmitteln (Suren) undDeckschichten (z. B. Korrosionsprodukte,Ablagerungen). Geschwindigkeitsbestimmend ist die"Durchtrittsreaktion", d.h. die Reaktion der Elektronen inder elektrolytischen Doppelschicht [1].

    Ein bekanntes Beispiel ist die Spaltkorrosion. AmSpaltmund mit geringerer Konzentration aggressiverStoffe entsteht die edlere Kathode, im Spaltgrund dieunedlere Anode. Aufgrund von Geometrie undElektrolytwiderstand ergibt sich, dass dieKathodenflche grsser ist als die Anodenflche. Diesesungnstige Grssenverhltnis der Flchen untersttztden Vorgang zustzlich.

    Beim Belftungselement wird die weniger belfteteOberflche (gemeint ist eine wsserige Umgebung mitweniger Sauerstoffangebot) ein hheres Ruhepotentialeinnehmen als belftete Partien. Die Stelle mit demhheren Potential ist unedler und wird zur Anode miterhhter Korrosionsgeschwindigkeit, whrend die edlereStelle zur Kathode mit reduzierter Korrosionsrate wird.

    Konzentrationselemente treten in der Praxis hufig auf,und zwar infolge

    unterschiedlicher Oberflchen undOberflchenzustnde: Rostablagerungen,Oxidschichten (Anlassfarben), Zunderschichten,Beschichtungen, Verschmutzungen, Ablagerungen

    unterschiedlichen Sauerstoffgehalts im Elektrolyt:Erdboden, Grundwasserschichten, Wechselzonen,Brunnenstube

    2.3 Kontaktkorrosion

    Werden elektrisch leitend verbundene, unterschiedlicheMetalle (z.B. geschraubt) in einen Elektrolyt (z.B.Abwasser) eingetaucht, wird das elektrochemischunedlere Metall in der Nhe der Kontaktstelle strkerangegriffen, als es alleine im gleichen Elektrolytangegriffen wrde (Abb. 6). FeuerverzinkteFlanschschrauben in einem hochlegierten,eingetauchten Flansch weisen beispielsweise schonnach wenigen Monaten Rotrost auf.

    Abb. 3 Drftig beschichtetes Rhrwerk, weder isoliert aufgehngt,noch mit Auftrennungen de PE-Leiters, mit Korrosionsschden nach

    kurzer Nutzungsdauer im Bereich des Leitapparates

  • 3. Bedingungen fr galvanische Elemente

    In der Praxis wird vielfach irrtmlich schon der alleinigeKontakt verschiedener Metalle oder einePotentialdifferenz (gemss Spannungsreihe) alsausreichend fr ein wirksames galvanisches Elementgehalten. In Abbildung 1 sind einige freieKorrosionspotentiale gemss [3] aufgefhrt.

    Aus Abbildung 6 ist zu erkennen, dass fr dieEntstehung eines galvanischen Elementes drei Kriterienerfllt sein mssen, nmlich:

    a. Ausreichende Differenz der freienKorrosionspotentiale der beiden kombiniertenMetalle

    b. Nicht jeder Werkstoffwechsel bewirkt einePotentialdifferenz. Fr genaue Abklrungengengen Abschtzungen nicht, die auf praktischenSpannungsreihen sowie auf Angaben fr freieKorrosionspotentiale der Fachliteratur und derNormen (z. B. DIN 30976) beruhen. Wennmglich, sollen die realen Korrosionspotentiale vorOrt ermittelt werden.

    c. Elektronen-Leitung zwischen den beiden Metallen

    d. Ist der Stromkreis zwischen der Metallpaarungwirksam unterbrochen, beispielsweise infolgeeiner galvanischen Auftrennung (Isolation), kannkein Korrosionsstrom fliessen und auch keineKontaktkorrosion entstehen.

    e. Ionen-Leitung zwischen den beiden Metallen

    f. Fehlt der Elektrolyt (auch in Form von Kondensat)fr die beiden Metalle, wie beispielsweise anWerkstoffwechseln in (nicht eingetauchten)Belftungs- und Gasleitungen (Abb. 7), kannebenfalls kein Korrosionsstrom fliessen.

    Sind hingegen die beiden Metalle an der Kontaktstelleisoliert, aber anderweitig elektrisch leitend verbunden,wirkt der Elektrolytwiderstand der Elektrolytstrecke,entsprechend der Dicke der Isolation, derAnodenauflsung entgegen.

    4. Das Ausmass der Kontaktkorrosion durchgalvanische Elemente

    Auch wenn die Bedingungen fr ein galvanischesElement vorliegen, muss nicht zwingend eineausgeprgte Kontaktkorrosion ablaufen.

    Abb. 4 Schlammabsaugung inMischkonstruktion. Die galvanischeAuftrennung zwischen weissem und

    schwarzem Stahl, beschichtet, war korrektund wirksam, hingegen fehlte dieAuftrennung des PE-Leiters fr die

    Tauchpumpe

    Abb. 5 Der feuerverzinkte Schtzenrahmenzeigt gut die Verteilung der Korrosionsangriffedurch galvanische Elementbildung mit der

    Armierung. Er wurde auf Grund der sichtbarenKorrosionsangriffe demontert, neu verzinktund galvansich korrekt aufgetrennt montiert.

    Abb. 7 Gasleitung in Mischkonstruktion undgalvanischen Auftrennungen mittelsKragenhlsen im Lochbold der Flanschen von

    schwarzen Armaturen, obwohl kein Elektrolytvorhanden ist. Erdungsbrcken fehlen. Esbesteht eine unbeabsichtige Funkenstrecke.

  • Abb 6 Galvansiches Element mit der Folge Kontaktkorrosion

    Das Ausmass ist vom Widerstand R gemss Abbildung6 abhngig. Der Widerstand R reprsentiert denParallelwiderstand der ohmschen Widerstnde auf derSeite der Metallstruktur inkl. galvanischer Trennungenund eines Serienwiderstands auf der Elektrolytseite,gebildet aus dem Widerstand der wirksamenWassersule und von Durchgangswiderstnden auf denbenetzten Metalloberflchen [6].

    Metallseitig: Die wir

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