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Richtlinien der Schweizerischen Gesellschaft für Korrosionsschutz (SGK) beschreiben umfassend und praxisnah Spezialgebiete des Korrosionsschutzes und unterstützen bei der Planung, Umsetzung, Inbetriebnahme und Wartung der betroffenen Anlagen. Im Falle der Richtlinie C5 [1] betrifft dies den Behälter, die zugehörigen Rohrleitungen sowie Korrosionsschutzmassnahmen inklusive dem kathodischen Korrosionsschutz (KKS). Dabei werden besonders die Rahmenbedingungen, die korrekte Installation und die Inbetriebnahme für einen optimalen Betrieb der Korrosionsschutzmassnahmen behandelt.
Da der Anwendungsbereich lediglich auf Öltanks ausgelegt war, wurde die Richtlinie revidiert. Denn verschiedene Schäden an Behältern für Gas und Wasser haben gezeigt, dass Korrosionsschutzmassnahmen für den sicheren und dauerhaften Betrieb dieser Anlagen ebenfalls von zentraler Bedeutung sind. Daher hat die neue Richtlinie C5 einen erweiterten Anwendungsbereich und ermöglicht damit eine gezielte Verbesserung der Korrosionssituation von sämtlichen erdverlegten Behältern. Dies ist insbesondere angesichts der steigenden Zahl an Biogasanlagen und Wasserbehältern von zentraler Bedeutung.
Die Mechanismen, die oft zu einem frühzeitigen Versagen dieser Anlagen führen, werden im Folgenden aufgezeigt. Zudem werden die verschiedenen Schutzmassnahmen dargelegt und deren Wirksamkeit diskutiert. Die Details zu deren Umsetzung werden nicht im Detail erläutert, da diese vertieft in der neuen C5 dargelegt werden.
Korrosion wird nach SN EN ISO 8044 definiert als eine physikochemische Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung, die zu einer Veränderung der Eigenschaften des Metalls führt und die zu erheblichen Beeinträchtigungen der Funktion des Metalls, der Umgebung oder des technischen Systems führen kann. Im Zusammenhang mit erdverlegten Strukturen bezieht sich diese Definition primär auf die elektrochemische Reaktion des Werkstoffs in einer feuchten Umgebung mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff. Der elektrochemische Korrosionsvorgang läuft in zwei getrennten Teilreaktionen ab.
Zum einen erfolgt die anodische Metalloxidation. Dabei wird das Metallatom aus der Gitterstruktur des Metalls herausgelöst, gibt Elektronen ab und geht als positiv geladenes Ion entsprechend Reaktion (1) in die Wasserphase (Elektrolyten) über:
Fe → Fe2+ + 2e– (1)
Zum anderen erfolgt die kathodische Sauerstoffreduktion entsprechend Reaktion (2).
O2 + 2H2O + 4e– ↔ 4OH– (2)
Damit der Korrosionsprozess ablaufen kann, muss in gleichem Masse Sauerstoff reduziert werden, wie Eisen durch Oxidation aufgelöst wird. Das heisst, die Anzahl der bei der Oxidations- und Reduktionsreaktion umgesetzten Elektronen muss immer gleich sein. Dieser Zusammenhang ist in Figur 1 mithilfe der Pfeile dargestellt. Ein Korrosionsprozess wird dabei als ein aus dem Metall austretender Pfeil dargestellt. Demgegenüber zeigt ein in das Metall eintretender Pfeil eine Sauerstoffreduktion an.
Die Oxidationsreaktion entsprechend (1) wird nicht nur durch den pH-Wert des Umgebungsmediums, sondern auch durch das Potenzial an der Grenzfläche Metall/Elektrolyt bestimmt. So kann die Reaktion erst ablaufen, wenn das Metall/Elektrolyt-Potenzial positiver als das Gleichgewichtspotenzial dieser Reaktion ist. Dieses Gleichgewichtspotenzial errechnet sich aus der Nernst-Gleichung. Für Eisen beträgt der Wert –0,97 VCSE.
Daraus folgt, dass Eisen in neutraler Umgebung bei Anwesenheit von Sauerstoff korrodieren muss, da der Sauerstoff das Potenzial der Metall/Elektrolyt-Grenzfläche in positiver Richtung verschiebt. Dieses Mischpotenzial, das sich bei der Überlagerung der Reaktionen (1) und (2) ergibt, wird als Korrosionspotenzial bezeichnet. Dessen Wert ist in hohem Mass von der Elektrolytzusammensetzung, der Deckschichtbildung und der Sauerstoffdiffusion abhängig.
Je schneller Sauerstoff an die Metalloberfläche diffundiert, umso positiver wird das Potenzial der Metall/Elektrolyt-Grenzfläche und entsprechend schneller läuft die Korrosionsreaktion ab. Unter gewissen Umständen, das heisst bei Bildung von stabilen Deckschichten, können bei Flächenkorrosion jedoch durchaus akzeptable Nutzungsdauern von Anlagen erreicht werden.
Oft werden aber bei der Bildung von galvanischen Elementen bedeutend höhere Korrosionsgeschwindigkeiten an erdvergrabenen Strukturen beobachtet.
Ein galvanisches Element bildet sich, wenn Werkstoffe mit unterschiedlichem Korrosionspotenzial gleichzeitig elektrisch und elektrolytisch leitend miteinander verbunden werden. Die Erhöhung der Korrosionsgeschwindigkeit ist die Folge der unterschiedlichen Korrosionspotenziale der beiden Werkstoffe, die sich in Wechselwirkung mit Sauerstoff und dem Umgebungsmedium einstellen. Nachfolgend sind einige ausgewählte Beispiele typischer Korrosionspotenziale aufgeführt:
|Metall||Potenzial [VCSE]|
|Kupfer||0,00 bis –0,20|
|Stahl in Beton||0,00 bis –0,20|
|Stahl in belüftetem Boden ρ < 100 Ω m||–0,45 bis –0,65|
|Stahl in belüftetem Boden 100 Ω m < ρ < 1000 Ω m||–0,30 bis –0,50|
|Stahl in belüftetem Boden ρ > 1000 Ω m||–0,20 bis –0,40|
|Stahl in anaerobem Boden||–0,65 bis –0,80|
|Zink||–0,90 bis –1,10|
Korrosionspotenzial von verschiedenen Werkstoffen
Da die Sauerstoffreduktion in der Regel auf der gesamten erdverlegten metallischen Oberfläche abläuft, die Korrosionsreaktion aber auf die Stahloberfläche mit dem negativsten Korrosionspotenzial begrenzt ist, konzentriert sich der ursprüngliche Korrosionsstrom des Stahls lokal. Dieser Effekt wird umso ausgeprägter, je kleiner der Flächenanteil des Bauteils mit negativerem Potenzial im Verhältnis zu jenem mit positiverem Korrosionspotenzial ist.
Da die Korrosionsgeschwindigkeit direkt proportional zu der aus der Stahloberfläche austretenden Stromdichte (also Strom pro Fläche) ist, ergibt sich eine umso grössere Korrosionsgeschwindigkeit, je kleiner die Fläche mit dem negativsten Potenzial (Anode) im Verhältnis zur Fläche ist, auf welcher die Sauerstoffreduktion abläuft.
Gemäss Faraday’schem Gesetz folgt direkt, dass ein Stromaustritt von einem Ampere während eines Jahrs zu einem Materialabtrag von 9,13 kg führt. Bezieht man diesen Materialabtrag auf eine Fläche von 1 m2, erhält man die lineare Abtragsrate w. Sie beträgt für Eisenwerkstoffe w(Fe) = 1,12 mm∙A–1∙a–1. Wenn man berücksichtigt, dass bei lokalem Angriff bereits 1 cm3 zu einem Durchbruch einer Stahlwand führen kann, so erkennt man die grosse Gefahr, die durch galvanische Elementbildung hervorgerufen wird.
Aus dem Vergleich der Korrosionspotenziale wird klar, dass nicht nur die elektrische Verbindung von Stahl mit Kupfer oder mit Stahl in Beton zur Bildung eines galvanischen Elements führt. Demzufolge kann die galvanische Elementbildung an längsleitfähigen erdvergrabenen Strukturen kaum verhindert werden, da immer mit unterschiedlichen Korrosionspotenzialen aufgrund von unterschiedlichen Bodenbeschaffenheiten entsprechend Figur 2 zu rechnen ist.
In der Diskussion der Korrosionsmechanismen zeigt sich klar, dass die Korrosionsgefährdung von erdverlegten Behältern in erster Linie eine Folge der galvanischen Elementbildung ist. Die primäre Ursache galvanischer Elementbildung stellt dabei der elektrische Kontakt zu Erdungssystemen dar. Diese Situation ist schematisch in Figur 3 dargestellt. Es folgt somit, dass sich die primäre Korrosionsgefährdung von erdverlegten Behältern aus der direkten Verbindung zu Erdungssystemen ergibt. Dadurch wird die Korrosionsgeschwindigkeit stark erhöht, wobei je nach Ausgangslage Werte von 0,2 bis 2 mm/Jahr erreicht werden können.
Da diese zu einer relevanten Verringerung der Nutzungsdauer des Behälters führen, sind Korrosionsschutzmassnahmen zu treffen. Die Korrosionsgeschwindigkeit kann in einem ersten Schritt durch eine galvanische Trennung zur Erdungsanlage stark verringert werden. Eine weitere Verringerung der Korrosionsgeschwindigkeit wird durch die zusätzliche Installation eines kathodischen Korrosionsschutzes ermöglicht. Diese beiden Schutzmassnahmen werden in den folgenden Kapiteln erläutert.
Die galvanische Trennung wird durch den Einbau einer Isolierkupplung erreicht. Damit wird das galvanische Element mit der Erdungsanlage unterbrochen und die primäre Ursache für die erhöhte Korrosionsgeschwindigkeit eliminiert. Diese Massnahme vermag aber das Auftreten von galvanischer Korrosion nicht komplett zu unterbinden. So kann es zwischen einzelnen Fehlstellen in der Umhüllung gemäss Figur 4 noch immer zur Bildung eines sogenannten galvanischen Belüftungselements kommen.
Während dieser Korrosionsprozess bei einzelnen Behältern mit homogener Bettung vergleichsweise langsam sein kann, ist in verschiedenen Fällen noch immer mit relevanter Korrosion zu rechnen:
– bei Anlagen bestehend aus mehr als einem Behälter resp. weitreichender Verrohrung
– bei schlechter Umhüllungsqualität
– bei Beeinflussung durch Streustromgradienten von Erdungsanlagen oder Bahnen
In diesen Fällen kann der Korrosionsschutz durch die Installation eines kathodischen Korrosionsschutzes weiter verbessert werden.
Das Prinzip des kathodischen Schutzes besteht darin, die galvanischen Elemente zwischen unterschiedlichen Fehlstellen zu kompensieren. Zudem werden die Angriffsmittel im Erdboden (Sauerstoff) mithilfe von Elektronen, die nicht von der Metallauflösung stammen, sondern die entweder von der Auflösung einer Opferanode oder von einem Schutzstromgerät in die zu schützende Anlage gelangen, in ungefährliche Stoffe umgewandelt (Hydroxidionen), die zu einer Erhöhung des pH-Werts an der Stahloberfläche führen (Fig. 5). In anaeroben Böden oder bei langsamer Nachdiffusion von Sauerstoff wird nebst der Reduktion von Sauerstoff gemäss Reaktion (2) zusätzlich Wasserzersetzung gemäss Reaktion (3) ablaufen:
2H2O + 2e– → H2 + 2OH– (3)
Dabei kommt es zur Bildung von Wasserstoff und zusätzlich zur Erhöhung des pH-Werts. Dieser erhöhte pH-Wert erzeugt einen wirksamen Korrosionsschutz des Stahls, da die Bildung eines schützenden Passivfilms möglich wird.
Damit eine Anlage kathodisch vor Korrosion geschützt werden kann, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein:
– Um den Schutzstrombedarf zu begrenzen, muss die Anlage eine isolierende Umhüllung aufweisen.
– Um den Schutzstromabfluss in geerdete Anlagen und Fremdstrukturen zu vermeiden, muss die Anlage von solchen Anlagenteilen galvanisch getrennt werden (mit Isolierstücken, Trenntransformatoren usw.).
– Die Anlage muss eine gute elektrische Längsleitfähigkeit aufweisen.
– Der Anstieg des pH-Werts an der Stahloberfläche muss möglich sein. Dazu muss die Anlage in einem feinkörnigen Boden gebettet oder mit einer Zementmörtelumhüllung versehen sein. Alternativ muss die Bildung von Kalkdeckschichten möglich sein.
Bei erdverlegten Behältern ermöglicht die galvanische Trennung in vielen Fällen bereits eine signifikante Erhöhung der Nutzungsdauer. Die Risiken von frühzeitigem Ausfall der Anlage durch galvanische Elementströme oder Streuströme von Gleichstromanlagen werden dadurch wirksam unterbunden.
Bei schlechter Umhüllungsqualität insbesondere in Kombination mit heterogener Bettung kann es aber auch bei wirksamer galvanischer Trennung zu frühzeitigen Schäden kommen. Mit dem Einbau des KKS wird auf jeden Fall eine deutliche Verbesserung der Schutzwirkung erreicht.
Zur Erhaltung der Infrastruktur und der langen Nutzungsdauer eines erdvergrabenen Behälters aus Stahl empfiehlt sich in jedem Fall die sorgfältige galvanische Trennung des Behälters und der zugehörigen Rohrleitungen von der Bauwerkserde. Im Rahmen einer solchen Investition lohnt es sich, auch die Installation eines KKS zu bedenken. Denn gerade bei schlechter, inhomogener Bettung des Behälters können immer noch galvanische Elemente entstehen, die zu relevanten Korrosionsgeschwindigkeiten führen. Ausserdem bietet der KKS eine einfache Möglichkeit, die galvanische Isolation des Behälters von der Bauwerkserde zu kontrollieren, indem die Betriebsparameter des KKS überwacht resp. regelmässig registriert werden.
Die Richtlinie C5 beschreibt die Vorgehensweise für die Umsetzung eines kathodischen Korrosionsschutzes. In der Praxis können sich jedoch Widersprüche mit technischen Vorschriften und Weisungen ergeben: So schreibt das ESTI in der WeT [2] vor, dass im Bereich von Tankanlagen, bei denen besondere Gefahren zu erwarten sind, eine einzige vermaschte Erdung zu erstellen ist. Das widerspricht der galvanischen Trennung des Behälters von der Bauwerkserde zur Verhinderung von galvanischen Elementen. In solchen Fällen kann die Anbindung an die Erdung über eine Abgrenzeinheit erstellt werden. Diese besteht aus mindestens zwei antiparallelen Dioden, die geringe Spannungsdifferenzen bis zur Schwellspannung sperren. Diese Spannung kann über die Anzahl der eingesetzten Dioden eingestellt werden. Wenn die Schwellspannung überschritten wird, wie zum Beispiel bei einem Blitzschlag oder einer Fehlfunktion/-installation eines elektrischen Betriebsmittels am Behälter, wird die Abgrenzeinheit leitend und stellt die Erdung des Behälters sicher.
Die neue Fassung der C5 ermöglicht die einfache und zielführende Umsetzung eines praxisgerechten Korrosionsschutzes von erdverlegten Behältern. Den Anforderungen an neuartige Technologien wird damit Rechnung getragen. Die aufgezeigten Lösungsansätze ermöglichen einen effizienten, praxisnahen und ökonomischen Korrosionsschutz, der die komplexen Einflussgrössen und Randbedingungen berücksichtigt.
[1] AG Korrosionskommission (2018): «C5 Richtlinie für Projektierung, Ausführung und Betrieb des Korrosionsschutzes erdverlegter Behälter aus Stahl und zugehörigen Rohrleitungen»
[2] Eidgenössisches Starkstrominspektorat ESTI (2013): Nr. 503.0703 d, «Weisungen für Schutzmassnahmen gegen gefährdende Wirkungen des elektrischen Stromes in Tankanlagen mit oder ohne Bahnanschluss (WeT)»
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