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Die Nutzungsdauer von metallischen Anlagen wird häufig durch Korrosion beeinträchtigt. Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurden erhebliche Fortschritte im Korrosionsschutz gemacht, was in vielen Anwendungen stark erhöhte Nutzungsdauern ermöglicht. Während beim metallischen Grundwerkstoff kaum Veränderungen vorgenommen wurden, führten neue Beschichtungen und Applikationsverfahren zu einer höheren Dauerhaftigkeit. Trotz dieser Neuerungen werden in der Praxis immer wieder Fälle beobachtet, wo aufgrund der Missachtung der aktuellen Regeln der Technik ein stark erhöhter Korrosionsabtrag erfolgt, der zu einem Versagen von Bauteilen bereits nach wenigen Jahren führt. Dies ist umso ärgerlicher, weil die zugehörigen Mechanismen und die Schutzmassnahmen bereits seit geraumer Zeit bekannt sind und sich viele der Schäden mit deren Berücksichtigung problemlos verhindern liessen.
Es ist allgemein anerkannt, dass Streuströme von Gleichstrombahnen Korrosionsangriffe verursachen können und dass die metallische Verbindung von unterschiedlichen Werkstoffen zu einer erhöhten Korrosionsgeschwindigkeit des unedleren Werkstoffs führt. Trotz der Kenntnis der negativen Auswirkung von Stromfluss und von elektrischen Verbindungen zwischen unterschiedlichen Werkstoffen, wird diesem Zusammenhang bei der Planung und dem Bau von Infrastrukturanlagen kaum Beachtung geschenkt. Besonders kritisch ist die Situation, wenn in der Planung von trockenen Bedingungen ausgegangen wird und sich aufgrund des neuartigen Betriebes der Heizungsleitung für die Kühlung nasse Bedingungen einstellen. Die neue Verwendung von bestehenden Heizungssystemen zur Kühlung führt daher zu Korrosionsschäden, die bisher nicht bekannt waren.
Die zugrundeliegenden Effekte und wirksame Schutzmassnahmen sind in den SVGW-Merkblättern W10 015 [1] sowie W10 018 [2] für die Anwendungsfälle der Aussenkorrosion von erdverlegten Rohrleitungen sowie Innenkorrosion in Hausinstallationen beschrieben und im Folgenden erläutert.
Beim Eintauchen von Zink und Kupfer in einen gemeinsamen Elektrolyten, zum Beispiel in eine Kupfersulfatlösung, und beim gleichzeitigen Erstellen einer elektronenleitenden Verbindung der beiden Elektroden kommt es aufgrund der unterschiedlichen Potenziale der beiden Werkstoffe zu einem Stromfluss und zum Ablauf von elektrochemischen Reaktionen. Diese Situation ist in Figur 1 dargestellt. Dieser Stromfluss hat zur Folge, dass Kupferionen auf der Kupferplatte durch Stromeintritt als metallisches Kupfer abgeschieden werden, während das Zink durch Stromaustritt und die dadurch verursachte Korrosion an der Zinkelektrode aufgelöst wird. Der durch die Korrosion von Zink ermöglichte Stromfluss wird in Batterien technisch genutzt, z. B. für den Betrieb einer Taschenlampe. Sobald alles Zink wegkorrodiert ist, kommt der Stromfluss zum Erliegen und die Batterie ist entladen.
Dieses Beispiel verdeutlicht die Voraussetzung für das Auftreten der beschleunigten Korrosion: Die beiden Elektroden mit unterschiedlichem Potenzial, bestehend aus Zink und Kupfer, müssen sowohl elektrolytisch ionenleitend) als auch metallisch (elektronenleitend) miteinander verbunden sein. Durch Entfernen des Elektrolyten oder durch Ausschalten der Taschenlampe kann der Stromkreis unterbrochen und die Korrosion stark verringert werden.
So weit sind die Zusammenhänge klar und allgemein akzeptiert. Es ist nun so, dass nicht nur der metallische Kontakt von unterschiedlichen Werkstoffen zur Bildung eines galvanischen Elements führen kann. Auch Eisenwerkstoffe, die in unterschiedlichen Medien eingebettet sind, können Differenzen im Potenzial aufweisen. Bei deren metallischen und elektrolytischen Verbindung kommt es wie in Figur 1 zur Bildung eines galvanischen Elements. Die Funktionsweise einer batteriebetriebenen Taschenlampe ist allgemein geläufig und die Effekte eines galvanischen Elements sollen daher kurz anhand dieses Beispiels erläutert werden. Bei eingeschalteter Taschenlampe (Fig. 1a) ist die elektronenleitende Verbindung zwischen den beiden Elektroden der Batterie hergestellt, der Strom fliesst, die Taschenlampe leuchtet, das Zink korrodiert und die Batterie entleert sich. Nach dem Ausschalten der Taschenlampe ist die elektronenleitende Verbindung unterbrochen, der Strom ist null, die Taschenlampe leuchtet nicht und das Zink korrodiert kaum mehr. Die Korrosion kann also durch Unterbrechen der elektronenleitenden Verbindung gestoppt werden, obwohl die elektrolytische Verbindung der beiden Elektroden innerhalb der Batterie bestehen bleibt. Die beiden Elektroden in der Batterie sind nach wie vor über den Elektrolyten der Batterie miteinander verbunden. Trotzdem wird das Entladen der Batterie gestoppt.
Dieser Effekt der galvanischen Korrosion ist besonders ausgeprägt bei der elektrischen Verbindung von Stahl im Erdboden mit Stahl im Beton. Da Beton einen hohen pH-Wert aufweist, kommt es im Beton auf der Stahloberfläche zur Bildung einer sogenannten Passivschicht. Diese Passivschicht verringert die Korrosionsgeschwindigkeit auf ein technisch vernachlässigbares Mass und führt zu einem elektrochemischen Verhalten des Stahls, das vergleichbar ist mit jenem eines Edelmetalls. Dabei steigt das Potenzial des Stahls im Beton auf positivere Werte an und wird vergleichbar mit jenem von Kupfer, welches ein Edelmetall ist. In Tabelle 1 sind die Potenziale verschiedener Metalle dargestellt. Es zeigt sich, dass die passiven Werkstoffe nichtrostender Stahl sowie Stahl in Beton ein Potenzial vergleichbar mit jenem von Kupfer aufweisen.
|Metall||Potenzial [VCSE]|
|Kupfer in Wasser||–0,10|
|Nichtrostender Stahl in Wasser||–0,10|
|Stahl in Beton||–0,10|
|Stahl in belüftetem Wasser oder Boden||–0,55|
|Stahl in stagnierendem Wasser oder schlecht belüftetem Boden||–0,75|
|Verzinkter Stahl in Wasser oder im Boden||–1,0|
Tab. 1 Typische Potenziale von verschiedenen Werkstoffen in unterschiedlichen Medien. Die Potenziale wurden gegen eine Kupfersulfatelektrode (CSE) gemessen.
Basierend auf der Beschreibung des galvanischen Elements wird deutlich, dass unterschiedliche Potenziale die Voraussetzung für die beschleunigte Korrosion aufgrund galvanischer Elemente bei gleichzeitiger metallischer und elektrolytischer Verbindung sind.
Dies hat weitreichende Konsequenzen für erdverlegte Rohrleitungen, die für die Erdung von elektrischen Anlagen verwendet werden oder durch Zufallskontakte mit diesen Erdungsanlagen verbunden sind. Die Passivierung von Stahl in Beton hat zur Folge, dass die metallische und somit elektronenleitende Verbindung von Stahl im Erdboden mit Stahl im Beton ebenfalls zur Bildung von galvanischen Elementen führt. Dabei kommt es zur beschleunigten Auflösung des Eisens oder Stahls im Boden, während auf der passiven Stahloberfläche im Beton Sauerstoff reduziert wird. In Figur 2 ist dieser Prozess schematisch für die Hauseinführung einer Wasserleitung dargestellt. Das Erdungsobligatorium an die Wasserleitung hat in der Vergangenheit dazu geführt, dass ebendiese Elementbildung in Liegenschaften systematisch vorgenommen wurde. Die dadurch verursachte Korrosion durch Stromaustritt aus der Rohrleitung (roter Pfeil) und Stromeintritt in die Bewehrung (blaue Pfeile) führt typischerweise innerhalb von 10 bis 40 Jahren zur Leckage an Rohrleitungen (Fig. 3). In gewissen ungünstigen Fällen von sehr grossen Fundamenten und niederohmigen Böden ist der Schaden bereits nach wenigen Jahren aufgetreten. Ohne Bildung von galvanischen Elementen, das heisst bei Unterbrechung der elektronenleitenden Verbindung mithilfe eines Isolierstücks, kann mit diesen Werkstoffen durchaus eine Nutzungsdauer von 80 bis 120 Jahren erreicht werden. Diese Effekte und die erforderlichen Schutzmassnahmen basierend auf dem Einbau eines Isolierstücks sind im SVGW-Merkblatt W10 015 [1] beschrieben. Der korrekte Einbau eines Isolierstücks nach vorangehender Erstellung eines alternativen Erders in Form eines Bewehrungsanschlusses ist in Figur 4 dargestellt. Der Einbau des Isolierstücks führt zu einer Unterbrechung der metallischen Verbindung. Dies entspricht dem Ausschalten der Taschenlampe in Figur 1. In der Analogie führt das Ausschalten der Taschenlampe zum Unterbruch des Stroms und zu deutlich erhöhter Nutzungsdauer der Batterie.
Seit der Aufhebung des Erdungsobligatoriums an die Wasserleitung im Jahr 1991 und der Publikation der SGK-Richtlinie C2 im Jahr 1993 [3] ist die Verwendung von Rohrleitungen für die Erdung von Elektroinstallationen nicht mehr zulässig. Zudem sind Zufallskontakte von erdverlegten Rohrleitungen, Tanks und Behältern zu Erdungssystemen zu verhindern, da diese zu beschleunigter Schädigung führen. Hinsichtlich des Werterhalts von Infrastruktur sind diese einfachen Massnahmen auch für Gas, Öl und Wassertanks gemäss der Richtlinie C5 [4] der SGK umzusetzen.
Die Darstellung in Figur 4 macht deutlich, dass die galvanische Trennung von erdverlegter Rohrleitung und der Fundamentbewehrung die stark beschleunigte Korrosion unterbunden hat. Das Korrosionsproblem für den erdverlegten Rohrleitungsabschnitt ist damit gelöst. Die Argumentation zeigt aber auch, dass dieselbe Problematik grundsätzlich auf Seite der Hausinstallationen bestehen bleibt. Da innerhalb des Gebäudes sämtliche metallischen Strukturen mithilfe der Potenzialausgleichsverbindung 7 in Figur 4 mit der Bewehrung verbunden sind, bleibt in der Analogie die Taschenlampe eingeschaltet entsprechend Figur 1a eingeschaltet. Zudem sind die Rohrleitungen meist in die Bodenplatten einbetoniert. Damit ergibt sich direkt eine elektrolytische und somit ionenleitende Verbindung. Die Bedingungen gemäss Figur 1a liegen also vor und es wäre auf den ersten Blick mit Korrosion zu rechnen.
Trotzdem kommt es normalerweise nicht zu Korrosionsschäden und dafür gibt es primär zwei Gründe:
– Wenn die Rohrleitung aus Stahl oder verzinktem Stahl direkt in einen zementbasierten alkalischen Mörtel oder Beton eingebettet wird, kommt es zur Bildung einer Passivschicht. Diese Rohre nehmen in der Folge dasselbe Potenzial wie die Bewehrung an. Es kann nicht zu einem Stromfluss kommen, da keine Spannungsdifferenz zwischen passivem Rohr und passiver Bewehrung besteht. Dieser Fall entspricht einer vollkommen entladenen Batterie oder einer Batterie bestehend aus zwei identischen Elektroden (z. B. Kupfer). Dieser Fall ist in Figur 5a dargestellt.
– Die Hausinstallationsleitungen werden oft Aufputz verbaut oder mit einem thermischen Isolationsmaterial ummantelt. Dadurch wird die elektrolytische Verbindung unterbrochen, was analog zum Ausschalten der Taschenlampe auf der elektronenleitenden metallischen Verbindung in Figur 1b zur Unterbrechung des Stromkreises führt. Figur 5b zeigt diese Situation.
Unter den oben erläuterten Randbedingungen kommt es nicht zu Schäden an Hausinstallationen, obwohl die elektronenleitende Verbindung besteht und die Taschenlampe eingeschaltet ist. In Analogie könnte argumentiert werden, dass bei Hausinstallationen gar keine Batterie in die Taschenlampe eingelegt ist.
Leider sind diese Bedingungen nicht immer gegeben und es ist in der Vergangenheit in Einzelfällen zu Schäden aufgrund von starker Korrosion gekommen. Typischerweise traten diese Probleme bei Mauerdurchführungen durch Betonwände in Kombination mit Brandschutzdämmungen auf. Diese Brandschutzdämmungen führen nicht zur Bildung eines schützenden Passivfilms. Solange das Material elektrisch isolierend und trocken ist, liegt die Situation in Figur 5b vor und es kommt nicht zu Korrosion. Wenn die Dämmung aber feucht wird oder ionenleitend ist, kann es zu starker lokaler Korrosion und entsprechender Schädigung der Rohrleitung gemäss Figur 6 kommen. Dabei stellt sich die Situation in Figur 1a ein. In diesen Situationen wirkt sich der geringe Abstand und der resultierende geringe elektrische Widerstand zwischen Bewehrung und Rohr zusätzlich ungünstig aus. In der Folge können Leckagen innerhalb von wenigen Jahren entstehen.
Diese Schäden waren in der Vergangenheit überaus selten, da die Rohrleitungen üblicherweise mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung versehen werden. Ein direkter Kontakt zwischen Brandschutzdämmung und Rohr wird dadurch verhindert und das galvanische Element wird bei intakter Umhüllung verhindert.
Die Heizungsrohre werden üblicherweise mit einer thermisch isolierenden Umhüllung bestehend aus geschäumtem Kunststoff verlegt. Solange diese thermische Isolation trocken ist, wirkt sie elektrisch isolierend und führt zu einer elektrolytischen Trennung von Rohr und Bewehrung entsprechend der Situation in Figur 5b. Es besteht somit kein Korrosionsrisiko für Heizungsleitungen in Gebäuden, obwohl die Rohre in den Potenzialausgleich einbezogen sind und somit die elektronenleitende Verbindung zwischen Bewehrung und Rohr gegeben ist. Selbst wenn es während der Bauphase zu Wasserzutritt kommt, trocknet das Isolationsmaterial beim Betrieb der Heizleitung aus und es kommt im Normalfall nicht zu Korrosionsschäden.
Grundsätzlich können viele dieser geschäumten thermischen Isolationswerkstoffe Wasser aufnehmen und werden dabei bis zu einem gewissen Grad elektrolytisch leitend. Wenn dies eintrifft, verändert sich die Korrosionssituation dramatisch. Es findet mit der Wasseraufnahme ein Wechsel von der Situation in Figur 5b zu der in Figur 1a mit dem entsprechend stark beschleunigten Korrosionsfortschritt statt. Mit den heute vorliegenden Erfahrungswerten tritt dieser Fall aufgrund von Umstellungen im Heizbetrieb gehäuft auf. Die Ursache besteht in der Nutzung der Heizung im Sommer zur Kühlung. Dabei werden die tieferen Bodentemperaturen in den Wärmebohrungen genutzt, um die Gebäude zu kühlen. Gleichzeitig wird damit bis zu einem gewissen Grad das Erdreich aufgewärmt, was in der Heizperiode zu besseren Wirkungsgraden führt. Diese Vorgehensweise hat aus Sicht der ökonomischen Energienutzung und des Wohnkomforts enorme Vorteile. In Bezug auf Korrosion und Nutzungsdauer der Infrastruktur ergeben sich aber in gewissen Fällen dramatische Konsequenzen. So begünstigen die kalten Rohrtemperaturen die Kondensation von Wasser auf den Rohroberflächen. Dazu ist nicht zwingend sehr hohe Luftfeuchtigkeit erforderlich. Ausschlaggebend für das Auftreten von Kondensation ist die Unterschreitung der Taupunkttemperatur auf der Oberfläche der Rohrleitung. Bei der Wahl des Werkstoffsystems, der thermischen Isolation und dem Betrieb der Anlage müssen folglich die bauphysikalischen Randbedingungen sorgfältig geprüft werden. Andernfalls kommt es innerhalb weniger Jahren zu Leckagen in den Heizungsleitungen, da sich die Situation in Figur 1a einstellt. Tatsächlich sind diese Korrosionsschäden die direkte Folge eines elektrischen Stroms, der sich als Folge des galvanischen Elements zwischen der Rohrleitung und der Bewehrung ergibt. Dabei ist zu beachten, dass dieser Strom nicht nur zu Korrosion führt, sondern auch die ungünstigen chemischen Bedingungen innerhalb des Isolationsmaterials führt. Es sind folglich normalerweise nicht die korrosiven Eigenschaften des Isolationsmaterials, sondern die Wirkung des elektrischen Stroms im galvanischen Element, die zu den Schäden führen.
Die Ausführungen zu Korrosion und den zugehörigen Prozessen zeigen deutlich, dass galvanische Elemente zum schnellen Versagen von Rohrleitungen durch elektrische Ströme führen. Bei erdverlegten Rohrleitungen kann diese Problematik sehr einfach durch Einbau eines Isolierstücks basierend auf den Vorgaben des SVGW-Merkblatts W10 015 [1] korrigiert werden. Demgegenüber ist die Situation für Hausinstallationsleitungen deutlich schwieriger, da der Potenzialausgleich für alle metallischen Rohrleitungen zwingend erforderlich ist. Dies bedeutet, dass alle metallischen Rohrleitungen im Haus für den Personenschutz mit dem Schutzerder verbunden werden müssen. Damit sind die Voraussetzungen für galvanische Korrosion auf der metallischen, elektronenleitenden Seite grundsätzlich gegeben. In der Vergangenheit sind aber kaum Probleme aufgetreten, da bei direktem Einbetonieren der Rohrleitungen keine relevanten Spannungsdifferenzen entstanden sind oder bei Heizungsrohren in thermischer Isolation eine ausreichende elektrolytische Trennung gegeben war. In der Folge sind Schäden durch Aussenkorrosion an Hausinstallationsleitungen auf ein Minimum begrenzt gewesen.
Die Situation hat sich mit der Verwendung der Heizungsleitungen im Sommer zur Kühlung geändert. Während diese die Kühlung der Gebäude in den heissen Sommermonaten mithilfe der Erdsonden aus Sicht des Wohnkomforts, der Ökologie und der Ökonomie sinnvoll machen, kann es in ungünstigen Fällen, insbesondere bei nicht korrekter Installation oder Betrieb zur Kondensation von Feuchtigkeit und in der Folge zur Bildung von galvanischen Elementen kommen. Die Korrosion durch Stromeinwirkung führt innerhalb weniger Jahren zu oft weitreichenden Schäden und teuren Reparaturen. Diese können verhindert werden, wenn die entsprechenden Zusammenhänge in der Planungsphase berücksichtigt und geeignete Schutzmassnahmen umgesetzt werden. Dabei stehen die folgenden Lösungen im Vordergrund:
– Durch eine kompetente bauphysikalische Abklärung und den Einbau der erforderlichen Dampfsperren ist es prinzipiell möglich, das Auftreten von Kondensation zu verhindern. Sofern die erforderlichen Massnahmen korrekt umgesetzt werden, kann Korrosion wirksam verhindert werden.
– Durch die geeignete Werkstoffwahl in der Projektphase kann Korrosion auch beim Auftreten von temporärer Kondensation wirksam verhindert werden. Dabei stehen nichtrostende Stähle mit geeigneter Legierungszusammensetzung oder Kunststoffrohre im Vordergrund.
– Alternativ besteht in gewissen Fällen die Möglichkeit, die metallische Verbindung zwischen dem Potenzialausgleich und der Rohrleitung mithilfe einer sogenannten Abgrenzeinheit zu unterbrechen. Dabei bleibt der für den Personenschutz erforderliche Potenzialausgleich für Wechselströme bestehen, während die korrosionsrelevanten Gleichströme gesperrt werden. Diese Massnahmen sind in der Richtlinie C2 der SGK [3] beschrieben.
Es zeigt sich, dass die Erweiterung der Heizungsanlage auf Kühlung im Sommer nicht ohne Berücksichtigung der korrosionstechnischen Konsequenzen erfolgen darf. Andernfalls kann es zu relevanten Schäden und Nutzungsausfällen kommen. Die zugrundeliegenden Effekte sind hinreichend und die Schutzmassnahmen sind ebenfalls bekannt. Wesentlich für die erfolgreiche Umsetzung dieser neuen Energiekonzepte ist aber die frühzeitige Berücksichtigung in der Planung unter Einbezug des Korrosionsschutz- und Erdungskonzeptes.
[1] SVGW (2011): Elektrische Trennung von Wasserleitungen und Erdungsanlagen
[2] SVGW (2011): Korrosion durch galvanische Elemente bei der Verbindung verschiedener Werkstoffe von Trinkwasserleitungen in Haustechnikanlagen
[3] SGK (1993): C2-Richtlinien zum Korrosionsschutz von erdverlegten metallischen Anlagen
[4] SGK (2018): C5-Richtlinie für Projektierung, Ausführung und Betrieb des Korrosionsschutzes erdverlegter Behälter aus Stahl und zugehöriger Rohrleitungen
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