Neue Richtlinie C5

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.

Korrosionsmechanismus 

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 V_CSE.

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.

Galvanische Korrosion an erdverlegten Anlagen

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:

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.

KORROSION VON ERDVERLEGTEN BEHÄLTERN

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.

Funktionsprinzip

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.