Aluminium-Opferanoden (hellfarbige rechteckige Stäbe), die auf einer Stahlmantelstruktur montiert sind
Eine Zinkopferanode (runder Gegenstand) ist an der Unterseite des Rumpfes eines kleinen Bootes angeschraubt.

Kathodischer Schutz ( CP ; / k æ ˈ θ ɒ d ɪ k / ) dient der KorrosionskontrollevonMetalloberflächen, indem diese alsKathodeeinerelektrochemischen Zelle. [ 1 ] Bei einer einfachen Schutzmethode wird das zu schützende Metall mit einem leichter korrodierenden „Opfermetall“ als Anodeverbunden. Das Opfermetall korrodiert dann anstelle des zu schützenden Metalls. Bei Strukturen wie langenRohrleitungen, bei denen der passive galvanische Kathodenschutz nicht ausreicht, wird eine externe Gleichstromquelle verwendet, um ausreichend Strom bereitzustellen.

Kathodische Korrosionsschutzsysteme schützen eine Vielzahl metallischer Konstruktionen in unterschiedlichen Umgebungen. Typische Anwendungsgebiete sind: Wasser- und Kraftstoffleitungen aus Stahl sowie Stahlspeichertanks wie z. B. Warmwasserbereiter für Privathaushalte ; Stahlpfähle für Piers ; Schiffs- und Bootsrümpfe; Offshore- Ölplattformen und Bohrlochverrohrungen an Land ; Fundamente für Offshore-Windparks sowie Bewehrungsstahl in Betonbauten und -konstruktionen. Ein weiteres gängiges Anwendungsgebiet ist verzinkter Stahl , bei dem eine Zinkschicht die Stahlteile vor Rost schützt.

Durch kathodischen Korrosionsschutz kann in einigen Fällen Spannungsrisskorrosion verhindert werden .

Geschichte

Der kathodische Korrosionsschutz wurde erstmals 1824 von Sir Humphry Davy in einer Reihe von Abhandlungen vor der Royal Society [ 2 ] in London beschrieben. Die erste Anwendung erfolgte 1824 auf der HMS  Samarang [ 3 ]. Opferanoden aus Eisen , die unterhalb der Wasserlinie an der Kupferummantelung des Rumpfes angebracht waren, reduzierten die Korrosionsrate des Kupfers drastisch . Ein Nebeneffekt des kathodischen Korrosionsschutzes war jedoch verstärkter Bewuchs . Normalerweise setzt korrodierendes Kupfer Kupferionen frei, die eine Antifouling- Wirkung haben. Da übermäßiger Bewuchs die Leistung des Schiffes beeinträchtigte, entschied die Royal Navy , die Korrosion des Kupfers in Kauf zu nehmen und den Vorteil des reduzierten Bewuchses zu nutzen. Daher wurde der kathodische Korrosionsschutz nicht weiter angewendet.

Davy wurde bei seinen Experimenten von seinem Schüler Michael Faraday unterstützt , der nach Davys Tod dessen Forschung fortsetzte. 1834 entdeckte Faraday den quantitativen Zusammenhang zwischen dem Gewichtsverlust durch Korrosion und dem elektrischen Strom und legte damit den Grundstein für die spätere Anwendung des kathodischen Korrosionsschutzes. [ 4 ]

Thomas Edison experimentierte 1890 mit kathodischem Korrosionsschutz mittels Fremdstrom auf Schiffen, scheiterte jedoch aufgrund fehlender geeigneter Stromquellen und Anodenmaterialien. Erst 100 Jahre nach Davys Experiment wurde der kathodische Korrosionsschutz in den Vereinigten Staaten weit verbreitet für Ölpipelines eingesetzt [ 5 ]. Für Gasleitungen aus Stahl wurde er ab 1928 [ 7 ] und in den 1930er Jahren noch häufiger angewendet [ 8 ] .

Typen

Galvanisch

Eine galvanische Opferanode, die am Rumpf eines Schiffes befestigt ist, zeigt Korrosion.

Bei der passiven kathodischen Korrosionsschutzanwendung wird eine galvanische Anode – ein Stück eines elektrochemisch aktiveren Metalls (mit negativerem Elektrodenpotenzial ) – an der empfindlichen Metalloberfläche angebracht, wo diese dem Elektrolyten ausgesetzt ist. Galvanische Anoden werden gewählt, weil sie eine höhere Spannung als das Metall des zu schützenden Bauteils (typischerweise Stahl) aufweisen.

Beton hat einen pH-Wert von etwa 13. In diesem Milieu besitzt die Stahlbewehrung eine passive Schutzschicht und bleibt weitgehend stabil. Galvanische Systeme sind Konstantpotential-Systeme, die die natürliche Schutzwirkung des Betons wiederherstellen sollen, indem sie einen hohen Anfangsstrom zur Reaktivierung der Passivität liefern. Anschließend fließt ein niedrigerer Opferstrom, während schädliche Chloridionen vom Stahl zur positiven Anode wandern. Die Anoden bleiben über ihre gesamte Lebensdauer (typischerweise 10–20 Jahre) reaktiv und erhöhen den Strom, wenn der spezifische Widerstand aufgrund von Korrosionsgefahren wie Regen, Temperaturanstiegen oder Überschwemmungen sinkt. Aufgrund ihrer Reaktivität sind diese Anoden eine effiziente Wahl.

Anders als bei Systemen mit Fremdstrom-Kathodenschutz (ICCP) ist nicht die konstante Polarisation des Stahls das Ziel, sondern die Wiederherstellung des umgebenden Milieus. Die Polarisation der Zielstruktur wird durch den Elektronenfluss von der Anode zur Kathode verursacht, weshalb ein guter elektrischer Kontakt zwischen den beiden Metallen erforderlich ist. Die Triebkraft für den kathodischen Schutzstrom ist die Elektrodenpotentialdifferenz zwischen Anode und Kathode. [ 9 ] Während der anfänglichen Hochstromphase wird das Potential der Stahloberfläche in den negativeren Bereich verschoben, wodurch der Stahl geschützt wird. Dies geschieht durch die Bildung von Hydroxidionen an der Stahloberfläche und die Ionenmigration, die das Betonmilieu wiederherstellt.

Mit der Zeit korrodiert die galvanische Anode weiter und verbraucht dabei das Anodenmaterial, bis sie schließlich ersetzt werden muss.

Galvanische oder Opferanoden werden in verschiedenen Formen und Größen aus Legierungen von Zink , Magnesium und Aluminium hergestellt . ASTM International veröffentlicht Normen zur Zusammensetzung und Herstellung galvanischer Anoden. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

Damit der galvanische Kathodenschutz funktioniert, muss die Anode ein niedrigeres (d. h. negativeres) Elektrodenpotenzial aufweisen als die Kathode (das zu schützende Material). Die folgende Tabelle zeigt eine vereinfachte galvanische Spannungsreihe , die zur Auswahl des Anodenmetalls dient. [ 13 ] Das Anodenmetall muss ein Material sein, dessen Potenzial in der Spannungsreihe niedriger steht als das des zu schützenden Materials.

Potential in Bezug auf eine Cu:CuSO₄ - Referenzelektrode in neutraler pH-Umgebung
Metall Potenzial (Volt)
Kohlenstoff , Graphit , Koks+0,3
Platin0 bis −0,1
Walzzunder auf Stahl−0,2
Hochsiliziumhaltiges Gusseisen​−0,2
Kupfer , Messing , Bronze−0,2
Baustahl im Beton−0,2
Führen−0,5
Gusseisen (nicht graphitiert ) −0,5
Baustahl ( verrostet ) −0,2 bis −0,5
Baustahl (sauber) −0,5 bis −0,8
Reines Aluminium −0,8
Aluminiumlegierung (5% Zink) −1,05
Zink −1,1
Magnesiumlegierung (6% Al, 3% Zn, 0,15% Mn) −1,6
Reines Magnesium −1,75

Fremdstrom-Kathodenschutz (ICCP)

Einfaches System zum kathodischen Korrosionsschutz mittels Fremdstrom. Eine Gleichstromquelle dient zur Unterstützung der elektrochemischen Schutzreaktion.

In einigen Fällen kommen Fremdstrom-Kathodenschutzsysteme (ICCP) zum Einsatz. Diese bestehen aus Anoden, die an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind, häufig an einen Transformator-Gleichrichter, der wiederum an Wechselstrom angeschlossen ist. Steht keine Wechselstromversorgung zur Verfügung, können alternative Energiequellen wie Solaranlagen, Windkraftanlagen oder gasbetriebene thermoelektrische Generatoren genutzt werden. [ 14 ] [ 15 ]

Anoden für ICCP-Systeme sind in verschiedenen Formen und Größen erhältlich. Gängige Anoden sind röhrenförmige und massive Stäbe oder durchgehende Bänder aus unterschiedlichen Materialien. Dazu gehören hochsiliziumhaltige , gusseiserne , Graphit- , Mischmetalloxid- ( MMO-) sowie mit Platin und Niob beschichtete Drähte und andere Materialien.

Bei Rohrleitungen werden die Anoden in Erdungsbetten entweder verteilt oder in einem tiefen vertikalen Loch angeordnet, abhängig von verschiedenen Konstruktions- und Feldbedingungen, einschließlich der Anforderungen an die Stromverteilung.

Kathodenschutztransformator-Gleichrichtereinheiten werden häufig kundenspezifisch gefertigt und mit verschiedenen Funktionen ausgestattet, darunter Fernüberwachung und -steuerung, integrierte Stromunterbrecher und unterschiedliche Gehäuse . Der negative Gleichstromausgang wird mit dem zu schützenden Bauteil verbunden. [ 16 ] Das positive Gleichstromkabel des Gleichrichterausgangs wird an die Anoden angeschlossen . Das Wechselstromkabel wird an die Eingangsklemmen des Gleichrichters angeschlossen.

Die Leistung des ICCP-Systems sollte optimiert werden, um ausreichend Strom für den Schutz des Zielbauwerks bereitzustellen. Einige Kathodenschutztransformator-Gleichrichter sind mit Anzapfungen an den Transformatorwicklungen und Jumperklemmen zur Auswahl der Ausgangsspannung des ICCP-Systems ausgestattet. Kathodenschutztransformator-Gleichrichter für Wassertanks und andere Anwendungen verwenden Halbleiterschaltungen zur automatischen Anpassung der Betriebsspannung, um den optimalen Stromausgang bzw. das optimale Potenzial zwischen Bauwerk und Elektrolyt aufrechtzuerhalten . [ 17 ] Analoge oder digitale Messgeräte zeigen häufig die Betriebsspannungen (Gleichstrom und teilweise Wechselstrom) und den Ausgangsstrom an. Für Uferbauwerke und andere große, komplexe Zielbauwerke werden ICCP-Systeme oft mit mehreren unabhängigen Anodenzonen und separaten Kathodenschutztransformator-Gleichrichterschaltungen ausgelegt.

Hybridsysteme

Hybridsysteme nutzen eine Kombination der zuvor genannten Systeme, um einige der Vorteile beider zu erzielen. Sie nutzen die Wiederherstellungsfähigkeiten von ICCP-Systemen, behalten aber die reaktive, kostengünstigere und wartungsfreundlichere Natur einer galvanischen Anode bei.

Das System besteht aus verdrahteten galvanischen Anoden in Arrays mit einem typischen Abstand von 400 Millimetern (16 Zoll). Diese werden zunächst kurzzeitig mit Strom versorgt, um den Beton zu regenerieren und die Ionenmigration anzuregen. Anschließend wird die Stromversorgung unterbrochen, und die Anoden verbleiben als galvanisches System direkt am Stahl. Bei Bedarf können weitere Stromphasen durchgeführt werden. Wie bei galvanischen Systemen kann die Korrosionsrate mittels Polarisationsmessungen und Halbzellenpotentialkartierung überwacht werden. Die Polarisation ist nicht das Ziel der Systemlebensdauer. [ 18 ]

Anwendungen

Warmwasserbereiter

Diese Technologie wird auch zum Schutz von Warmwasserbereitern eingesetzt . Die von der angelegten Stromanode (aus Titan und mit MMO beschichtet) ausgesendeten Elektronen verhindern das Rosten im Inneren des Tanks. [ 19 ]

Um als wirksam zu gelten, müssen diese Anoden bestimmte Normen erfüllen: Ein kathodisches Korrosionsschutzsystem gilt als effizient, wenn sein Potenzial die in den Kriterien für den kathodischen Korrosionsschutz festgelegten Grenzwerte erreicht oder überschreitet. Die verwendeten Kriterien für den kathodischen Korrosionsschutz stammen aus der Norm NACE SP0388-2007 (ehemals RP0388-2001) der NACE (National Association of Corrosion Engineers). [ 20 ]

Pipelines

Ein luftgekühlter kathodischer Schutzgleichrichter, der an eine Rohrleitung angeschlossen ist.
Kathodenschutzmarkierungen über einer Gaspipeline in Leeds , West Yorkshire , England

Gefahrstoffleitungen werden routinemäßig durch eine Beschichtung geschützt , die durch kathodischen Korrosionsschutz ergänzt wird. Ein Fremdstrom-Kathodenschutzsystem (ICCP) für eine Pipeline besteht aus einer Gleichstromquelle, häufig einem Wechselstrom-Transformator-Gleichrichter, und einer Anode oder einer Anordnung von Anoden, die im Erdreich vergraben sind (dem Anodenbett ) .

Die Gleichstromquelle liefert typischerweise eine Gleichspannung von bis zu 50 Ampere und 50 Volt , wobei dies von verschiedenen Faktoren wie der Größe der Rohrleitung und der Qualität der Beschichtung abhängt. Der positive Gleichstromausgang wird über Kabel mit der Anodenanordnung verbunden, während ein weiteres Kabel den negativen Anschluss des Gleichrichters mit der Rohrleitung verbindet, vorzugsweise über Anschlussdosen, um Messungen zu ermöglichen. [ 21 ]

Anoden können in einem Erdungsbett installiert werden, das aus einem vertikalen Loch besteht, das mit leitfähigem Koks (einem Material, das die Leistung und Lebensdauer der Anoden verbessert) verfüllt ist, oder in einem vorbereiteten Graben verlegt, der mit leitfähigem Koks umgeben und verfüllt wird. Die Wahl der Art und Größe des Erdungsbetts hängt von der Anwendung, dem Standort und dem spezifischen Bodenwiderstand ab. [ 22 ]

Der Gleichstrom für den kathodischen Schutz wird dann nach Durchführung verschiedener Tests, einschließlich Messungen des Rohr-Boden-Potenzials oder des Elektrodenpotenzials , auf den optimalen Wert eingestellt .

Bei der Systemplanung und in regelmäßigen Abständen nach der Installation führen die Ingenieure eine Basismessung durch. Dabei werden alle vorhandenen aktiven Schutzsysteme im Bereich abgeschaltet (oder so viele wie möglich) und das natürliche Potenzial zwischen Rohrleitung und Elektrode erfasst. Diese Messung liefert Hinweise darauf, wie die Rohrleitung in elektrische Systeme unterteilt werden kann, wie viele Anoden und Gleichrichter benötigt werden und wo diese platziert werden sollten.

Der Einsatz galvanischer (Opfer-)Anoden zum Schutz von Rohrleitungen ist mitunter wirtschaftlicher. Dies trifft häufig auf Rohrleitungen mit kleinem Durchmesser und begrenzter Länge zu. [ 23 ] Galvanische Anoden nutzen die galvanischen Reihenpotentiale der Metalle, um einen kathodischen Schutzstrom von der Anode zum zu schützenden Bauteil zu leiten.

Wasserleitungen aus verschiedenen Rohrmaterialien werden auch mit kathodischem Korrosionsschutz versehen, wenn die Eigentümer feststellen, dass die Kosten für die zu erwartende Verlängerung der Lebensdauer der Leitung durch die Anwendung des kathodischen Korrosionsschutzes angemessen sind.

Schiffe und Boote

Die auf dem Schiffsrumpf sichtbaren weißen Flecken sind Zinkblock- Opferanoden .

Der kathodische Korrosionsschutz auf Schiffen wird häufig durch galvanische Anoden am Rumpf und bei größeren Schiffen durch ICCP (Integrated Carbon Protection) realisiert. Da Schiffe regelmäßig zu Inspektionen und Wartungsarbeiten aus dem Wasser geholt werden, ist der Austausch der galvanischen Anoden unkompliziert. [ 24 ]

Galvanische Anoden sind im Allgemeinen so geformt, dass der Wasserwiderstand verringert wird, und bündig mit dem Rumpf eingebaut, um den Widerstand ebenfalls zu minimieren. [ 25 ]

Kleinere Schiffe mit nichtmetallischen Rümpfen, wie beispielsweise Yachten , sind mit galvanischen Anoden ausgestattet, um Bereiche wie Außenbordmotoren zu schützen . Wie bei allen galvanischen kathodischen Schutzverfahren beruht auch diese Anwendung auf einer sicheren elektrischen Verbindung zwischen der Anode und dem zu schützenden Bauteil.

Für die integrierte Korrosionsschutztechnik (ICCP) auf Schiffen bestehen die Anoden üblicherweise aus einem relativ inerten Material wie platiniertem Titan. Eine Gleichstromversorgung befindet sich im Schiffsinneren, die Anoden sind außen am Rumpf montiert. Die Anodenkabel werden über eine Kompressionsverschraubung ins Schiff eingeführt und zur Gleichstromquelle geführt. Das Minuskabel der Stromversorgung wird einfach am Rumpf befestigt, um den Stromkreis zu schließen. Die ICCP-Anoden sind bündig eingebaut, um den Wasserwiderstand zu minimieren, und befinden sich mindestens 1,5 m unterhalb der Leerlastlinie [ 26 ] in einem Bereich, der vor mechanischen Beschädigungen schützt. Die für den Schutz erforderliche Stromdichte ist von der Geschwindigkeit abhängig und wird bei der Auswahl der Stromstärke und der Position der Anoden am Rumpf berücksichtigt.

Manche Schiffe erfordern eine spezielle Behandlung. Beispielsweise kann bei Aluminiumrümpfen mit Stahleinbauten eine elektrochemische Zelle entstehen, in der der Aluminiumrumpf als galvanische Anode wirkt und die Korrosion verstärkt wird. In solchen Fällen können galvanische Anoden aus Aluminium oder Zink eingesetzt werden, um die Potenzialdifferenz zwischen dem Aluminiumrumpf und dem Stahleinbau auszugleichen. [ 27 ] Bei großen Stahleinbauten können mehrere galvanische Anoden oder sogar ein kleines ICCP-System erforderlich sein.

Marine

Der kathodische Korrosionsschutz im maritimen Bereich umfasst viele Bereiche wie Molen , Häfen und Offshore -Anlagen. Die Vielfalt der Bauwerkstypen erfordert unterschiedliche Schutzsysteme. Galvanische Anoden werden bevorzugt eingesetzt [ 28 ] , jedoch findet auch die induktive kathodische Korrosionsschutztechnik (ICCP) häufig Anwendung. Aufgrund der großen Bandbreite an Geometrie, Zusammensetzung und Architektur der Bauwerke sind oft spezialisierte Unternehmen erforderlich, um bauteilspezifische kathodische Korrosionsschutzsysteme zu entwickeln. Manchmal sind nachträgliche Modifikationen an maritimen Bauwerken notwendig, um einen effektiven Schutz zu gewährleisten [ 29 ] .

Stahl im Beton

Die Anwendung bei Betonbewehrung unterscheidet sich insofern , als die Anoden und Referenzelektroden üblicherweise beim Betonieren in den Beton eingebettet werden. Üblicherweise wird für Betonbauten, Brücken und ähnliche Konstruktionen die induktive kathodische Korrosionsschutztechnik (ICCP) eingesetzt [ 30 ]. Es gibt jedoch auch Systeme, die auf dem Prinzip des galvanischen kathodischen Korrosionsschutzes basieren [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] . Zumindest in Großbritannien gilt die Verwendung galvanischer Anoden für atmosphärisch exponierte Stahlbetonkonstruktionen jedoch noch als experimentell [ 34 ] .

Das Prinzip der ICCP-Technologie entspricht dem anderer ICCP-Systeme. Im Gegensatz zu den Anodenfeldern an Pipelines, die typischerweise atmosphärisch exponierten Betonkonstruktionen wie Brücken eingesetzt werden, sind jedoch deutlich mehr Anoden über die gesamte Konstruktion verteilt. Dies führt zu einem komplexeren System, für das üblicherweise eine automatisch gesteuerte Gleichstromquelle verwendet wird, gegebenenfalls mit der Option zur Fernüberwachung und -steuerung. [ 35 ] Die Behandlung von erdverlegten oder unter Wasser liegenden Bauwerken ist analog zu der anderer erdverlegter oder unter Wasser liegender Bauwerke.

Galvanische Systeme bieten den Vorteil, dass sie einfacher nachzurüsten sind und im Gegensatz zu ICCP keine Steuerungssysteme benötigen.

Bei Rohrleitungen aus vorgespannten Betonrohren (PCCP) werden im Allgemeinen die gleichen Verfahren zum kathodischen Korrosionsschutz wie bei Stahlrohrleitungen angewendet, allerdings muss das angelegte Potenzial begrenzt werden, um eine Beschädigung des Spanndrahts zu vermeiden. [ 36 ]

Die Stahldrähte in einer PCCP-Rohrleitung sind so stark beansprucht, dass Korrosion zum Ausfall führen kann. Ein weiteres Problem besteht darin, dass überschüssige Wasserstoffionen infolge eines zu negativen Potenzials zu Wasserstoffversprödung und damit ebenfalls zum Ausfall der Drähte führen können. Der Ausfall zu vieler Drähte hat katastrophale Folgen für die gesamte PCCP-Rohrleitung. [ 37 ] Die Implementierung von ICCP erfordert daher eine sehr sorgfältige Überwachung, um einen ausreichenden Schutz zu gewährleisten. Eine einfachere Alternative sind galvanische Anoden, die selbstlimitierend sind und keiner Überwachung bedürfen. [ 38 ]

Interner kathodischer Schutz

Behälter, Rohrleitungen und Tanks (einschließlich Ballasttanks ), die zur Lagerung oder zum Transport von Flüssigkeiten verwendet werden, können durch kathodischen Korrosionsschutz an ihren Innenflächen geschützt werden. [ 39 ] [ 40 ] Hierfür eignen sich ICCP- und galvanische Systeme. [ 41 ] Ein typisches Anwendungsgebiet des internen kathodischen Korrosionsschutzes sind Wasserspeichertanks und Rohrbündelwärmetauscher in Kraftwerken .

Verzinkter Stahl

Verzinken bezeichnet im Allgemeinen das Feuerverzinken, ein Verfahren, bei dem Stahl mit einer Schicht aus metallischem Zink oder Zinn überzogen wird. Dem flüssigen Zinkbad werden häufig Blei oder Antimon zugesetzt [ 42 ] , und auch andere Metalle wurden untersucht [ 43 ] . Verzinkte Beschichtungen sind in den meisten Umgebungen sehr beständig, da sie die Barriereeigenschaften einer Beschichtung mit einigen Vorteilen des kathodischen Korrosionsschutzes kombinieren [ 44 ] . Wird die Zinkschicht zerkratzt oder anderweitig lokal beschädigt und liegt Stahl frei, bilden die umliegenden Bereiche der Zinkschicht mit dem freiliegenden Stahl eine galvanische Zelle und schützen ihn so vor Korrosion [ 45 ] . Dies ist eine Form des lokalisierten kathodischen Korrosionsschutzes – das Zink wirkt als Opferanode [ 46 ] .

Die Verzinkung nutzt zwar das elektrochemische Prinzip des kathodischen Schutzes, ist aber eigentlich kein kathodischer, sondern ein Opferanodenschutz. Beim Verzinken werden nur die Bereiche in unmittelbarer Nähe des Zinks geschützt. Daher wird eine größere Fläche blanken Stahls nur an den Rändern geschützt.

Automobile

Mehrere Unternehmen vermarkten elektronische Geräte, die angeblich Korrosion an Pkw und Lkw mindern sollen. [ 47 ] Fachleute für Korrosionsschutz stellen fest, dass diese Geräte wirkungslos sind. [ 48 ] Es gibt keine wissenschaftlichen, von Experten begutachteten Tests und Validierungen, die die Wirksamkeit dieser Geräte belegen. 1996 verurteilte die FTC David McCready, einen Verkäufer von Geräten, die angeblich vor Korrosion schützen sollten, zur Zahlung von Schadensersatz und verbot die Verwendung der Bezeichnungen „Rust Buster“ und „Rust Evader“. [ 49 ]

Gemäß Abschnitt 74.01(1)(b) des kanadischen Wettbewerbsgesetzes sind Leistungs- und Wirksamkeitsaussagen zu einem Produkt nur zulässig, wenn nachgewiesen werden kann, dass sie auf angemessenen und ordnungsgemäßen Tests beruhen. [ 50 ] Das kanadische Wettbewerbsbüro leitete daraufhin Untersuchungen gegen mehrere Unternehmen ein, die elektronische Korrosionsschutzgeräte in Kanada vertrieben. Einige mussten ihre Produkte vom Markt nehmen, da sie ihre Aussagen nicht wissenschaftlich belegen konnten.

Testen

Das Elektrodenpotenzial wird mit Referenzelektroden gemessen . Kupfer-Kupfersulfat-Elektroden werden für Strukturen verwendet, die mit Erdreich oder Süßwasser in Kontakt stehen. Silber-Silberchlorid-Meerwasser-Elektroden oder Reinzink- Elektroden kommen bei Anwendungen in Meerwasser zum Einsatz . Die Methoden sind in EN 13509:2003 und NACE TM0497 beschrieben, zusammen mit den Fehlerquellen [ 51 ] der auf dem Messgerät angezeigten Spannung. Die Interpretation von Elektrodenpotenzialmessungen zur Bestimmung des Potenzials an der Grenzfläche zwischen der Anode der Korrosionszelle und dem Elektrolyten erfordert Schulung [ 52 ] und erreicht nicht die Genauigkeit von Messungen im Labor.

Probleme

Wasserstoffproduktion

Eine Nebenwirkung unsachgemäß angewendeter kathodischer Korrosionsschutzmaßnahmen ist die Bildung von atomarem Wasserstoff [ 53 ] , der vom geschützten Metall absorbiert wird und in der Folge zu Wasserstoffversprödung von Schweißnähten und hochharten Werkstoffen führt. Unter normalen Bedingungen verbindet sich der atomare Wasserstoff an der Metalloberfläche zu Wasserstoffgas, das nicht in das Metall eindringen kann. Wasserstoffatome sind jedoch klein genug, um die kristalline Stahlstruktur zu durchdringen und können in manchen Fällen zu Wasserstoffversprödung führen.

Kathodische Ablösung

Dies ist ein Prozess der Ablösung von Schutzschichten von der geschützten Struktur (Kathode) aufgrund der Bildung von Wasserstoffionen auf der Oberfläche des geschützten Materials (Kathode). [ 54 ] Die Ablösung kann durch einen Anstieg der Alkaliionenkonzentration und der kathodischen Polarisation verstärkt werden. [ 55 ] Der Grad der Ablösung hängt auch von der Art der Beschichtung ab, wobei einige Beschichtungen stärker betroffen sind als andere. [ 56 ] Kathodische Korrosionsschutzsysteme sollten so betrieben werden, dass die Struktur nicht übermäßig polarisiert wird, [ 57 ] da dies aufgrund zu negativer Potenziale ebenfalls die Ablösung begünstigt. In Rohrleitungen mit heißen Fluiden tritt die kathodische Ablösung schnell auf, da der Prozess durch den Wärmestrom beschleunigt wird.

Kathodische Abschirmung

Die Wirksamkeit von kathodischen Korrosionsschutzsystemen (KKS) an Stahlrohrleitungen kann durch die Verwendung von dielektrischen Beschichtungen mit fester Filmträgerschicht, wie z. B. Polyethylenbändern, Schrumpfschläuchen und werkseitig aufgebrachten ein- oder mehrschichtigen Beschichtungen, beeinträchtigt werden. Dieses Phänomen ist auf den hohen elektrischen Widerstand dieser Trägerschichten zurückzuführen. [ 58 ] Der Schutzstrom des KKS-Systems wird durch die hochohmige Trägerschicht daran gehindert, das darunterliegende Metall zu erreichen. Die kathodische Abschirmung wurde erstmals in den 1980er Jahren als Problem erkannt, und seitdem werden regelmäßig Fachartikel zu diesem Thema veröffentlicht.

Ein Bericht aus dem Jahr 1999 [ 59 ] über einen Austritt von 20.600 Barrel (3.280 m³ ) Rohöl aus einer Pipeline in Saskatchewan enthält eine ausgezeichnete Definition des Problems der kathodischen Abschirmung:

Das Zusammenwirken von Ablösung der (Korrosions-)Beschichtung, der dielektrischen Eigenschaften der Beschichtung und der einzigartigen elektrochemischen Umgebung unter der Außenbeschichtung, die als Schutzschild für den kathodischen Korrosionsschutzstrom wirkt, wird als CP-Abschirmung bezeichnet. Durch die Kombination von Ablösung und Abplatzung kann ein korrosives Milieu von außen in den Hohlraum zwischen Außenbeschichtung und Rohroberfläche eindringen. Aufgrund dieses CP-Abschirmungsphänomens kann der vom CP-System erzeugte Strom nicht mehr das freiliegende Metall unter der Außenbeschichtung erreichen und die Rohroberfläche somit nicht mehr vor den Folgen des aggressiven Korrosionsmilieus schützen. Die CP-Abschirmung bewirkt Veränderungen des Potenzialgradienten des CP-Systems über die Außenbeschichtung hinweg, die in Bereichen mit unzureichendem oder minderwertigem CP-Strom des CP-Systems besonders ausgeprägt sind. Dies führt zu Bereichen an der Rohrleitung mit unzureichendem CP-Schutz gegen Materialverlust, der durch das äußere Korrosionsmilieus noch verstärkt wird.

Die kathodische Abschirmung wird in mehreren der unten aufgeführten Normen erwähnt. Die neu erlassene USDOT-Verordnung Title 49 CFR 192.112 fordert im Abschnitt „ Zusätzliche Konstruktionsanforderungen für Stahlrohre mit alternativem maximal zulässigem Betriebsdruck “, dass „das Rohr durch eine nicht abschirmende Beschichtung vor äußerer Korrosion geschützt werden muss“ (siehe Abschnitt „Beschichtungen“ in der Norm). Auch die Norm NACE SP0169:2007 definiert die Abschirmung in Abschnitt 2, warnt in Abschnitt 4.2.3 vor der Verwendung von Materialien, die eine elektrische Abschirmung erzeugen, und in Abschnitt 5.1.2.3 vor der Verwendung von externen Beschichtungen, die eine elektrische Abschirmung erzeugen. In Abschnitt 10.9 werden die Leser angewiesen, „geeignete Maßnahmen“ zu ergreifen, wenn die Auswirkungen der elektrischen Abschirmung des kathodischen Schutzstroms an einer in Betrieb befindlichen Pipeline festgestellt werden.

Zertifizierung

In vielen Ländern ist ein entsprechendes CP-Zertifikat für die Durchführung von CP-Arbeiten – von Feldtests bis hin zur Planung – empfehlenswert oder in manchen Fällen sogar vorgeschrieben. Es gibt verschiedene Zertifizierungsstellen und Bewertungsmethoden, wobei die AMPP- Zertifizierung und die ISO 15257 besonders verbreitet sind.

Die AMPP-Zertifizierung für kathodischen Korrosionsschutz umfasst vier Stufen: Prüfer, Techniker, Technologe und Spezialist. [ 60 ]

ISO 15257 kennt fünf Stufen: Vier Stufen orientieren sich an der AMPP-Definition, eine weitere Stufe gilt für Personen, die einen wissenschaftlichen Beitrag geleistet haben. [ 61 ]

Länder

Frankreich

Das wichtigste Zentrum für die Zertifizierung des kathodischen Korrosionsschutzes in Frankreich und einigen französischsprachigen Ländern ist CEFRACOR. [ 62 ] [ 63 ]

Deutschland

Die fkks cert GmbH (im Besitz des fkks: Fachverband Kathodischer Korrosionsschutz e.V., dt. Deutscher Berufsverband für Kathodischen Korrosionsschutz) ist ein akkreditiertes Zertifizierungssystem im Bereich des kathodischen Korrosionsschutzes. [ 64 ] [ 65 ]

Italien

Drei verschiedene Stellen werden Kathodenschutzzertifikate auf Basis der ISO 15257 ausstellen: APCERT, CICPND und RINA. [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]

Vereinigtes Königreich

Das Institute of Corrosion (ICorr), die Corrosion Prevention Association (CPA) und TWI bieten ein Schulungs-, Bewertungs- und Zertifizierungsprogramm für kathodischen Korrosionsschutz an, das die Kompetenzniveaus von Fachkräften im Bereich des kathodischen Korrosionsschutzes bewertet. [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]

UNS

AMPP ist die wichtigste Zertifizierungsstelle. Darüber hinaus ist AMPP im Nahen Osten sehr aktiv und bekannt. [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ]

Standards

  • 49 CFR 192.451 – Anforderungen an den Korrosionsschutz – Transport von Erdgas und anderen Gasen durch Pipelines: US-amerikanische Mindestsicherheitsstandards
  • 49 CFR 195.551 – Anforderungen an den Korrosionsschutz – Transport gefährlicher Flüssigkeiten durch Pipelines: US-amerikanische Mindestsicherheitsstandards
  • AS 2832 - Australische Normen für den kathodischen Korrosionsschutz
  • ASME B31Q 0001-0191
  • ASTM G 8, G 42 - Bewertung der Beständigkeit von Beschichtungen gegen kathodische Ablösung
  • DNV-RP-B401 – Kathodischer Schutzentwurf – Det Norske Veritas
  • EN 12068:1999 – Kathodischer Korrosionsschutz. Äußere organische Beschichtungen zum Korrosionsschutz von erdverlegten oder untergetauchten Stahlrohrleitungen in Verbindung mit kathodischem Korrosionsschutz. Bänder und Schrumpfmaterialien
  • EN 12473:2000 - Allgemeine Grundsätze des kathodischen Korrosionsschutzes in Meerwasser
  • EN 12474:2001 - Kathodischer Korrosionsschutz für Unterwasserpipelines
  • EN 12495:2000 - Kathodischer Korrosionsschutz für feste Stahl-Offshore-Konstruktionen
  • EN 12499:2003 - Innerer kathodischer Korrosionsschutz von metallischen Bauwerken
  • EN 12696:2012 - Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton
  • EN 12954:2001 – Kathodischer Korrosionsschutz von erdverlegten oder untergetauchten metallischen Bauwerken. Allgemeine Grundsätze und Anwendung für Rohrleitungen
  • EN 13173:2001 - Kathodischer Korrosionsschutz für schwimmende Stahlkonstruktionen im Offshore-Bereich
  • EN 13174:2001 - Kathodischer Korrosionsschutz für "Hafenanlagen".
  • EN 13509:2003 - Messverfahren für den kathodischen Korrosionsschutz
  • EN 13636:2004 - Kathodischer Korrosionsschutz für erdverlegte metallische Behälter und zugehörige Rohrleitungen
  • EN 14505:2005 - Kathodischer Korrosionsschutz komplexer Bauwerke
  • EN 15112:2006 - Äußerer kathodischer Korrosionsschutz von Bohrlochverrohrungen
  • EN 15280-2013 - Bewertung der Wechselstromkorrosionswahrscheinlichkeit von erdverlegten Rohrleitungen
  • EN 50162:2004 - Schutz gegen Korrosion durch Streustrom aus Gleichstromsystemen
  • BS 7361-1:1991 - Kathodischer Korrosionsschutz
  • NACE SP0169:2013 - Kontrolle der äußeren Korrosion an unterirdischen oder untergetauchten metallischen Rohrleitungssystemen
  • NACE TM 0497 - Messtechniken im Zusammenhang mit Kriterien für den kathodischen Korrosionsschutz von unterirdischen oder untergetauchten metallischen Rohrleitungssystemen

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Peabody S. 6
  2. ^ Davy, zitiert in Ashworth 1994
  3. ^ Ashworth, 10:3
  4. ^ Baeckmann, Schwenck & Prinz, S.12
  5. ^ Scherer, 38(27), 179, zitiert in Baeckman
  6. ^ Peabody, A. W.; Bianchetti, Ronald L.; Peabody, A. W. (2001). Peabodys Kontrolle der Pipelinekorrosion (2. Aufl.). Houston, Texas: NACE International, The Corrosion Society. ISBN 978-1-57590-092-6Die
  7. ^ Robert J. Kuhn, Kathodischer Schutz von unterirdischen Rohrleitungen vor Bodenkorrosion, API Proceedings, Nov. 1933, Vol. 14, S. 157
  8. ^ Natural Resources Canada, abgerufen am 23. Januar 2012 ( [1] ), archiviert am 6. Januar 2013 im Internet Archive (Wayback Machine) .
  9. ^ Roberge S. 871.
  10. ^ ASTM B418-16 Standard Specification for Cast and Wrought Galvanic Zinc Anodes.
  11. ^ ASTM B843-13 Standard Specification for Magnesium Alloy Anodes for Cathodic Protection.
  12. ^ ASTM F1182-07(2013) Standard Specification for Anodes, Sacrificial Zinc Alloy.
  13. ^ Peabody S. 304.
  14. ^ Ashworth 10:10.
  15. ^ Roberge S. 880.
  16. ^ Peabody S. 158.
  17. ^ Baeckmann, Schwenck & Prinz, p. 233.
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Veröffentlichungen und weiterführende Literatur

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  • Scherer, LF, Oil and Gas Journal, (1939)
  • ASTM B843 - 07 Standard-Spezifikation für Magnesiumlegierungsanoden für den kathodischen Korrosionsschutz
  • ASTM B418 - 09 Standard Specification for Cast and Wrought Galvanic Zinc Anodes
  • Roberge, Pierre R, Handbuch der Korrosionstechnik 1999 ISBN 0-07-076516-2
  • NACE International Paper 09043 Beschichtungen in Verbindung mit kathodischem Korrosionsschutz – Abschirmende vs. nicht abschirmende Beschichtungen
  • NACE International TM0497-2002, Messtechniken im Zusammenhang mit Kriterien für den kathodischen Korrosionsschutz von unterirdischen oder untergetauchten metallischen Rohrleitungssystemen
  • Transport Safety Board of Canada, Bericht Nr. P99H0021, 1999 [2]
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  • EN 12473:2000 - Allgemeine Grundsätze des kathodischen Korrosionsschutzes in Meerwasser
  • EN 12499:2003 - Innerer kathodischer Korrosionsschutz von metallischen Bauwerken
  • NACE RP0100-2000 Kathodischer Korrosionsschutz von Spannbetonrohrleitungen
  • BS 7361-1:1991 - Kathodischer Korrosionsschutz
  • SAE International Paper Nr. 912270 Robert Baboian, Stand der Technik beim kathodischen Korrosionsschutz von Kraftfahrzeugen, Proceedings der 5. Konferenz für Korrosion und Korrosionsprävention in der Automobilindustrie, P-250, Warrendale, PA, USA, August 1991
  • US Army Corps of Engineers, Ingenieurhandbuch 1110-2-2704, 12. Juli 2004
  • NACE International (ehemals National Association of Corrosion Engineers) – Einführung in den kathodischen Korrosionsschutz
  • Institut für Korrosion – Eine technische Gesellschaft mit Sitz in Großbritannien
  • Glossar – Ein umfassendes Glossar der Begriffe für kathodischen Korrosionsschutz und Korrosion.
  • Kathodischer Korrosionsschutz 101 – Kathodischer Korrosionsschutz 101, eine Einführung für Anfänger
  • Nationales Physiklabor – Kurze Einführung in den kathodischen Korrosionsschutz
  • USDOT CFR 192.112 - USDOT-Vorschriften CFR 192.112, die die Verwendung von nicht abschirmenden Korrosionsschutzsystemen auf Stahlrohren unter Verwendung eines alternativen maximal zulässigen Betriebsdrucks vorschreiben.