Korrosionsschutz und kathodischer Schutz

Das Thema Korrosionsschutz wird seit vielen Jahren angesprochen, jedoch wurde ihm lange Zeit nicht die notwendige Bedeutung beigemessen. In den letzten Jahren hat es jedoch mit dem Beitrittsprozess zur Europäischen Union, dem Einfluss ausländischer Normen und Investoren sowie der zunehmenden Anzahl qualifizierter Fachkräfte in unserem Land allmählich den Stellenwert erreicht, den es verdient. Während die durch Korrosion verursachten wirtschaftlichen Verluste in entwickelten Ländern etwa 1 % des Bruttoinlandsprodukts betragen, erreichen sie in unterentwickelten und sich entwickelnden Ländern bis zu 5 %. Dieser Anteil stellt für unser Land einen Ressourcenverlust dar, den wir uns nicht leisten können. Sowohl in äußeren Blitzschutzsystemen als auch in Erdungsanlagen stellt Korrosion ein erhebliches Problem in Bezug auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Systeme dar. Insbesondere Blitzableiter und Erdungsmaterialien, die außerhalb geltender Normen hergestellt werden, unterliegen in kurzer Zeit der Korrosion und gefährden die Betriebssicherheit der Systeme.

Durch Korrosion beschädigter Schutz einer PV-Anlage

Als Elektroingenieure tritt an dieser Stelle erneut die Bedeutung unserer Politik der Ablehnung nicht normgerechter Produktion in den Vordergrund. Die Schädigung von Materialien im Laufe der Zeit durch Umwelteinflüsse wird als Korrosion definiert. Die am stärksten von Korrosion betroffene Werkstoffgruppe sind Metalle, da sie eine hohe Neigung zu elektrochemischen Reaktionen aufweisen. Das Korrosionsverhalten von Metallen hängt von ihrer Affinität zu Sauerstoff ab. Metalle, die im freien Zustand stabil sind (z. B. Titan), weisen eine höhere Korrosionsbeständigkeit auf, während Metalle mit höherer Sauerstoffaffinität (z. B. Eisen) leichter zur Oxidation neigen. Neben der Sauerstoffaffinität existieren zahlreiche weitere Einflussfaktoren. Aluminium beispielsweise besitzt aufgrund seiner hohen Sauerstoffaffinität eine hohe Korrosionsbeständigkeit: Die Oberfläche oxidiert sehr schnell, und nach vollständiger Oxidation stoppt der Prozess, wodurch tiefere Schichten geschützt werden. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird die Korrosion von Eisen als Rost bezeichnet. Rost ist ein Korrosionsprodukt mit der chemischen Formel Fe(OH)₂. Unter allen Korrosionsarten ist die Korrosion von Eisen besonders kritisch und gefährlich. Produktionsfreundlichkeit und niedrige Kosten haben die Verwendung von Stahl und Eisen weit verbreitet. Insbesondere Rohrleitungen und Tanks werden zum Schutz vor Korrosion beschichtet; wird diese Beschichtung jedoch an einer Stelle beschädigt, setzt der Korrosionsmechanismus von dort aus sehr schnell ein.

Korrosion eines in einer Industrieanlage verwendeten Rohrs

Einer der wichtigsten Faktoren, die Korrosion verursachen, ist die Materialauswahl. Werden bei Installationen außerhalb der Normen die Regeln nicht eingehalten, ist das Auftreten von Korrosion wahrscheinlich und die Erneuerungsintervalle der Anlagen verkürzen sich. Ein weiterer Faktor, der Korrosion verursacht, ist die gemeinsame Verwendung von Metallen mit unterschiedlichem elektrochemischem Potential. Dies wirkt korrosionsauslösend und -beschleunigend. Ein häufig gemachter Fehler ist die Verwendung von Edelstahl-Schrauben und -Klemmen auf Dächern oder Fassaden aus Stahlblech, was zu galvanischer Korrosion führt. In solchen Fällen müssen die Verbindungselemente durch Kunststoffunterlagen vom Hauptmaterial isoliert werden. Ein weiterer Einflussfaktor ist die unterschiedliche Sauerstoffkonzentration im Boden. Systeme, die unter verschiedenen Belüftungsbedingungen nebeneinander liegen, können in einem Bereich als Anode und im benachbarten Bereich als Kathode wirken, was elektrochemische Korrosion verursacht. Zudem führt eine geringe spezifische elektrische Bodenresistivität zu höherer Leitfähigkeit und beschleunigt den Korrosionsmechanismus. Untersuchungen zeigen, dass eine der häufigsten Ursachen für Korrosion der Potentialunterschied zwischen beschichtetem und unbeschichtetem Metall ist. Wird die Beschichtung aufgrund von Verarbeitungsfehlern beschädigt oder durchbrochen, werden diese Stellen anodisch und korrodieren. Diese Art der lokal begrenzten Korrosion kann durch geeignete Maßnahmen verhindert werden.

Zusammenfassend können folgende Empfehlungen zum Schutz von Anlagen vor Korrosion gegeben werden:

1- Verwendung von Produkten, die gemäß den Normen hergestellt wurden (TS EN 62305, EN 50164-1-2 …)

2- Geeignete Materialauswahl: Die Auswahl von Materialien, die für die Einsatzumgebung geeignet sind und keine galvanischen Paare bilden, ist die wichtigste Voraussetzung zur Vermeidung von Korrosion.

3- Wissenschaftlich fundierte Beschichtungen: Durch Epoxid-, Bitumen-, Polyethylen-, Verzinkungsbeschichtungen usw. wird der Kontakt des Metalls mit der Umgebung unterbrochen und elektrochemische Korrosion verhindert.

4- Korrekte Planung: Bereits bei der Systemauslegung müssen potenzielle Korrosionsursachen berücksichtigt und entsprechende Gegenmaßnahmen getroffen werden. Beispielsweise zeigt der Einsatz von Korrosionsschutzband an Verbindungspunkten in Erdungsprojekten eine vorbeugende Wirkung.

Die wirksamste und am häufigsten eingesetzte Maßnahme gegen Korrosion ist der kathodische Schutz. Die Grundprinzipien des kathodischen Schutzes basieren auf der elektrochemischen Korrosionstheorie. Dabei wird das zu schützende Metall kathodisch polarisiert. Dies kann entweder durch die Kopplung mit einem unedleren Metall (galvanische bzw. Opferanode) oder durch die Anwendung eines externen Stroms erreicht werden. Galvanische Anoden lösen sich während des Schutzprozesses mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf und verlieren an Masse; durch deren regelmäßige Erneuerung wird der Schutz aufrechterhalten. Beim Fremdstrom-Kathodenschutz muss das Metall-Anoden-Paar selbst keinen Strom erzeugen, da der erforderliche Schutzstrom aus einer externen Quelle stammt. Als Anodenmaterialien werden wirtschaftliche und langsam lösliche Werkstoffe verwendet. In galvanischen Systemen kommen meist Zink-, Aluminium- und Magnesiumanoden zum Einsatz, während bei Fremdstromsystemen Fe-Si-, Pb-Sb-Ag- und Ti-basierte Anoden verwendet werden.

Kathodischer Schutz verändert das Potential des korrodierenden Metalls (des im Korrosionssystem anodisch wirkenden Metalls) und zwingt es, sich kathodisch zu verhalten. Wird das zu schützende Bauwerk mithilfe einer nicht löslichen Edelmetallanode als negativer Pol an einen Gleichstromkreis angeschlossen, spricht man von FREMSTROM-KATHODISCHEM SCHUTZ. Eine weitere Form ist der GALVANISCHE KATHODISCHE SCHUTZ, bei dem ein aktiveres Metall als Anode eingesetzt wird und durch Elektronenübertragung das zu schützende Metall kathodisch wird. Ziel des kathodischen Schutzes ist es, das Metall unterhalb einer bestimmten Potentialkurve negativ gegenüber dem Elektrolyten zu polarisieren und so vor Korrosion zu schützen. Dadurch fließt kontinuierlich Strom auf jede Flächeneinheit der Metallstruktur. Die Stromdichte hängt vom Widerstand der Beschichtung und dem lokalen Potentialunterschied ab. Das Auswahlkriterium für den Schutz ist daher das minimale Potential, das das Metall gegenüber Erde oder Meer erreichen muss. Die Messungen erfolgen in der Regel mit einer Kupfer/Kupfersulfat-Referenzelektrode.

Unter diesen Bedingungen wird der kathodische Schutz für Eisen bei Potenzialen unter -850 mV und für Kupfer unter -250 mV gewährleistet. Es muss an jedem Punkt des mit dem Elektrolyten in Kontakt stehenden Metalls das Mindestpotenzial erreicht werden. Korrosion und kathodischer Schutz sind für Blitzschutz- und Erdungssysteme von entscheidender wissenschaftlicher Bedeutung. Um Korrosion an Anlagen zu vermeiden, müssen Produktion und Montage außerhalb der Normen verhindert werden, da korrodierte Installationen sowohl die Betriebssicherheit als auch die Personensicherheit erheblich beeinträchtigen.