Was ist kathodischer Korrosionsschutz?
Jede metallische Struktur, die in einen Elektrolyt eingetaucht ist, sei es Erde, Süßwasser, Meerwasser oder Beton, unterliegt naturgemäß der Zersetzung durch das bekannte Problem der Korrosion, d. h. des elektrochemischen Prozesses, der zur Zersetzung der metallischen Elemente führt. Das bedeutet, dass alle Transportsysteme, die unterirdische oder unter Wasser liegende Leitungen verwenden, wie z. B. Gas-, Wasser- und Öltransportnetze, Korrosionserscheinungen ausgesetzt sind, was aufgrund von Leitungslecks, Anlagenstillständen und dem Austausch von Komponenten enorme Wartungskosten verursacht, ganz abgesehen von den sicherheitstechnischen Problemen für Mensch und Umwelt.
Wie wird Korrosion verhindert?
Voraussetzung für das Auftreten von Korrosion ist das Vorhandensein von vier Elementen:
- Elektrolyt
- Anode
- Kathode
- Metallverbindung
Um den Zersetzungsprozess zu stoppen oder zu verlangsamen, muss daher mindestens eine der vier oben genannten Komponenten beseitigt werden.
Kathodischer Schutz zur Verhinderung von Korrosionserscheinungen
Es gibt verschiedene Methoden, um die Korrosion der Metalle zu verhindern. Konkret geht es in diesem Artikel um den kathodischen Korrosionsschutz, eine elektrochemische Technik, die genau dazu dient, den Korrosionsprozess von Metallstrukturen, die in Kontakt mit einer leitfähigen Umgebung stehen, d. h. einer Umgebung, die genügend Ionen enthält, um Elektrizität zu leiten (z. B. Erde oder Wasser, insbesondere Meerwasser), zu verlangsamen.
Ein metallisches Material, das sich in einer leitenden Umgebung befindet, steht im Mittelpunkt eines Vorgangs, der als Batterieeffekt bekannt ist. Mit anderen Worten, es kann ein Stromfluss vom Rohr zur Umgebung entstehen, der die Zersetzung des Metalls zur Folge hat.
Ein Metall korrodiert an der Stelle, an der sich der Strom von der Anode trennt.
Damit Korrosion entstehen kann, führen die oben genannten Elemente zu folgenden Reaktionen:
- Es wird ein Stromfluss erzeugt, der von der Anode durch den Elektrolyt zur Kathode fließt. Er fließt über die Metallverbindung zur Anode zurück.
- Korrosion tritt immer dann auf, wenn sich der Strom vom Metall (Rohr, Struktur usw.) löst und mit dem Boden (Elektrolyt) in Kontakt kommt. Der Bereich, in dem sich der Strom trennt, wird Anode genannt. Die Korrosion findet also in dem Anodenbereich statt.
- Der Strom fließt dann zur Kathode zurück. In diesem Bereich gibt es keine Korrosion. Um die Kathode herum findet die Polarisierung statt (Bildung eines Passivierungsfilms), die den Korrosionsstromfluss verringert.
Korrosion von erdverlegten Metallrohren
Bei erdverlegten Metallrohren kann die galvanische Korrosion durch mehrere Faktoren ausgelöst werden, von denen die wichtigsten sind:
- Metallkontakte zwischen verschiedenen Materialien oder zwischen verschiedenen Legierungen desselben Metalls (z. B. Verbindungsstellen) mit unterschiedlichem elektrochemischem Potential;
- Vorhandensein von Streuströmen (z. B. in der Nähe von Eisenbahnen oder anderen kathodischen Schutzsystemen);
- Vorhandensein elektrochemischer Potentiale aufgrund unterschiedlicher Bodenbeschaffenheit (z.B. Ton-Sand, ersterer anodisch, letzterer kathodisch).
Der Stromfluss wird durch einen Potentialunterschied zwischen der Anode und der Kathode verursacht. Das kathodische Schutzniveau ist der Potentialwert, unterhalb dessen Stahl nicht korrodieren kann.
Bei erdverlegtem Kohlenstoffstahl wird das Schutzniveau an einer Cu/CuSO4-Referenzelektrode in direktem Kontakt mit dem Erdboden gemessen und bei einem Widerstand von weniger als 100 Ohm*m üblicherweise auf -850 mV CSE festgelegt.
Jeder Strom im Sinne eines Flusses, der sich vom Rohr löst, verursacht Korrosion. Die Grundidee besteht darin, der Metallstruktur (unterirdisches Rohr oder anderes) Elektronen zuzuführen, um zu verhindern, dass sich das Metall zersetzt.
Korrosionsschutz
Im Allgemeinen wird der Korrosionsschutz wie folgt erreicht:
- Galvanisches (oder Opfer-) Anodensystem
Bei galvanischen Anodensystemen wird die zu schützende (unterirdische) Metallstruktur mit einem weniger edlen Metall wie Zink oder Magnesium verbunden.
Einmal verbunden, bilden sie ein galvanisches Paar. Dabei korrodiert die Opferanode schneller als sie es von sich aus tun würde, während die Metallstruktur als Kathode wirkt und langsamer korrodiert als sie es von sich aus tun würde.
Die Anoden werden nach dem spezifischen Widerstand der Umgebung (Boden) bemessen. Die Anoden werden aus Materialien wie Magnesium (Mg), Zink (Zn) oder Aluminium (Al) hergestellt. Sie werden in der Regel in unmittelbarer Nähe des zu schützenden Teils installiert und mit diesem über einen isolierten Leiter verbunden.
- Fremdstromsystem
Alternativ zum System der Opferanode kann eine Metallstruktur auch mit einem System geschützt werden, das eine externe Stromversorgung verwendet.
Der Minuspol des Netzteils ist mit der zu schützenden Struktur und der Pluspol mit einem inerten Material (Anode) verbunden. Auf diese Weise wird ein Stromfluss zwischen der Anode und dem zu schützenden Teil erzeugt, der die Korrosionsgeschwindigkeit verlangsamt.
Die Anoden sind an eine Gleichstromquelle, z. B. einen Gleichrichter oder Generator, angeschlossen. Das Prinzip ist dasselbe wie oben, mit dem Unterschied, dass die Anoden aus korrosionsbeständigen Materialien wie Graphit, Silizium-Eisen, Blei-Silber-Legierungen oder Platin hergestellt werden.
Der Fremdstrom, der dem System zugeführt werden muss, um den Korrosionsschutz zu gewährleisten, variiert je nach der zu schützenden Oberfläche, der Art der verwendeten Beschichtung, der Art des Bodens und anderen Faktoren beträchtlich und reicht von einigen µA bis zu mehreren A.
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