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Ingenieur - Büro

Stefan Wolters


Kathodischer Korrosionsschutz



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Korrosion


Die Korrosion im Sinne des KKS ist ein überwiegend elektrochemischer Prozess, bei dem die Metallauflösung proportional einer aus dem Metall austretenden Stromdichte ist, siehe Bild 1. Nach dem Faraday-Gesetz beträgt der Materialverlust bei Stahl unter konstanten Bedingungen 9,13 kg pro Jahr und Ampere austretenden Gleichstromes.


Der Stromkreis der ein- und austretenden Ströme kann dabei auf sehr kleine Flächen (Mikroelemente) beschränkt sein oder sich auf große Flächen (Makroelement) ausdehnen, siehe Bild 2. Das im Bild 2 dargestellte Mikroelement nennt man auch freie Korrosion. Per Definition kommt die freie Korrosion ohne Einwirken messbarer äußerer Ströme zustande. Die Stromkreise schließen sich über sehr kleine Flächen. Das im Bild 2 beispielhaft dargestellte Makroelement wird durch unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen entlang der Rohrleitung hervorgerufen. Das Vorhandensein von Sauerstoffkonzentrationselementen wird bei Rohrleitungen grundsätzlich vorausgesetzt. Weitere Konzentrationselemente können sich z.B. durch unterschiedliche pH-Werte, Wassergehalte, usw. ausbilden. Den mit Konzentrationselementen verbundenen Materialabtrag nennt man dementsprechend Konzentrationskorrosion.


Neben den Konzentrationselementen können auch weitere Ursachen einen Stromkreislauf zwischen metallenen Installation und einem Elektrolyten erzeugen. Vergleichsweise hohe Ströme und damit verbundene Korrosionen können durch galvanische Elemente (Kontakt- bzw. Bimetallkorrosion) und Streuströme (Streustromkorrosion) hervorgerufen werden, siehe Bild 3. Entlang einer Rohrleitung können sich somit durch unterschiedliche chemische Bodenbeschaffenheiten sowie lokale Fremdkontakte und Beeinflussungen unterschiedlichste elektrochemische Stromflüsse zwischen dem Metall und dem Elektrolyten einstellen, die an den Stromaustrittsstellen Korrosion hervorrufen.


Kathodischer Korrosionsschutz


Der kathodische Korrosionsschutz hat die Aufgabe, alle Stromaustrittsbereiche in Stromeintrittsbereiche umzuwandeln, d.h. das gesamte Schutzobjekt wird ganzflächig zur Kathode umfunktioniert, siehe Bild 4. Um dies zu erreichen, wird mit Hilfe einer Korrosionsschutzanlage ein Gleichstromkreislauf installiert, der dafür sorgt, dass vom Umgebungsmedium (Erdreich/Gewässer) eine zum Schutz ausreichend hohe Schutzstromdichte vom Umgebungsmedium in die Kathode eintreten kann. Die Korrosion wird durch diese Maßnahme gezielt auf die Anodenanlage verlagert.  


Beim KKS entzieht der Schutzstrom dem Metall Elektronen, die an der Metalloberfläche vorhandene Stoffe in negativ geladene Ionen umwandeln, siehe auch Bild 1. In aller Regel handelt es dabei um OH- Ionen, die bei ausreichend hoher Konzentration die Metalloberflächen passivieren, indem sie sich mit dem Eisen zu z.B. Fe(OH)2 verbinden.  Diese negativ geladene Ionen-Konzentration nennt man im KKS Polarisation und ist durch Potentialmessungen messtechnisch (bedingt) erfassbar. Die OH- Ionen sind bestrebt, von der Kathode in Richtung Anode abzuwandern oder sich durch chemische Verbindungen ladungstechnisch zu neutralisieren. Durch den einzustellenden Schutzstrom wird ein Gleichgewicht zwischen abwandernden und neu generierten Ionen erzeugt, so dass die Ionen-Konzentration einen relativ konstanten Wert aufweist, bei dem das Schutzobjekt gegen Korrosion geschützt ist. Nach Abschalten des Schutzstromes verflüchtigen sich die OH- Ionen wieder, was als Depolarisation bezeichnet wird.


Die Passivierung des Metalls durch die Erzeugung von OH- Ionen geht mit einer Verschiebung des pH-Wertes in alkalischer Richtung einher. Ab einem gewissen pH-Wert ist Stahl gegen Korrosion weitestgehend geschützt. Dies ist z. B. auch von Stahl in Beton bekannt. So ist die Stahlbewehrung durch die natürliche Alkalität des Betons (auch ohne KKS) gegen Korrosion geschützt, solange der pH-Wert des Beton > ca. 12,5 beträgt. Die Zusammenhänge zwischen dem Potential, dem pH-Wert und der Korrosion sind im Pourbaix-Diagramm ersichtlich, siehe Bild 5.      


Als weitere sehr aggressive Korrosionsursache sind sulphat-reduzierende Bakterien zu nennen. Auch diese „biologische“ Korrosionsart wird durch einen wirksamen KKS gänzlich eliminiert, da die Bakterien bei erhöhten pH-Werten von der Stahloberfläche verschwinden.

Prinzip der Korrosion und des kathodischen Korrosionsschutzes