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Bewertung der Streustrombeeinflussung von kathodisch geschützten Rohrleitungen auf Basis der AfK Empfehlung Nr. 2: Neueste Erkenntnisse

Dr. Markus Büchler

13. Praxistag Korrosionsschutz

Wirkungsweise des KKS

Kriterien nach DIN EN ISO 15589-1: Gelbe Kreise

• Der kathodische Strom erhöht

den pH-Wert an der

Stahloberfläche

• Damit werden die Bedingungen

für Passivität geschaffen

• Dieselben Bedingungen liegen

auch bei Stahl in Beton vor

• Der KKS wirkt folglich über

elektrisches Einbetonieren

• Kurzzeitige anodische

Beeinflussungen sind irrelevant

Konzentrationspolarisation

• Ein kathodischer Strom führt zu einer Erhöhung des pH-Werts

• Nach wenigen Tagen stellt sich ein stationärer Zustand ein

• Dieser besteht aus Produktion von OH-

sowie deren Diffusion und Migration in die Umgebung

Konzentrationspolarisation

kathodisch anodisch

• Bei anodischer Beeinflussung kommt es nicht nur zu Korrosion durch Aktivierungspolarisation

• Die Absenkung des pH-Werts führt zu Korrosion unter Wasserstoffentwicklung

• Wirkungsgrad des Stroms kann daher grösser als 100% sein

Einfluss der Frequenz

• Die Beeinflussung besteht stets aus einer oder mehreren überlagerten Frequenzen (0 bis 60 Hz)

• Die Dauer der anodischen Beeinflussung bestimmt die Entwicklung des pH-Werts

• Je länger die anodische Potenzialexkursion, desto ausgeprägter die pH-Veränderung

• Verstärkte kathodische Polarisation kann längere anodische Beeinflussung kompensieren

Potenzialregistrierung

• Mit Hilfe einer Potenzialregistrierung kann die Beeinflussung erfasst werden

• Die Verschiebung gegenüber dem unbeeinflussten Potenzial zeigt die Polarität der Beeinflussung

• Von einem KKS kann im Idealfall ausgegangen werden, wenn Eref

negativer als -1 VCSE ist

Stromdichteregistrierung

• Analog kann die Beeinflussung auch mit einer Strommessung an Probeblechen erfolgen

• Die anodische und kathodische Ladung ermöglichen Rückschlüsse auf die Gefährdung

• Von einem KKS kann ausgegangen werden, wenn die Ladung im Mittel kathodisch ist

Relevante Einflussgrösse

• Das Verhältnis zwischen anodischer und kathodischer Ladung ist entscheidend:

Q ≤ (Qc-Qa)/Qa

• Welcher Wert von Q ist für einen wirksamen Schutz einzuhalten?

• Die AfK Empfehlung Nr. 2 macht für Bahnbeeinflussung folgende Vorgaben:

Eon,avg ≤ Eref –ΔEa,avg

Umsetzung der AfK 2

• Bei einem mittleren Eon,avg von Eref muss mit Korrosion gerechnet werden

• Daher muss Eon,avg um ΔEa,avg

kathodisch verschoben werden

• Es gibt zwei Möglichkeiten:

– Das Schutzstromgerät negativer einstellen

– Die kathodische Beeinflussung durch eine Drainage erhöhen

• Die AfK 2 verlangt, dass die kathodische Beeinflussung den doppelten Wert der anodischen Beeinflussung hat:

1 ≤ (Qc-Qa)/Qa

t [s]

E [

VCSE]

Eref

Eon,avg ≤ Eref –ΔEa,avg

Die AfK 2 gilt für Bahnbeeinflussung. Wie ist die Abhängigkeit von ta und Q?

Abhängigkeit von Q und ta

Q = ta*0.004

50 u

nd 1

6.7

Hz

Tra

ms

Bahnen

Tellurik

KKS

ta→0; Q →0 < (Eref – Eon,avg)/ΔEa,avg bestätigt im DVGW Feldversuch

Der Ansatz der AfK 2 gilt nachweislich über das ganze Frequenzspektrum

Schlussfolgerung

• Basierend auf den Vorgaben der AfK Empfehlung Nr. 2 ist es möglich, die anodische Streustrombeeinflussung über das gesamte Frequenzspektrum zu beschreiben

• Dabei ist mit dem messtechnisch validierten Ansatz folgende Bedingung einzuhalten:

ta*0.004s-1 ≤ (Eref – Eon,avg)/ΔEa,avg

• Die Gleichung ist nachweislich gültig für ta →0

• Sie gilt aber auch für konstante anodische Beeinflussung (ta=unendlich)

Konsequenzen für die Anwendung

• Das Beiblatt zur AfK Empfehlung Nr. 11 sowie die AfK Empfehlung Nr. 2 ermöglichen nun einen neuen Ansatz für die Bewertung des KKS

• Dieser ist unabhängig von der Beeinflussungssituation und kann auch an komplexen Strukturen angewendet werden

• Er basiert auf 24-Stunden Mittelwerten des Einschaltpotenzials und der Wechselspannung

Vorgehensweise: Wirksamer KKS

• Rohrleitung mit 3LPE Umhüllung

• Bodenwiderstand zwischen 30 und 100 Ωm

• Es ergibt sich ein Eref von -1.05 VCSE

• Basierend auf AfK 2 kann die Bewertung basierend auf dem Eon erfolgen

Vorgehensweise: DC Beeinflussung

• ΔEa,avg beträgt 0.45 V

• Damit muss sichergestellt sein, dass Eon,avg negativer als -1.5 VCSE ist

• Basierend auf AfK 2 ist somit ein wirksamer KKS gegeben

Vorgehensweise: AC Beeinflussung

• Das Beiblatt zur AfK 11 macht Vorgaben in Bezugauf die zulässigeWechselspannung in Bödenmit 30 Ωm

• Dies erfordert die Verringerung der mittleren Wechselspannung unter5 V

• Wenn dies nicht erreicht werden kann, muss die Streustrombeeinflussung verringert werden

Konsequenzen

• Die AfK 2 und das Beiblatt zur AfK 11 ermöglichen eine Bewertung des KKS von beeinflussten Leitungen

• Es ist möglich, einen optimalen Korrosionsschutz basierend auf einfachen und objektiven Messungen einzustellen

• Die Planung von Schutzmassnahmen und die Kontrolle von deren Wirksamkeit ist einfach

• Deren Aufrechterhaltung kann effizient mit Fernwirktechnik nachgewiesen werden

• Damit ist ein Wirkungsnachweis von kathodisch geschützten Rohrleitungen einfach und objektiv möglich

• Es bleiben aber einige Fragen

Warum gibt es nun bald zwei Normen für AC Korrosion?

• Die DIN EN ISO 18086 (und die AfK 11) beschreiben Grenzwerte in Bezug auf Wechselstromkorrosion

• Die ISO/DIS 21857 beschreibt Grenzwerte in Bezug auf Gleich- und Wechselströme basierend auf den Vorgaben der AfK 2

• Diese Anforderungen sind sehr unterschiedlich:

• EN ISO 18086/AfK 11: – Jac <30 A/m2 oder

– Jdc <1 A/m2

• ISO/DIS 21857/AfK 2:

– 1< (Qc-Qa)/Qa) = (Eref – Eon,avg)/ΔEa,avg

Vorgaben in Bezug auf den maximal zulässigen KKS

Vorgaben in Bezug auf den minimal erforderlichen KKS

Überschutz vs. Unterschutz bei AC Beeinflussung

Korrosion

Schutz

Korr

osio

n

Schutz

Korrosion

• Die ISO 18086 behandelt den Überschutz in Bezug auf kathodische Beeinflussung

• Die ISO/DIS 21857 behandelt den Unterschutz bei anodischer Beeinflussung

• Die Kombination der beiden Betrachtungen sichert den optimalen KKS

AfK 11

AfK

2

AfK 11

AfK

2

Warum ist Überschutz nur bei AC Beeinflussung ein Problem?

• Wechselstromkorrosion erfolgt durch wiederholte Bildung und Auflösung des Passivfilms

• Bei einer Dicke des Passivfilms von einer Atomlage sind bei 50 Hz Korrosionsgeschwindigkeiten von 70 mm/Jahr zu erreichen

• Bei Trambeeinflussung beträgt die Korrosionsgeschwindigkeit aufgrund der geringeren Frequenz bei Einhaltung der AfK 2 nur 0.011 mm/Jahr

Der Effekt tritt auch bei DC auf, ist aber technisch vernachlässigbar

Daher macht die AfK 2 keine Vorgaben in Bezug auf Überschutz

Was passiert mit dem anodischen Strom?

Die Rostschicht stellt eine Pseudokapazität dar

Warum berücksichtigt die AfK 2 das IR-freie Potenzial nicht?

• Die AfK Empfehlung Nr. 2 macht keine Vorgaben in Bezug auf das IR-

freie Potenzial bei anodischer Streustrombeeinflussung

• Dies hat einerseits damit zu tun, dass dieses bei Streustrom-

beeinflussung gemäss DIN EN 13509 am Rohr gar nicht gemessen

werden kann

• Das IR-freie Potenzial stellt eine pH-Wert Messung dar, sofern dessen

Wert durch die Wasserstoffelektrode kontrolliert ist

• Wenn zusätzlich anodische Streuströme überlagert sind, wird das IR-

freie Potenzial beeinflusst und somit zu einer irrelevanten Zahl

• Dies ist vergleichbar mit einer Raumtemperaturmessung mit dem

Thermometer auf dem Radiator

• Es ist somit technisch korrekt, dass die AfK 2 das IR-freie Potenzial

unter Streustrombeeinflussung nicht berücksichtigt

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Besten Dank für Ihr Interesse.