BAW Merkblatt KKS Im Stahlwasserbau

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Merkblatt Kathodischer Korrosionsschutz im Stahlwasserbau MKKS Dezember 2007 Version 1.1 (November 2008): Änderungen in Anlage 4

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Regelwerk für Kathodischer Korrosionsschutz

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Merkblatt Kathodischer Korrosionsschutz

im Stahlwasserbau MKKS

Dezember 2007 Version 1.1 (November 2008): Änderungen in Anlage 4

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Inhaltsverzeichnis Seite Vorbemerkung 1. Allgemeines 2 2. Geltungsbereich 3 3. Voraussetzungen 3 4. Vorgehensweise für die Erstellung von Planungsunterlagen für Kathodische Korrosionsschutzanlagen 4 5. Leistungsdaten 7 6. Literatur 9 Anlagenverzeichnis Anlage 1.1 Prinzip einer Fremdstromanlage Anlage 1.2 Prinzip einer galvanischen Schutzanlage Anlage 2 Entwurfsplan Fremdstromanlage Anlage 3.1 Bemessung einer galvanischen Schutzanlage Anlage 3.2 Bemessung einer Fremdstromanlage Anlage 3.3 Berechnung von Schutzschilden Anlage 4 Daten für die Bemessung bei Kathodenschutzanlagen Anlage 5 Potentialvergleich von Mess- und Steuerelektroden

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Anforderungen für die Planung und Errichtung Kathodischer Korrosionsschutzanla-gen an Stahlwasserbauten Für Planung, Ausschreibung und Bau von Kathodischen Korrosionsschutzanlagen gelten die vom Arbeitskreis 20 der Arbeitsgruppe Standardleistungsbeschreibungen im Wasserbau herausgegebenen Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen (ZTV-W, LB 220 (1999)) /1/ für den Kathodischen Korrosionsschutz im Stahlwasserbau und der Standardleistungs-katalog (STKL) LB 220 Kathodischer Korrosionsschutz im Stahlwasserbau (1996) /2/. Die Einführung im Geschäftsbereich der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes erfolg-te durch die Erlasse BW 21/70.15.03-23/12 VA 96 vom 20.02.1996 und EW 23/70.15.03-23/128 VA 99. Die nachfolgenden Ausführungen sollen die Grundlage für Untersuchungen als Basis für die sachgerechte Erstellung des Leistungsverzeichnisses sein. 1 Allgemeines Kathodische Korrosionsschutzanlagen (KKS-Anlagen) im Sinne dieser Anforderungen sind Einrichtungen, die an Stahlwasserbauten durch einen entsprechend bemessenen Schutz-strom und ein dadurch erzeugtes Schutzpotential Korrosionsschäden verhindern (siehe An-lage 1.1). Mittels eines Schutzstromgerätes der Fremdstromanlage wird ein Elektronenstrom in das zu schützende Bauteil geleitet. Über den Elektrolyten schließt ein ionischer Schutz-strom den Stromkreis. Das Prinzip einer galvanischen Schutzanlage ist mit einer Fremd-stromanlage vergleichbar, nur dass hierbei die Elektronen im direkten Kontakt mit dem zu schützenden Bauteil unter Auflösung des (unedleren) metallischen Anodenmaterials einge-leitet werden (siehe Anlage 1.2). Stahlwasserbauten werden in der Regel nach dem STLK, LB 218 /3/ unter Beachtung der ZTV-W, LB 218 /4/, passiv durch Beschichtungen vor Korrosion geschützt. Beschichtungen verlieren teilweise ihre Funktion durch: • Mechanische Einwirkungen, z. B. durch Grundberührungen von Schiffen und Ankern in

Kanalbrücken und Hebewerken oder durch Eis/Treibgut an Stahlwasserbauverschlüssen • verdeckte Mängel bei der Oberflächenvorbereitung und Applikation • Alterung. Beim Einsatz von nicht untereinander isolierten Mischkonstruktionen aus Baustahl, Gussle-gierungen, Edelstahl, Buntmetallen u. a. an Dichtungen, Pumpen, Hydraulikleitungen und Luftsprudelanlagen, besonders in aggressiven Wässern, kommt es aufgrund der unter-schiedlichen Potentiale zu Bimetallkorrosion (Kontaktkorrosion) sowie an den Fehlstellen der

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Beschichtung zu intensiven Materialabträgen am Stahl. Die Korrosionsgeschwindigkeit ist abhängig von • der Höhe der wirksamen Potentialdifferenz • dem Oberflächenverhältnis Kathode zu Anode • der spezifischen Leitfähigkeit des Elektrolyten • den Wasserinhaltsstoffen, u. a. Sauerstoff als geschwindigkeitsbestimmenden Faktor der

kathodischen Korrosionsreaktion. Insbesondere chloridhaltige Wässer führen zu Lochkorrosion bei nichtrostenden Stählen bzw. Spaltkorrosion bei beschichteten nichtrostenden Stählen. Mit Fremdstrom- bzw. galvanischem Schutz werden die Korrosionsströme kompensiert. Un-ter bestimmten Bedingungen ist eine Nachrüstung mit KKS-Anlagen möglich. Besonders wirtschaftlich ist der Einbau beim Neubau von Stahlwasserbauanlagen, je nach Anlagentyp sind ca. 0,5 - 5 % der Stahlwasserbaukosten erforderlich. Die Vorteile von KKS-Anlagen lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: . Verlängerung der Instandsetzungsintervalle von Stahlwasserbauten . Senkung der Sperrzeiten von Schleusen und Hebewerken durch Wegfall bzw. Verlänge-

rung der Unterhaltungsfristen des passiven Schutzes . Verringerung von Umweltbeeinflussung durch Vermeidung von Strahl- und Beschich-

tungsarbeiten. Die aus nur einem Schadensfall herrührenden Instandhaltungskosten können durch anfal-lende Folgekosten, wie Setzen und Ziehen von Revisionsverschlüssen, Lenzen und Füllen von Schleusenkammern und Kanaltrögen, Kranarbeiten für das Wechseln von Schützen oder Schleusentoren, Vollsperrung des Schiffsverkehrs, die Investitionskosten der Kathodi-schen Korrosionsschutzanlagen beträchtlich übersteigen. 2 Geltungsbereich Diese Anforderungen gelten für die Planung und Errichtung von KKS-Anlagen für feste und bewegliche Teile von Stahlwasserbauten und für stählerne Ausrüstungsteile von Wasser-bauwerken. Die für den Kathodischen Korrosionsschutz erforderlichen Grundlagen der Funktions- und Messtechnik sowie praktische Anwendungen sind in /5/, /6/ /7/ und /8/ be-schrieben. 3 Voraussetzungen Für das Schutzobjekt müssen nachfolgende Voraussetzungen erfüllt oder nachträglich ge-

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schaffen werden: 3.1 Es muss eine durchgehende metallene Leitfähigkeit haben. 3.2 Zu Anlagen und Bauwerksteilen mit niederohmigem Ausbreitungswiderstand dürfen

keine metallischen Kontakte vorhanden sein. 3.3 Es muss einen passiven Schutz mit ausreichendem Isolationswiderstand haben. 4 Vorgehensweise für die Erstellung von Planungsunterlagen für Kathodische Kor-

rosionsschutzanlagen Für die Planung sind nachfolgende Unterlagen zu erstellen: 4.1 Lageplan mit

- Schutzobjekten - Schutzstromgeräten - Messeinrichtungen - Niederspannungsanschluss - beeinflussten Fremdobjekten - Kabelverlegung

4.2 Charakterisierung der örtlichen Bedingungen am Bauwerk 4.2.1 Festlegung zu schützender Bauteilfläche ... m² (Beachte: Abwicklung bei Spundwand) 4.2.2 Oberfläche unbeschichtet ... m² 4.2.3 Oberfläche beschichtet ... m² Zustand der Beschichtung 4.2.4 Edelstahlfläche unbeschichtet ... m² 4.2.5 Mechanische und hydraulische Einflüsse auf das Bauwerk Fehlstellenrate der Beschichtung /6/ ....% - Schiffsberührung, Sandschliff, Eis, Treibgut, - Strömung, Turbulenzen, Wellenschlag (Fähranleger) 4.2.6 Art der zu schützenden Konstruktion, wie z.B. - Schleusentor - Wehrverschluss

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- Kanalbrücke, Hebewerkstrog - Spundwand, Pumpe, Turbine, Schieber … ... 4.2.7 Fremdobjekte im Nahbereich - Stahl (Leitwerke) - Stahlbetonbauwerke - Rohrleitungen - Kabel - Erdungsanlagen - festliegende Schiffe 4.2.8 Aussagen zu örtlichen Bedingungen (z. B. Stromversorgung, Kabelschutzrohre vor-

handen, Kernbohrungen, Stemmarbeiten). 4.3 Untersuchung der korrosiven Einflüsse Für die Auslegung einer Schutzanlage ist die durchschnittliche jährliche Wasserzusammen-setzung entscheidend. Vorhandene Messergebnisse über den kompletten Jahreszyklus aus anderen Untersuchungen (Umweltschutz), insbesondere über die Länge und jahreszeitliche Verteilung von Perioden der Minimalleitfähigkeit sind vor allem bei älteren, vorgeschädigten Bauwerken im Hinblick auf eine Erhöhung der Anodenanzahl erforderlich. Tabelle 1: Wasseranalyse am Schutzobjekt Messung Einheit Spezifische Leitfähigkeit (20 0C) …µS/cm Sulfide (Gewässersohle) ... mg/l Sulfat ... mg/l Chlorid ... mg/l Calcium ... mg/l Magnesium ... mg/l Mangan ... mg/l pH-Wert Die Leitfähigkeit des Elektrolyten ist eine notwendige Vorraussetzung der Funktion einer KKS-Anlage. Mit der Temperaturabnahme im Winter wird die Leitfähigkeit und damit die Stromabgabe stark verringert. Gelöste Sulfide können eine zusätzliche Potentialabsenkung erforderlich machen. Calcium und Magnesium bewirken entscheidend, neben Chloriden und Sulfaten (korrosions-relevante Ionen), die Leitfähigkeit eines Gewässers. Zudem bauen beide Erdalkalimetalle eine Kalkschicht im kathodischen Bereich des Bauteils auf. Mangan kann als Oxid eine zusätzliche, starke Kathode darstellen, bzw. kann es die Funkti-

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onstüchtigkeit einer Anode durch Ablagerungen (Mangandioxid) einschränken. Im pH-Wert spiegelt sich die Gesamtheit aller chemisch wirksamen Säure- und Basenaktivi-täten wider. Je nach Schutzstrombedarf bzw. Stromabgabe und Gewässertyp werden die Materialien für Galvanische Anoden ausgewählt. Als Faustregel gilt:

Tabelle 2: Technische Angaben galvanischer Anoden

Anodentyp Potent.diff. zum Baustahl*

Praktischer Strominhalt

Gewässer

Magnesium 450-750 mV ~ 1.100 Ah/kg Süßwasser Aluminium 300-370 mV ~ 2.900 Ah/kg Brackwasser Zink 250-300 mV ~ 800 Ah/kg Meerwasser

*Treibspannung 4.4 Versuchseinspeisung mit Fremdstrom Besonders bei Mischkonstruktionen (Baustahl/Edelstahl/Stahl in Beton), komplizierten geo-metrischen Bauwerksformen, Bauwerken mit alten Beschichtungen und anderen Bedingun-gen, die Schwierigkeiten in der Stromverteilung erwarten lassen, sind Versuchseinspeisun-gen zur exakten Auslegung der erforderlichen Schutzanlage notwendig. Dies ist in der Regel nicht erforderlich, wenn bereits Erfahrungen mit bauartgleichen Kon-struktionen unter ähnlichen Bedingungen vorliegen. Für die Versuchseinspeisung sind die nachfolgenden Festlegungen bzw. Messungen erfor-derlich: 4.4.1 Ausbreitungswiderstände des Schutzobjektes ... Ω 4.4.2 Freie Korrosionspotentiale im Raster ... mV Cu/CuSO4gesättigt [mV/Cu]

1 x 1 m messen (Ruhepotentiale) 4.4.3 Anodenstrom ... A 4.4.4 Anodenausbreitungswiderstand errechnen ... Ω 4.4.5 Potentialverteilung messen ... mV Cu 4.4.6 Schutzstromdichte ermitteln ... mA/m² 4.4.7 Schutzstrombedarf ... A 4.4.8 Verträglichkeit mit organischen Beschichtungen hinterfragen (BAW Prüfzeugnis, siehe auch www.baw.de (Stoffprüfungen) 4.4.9 Anzahl der Schutzstromgeräte festlegen ... Stück 4.4.10 Schutzstromgerätetyp festlegen, Typ ... 4.4.11 Anodenanzahl festlegen ... Stück 4.4.12 Anodenanordnung festlegen 4.4.12.1 Anoden mit großem Abstand zum Bauwerk 4.4.12.2 Anoden mit geringem Abstand zum Bauwerk 4.4.12.3 Anoden am Bauwerk

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4.4.12.4 Sonderfälle (z. B. Anoden hinter dem Bauwerk) 4.4.13 Anodenbefestigung testen (einschl. erforderlicher Isolierschirme) 4.4.14 Anodenwerkstoffe testen (Abtrag ermitteln, Aussage Lebensdauer) 4.4.15 Anodenform festlegen 4.4.16 Standort und Anzahl der Mess- und Bezugselektroden festlegen ... Stück 4.4.17 Mess- und Bezugselektrodentyp festlegen 4.4.18 Kathodenanschluss festlegen Bei komplizierten Wasser- und geometrischen Verhältnissen ist es sinnvoll, Messungen mit schreibenden Geräten über mehrere Monate durchzuführen. 5 Leistungsdaten Die Daten der Untersuchungen (Abschnitt 4) und der Planung sind hinsichtlich der Anforde-rungen an Kathodische Korrosionsschutzanlagen unter Beachtung der einschlägigen DIN sowie der ZTV-W, LB 220 und des STLK, LB 220 wie folgt zusammenzustellen: 5.1 Machbarkeitsstudie 5.2 Entwurfsplan der Schutzanlagen (Anlage 2) 5.3 Bautechnische Anforderungen z.B. Nischen, Durchbrüche, Kabelziehrohr bei Neu-

bauten sowie nachträglichem Einbau 5.4 Messprotokolle Wasseranalyse, freie Korrosionspotentiale 5.5 Berechnungsunterlagen über Schutzstromdichte, Schutzstrombedarf und Schutzbe-

reiche (Anlage 3: Beispielrechnung, Anlage 4: Bemessungsdaten) 5.6 Auslegung der Anodenanlage und Schutzstromgeräte 5.7 Massen- und Kostenberechnung 5.8 Leistungsbeschreibung und Leistungsverzeichnis erstellen (STLK, LB 220) Die Erstellung der o. g. Unterlagen muss durch Sachkundige (Ing.-Büros, Fachstellen oder die BAW) in enger Zusammenarbeit mit den WNÄ und WSÄ erfolgen. Geeignete Beschichtungssysteme für kathodische Beanspruchung sind der “Liste der zuge-lassenen Beschichtungssysteme“ die gemäß den “Richtlinien für die Prüfung von Beschich-tungsstoffen für den Korrosionsschutz im Stahlwasserbau“ (RPB) durch die BAW erstellt und

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kontinuierlich herausgegeben wird, zu entnehmen. Kathodische Korrosionsschutzanlagen und organische Beschichtungssysteme ergeben ei-nen Langzeitkorrosionsschutz, der auf Grund der Synergie die dreifache Standzeit der Ein-zelverfahren erreichen kann. Voraussetzung dafür ist eine jährliche Überprüfung bezüglich der Einhaltung vorgeschriebe-ner Potentialgrenzen (Anlage 5). Überpotentiale vergeuden Strom und können zur Schädi-gung der passiven Beschichtung führen. Im Zusammenhang mit der Reduzierung des per-sonellen Überwachungsaufwandes sind KKS-Anlagen mit Mess-, Überwachungs- und Steu-erungssystemen auszurüsten, um wesentliche Anlagenparameter zentral zu überwachen und zu steuern.

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6 Literatur /1/ ZTV-W, LB 220 Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen - Wasserbau für Kathodi-

schen Korrosionsschutz im Stahlwasserbau /2/ STLK, LB 220 Standardleistungskatalog Kathodischer Korrosionsschutz im Stahlwas-

serbau /3/ STLK, LB 218 Standardleistungskatalog Korrosionsschutz im Stahlwasserbau /4/ ZTV-W, LB 218 Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen – Wasserbau für Korrosi-

onsschutz im Stahlwasserbau /5/ Kathodischer Korrosionsschutz im Wasserbau. Hafentechnische Gesellschaft e.V. Ham-

burg /6/ Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches, Planung und Errichtung Kathodischer

Korrosionsschutzanlagen für erdverlegte Lagerbehälter und Stahlrohrleitungen, Arbeits-blatt 12

/7/ DIN 30676, Planung und Anwendung des Kathodischen Korrosionsschutz für den Au-

ßenschutz, 1985 /8/ Baumann, M.: Aktiver Korrosionsschutz von Stahlwasserbauten, Stahlbau Kalender 2006, S. 755 - 770 /9/ von Baekmann, W.: Taschenbuch für den Kathodischen Korrosionsschutz, Vulkan Verlag Essen /10/ VG 81259 Kathodischer Korrosionsschutz von Schiffen; Außenschutz durch Fremd- strom

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Anlage 1.1

Prinzip einer Fremdstromanlage

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Anlage 1.2

Prinzip einer galvanischen Schutzanlage

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Anlage 2

Entwurfsplan Fremdstromanlage

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Anlage 3.1

Bemessung einer galvanischen Schutzanlage - vereinfachtes Beispiel Binnenwasser –

1. Objekt: Sparbeckenverschluss 2. Zu schützende Fläche und erforderlicher Schutzstrombedarf Fläche Schutzstrombedarf Schutzstrom [m²] [mA/m²] gesamt [mA] • nichtrostender Stahl unbeschichtet 1 200 200 • nichtrostender Stahl beschichtet 5 5 25 • unlegierter Stahl unbeschichtet 2 50 100 • unlegierter Stahl beschichtet 50 1 50 • Stahl in Beton (bei leitendem Kontakt 50 5 250 zum Bauwerk) Gesamtschutzstrombedarf: 625 mA 3. Angaben zum Anodenmaterial

Magnesium: praktischer Strominhalt 1100 Ah/kg Dichte 1,8 g/cm³ Beachte: Maximale Stromabgabe einer Anode 20 mA Anodenanzahl: 625 mA / 20 mA = 31 Stück 4. Anodenmasse [kg]

nJahre10inkg48Jahr/kg4,8Std./kg A1100

Std./Jahr 8760 A 0,625Magnesium ieStromenergmbedarfSchutzstro

≅=⋅

⋅=

5. Anodenauswahl: 30 Anoden je 1,5 kg, Anodenform nach STLK, LB 220

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Anlage 3.2

Bemessung einer Fremdstromanlage - vereinfachtes Beispiel Binnenwasser -

1. Objekt: Sparbeckenverschluss 2. Zu schützende Fläche und erforderlicher Schutzstrombedarf Fläche Schutzstrombedarf Schutzstrom [m²] [mA/m²] gesamt [mA] • nichtrostender Stahl unbeschichtet 2 200 400 • nichtrostender Stahl beschichtet 4 5 20 • unlegierter Stahl unbeschichtet 2 50 100 • unlegierter Stahl beschichtet 70 1 70 • Stahl in Beton 50 5 250 Gesamtschutzstrombedarf: 840 mA 3. Berechnungsangaben Spezifischer elektrischer Widerstand: 1000 [Ω⋅cm] Anodentyp: metelloxidbeschichteter Titanstab Anodenabmessung: Länge (L) 1000 [mm] Anodenoberfläche: Durchmesser (d) 15 [mm] Treibspannung: U [V] Widerstand des Stromkreises: R [Ω]

4. Stromabgabe je Anode: RU

I =

Gewählte Treibspannung: 10 V

Lbzw <<=⋅

⋅⋅

= dwennL

Rd

L2ln

Lπ2R

ρρ.

/9/

Ω=⋅Ω

10cm 100

cm1000

Stromabgabe einer Anode A110

V10RUI =

Ω= = 1000 mA

Der Schutzstrombedarf von 840 mA wird demzufolge mit einer Anode gewährleistet.

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Anlage 3.3

Berechnung von Schutzschilden Bei Anodenbefestigungen direkt am Bauwerk ist ein Schutzschild zur Vermeidung von Be-schichtungsschäden infolge zu negativen Potentials in Anodennähe anzubringen. Am Rande des Schutzschilds sollte das Potential nicht negativer als -1050 mV/Cu liegen. Die Berech-nung hat nach folgenden Formeln zu erfolgen /10/: Punktförmige Anode (kreisförmiges Schutzschild)

cm]2U

r [π

ρ⋅Δ⋅Ι

=

Rechteckige Anode (elliptisches Schutzschild)

[cm] 2U6

2baπ

ρ⋅Δ⋅Ι

=+

Der Quotient a/b ist durch das Verhältnis von Anodenlänge zu Anodenbreite gegeben. Die Formelzeichen haben folgende Bedeutung: r = Radius des Schutzschildes [cm] Ι = Stromaustritt an der Anode [A] ρ = Spezifischer elektrischer Widerstand [Ohm.cm] ΔU = Potentialdifferenz am Schutzschildrand zwischen freiem (für unlegierten Stahl in Binnenwässern ca. 500 mV/Cu) Korrosionspotential und U = 1050 mV/Cu; a = Länge des Schutzschildes [cm] b = Breite des Schutzschildes [cm] Die Schutzschilde sind aus glasfaserverstärkten Kunststofflaminaten, Kunststoffmassen oder kathodenschutzverträglichen Beschichtungen ausreichender Schichtstärke (1-3 mm) herzustellen. Auf eine gute Oberflächenvorbereitung und sachgerechte Ausführung ist besonders zu ach-ten. Die Absicherung der Anoden hat so zu erfolgen, dass bei Kurzschluss keine Beschädigung der Beschichtung erfolgen kann.

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Anlage 4

Daten für die Bemessung bei Kathodenschutzanlagen 1. Orientierende Richtwerte für Schutzstromdichten

Material Zustand Medium Schutzstromdichten

[mA/m²]

nichtrostender Stahl unbeschichtet Binnenwasser 200 - 500

nichtrostender Stahl beschichtet Binnenwasser 5

unlegierter Stahl unbeschichtet Binnenwasser 50

unlegierter Stahl unbeschichtet Seewasser 100

unlegierter Stahl beschichtet Binnenwasser 1

unlegierter Stahl beschichtet Seewasser 10

unlegierter Stahl unbeschichtet Boden 10 - 20

unlegierter Stahl beschichtet Boden 5

Stahl in Beton Wasser 5 Für Berechnungen sind Erfahrungen benachbarter vergleichbarer Anlagen anzusetzen 2. Orientierungswerte für spezifische el. Leitfähigkeit (κ) und spezifischen Widerstand (ρ)

Berechnung1): κ [µS/cm] = 106 ⋅ 1/ρ [Ω ⋅ cm] Objekt, Ort Jahr κ [µS/cm] ρ [Ω ·cm] Ostkaje, Wilhelmshaven 2004 16.000 625 Sperrwerk, Leda 2006 400 – 1.200 2.500 - 833 Sperrwerk, Stör 2003 700 – 1.500 1.400 - 670 Schleuse Hameln, Mittelweser 2006 2.300 435 Brücke Ilmenau, Elbeseitenkanal 2006 300 - 800 3.333 – 1.250 Doppelschleuse Hohenwarthe, Elbe-Havel-Kanal 2006 1.440 694 Leinebrücke, Mittellandkanal 2000 1.500 666 Wehr Charlottenburg, Spree 2006 700 1.429 Schiffshebewerk Niederfinow, Oder-Havel-Kanal 2002 370 2.703 Schleuse Offenbach, Main 2006 600 1.667 Schleuse Regensburg, Donau 2005 600 1.667 Schleuse Serrig, Saar 2006 830 1,205 1) Elektrische Leitfähigkeit [S] = 1/ Widerstand [1/Ω];

Für Berechnungen sind aktuelle Jahresmittelwerte zu Grunde zu legen.

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Anlage 5

Potentialvergleich von Mess- und Steuerelektroden