Wie (un-)berechenbar ist Korrosionsschutz?

Hamburg, 10. November 2016

Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)

Bild

quel

le: B

AWFachausschuss für Korrosionsfragen der HTG

Wie (un-)berechenbar ist Korrosionsschutz?

HTG workshop 2016

Korrosionsstrom/Massenabtragm = M I t /(z F)

Massenabtrag m hängt u. a. von Stromstärke I ab

Formel (Polynomfunktion):

Abrostung = bo + b1 x1+ b2 x2 + b3 x3 + b4 x4 +.....+ bm xmGünter Binder

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Inhalt

HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 210.11.2016

1. Elektrochemische Kalkulationen

2. Korrosionseinschätzungen

MIC

Spundwandabrostung (u.a. Labor/Natur-Vergleich)

Berechnungen zur Schutzdauer von Beschichtungen

Kalkulationen zum mechanischen Widerstand von Beschichtungen

3. Hinweise zum Korrosionseinfluss der Ermüdungsfestigkeit

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Schutz des Stahls durch Herausführen aus dem Korrosionsfeld (z.B. - 0,4 Volt und pH~7)

Mittels Alkalisierung oder Elektronenzufuhr mittels KKS:

Fe 2+ + 2e¯ Fe°

Korrosion – elektrochemische Betrachtungen

HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 3

Achtung: Thermodynamische Betrachtung! In der Praxis überwiegen elektrokinetische Vorgänge!

s. Handbuch KKS-B der HTG (FA KOR)

10.11.2016

Korrosionsszustand von Baustahl im Pourbaix-Diagramm

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KKS-Berechnung auf Basis von MKKS

Korrosion – elektrochemische Berechnungen


s. Merkblatt KKS der BAW

10.11.2016

1. Objekt: Kanalbrücke Ilmenau Süd (53,5 m · 42 m · 4 m = 2.675 m²)el. Widerstand (Wasser ESK): 1.667 Ω·cm (≈ el. L. von 600 µS/cm)20% Beschichtungsschäden im Troginnern

2. Zu schützende Fläche und erforderlicher Schutzstrombedarf:

Fläche x Schutzstromdichte = Schutzstrom[m²] [mA/m²] gesamt [mA]

• nichtrostender Stahl unbeschichtet 0 200 0

• nichtrostender Stahl beschichtet 0 5 0

• unlegierter Stahl unbeschichtet 535 50 26.750

• unlegierter Stahl beschichtet 2.140 1 2.140

• Stahl in Beton (bei Kontakt zum Objekt) 0 5 0(Werte s. Anlage 4, MKKS)

Gesamtschutzstrombedarf: = 28.890 mA

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KKS-Berechnung einer Kanalbrücke



. s. Merkblatt KKS der BAW

10.11.2016

Gesamtschutzstrombedarf (s. oben): 28.890 mA

Angaben zum Anodenmaterial: Magnesium, Dichte 1,8 g/cm³; Läge = 100 cm, d = 9 cmpraktischer Strominhalt = 1.100 Ah/kg

Berechnung der Anodenmasse nach v. Baeckmann:

Erforderliche Anodenmasse und -anzahl in [kg] pro Jahr (a):

Stromabgabe einer Anode: = 79 mA

Anodenanzahl = Schutzstrombedarf / Stromabgabe der Einzelanode = 28,89 A / 0,079 A == 366 Mg-Anoden (d.h. alle 29 cm eine Anode!)

=

,∗/

!!/"= 230 kg/a

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Berechnung der Anodenanzahl



Binder & Enders, BAW

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0

10

20

30

40

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90

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0 10 20 30 40 50 60

Ano

dena

bsta

nd [

cm]

Schutzstrombedarf [A]

Rednitztalbrücke Magnetit-Anode

MOX-Anoden

Mg-Anoden

1

52

3 4

Fallbeispiele:

1: 0% Schaden, 6 MOX-Anoden



4: 0% Schaden, 140 m2 CrNi-Stahl22 MOX-Anoden


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Korrosion - Schutzstromberechnung im Labor


Während der Prüfung ändert sich der Schutzstrombedarf:Initialphase: Vermehrt Strom zur Polarisation; gleichmäßiger Verlauf bei „dichtenden“ Beschichtungen; Schlussphase: erhöhter Strombedarf bei Beschichtungsschäden

10.11.2016

Grenzwert für Gesamtprüfplatte

Ist 50 µA

Berechnung der Schutzstromdichte einer Beschichtung:

Gesamtstromverbrauch =

I (Besch) + I (Fehlstellen)

Quelle: BAW 2015

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Cathodic corrosion protection test – demand of current

New guidelines for corrosion protection for offshore wind | Günter Binder16.03.2016

Result: There rest an allowed current density for protected area of 1,73 mA/m² when the total need of current/panel is 50 µA (≈ threshold value)

add. remark: if corr. current ~ 20 µA 0,5 mA/m² for coated areas !!

Calculation of protection current in laboratory – threshold value

Threshold Value Current density (steel in seawater)

Area (panel, holiday)

calculation results

50 µA: need of current/panel

0.0225 m² (panel)

0,05 mA / 0,0225 m² 2.22 mA/m²

100 mA/m² 111 mm² ~0.000111 m²

100 mA/m² •0.000111m²

11 µA*

50 -11* = 39 µAcoated panel

0.0225m² (panel)

0.039mA / 0,0225m²

1.73 mA/m²

dimension of panel: 150 • 150 mm; area of „holiday“: 111 m²

Binder, Eurocorr 2016

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Kollaps einer Spundwand wegen Durchrostung eines Ankers

Beschleunigte Spundwandkorrosion


Verdacht auf MIC auf Grund des Erscheinungsbildes: Durchrostung knapp unter dem Grundwasserspiegel

10.11.2016

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Beschleunigte Spundwandkorrosion

oben: REM-Aufnahme von SRB (Bildbreite ~ 100 µm)links: Lebensbereich von SRB im Pourbaix-Diagramm


Binder & Graff, Mat. & Corr.

10.11.2016

Ursache:Mikrobiell Induzierte Korrosion (MIC)meist Sulfatreduzierende Bakterien (SRB)

Ort:anaerobe Umgebung mit S04

-- und Eisen-Angebot sowie verwertbare Kohlenwasserstoffe

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Beschleunigte Spundwandkorrosion - Verteilungsdiagramm


Variation der Konzentrationen an elementarem S und der gemessenen Potenziale:

Erhöhung der MIC-Gefahr mit Zunahme des S-Gehalts und der Potenzialerniedrigung erhöht sich die SRB-Dichte (blaue Punkte) !! Quelle: BAW ~ 2007

10.11.2016

100

150

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250

300

350

400

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

S0 [µg/cm 2]

EH

[mV

]

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Vorhersage auf Grund des Alters und des Immersionsmediums

Spundwandkorrosion


Abrostung an Spundwänden im Meerwasser: nichtlinear bei ≤ 20 Jahren StandzeitQuelle: FuE BAW

10.11.2016

y = 34,526e-0,0066x

R2 = 0,0509R = 0,2256

y = 109,2e-0,0624x

R2 = 0,5913R = 0,769

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70

Standzeit [a]

Abr

ostu

ngsr

ate

U m

ittel

[µm

/a]

0-20 Jahre

≥ 21 Jahre

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Abhängigkeit der Korrosionsrate r von der Aggressivität des Mediums Wo

Spundwandkorrosion


Ausgleichskurve des Zusammenhangs Abrostungsrate r und Wasseraggressivität (DIN 50929, Beiblatt)

Vorr.: Abrostungsraten im linearen Bereich, d.h. Bauwerksalter > 10 Jahre!

Quelle: BAW FuE

Grün: Mittelwert

Rot: 95% Wahrscheinlichkeit

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Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von Spundwänden

HTG workshop 2016 | Günter Binder10.11.2016

0 4 8 12 16 200

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Spu

ndw

andl

änge

[m]

- Ermittlung der

Wasserchemismus

- Übernahme des Wo x O2 –

Wertes in das Variations-

diagramm (s. oben)

- Biegemomentfestlegung

nach Ankerlage und

„Einspanntiefe“

- Unterschreitung der Kurve

im Altersvergleich

feststellen - probalistische

Vorgehensweise !

Quelle: BAW FuE bzw. DIN 50929, 3

Beiblatt

Spritzwasser-

Zone

Wasser-

Wechsel-Zone

Niedrigwasser-

Zone

Immersions-

Zone

Spundwanddicke [mm] Korrosionsfortschritt;Abrostung nach 10 und 50 Jahren im Vergleich zum erforderlichen Biegemomentverlauf

Seite 14

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Schematischer Aufbau der Korrosionsmesszelle /KMZ (Gasleitung a; Probehalterung b; Stromschlüssel zur Bezugselektrode c; Referenzelektrode d; Gegenelektrode e; weitere Messelektroden f

Messung des Korrosionsstroms bei Potenzialverschiebung zur Ermittlung der Korrosionsraten von Metallen

über Stromdichte wird mit Hilfe von Faraday r ermittelt

Quelle: BAW 2015

Spundwandkorrosion - Labormessungen


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r KMZ sehr viel höherals in der Natur

r KMZ konstant ca. 8fach erhöht gegenüber Natur!

(bedingt) signifikante Korrelation

Schnittpunkt bei 0 !

Natur/Labor:

(kontrolliert) vergleichbar!

Vor.: Nachstellen des Im-Mediums im Labor

Quelle: BAW 2015

Spundwandkorrosion versus Labormessungen


Bestimmung der Korrosionsrate r [µm/a] an Stählen

„Abrostungsrate Labor “ (KMZ) im Vergleich zur Natur (hier: UW-Zone)

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Abbildung der Testplatte und

Abbildung der Verschiebung der Wöhlerlinie

Festlegung der Korrosionseinwirkung (Rauheit, Abrostung)

Bestimmung der Abhängigkeit der Wöhler-Linie und Feststellung der der Einschränkung der Ermüdungsfestigkeit über die Minimierung der Lastspielzahlen

Ermüdung von Stahlbauwerken - Korrosionseinfluss


Einfluss der Korrosionsnarbe/Korrosionstiefe bei Dauerschwingversuchen

„…Ermüdungsfestigkeiten gelten für Konstruktionen unter normalen atmosphärischen Bedingungen und ausreichendem Korrosionsschutz.“ DIN EN 1993-1-9

Sander 2008

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Ermüdung von Stahlbauwerken - Korrosionseinfluss


Korrodierte Prüfkörper vor Dauerbelastung (li)

Zwischenergebnisse: Verschiebung der Wöhlerlinie (etwa Halbierung der Lastspielzahl)

Hesse, BAW, 2016

Erste Ergebnisse bei Dauerschwingversuchen (ohne Schweißnaht)

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Auswertung Korrosionsschutzdatenbank (KorDaBa/BAW) Schleusenverschlüsse (ohne KKS; 1954 bis 2010)

Standzeit der Beschichtung


0

1

2

3

4

5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60

Ros

tgra

dR

i

Alter / a

r = 0,4577n = 591stat. Sich. >99%

r = 0,4527n = 591stat. Sich. >99%

Zunahme des Rostgrads: Linear oder exponentiell?

Quelle: BAW

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Blasenbildungsmechanismus

Schadensmechanismus


e-e-

Anodische Blasenbildung an Fehlstelle; durch kathodische Umsetzung wird

Korrosion am laufen gehalten

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Kostenberechnung Reparatur, Teilinstandsetzung sowie Vollerneuerung(Landwehr, DB ca. 1990)

Standzeit der Beschichtung


Kostenvorteile bei Reparatur

und Teílerneuerung

gegenüber Vollerneuerung

www.baw.de|10.11.2016


Typische Entschichtungsschäden an Stahlbrücken

Que

lle: B

AW

Vorhersagen des Risikos – Test des Haftverbandes nach Zwischenbewitterung(siehe Probleme bei Anwendung von Blatt 87 / ZTV-ING 4/3)

These:

Entschichtung der DB (blau) nach Zwischenbewitterung

kann vermieden werden, wenn die ZB aus

Epoxid (grau) durch PUR ersetzt wird!

Antithese:

Geeignete ZB „herausprüfen“

Vorgehen:

Test des Rissbildes nach der Bewitterung

verschiedener Zwischenbeschichtungen

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Entschichtungssschäden - Schadensvorhersage /-begrenzung


,…..

Untersuchung des Witterungseinflusses auf die Haftung

Adhäsionsbrüche (C/D) li. bzw. in rot

Kohäsionsbrüche (C) re. bzw. in grün

Test der Haftfestigkeiten nach natürlicher

Bewitterung und KW-Test im Labor

Ergebnisse (Labor/Natur):

− EP-Zwischenbeschichtungen zeigen

überwiegend (negative) Adhäsionsbrüche!

- PUR-Zwischenbeschichtungen hingegen

(günstigere) Kohäsionsbrüche + höhere Ab-

reißwerte

- Vorder- und Rückseite reagieren nahezu

identisch!

Schlussfolgerung: Zur Risikominimierung wird EP-

Schicht bei vorhersehbarer Zwischenbewitterung

durch (widerstandsfähigeres) PUR ersetzt!

BAW-FuE (2014), Mittbl. 100 (in Druck)

10.11.2016

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Magnetinduktive Schichtdickenmessung nach ZTV-W 218 / ISO 19840

Rautiefe wird berücksichtigt (ZTV)

Angaben der „NDFT“ auf den Spitzen GB = 50 µm (ISO 19840)

daraus ergibt sich eine Messwerttoleranz von 75-125 µm (ZTV-W)

… und übrigens: die wahre Schichtdicke einer Grundbeschichtung


Was liefert der Stoffhersteller bzw. der Applikateur? Ziemlich genau das was man misst!

10.11.2016

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Mechanische Belastung – Abrieb (Aw)


Abriebverhalten Labor / Natur

Beschichtete Prüfplatten werden mit

einem Kies-Wasser-Gemisch in einer

sich drehenden achteckigen Trommel auf

Abrieb getestet. Mit der

Schichtdickenminderung ergibt sich der

Abriebwert (Aw). Im Bild sind die

Prüfplatten gewendet und nach der

Prüfung dargestellt.

Quelle: RPB der BAW

10.11.2016

Bauwerksmessungen an Wehranlage an der Mosel

Messungen der Schichtdicken (EP + PUR) an Segmentverschluss (Abfallwand)

Schichtdickenminimierung im Labor (Abriebgut: Kies-Wasser-Gemisch)

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Moselwehr mit typischen Abriebschäden

Vergleich zweier unterschiedlicher Beschichtungen: Aw (~ Laborwert) und tatsächlicher

Abrieb vor Ort (in µm)

Aw ~ 25

Aw ~ 1∆ 800µm

∆ 1.450µm

Quelle: BAW

10.11.2016

Abfallwände an einer Wehranlage

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0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Troc

kenf

ilmdi

cke

[µm

]

Zeit

10.11.2016

Schichtdickenverlauf am Wehr in vierzehn Jahren

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Material Aw (Labor) Aw (Natur) Faktor

PUR (gelb)

< 876 µm/a < 73 µm/a 12

EP (schwarz)

~ 21.000 µm/a

~ 132 µm/a 159

Faktor ~ 24 ~ 1,8

Labor „spreizt“ und erhöht Abriebeigenschaften

Bauwerk: EP zeigt deutliche Abnutzung an den Kanten

Absoluter Vergleich schwierig – Reihung passt jedoch

Bauwerk: PUR löst sich stellenweise ab

10.11.2016

Abriebverhalten Labor / Natur

Vergleich der Aw durch „Normierung“ auf ein Jahr Belastung

Resultate der Vergleichsmessung:

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HTG workshop 2016 | Günter Binder

Mechanische Eigenschaft – Impact-Testverfahren

- Panel short time after impact (left)

- Panel after impact and salt spray test (below)

- Summary of test results (left, below)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 3 4 5 6 1011

R 20 21 22 23 38L

38R 2 7 8 9

11L 12 13 17 24 25 30 31 32 39L

39R

Impa

ct-u

nder

lyin

g ru

stin

g (m

m²)

test number

without zinc; av. val. = 103

with zinc; av. val. = 46

10.11.2016

Quelle: BAW

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Variationsdiagram – Korrosion nach Impact und an künstlicher Verletzung („Ritz“)

HTG workshop 2016 | Günter Binder

Auswahl der geeignetsten Schutzsysteme mit Hilfe des Variationsdiagramms:

• Zuhilfenahme mehrerer Testergebnisse !

• entscheidender Einfluss der Grundbeschichtung (Zn-Staub-Grundierung) !

• Vernachlässigbarer Einfluss des Polymertyps (EP / PUR z.B.) !

• Vergleiche hierzu: DIN EN ISO 12944, Teil 9 (Gelbdruck) !!0

5

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25

0 50 100 150 200 250 300 350 400

wat

er c

hang

ing

zone

, rus

ting

at th

e sc

ribe

[mm

]

Impact underlying rusting [mm 2]

without zinc

with zinc

threshold value Impact

threshold value LTT

10.11.2016

Quelle: RPB der BAW

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Tabellarische Zusammenstellung der Einschätzungen/Kalkulationen

Zusammenfassungen

Seite 3110.11.2016

Schutzstrombedarf etc. ++ +++ FE-Modell

KKS-Tauglichkeit der Beschichtung +++

Untersuchung berechenbar abschätzbar Hinweis

Korrosion durch MIC (+) +

Abrostung in nat. Umgebung / r +++

Abrostung in der Natur/KMZ r + +++

Ermüdungsfestigkeit bei Korrosion ++ +++

Schutzdauer von Beschichtungen (+++) ++ KorDaBa!

Spezialfälle von Beschichtungen/Bl. 87 + ++ Risikominimierung

Abrieb- und Schlagfestigkeit +++ neue Prüfung!

Bundesanstalt für Wasserbau76187 Karlsruhe

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Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

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65 70 75 80 85 90 95

Tem

pera

tur

in °

C

rel. Luftfeuchte in %

65 70 75 80 85 90 950

5

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Juni

Mai

JuniJuni

Okt.

Nov.

Sept.

Jan.Febr.

März

Apr.

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Veranstaltungen


…. es geht auch im neuen Jahr weiter …..

Korrosionsschutz in der Maritimen Technik am 25./26. Januar 2017 in Hamburg/Elbkuppelsaal

BAW-Kolloquium Stahlbau-Korrosionsschutz am 8./9. Februar 2017 in Karlsruhe/BAW

…………

Wie (un-)berechenbar ist Korrosionsschutz?

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