Download - 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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 4
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
Korrosion – elektrochemische Berechnungen
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 5
. 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
Korrosion – elektrochemische Berechnungen
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 6
Binder & Enders, BAW
10.11.2016
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
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
2: 2% Schaden, 12 MOX-Anoden
3: 5% Schaden, 20 MOX-Anoden
4: 0% Schaden, 140 m2 CrNi-Stahl22 MOX-Anoden
5: 10% Schaden, 32 MOX-Anoden
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Korrosion - Schutzstromberechnung im Labor
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 7
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 Page 8
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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 9
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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 10
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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 11
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
200
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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 12
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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 1310.11.2016
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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 1510.11.2016
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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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 1610.11.2016
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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 1710.11.2016
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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 1810.11.2016
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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 1910.11.2016
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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 2010.11.2016
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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 2110.11.2016
Kostenvorteile bei Reparatur
und Teílerneuerung
gegenüber Vollerneuerung
www.baw.de|10.11.2016
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 22
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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 23
,…..
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
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 24
Was liefert der Stoffhersteller bzw. der Applikateur? Ziemlich genau das was man misst!
10.11.2016
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Mechanische Belastung – Abrieb (Aw)
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 25
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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Mechanische Belastung – Abrieb (Aw)
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 26
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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Mechanische Belastung – Abrieb (Aw)
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 27
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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Mechanische Belastung – Abrieb (Aw)
HTG workshop 2016 | Günter BinderSeite 28
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 BinderPage 29
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
10
15
20
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 !
0
5
10
15
20
65 70 75 80 85 90 95
Tem
pera
tur
in °
C
rel. Luftfeuchte in %
65 70 75 80 85 90 950
5
10
15
20
Juni
Mai
JuniJuni
Okt.
Nov.
Sept.
Jan.Febr.
März
Apr.