Elektrochemischer Korrosionsschutz in wasserführenden AnlagenTeil 2: Planung und Ausführung von Korrosionsschutzmaßnahmen

Damit kathodischer Korrosionsschutz am Speicher wirken kann, müssen zunächst verschiedene Konstruktionsbedingungen erfüllt sein. Diese lassen sich stichpunktartig formulieren.
• Metallisch leitende Verbindung: Der beständige Potenzialausgleich verlangt eine metallisch leitende Verbindung aller Bauteile; hierzu werden Metallbügel, Masseleitungen oder Ähnliches verwendet.
• Isolierung: Die elektrische Trennung oder Isolierung von Fremdkathoden erfolgt mittels Isolierhülsen, nichtleitender Dichtungen und Isolierstücken.
• Isolierte Durchführungen: Zum Einbau und zur Aufnahme von Kabeln, Bezugs- und Schutzelektroden werden isolierte Durchführungen benötigt.
• Anschlussstellen: Die Installation von Anschlusspunkten für Anoden, gegebenenfalls für Fremdkathoden, z. B. Wärmetauscher, sowie für Potenzialmessstellen vorsehen.
• Schutzstromverteilung: Die Anzahl und Anordnung der Schutzanoden ist so auszuwählen, dass eine ausreichende Stromverteilung für genügende Wandpolarisation erreicht und eine Schattenwirkung durch Einbauteile im Schutzobjekt weitgehend vermieden wird.
• Hohlräume vermeiden: Metallflächen mit Luftkontakt können nicht kathodisch geschützt werden; lassen sich Hohlräume nicht vermeiden, müssen sie beschichtet werden.
• Zugangsöffnungen: Zugangsöffnungen installieren, sowie Abdeckkästen, Befestigungen und Kabel.
• Entgasungseinrichtungen: Entgasungseinrichtungen installieren, in allen Fällen, wo sich größere Gasansammlungen bilden können.
• Erdung: Alle erforderlichen Erdungs- und Berührungsschutzmaßnahmen durchführen.

Wandpotenzialverläufe in einem emaillierten 500-l-Speicherwasserwärmer bei unterschiedlichen Bedingungen. Zur Erläuterung: Das erforderliche Schutzpotenzial für emaillierte Speicher aus unlegiertem Stahl muss an allen Stellen im Behälter negativer sein als -550 mV. Bei geringer Wasserleitfähigkeit werden in Gegenwart eines nicht isoliert montierten Kupfer-Wärmetauschers über die gesamte Behälterhöhe keine ausreichenden Behälterwandpotenziale erreicht. Bei hoher Wasserleitfähigkeit werden zwar im oberen Bereich des Behälters ausreichende Behälterwandpotenziale erreicht, nicht jedoch im Bereich des Stromschattens unterhalb des Kupfer-Wärmetauschers. Dagegen ermöglicht ein elektrisch isoliert montierter Kupfer-Wärmetauscher in beiden Fällen die Einstellung ausreichend kathodischer Behälterwandpotenziale negativer -550 mV.

Eigenschaften von Isolierstücken
Für die elektrische Trennung von Durchführungen und Rohrleitungen werden Isolierstücke und isolierende Bauteile benötigt. Sie dürfen keine elektronenleitenden Füllstoffe enthalten. Bei Isolierstücken für Rohre, die mit einer Elektrolytlösung gefüllt sind, ist die Länge der Innenisolation so auszulegen, dass infolge der durch das Schutzsystem verursachten Gleichspannung über dem Isolierstück keine anodischen Korrosionsschäden im Rohrinneren auftreten können.

Durch die im Elektrolyten fließenden Schutzströme kann an vollständig isoliert eingebauten Heizeinsätzen Korrosion eintreten. Grund ist, dass  die Heizeinsätze den im Elektrolyten fließenden Schutzstrom per Zwischenleiterfunktion aufnehmen, der im Bereich des kathodischen Spannungstrichters nahe der Fehlstelle wieder austritt und hier anodische Metallauflösung verur­sacht.

Dies lässt sich durch den Einbau von Potenzialabgleichwiderständen verhindern (mehr dazu später). In diesem Fall muss ein ausreichender Berührungsschutz nach den Regeln des VDE sichergestellt sein – beziehungsweise der in anderen Ländern zuständigen Organisationen.

Schutzstromdichten.

Erforderliche Schutzstromdichten
Die erforderlichen Schutzstromdichten für die Einstellung ausreichender kathodischer Schutzverhältnisse variieren in einem weiten Bereich. Details können der Übersicht entnommen werden. Bei Speicherwassererwärmern mit normgerechter Emaillierung betreffen die Schutzmaßnahmen nur eine insgesamt relativ kleine Fläche von Defekt- oder Zehrstellen. Für einen typischen 300-l-Speicher mit Emaillierung liegt der Orientierungswert für den Schutzstrom im Bereich von 1 mA absolut. Zum Schutz von Spundwänden dagegen, die in Kontakt zu Meerwasser stehen, können die erforderlichen Schutzstromdichten durchaus im Bereich von einigen hundert mA pro m² liegen.

Normschutzstrombedarf und Emailqualität
Zur Charakterisierung der Emailqualität beschreibt die DIN 4753 Teil 3 die Messung des Normschutzstrombedarfs. Auf dieser Basis lassen sich Abweichungen von der mittleren Qualitätslage beim Behälterhersteller verfolgen und der Normschutzstrombedarf eines Speichers berechnen. Für einschichtige Emaillierungen soll der Wert für den Normschutzstrom nicht über 22,5 mA/m² Emailoberfläche liegen. Für zweischichtige Emaillierungen sind maximal 15,5 mA/m2 erlaubt. In der Praxis wird aus Kostengründen vielfach die Einschicht­emaillierung bevorzugt. Die Hausgeräteindustrie orientiert sich an diesen Grenzwerten und entwickelt behälterspezifische Lösungen in Abstimmung mit den Spezialisten für den kathodischen Korrosionsschutz.

Verbrauchte Anode.

Magnesiumanoden
Magnesiumanoden werden aus Magnesiumlegierungen hergestellt, deren Hauptbestandteil mit über 90 % Magnesium ist. Als Legierungsbestandteile kommen insbesondere Aluminium und Zink zur Anwendung, die der besseren Vergießbarkeit oder der Verhinderung von Passivierungserscheinungen dienen. Die europäische Norm EN 12438 (1998) listet die für den Bereich Trink- und Brauchwasser geeigneten Legierungen auf.

Magnesiumanoden werden meist über Muffen oder Bohrungen in Flanschdeckeln in die Schutzobjekte eingebaut. Bei einschraubbaren Anoden für die Muffenmontage wird aus Kostengründen vielfach eine verschweißte Ausführung verwendet, bei welcher der elektrische Kontakt zwischen Anodenstab und zu schützendem Behälter über die Gewindegänge zwischen der Verschlussschraube und der Behältermuffe zustande kommt. Bei der isolierten Montage muss der Anodenstab mit einem zusätzlichen Kabel mit dem Behälter verbunden werden. Dieses Verfahren ist aufwendiger, bietet aber die Möglichkeit, die Funktionstüchtigkeit der Anode von außen zu überprüfen, ohne dass sie ausgebaut werden muss.

Wichtig, weil praxisrelevant: die Anodenaustauschregel. Beträgt der Anodendurchmesser nur noch rund 1/3 der Ausgangsgröße, so ist ein Austausch geboten. Die erste Kontrolle ist nach einer Betriebsdauer von zwei Jahren erforderlich. Danach ist eine jährliche Überprüfung ratsam, beispielsweise in Verbindung mit der Brennerwartung. Im Einzelfall beruht die tatsächliche Lebensdauer einer Magnesiumanode auf dem Zusammenspiel von Emailqualität, Behälterkonstruktion, vorhandenen Fremdkathoden und den Wasserverhältnissen. Eine hohe Legierungsreinheit fördert eine lange Einsatzdauer der Anode. Dagegen reduzieren Verunreinigungen und überhöhte Gehalte von Nickel die Lebensdauer signifikant.

Fremdstromsystem mit Unterbrecherpotenzio­stat und Inertanode.

Produktbeispiel HyTonic-Magnesiumanoden
Die Legierungen sind AZ 63 (MgAl6Zn3) und AZ 31 (MgAl3Zn1) nach DIN 12438 und DIN 4753. Sie besitzen niedrigste Nickel- und Eisenanteile (Ni, Fe). Ihre Verunreinigungsgrenzwerte liegen deutlich unter den Werten der EN 12438, sie sind daher äußerst standfest und gesundheitlich unbedenklich. Sie sind als Stabanoden in allen gängigen Dimensionierungen erhältlich, mit abgestuften Durchmessern von 14 bis 40 mm. Die Montage erfolgt entweder mittels isolierter Lochmontage oder Muffenmontage. Einbausets für die Nachrüstung mit allem benötigten Montagematerial sind verfügbar. Für den Einbau unter beengten Verhältnissen kommen Kettenanoden zum Einsatz.

Fremdstromsysteme mit Inertanoden
Fremdstromsysteme stellen den für den kathodischen Korrosionsschutz erforderlichen Strom dauerhaft bereit, ohne die zeitliche Begrenzung galvanischer Anoden. Zur Einspeisung des Schutzstroms verwenden sie Inertanoden. Diese müssen bei niedriger Spannung einen hohen Strom abgeben können und verfügen daher über Edelmetallbeschichtungen oder gemischte Metalloxid-Beschichtungen auf Trägermetallen, beispielsweise unter Verwendung von Titan. Inertanoden müssen stets elektrisch isoliert eingebaut werden. Der Schutzstrom wird über ein separates, mittels leitungverbundenen Schutzstromgerät eingespeist.

Mit einem Anodenprüfgerät kann der Schutzstrom von Opferanoden und Fremdstromsystemen von außen gemessen werden. Der Behälter (Speicher) braucht nicht geöffnet zu werden.

Das Funktionsprinzip in Fremdstromsystemen
Fremdstromsysteme sind nach unterschiedlichen Funktionsprinzipien realisierbar: als Konstantstromsysteme, als Konstantspannungssysteme und als selbstständig messende und regelnde Systeme. Eine Selbstanpassung an die individuelle Speichersituation wird durch Unterbrecherpotenziostaten erreicht. Zu diesem Typ gehören Fremdstromsysteme der Marke Correx. Sie bestehen aus einem Unterbrecherpotenziostaten und einer oder mehreren Titananoden, die über eine Anschlussleitung miteinander verbunden sind. Der Schutzstrom wird von einem Unterbrecherpotenziostaten erzeugt, die Einspeisung erfolgt über die mischoxidbeschichtete Titananode. An der Titananode und den als Kathode geschalteten, wasserberührten Zehr- und Fehlstellen im Email der Speicherwand laufen die bereits geschilderten elektrochemischen Reaktionen ab. So wird das Oberflächenpotenzial im Bereich der wasserberührten Zehr- und Fehlstellen erniedrigt und die Korrosionsgeschwindigkeit an der Behälterwandung kommt zum Stillstand. Die schützenden, kalkartigen Ablagerungen auf den Emailfehlstellen können sich zusätzlich bilden.
Die Schutzstromeinspeisung über die Titananode wird in kurzzeitigen Intervallen unterbrochen. Während der Unterbrechung wird das Potenzial gemessen und als Ist-Spannung dem Potenziostaten zugeführt. Dort wird sie mit der geräteintern vorgegebenen Soll-Spannung verglichen. Der gelieferte Schutzstrom wird so eingestellt, dass das tatsächliche Behälterwandpotenzial dem Sollwert entspricht und so ausreichende Schutzverhältnisse bestehen. Für emaillierte Behälter und für Behälter aus nichtrostendem Stahl sind unterschiedliche Systeme erforderlich.

Potenzial-Zeit-Verlauf und Schutzstrom-Zeit-Verlauf für emaillierte Speicher über eine Betriebszeit von zwölf Monaten.

Problemfälle aus der Praxis
Die Analyse von Problemfällen im Anwendungsalltag bringt erst im Labor die nötigen Erklärungen. Im Folgenden werden einige typische Zusammenhänge beim kathodischen Korrosionsschutz von Speicherwassererwärmern dargestellt.
Schutzpotenzial und Schutzstrom in emaillierten Speichern
In den ersten Monaten nach der Inbetriebnahme von Speicherwasserwärmern mit kathodischem Korrosionsschutz erfahren sowohl das Schutzpotenzial wie auch der Schutzstrom deutliche Veränderungen. Deutlich wird das anhand der  Untersuchung von zwei emaillierten 750-l-Speicherwassererwärmern über zwölf Monate. Wie im Aufzeichnungsdiagramm sichtbar, verläuft die Entwicklung des Schutzpotenzials in beiden Speichern leicht unterschiedlich, jedoch klar im geschützten Bereich, d. h. negativer als
EH = - 550 mV (vgl. Übersicht Potenzialkriterien, Teil I). Der abgeforderte Schutzstrom weist unmittelbar nach der Inbetriebnahme hohe Werte auf, die während der ersten Monate deutlich sinken. Grund ist der langsame Aufbau der Deckschichten an den Zehr- und Fehlstellen, die den Speicher zusätzlich schützen. Nachdem diese geschlossen sind, pendelt sich der vom Behälter abgeforderte Schutzstrom um Werte von unter 10 mA ein. Nach einer Betriebsdauer von einem Jahr liegt er bei 2 bis 3 mA.

Stromaustrittskorrosion bei eingebauten Wärmetauschern
Beim Einbau von nichtemaillierten Wärmetauschern in emaillierte Speicherwassererwärmer können unerwartete Korrosionsgefahren auftreten, beispielsweise bei Rohrbündelwärmetauschern aus nichtrostendem Stahl oder bei kupfernen Rippenrohrwärmetauschern.
Bei unmittelbar kurzgeschlossenem Einbau solcher Wärmetauscher wird die Funktionstüchtigkeit des kathodischen Korrosionsschutzes durch die Schutzanode soweit reduziert, dass an der Emailoberfläche keine ausreichenden Schutzverhältnisse mehr eingestellt werden können. Der Schutzstrom geht dann über den elektrischen Widerstand des metallischen Einbaus zur Masse und hat damit keine ausreichende Schutzwirkung mehr auf die Behälterwand.
Bei vollständig isoliertem Einbau des Wärmetauschers kommt es zwar zu einem ausreichenden kathodischen Schutz der emaillierten Behälterwand, es besteht aber die Gefahr der Schädigung des Wärmetauschers nahe der Einbauposition im Behälter. Die Ursache für die Korrosion am edleren (!) Metall liegt darin begründet, dass der behälterinterne anodische Schutzstrom in den niedrig-ohmigen Wärmetauscher eintritt und im Bereich der Montageposition im Speicher, meist der Flanschbereich, austreten kann und zu der auf Masse liegenden Behälterwand weiterwandert. Zwischen der Stromaustrittstelle am Wärmetauscher und den im Einbaubereich meist in Zahl und Flächensumme angereicherten Zehr- und Fehlstellen des unedleren Behälterstahls bildet sich ein galvanisches Element aus. Dabei ist der Wärmetauscher anodisch polarisiert und korrodiert. Das ist als unerwünschte Stromaustrittskorrosion bekannt.
Stromaustrittskorrosion lässt sich minimieren, indem zwischen dem zunächst elektrisch vollständig isoliert montierten Wärmetauscher und dem emaillierten Speicher ein Potenzialabgleichwiderstand geeigneter Größe geschaltet wird (s. Grafik „Poten­zialverlauf“). Widerstandswerte zwischen 600 und 800 Ω haben sich in der Praxis für emaillierte Speicherwassererwärmer im Haustechnikbereich bewährt.

Potenzialverlauf in einem emaillierten Wärmepumpenspeicher mit isolierten und kurzgeschlossenen Wärmetauschern.

Schutz für Behälter aus nichtrostendem Stahl
Zwar werden die nichtrostenden Stähle als korrosionsbeständige Werkstoffe eingeordnet, doch ist aus der Praxis bekannt, dass auch an Behältern aus nichtrostendem Stahl Korrosionsschäden auftreten können. Die beobachtete Korrosion tritt hauptsächlich an Schweißnähten und in konstruktiv bedingten Spalten auf. Die Lochkeimbildung wird u. a. durch den pH-Wert, die Chlorid­konzentration und die Temperatur bestimmt. Von besonderem Einfluss ist die Ausführungsqualität von Schweißverbindungen. So stören oder verschlechtern Zunderschichten, Anlauffarben und Schweißschlackeneinschlüsse den Aufbau der erforderlichen Passivschichten und senken die Korrosionsbeständigkeit.

Stromaustrittskorrosion an isoliert und kurzgeschlossen eingebauten Wärmetauschern. Nur durch einen geeigneten Potenzialabgleichwiderstand (R) lässt sich die Stromaustrittskorrosion sowohl in den gefährdeten Bereichen der Isolierstücke wie auch der Behälterwand beherrschen.

Im Labor wurde der kathodische Korrosionsschutz eines 500-l-Speicherwassererwärmers aus nichtrostendem Stahl (Werkstoff 1.4571) in einem Elektrolyten mit einem hohen Chloridgehalt von 0,02 mol l-1 untersucht. Der ungeschützte Speicher wies über die gesamte Versuchsdauer stets relativ anodische Wandpotenziale im Bereich von ca. +  350 mV auf, während sich beim kathodisch geschützten Vergleichsspeicher über die gesamte Testdauer Wandpotenziale zwischen - 50 mV und - 150 mV einstellten. Damit bewegten sich im ungeschützten Speicher die elektrochemischen Grenzflächenpotenziale stets im korrosionsgefährdeten Bereich, während der kathodisch geschützte Speicher sichere Schutzpotenziale aufwies.
Sowohl die Loch- als auch die Spaltkorrosion können durch kathodischen Korrosionsschutz systematisch verhindert werden. Im Elektrolyten (Wasser) soll dabei möglichst ein Schutzpotenzial von EH ≤ 0 mV erreicht werden.

Schutzpotenzial und Schutzstrom in einem 500-l-Speicherwassererwärmer aus nichtrostendem Stahl in Wasser mit hohem Chloridgehalt. Zur Erläuterung: Ohne angelegten Schutzstrom beträgt das Ruhepotenzial des nichtrostenden Stahls rund 250 mV. Unmittelbar nach Aufschalten des Schutzstroms sinkt es unter den für neutrales, heißes Wasser erforderlichen Wert von 0 mV ab. Nach einigen Tagen reduziert sich der benötigte Schutzstrom deutlich.

Empfehlungen für die Praxis
Wo der Akzent auf niedrigen Kosten liegt und die Ausrüstung von kleinvolumigen Behältern vorrangig ist, bleibt die galvanische oder Opferanode erste Wahl. Je anspruchsvoller und servicefreundlicher die Anwendung sein soll, umso deutlicher spielen Fremdstromsysteme mit Inertanoden ihre Vorteile aus: praktisch keine Abnutzung, elektronisch auch an problematische Verhältnisse, wie etwa weiche Wässer, mittels automatischer Mess- und Regelfunktion angepasst und grundsätzlich in elektronische Überwachungsnetzwerke integrierbar.


Autor: Dr. Wilfried Bytyn, Leiter Forschung und Entwicklung, Magontec GmbH, Bottrop. Ausführungen zu einem Vortrag vom 21. Juni 2010 anlässlich des 8. Korrosionum der GfKORR - Gesellschaft für Korrosionsschutz e.V., Frankfurt/Main (Deutschland)

Bilder: Magontec GmbH