Gabrys, Ulrike

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Conference Paper, Published VersionGabrys, UlrikeKorrosionsschäden: Ursachen und LösungsansätzeVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/100762Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Gabrys, Ulrike (2007): Korrosionsschäden: Ursachen und Lösungsansätze. In: TeubertKommunikation, Mannheim, 7. Februar 2007.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. 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Dies führt zu einer erhöhten Kor-rosionsbeanspruchung des Tragwerks. Im nachfolgenden Beitrag wird auf verschiedeneKorrosionsformen und daraus resultierende Schäden eingegangen. Da in den letzten Jahrengravierende Schäden infolge elektrolytischer Korrosion (Bimetallkorrosion) an Bauwerkender Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) auftraten, wird daher auf diese Korrosions-form im Vortrag besonders detailliert eingegangen.2. Korrosionsformen und deren SchadensmechanismenIn der Regel sind Stahlwasserbauten aus unlegiertem Stahl (Baustahl) und müssen daherdurch geeignete Oberflächenschutzsysteme (organisch, anorganisch oder nichtmetallisch)gegen Korrosion geschützt werden. Unter Korrosion versteht man die chemische oder elek-trochemische Reaktion von Metallen mit der Umgebung, durch die die Werkstoffeigen-schaften beeinträchtigt werden. Infolge dieser Beeinträchtigung entsteht der BundesrepublikDeutschland ein nicht unerheblicher volkswirtschaftlicher Schaden in Milliardenhöhe /3/.Nachfolgend werden einige Korrosionsformen vorgestellt, die durch elektrochemische Kor-rosion entstehen.Eine der häufigsten Korrosionsformen ist die Flächenkorrosion. Darunter versteht man dengleichmäßigen Stahlabtrag über die Bauteilfläche. Im Allgemeinen verläuft der Flächenab-trag bei dieser Korrosionsform relativ langsam, da wegen der großen Flächen die Strom-dichten gering bleiben. Diese Korrosionsform tritt in der Regel bei allen ungeschützten Bau-werken auf. In erster Linie sind davon Spundbohlen betroffen. Jedoch unterliegen auch wetterfeste Stähle einer sehr langsam verlaufenden flächigen Korrosion. Ein rapiderStahlabtrag kann sich ebenso bei großflächig zerstörter Beschichtung einstellen (Bild 1a u.b).In den 80er Jahren wurden durch die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) in großem Um-fang Abrostungen an Spundbohlen im Binnenbereich untersucht. Abgeleitet aus diesen Un-tersuchungen wurde eine Grafik erstellt, mit der man die Abrostungen für unterschiedlicheStandzeiten hinreichend genau bestimmen kann. In Bild 2 ist die Grafik zum Bestimmen derAbrostung im Binnenbereich dargestellt.Bild 1a: Flächige Korrosion mit DurchrostungBild 2: Abrostung über die Standzeit im Binnenbereich /4/Eine weitere Korrosionsform ist die Narben- bzw. Muldenkorrosion. Hierbei handelt es sichum eine Erscheinungsform der flächigen Korrosion bei der die Bauteildicke punktuell korro-siv abgetragen wird (Bild 3b). Narben bzw. Mulden können bei allen häufig bewegten Ver-schlüssen die Ermüdungsfestigkeit nachteilig beeinflussen. Jedoch ist erst eine Muldenkor-rosion mit einer Narbentiefe von über 2 mm  und einem flächigen Anteil von über 30% trag-fähigkeitsrelevant. Bild 3a zeigt das Schadensbild einer Narben- / MuldenkorrosionBild 3a: Narben- / MuldenkorrosionBild 1b: Systemskizze flächige              KorrosionBild 3b: Systemskizze Mul-              denkorrosionDes weiteren kann bei Stahlwasserbauten die so genannte Spaltkorrosion auftreten. Dieseentsteht in engen Spalten, wie z. B. zwischen Beiwinkeln, Verstärkungslaschen, Lamellen-konstruktionen, Blechstößen und dem Hauptbauteil. In den Spalten entsteht ein lokales, sogenanntes Belüftungselement. Dies beruht auf unterschiedlichen Sauerstoffzutritt und führtzu dem in  Bild 4 dargestellten Schaden.Bild 4: Spaltkorrosion (aus "Online-Hilfe zur Unterstützung der Schadensqualifizierung beider Bauwerksprüfung" WSV-Pruf)Auf Grund der so genannten Kantenflucht einer Beschichtung bei der Neukonservierung ei-nes Bauteils ist oftmals die Schichtdicke an den Kanten unzureichend und wird zudem durchmechanische Beanspruchungen beschädigt, so dass es zu Anrostung in größerem Umfang kommt. In Bild 5 ist ein derartiger Schaden dargestellt.Bild 5: KantenabrostungAus Gründen des Verschleißes und des Korrosionsschutzes kommen auch nichtrostendeStähle zum Einsatz. Der kombinierte Einsatz von nichtrostendem Stahl und Baustahl führt inder Regel zu nicht unerheblichen Schäden. Im folgenden Kapitel wird daher ausführlich aufdie elektrolytische Korrosion (Bimetallkorrosion) eingegangen.3. Schäden infolge elektrolytischer Korrosion (Bimetallkorrosion)(Kapitel 3.1 und 3.2 aus /5/)3.1 Grundsätze der galvanischen ElementbildungDurch den kombinierten Einsatz von nichtrostendem Stahl und Baustahl kam es in den letz-ten Jahren an einigen Stahlwasserbaukonstruktionen zu Schäden. Diese Schäden entstan-den vorwiegend infolge Kontaktkorrosion. Zwei Metalle, die leitend miteinander verbundensind bilden bei Benetzung mit einem Elektrolyten ein Korrosionselement (Bild 6) /3/.Bild 6: Wirkprinzip eines elektrochemischen ElementesBei dieser Elementbildung ist immer das edlere Metall vor Korrosion geschützt und das un-edlere Metall wird zersetzt. Grundsätzlich laufen zwei verschiedene Reaktionen ab. Im Be-reich der Eisenauflösung (Anode) werden gleichzeitig Elektronen und Eisenionen freigesetzt.Dabei reichern sich positiv geladene Eisenionen an der Grenzfläche an. Hohe Salzgehalteund niedrige pH-Werte des Immersionsmediums fördern die Eisenauflösung. Die dazu kor-respondierende Kathode bildet sich an Stellen relativer Sauerstoffanreicherung oder elektro-chemisch edlerer Bereiche aus. Kennzeichnend ist der Elektronenverbrauch durch Redukti-on von Sauerstoff und dadurch ermöglichter Hydroxylbildung.Welches der Metalle das edlere ist kann anhand der Spannungsreihe bestimmt werden. Inder nachstehenden Tabelle 1 ist die elektrochemische Spannungsreihe für Metalle in Süß-und Meerwasser aufgeführt.Tabelle 1:Elektrochemische Spannungsreihe der Metalle für Süßwasser und Meerwasser(Elektrolyt belüftet, Temperatur 25°C) /6/ Metall Potential in mVSüßwasser Meerwasser(pH = 6) (pH = 7,5) Gold + 306 + 243 zunehmende Silber + 195 + 149 Beständigkeit Kupfer + 140 +10 Nickel + 118 +46 Wasserstoff 0 0 CrNi-Stahl - 84 -45 Al Cu Mg +21 - 339 Al Mg Si - 124 - 785 Rein-Aluminium - 169 - 667 Zinn - 175 - 809 Blei - 283 - 259 Stahl - 350 - 335 Cadmium - 574 - 519 Zink - 823 - 284 abnehmende Magnesium - 1460 -1355 BeständigkeitJe weiter die Metalle in der Spannungsreihe voneinander entfernt sind, um so stärker arbei-tet das elektrochemische Element die Korrosionsgefahr steigt. Weitere Einflüsse auf dieEntstehung von Bimetallkorrosion sind die Einwirkzeit des Elektrolyten (z. B. dauernde Flüs-sigkeitseinwirkung), und die „Flächenregel“. Diese Regel besagt, dass das unedlere Metall(Baustahl) um so stärker geschädigt wird, je kleiner dessen Oberfläche im Vergleich zurOberfläche des edleren Metalls (nichtrostender Stahl) ist.3.2  Schäden an BauwerkenHäufig werden die nachfolgend aufgeführten Konstruktionsteile bei Stahlwasserbauten ausnichtrostendem Stahl hergestellt:• Seitenschilder (Gleitfläche für Dichtungen) und Anschlagleisten (für Dichtungen) wegender Ebenflächigkeit (siehe Kap 6.3 DIN 19704-2) /7/• Dichtungsklemmleisten und / oder deren Schrauben wegen des regelmäßigen Austau-sches der Dichtungen• Torsionsrohre kleinerer Klappen als ebene Gleitfläche für die Elastomerdichtungen we-gen der Ebenflächigkeit• Leitungen für Hydraulikmedien, Luftsprudelanlagen und Schmiermittel wegen des Korro-sionsschutzes• Achsen (für Lauf- und Führungsrollen) und Gelenkbolzen bis 300 mm Durchmesser sol-len nach Kap. 10.19 DIN 19704-2 /7/ aus nichtrostendem Stahl hergestellt oder mit nicht-rostender Auftragsschweißung ausgeführt werdenIn den letzten Jahren konnten auf Grund der Ausführung der vor genannten Bauteile ausnichtrostendem Stahl Schäden unterschiedlichster Art festgestellt werden. Nachfolgend wer-den Schadensbilder gezeigt und die Schadensursache benannt.Die Seitenschilder (Schleiffläche der Dichtung) einer Fischbauchklappe sind aus nichtro-stendem Stahl gefertigt und die Fischbauchklappe aus Baustahl (Bild 7). An den Kanten derFischbauchklappe haben sich infolge Kontaktkorrosion Rostpusteln trotz Beschichtung ent-wickelt (Bild 8).Bild 7: Seitenschild einer KlappeBild 8: Rostpusteln am Baustahl der Wehrklappe, Ansicht vom UnterwasserDurch die so genannte Kantenflucht des Korrosionsschutzes und unter mechanischer Ein-wirkung (Sandschliff, Steine) entstehen Fehlstellen an der Beschichtung des Baustahls derKlappe. Diese kleinen Fehlstellen sind flächenmäßig gering gegenüber der Fläche des Sei-tenschildes aus nichtrostendem Stahl (Flächenregel) und eine beschleunigte Korrosion istdie Folge. Durch eine Beschichtung der Seitenschilder könnte die Kontaktkorrosion mini-miert werden. Jedoch sind an diese Beschichtung hohe Anforderungen hinsichtlich Haftfä-higkeit, Härte, Ebenheit, Temperaturbeständigkeit und Glätte zu stellen. In /7/ Kap. 6.3 sinddiese Anforderungen genau definiert.Auf Grund von Schäden an der Beschichtung einer Klappe aus Baustahl und eines mit derKlappe verschweißtem Torsionsrohr aus nichtrostenden Stahl wurde das Rohr 1988 konser-viert. Dies sollte den Potentialunterschied der beiden eingesetzten Stähle minimierenBild 9a: Torsionsrohr und angeschweißtes Blech(unlegierter Stahl) einer Klappe        Bild 9b: Systemskizze der KlappeBei einer 1992 durchgeführten Bauwerksinspektion waren weitere Schäden an der Be-schichtung der Klappe festgestellt worden. Die Klappenbeschichtung war unterrostet undhatte sich teilweise bereits abgelöst (Bild 9). Die Unterrostungen an der Klappe korrespon-dieren mit Fehlstellen in der Beschichtung des Torsionsrohres und sind ca. 15 cm von derSchweißnaht zwischen dem Torsionsrohr und dem Blech der Klappe entfernt  (Bild 9b). DieTorsionsrohr(nichtr. Stahl)geringen Fehlstelle und die Bildung von Hydroxylionen am nichtrostenden Stahl (Kathode)könnten am Baustahl (Anode) zur Blasenbildung geführt haben.Eine weitere Möglichkeit der Blasenbildung (an der Kathode) und des Eisenabtrages (an derAnode) sind durchgängige Poren bzw. Strukturporen in der Beschichtung (Bild 10). DerBaustahl ist somit gleichzeitig Anode und Kathode.Bild 10: Ausbildung eines Korrosionselementes infolge Poren in der BeschichtungEin anderer, häufiger Schadensfall sind Abrostungen unter bzw. neben den Schrauben fürDichtungsklemmleisten. Meistens sind die Schrauben und Muttern aus nichtrostendemStahl und die Klemmleisten aus Baustahl. Durch den direkten Kontakt der beiden Stähle unddem Elektrolyten Wasser wird ein elektrochemisches Element erzeugt. Die Dichtungs-klemmleiste rostet und die einfache Austauschbarkeit der Schrauben zum Dichtungswechselist nicht mehr gegeben. Jedoch können auch die Schrauben aus Baustahl sein und dieKlemmleiste aus Edelstahl. In diesem Falle findet der gleiche Schadensmechanismus statt,aber mit gravierenden Abrostungen an den Schrauben (Bild 11).Bild 11: Abrostungen an einer verzinkten SchraubeNach /7/, Kap. 10.19 sollen Achsen (Lauf- und Führungsrollen) und Gelenkbolzen bis 300mm Durchmesser aus nichtrostendem Stahl oder aus Stahl mit einer nichtrostenden Auf-tragsschweißung hergestellt werden. Infolge des direkten Kontaktes zwischen der Achseaus nichtrostendem Stahl und dem Rollenkörper aus Baustahl bildet sich ein elektrochemi-sches Element. Insbesondere bei Lauf- und Führungsrollen, die sich ständig unter Wasserbefinden.Ein Gelenkbolzen aus nichtrostendem Stahl bewirkte die Anrostung des Augenstabes ausBaustahl (Bild 12). Durch die ständige Be- und Entlastung werden die Rostprodukte abgear-beitet und die Bimetallkorrosion kann durch direkten Kontakt weiter fortschreiten.Bild 12: Schaden am Augenstab eines Umlaufverschlusses infolge Bimetallkorrosion4. Maßnahmen zur Minimierung der elektrolytischen Korrosion (Bimetallkorrosion)(Kapitel aus /5/)Der Einsatz von nichtrostenden Stählen im Stahlwasserbau ist zu begrenzen. Jeder, auchder von der DIN 19704 vorgeschriebene, Einsatz von nichtrostendem Stahl sollte währendder Planungsphase auf die erforderliche Notwendigkeit hin überprüft werden. Während derPlanungsphase von Stahlwasserbauten sollten alle Flächen aus nichtrostendem Stahl er-mittelt werden, um ein eventuelles, schädigendes Potential zu bestimmen und um über ei-nen eventuellen Einsatz von Opferanoden zu entscheiden. Durch den Einsatz von Op-feranoden können die Flächen am Baustahl geschützt werden, an denen durch mechani-sche Einwirkungen der Oberflächenschutz zerstört wurde. Der direkte Kontakt von nichtro-stendem Stahl mit Baustahl ist zu vermeiden. Im nachfolgenden sind einige Maßnahmen zurVerhinderung von Kontaktkorrosion aufgelistet:• Seitenschilder: z. B. Beschichten, um die Kathodenfläche zu verkleinern. Der Nachteilliegt bei nichtrostenden Stählen in der geringen Oberflächenrauheit, so dass das Haft-vermögen der Beschichtungen herabgesetzt ist. Des weiteren können mechanischeEinwirkungen die Beschichtung zerstören.  Eine weitere Möglichkeit wäre der Einsatzvon Opferanoden, um den angrenzenden Baustahl vor Abrostungen zu schützen.• Schrauben oder Dichtungsklemmleisten aus nichtrostendem Stahl: Zur Vermeidung desdirekten Kontaktes zwischen Schraube (Nichtrostenden Stahl) und der Klemmleiste(Baustahl) können Kunststoffhülsen über die Schrauben gezogen werden (Bild 13).lteralterBild 13: Isolierung von Schrauben aus nichtrostendem Stahl• Achsen oder Gelenkbolzen: Zur Vermeidung von Kontaktkorrosion sollte eine Trennungzwischen nichtrostendem Stahl und Baustahl erfolgen. Dies kann durch Kunststoffhülsen(bei geringer Belastung und starren Verbindungen) oder durch Gleitlagerung (gelenkig,hohe Belastung) erfolgen. Bei der Wahl einer Gleitlagerung empfiehlt es sich, Lagerun-gen aus Bronze mit einem Festschmierstoffdepot aus Graphit zu wählen (Bild 14). DieStirnflächen der Achsen und Gelenkbolzen sind zu beschichten.Bild 14: Hülsen für gelenkige Lagerung und größere Kräfte aus BronzeEnde 2005 wurde durch die BAW ein Merkblatt "Einsatz von nichtrostendem Stahl im Stahl-wasserbau" erstellt in dem konkrete Planungshilfen zur Vermeidung des Einsatzes vonnichtrostendem Stahl formuliert sind. U.a. werden die zuvor beschrieben Maßnahmen emp-fohlen. Des weiteren sollen zukünftig die Achsen von Laufrollen aus unlegiertem Stahl her-gestellt und lediglich die Sitz- und Lagerflächen mit einem Schweißdraht aus nichtrostendemStahl aufgeschweißt werden (Bild 15). Eine Verfahrensanweisung für diese Vorgehensweiseliegt der BAW vor.Bild 15: Achse mit Auftragsschweißung der Sitz- und Lagerflächen /9/Des weiteren ist zur Zeit ein Beschichtungssystem zum Beschichten von Stahlflächen ausnichtrostendem Stahl bei der BAW in Prüfung. Jedoch liegen noch keine endgültigen Ergeb-nisse vor.Auch sollte beim vermehrten Einsatz von nichtrostendem Stahl ein Kathodischer Korrosi-onsschutz (KKS) vorgesehen werden. Der KKS kann sowohl durch Fremdstrom als auchdurch Opferanoden erfolgen.5. Maßnahmen zur Vermeidung der anderen KorrosionsformenFlächige Korrosion:– Schutz des Stahls durch passiven Korrosionsschutz.– Überdicken bei ungeschützten Bauwerken wie z. B. Spundwände (pro Standjahr ca.0,025 mm für eine 50jährige Nutzungsdauer im Binnenwasser) .Narbenkorrosion:– Schutz des Stahls durch passiven Korrosionsschutz.– Gegebenenfalls vor einer Neukonservierung mit einem Zweikomponentenspachtel (Po-lymermetall) die Narben spachteln.Kantenabrostungen:– Zur Vermeidung der Kantenflucht bei Neubeschichtungen sind die Kanten vorab manuellvorzustreichen.Spaltkorrosion:– Spalte vor einer Neukonservierung mit Zweikomponentenspachtel (Polymermetall)spachteln bzw. mit einer dauerelastischen Masse verschließen.In der Regel ist der beste Schutz des Metalls im Stahlwasserbau die Beschichtung. Be-schichtungen haben inzwischen Standzeiten zwischen 20 und 25 Jahre, jedoch ist eine ein-wandfreie Ausführung erforderlich und es dürfen auch nur Stoffe eingesetzt werden, die inder Liste der zugelassenen Systeme aufgelistet sind /10/. Als zusätzliche Maßnahme undzur Verringerung von Korrosionserscheinungen ist der Einbau einer KKS-Anlage erforder-lich.6. ZusammenfassungBei Stahlwasserbauten kommt es auf Grund der rauen Bedingungen zu Korrosionserschei-nungen, die in der Regel auf elektrochemischen Vorgängen beruhen. Es wurden verschie-dene Korrosionsformen vorgestellt.Vertiefend wurde auf die elektrolytische Korrosion eingegangen, da in den letzen Jahren et-liche Schadensfälle infolge diese Korrosionsform auftraten. Zur Minimierung dieser Schädensind konstruktive Maßnahmen erforderlich, die über eine Reduzierung der nichtrostendenStahlflächen bis hin zum Kathodischen Korrosionsschutz durch z. B. Opferanoden reichen.Eine Trennung der direkten Kontaktflächen durch Kunststoffhülsen oder anderen konstrukti-ven Maßnahmen (Gleitlagerung, Folien) verhindert maßgeblich die Ausbildung eines elek-trochemischen Elementes.Jedoch sind auch für die anderen Korrosionsformen Maßnahmen zur Vermeidung der Kor-rosion vorgestellt worden.Literaturverzeichnis/1/ Wickert & Schmaußer: Stahlwasserbau, Springer Verlag Berlin · Heidelberg · New York,1971/2/ Meinhold: Ermüdungsfestigkeit von Stahlwasserbauten; Stahlbaukalender, Ernst undSohn, 2006/3/ Bargel & Schulze: Werkstoffkunde, VDI Verlag, 1988/4/ Empfehlungen des Arbeitsausschusses "Ufereinfassungen" Häfen und WasserstraßenErnst und Sohn, 1996/5/ Gabrys, Baumann & Binder: CrNi-und Baustahl im Stahlwasserbau: Schadensbilder-            Problemanalysen-Lösungsansätze; BAW-Kolloquium: Aktueller Stand und Entwicklungs-     tendenzen im Stahlwasserbau und Korrosionsschutz, 2002/6/ Elze, J. & Oelsner, G: Metalloberfläche 5 (1958) 129-133/7/ DIN 19704-2 "Stahlwasserbauten: Bauliche Durchbildung und Herstellung" Ausg. 05/98/8/ Binder, G.: Korrosionsschaden durch Elementbildung – Fallbeispiel aus dem Stahlwas-       serbau; Werkstoffe und Korrosion 50 (1999) 477-483/9/ Merkblatt Einsatz von nichtrostendem Stahl im Stahlwasserbau, BAW, 2005/10/ Liste der geprüften Systeme, 19. Ausgabe, 2006, abrufbar unter:       www.baw.de/vip/abteilungen/baut/empfehlungen/index.php.html

Korrosionsschäden: Ursachen und Lösungsansätze

http://henry.baw.de/bitstream/20.500.11970/100762/1/07540_pub_2007.pdf

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