Die Grundlagen des kathodischen Korrosionsschutzes

Der kathodische Schutz wird häufig zum Schutz zahlreicher Strukturen wie Pipelines, Schiffe, Tanks und Offshore-Ölplattformen verwendet und funktioniert, indem ein reaktiveres Opfermetall anstelle des geschützten Metalls korrodiert.

Korrosion ist ein natürlich zerstörerisches Phänomen, das auftritt, wenn einige Metalle der Umwelt ausgesetzt sind. Die Reaktion zwischen Luft, Feuchtigkeit und dem Metallsubstrat führt zu spezifischen chemischen Reaktionen, die bewirken, dass sich das Metall in seine chemisch stabilere Oxid-, Hydroxid- oder Sulfidform umwandelt. Bei Metallen auf Eisenbasis wie Stahl tritt Korrosion in Form von Eisen-III-Oxiden auf, die auch als Rost bekannt sind.

Damit elektrochemische Korrosion auftreten kann, müssen drei Bestandteile vorhanden sein: eine Anode, eine Kathode und ein Elektrolyt. Anode und Kathode sind normalerweise über einen durchgehenden elektrischen Pfad verbunden, während beide in denselben Elektrolyten eingetaucht sind. Dabei erfährt die Anode Korrosion, während die Kathode unbeeinflusst bleibt.

Abbildung 1. Eine typische elektrochemische Zelle, bei der Elektronen durch eine elektrische Verbindung von der Anode zur Kathode fließen. (

Galvanische oder bimetallische Korrosion verstehen

Um zu verstehen, wie der kathodische Korrosionsschutz funktioniert, müssen wir zunächst die Grundlagen der Bimetallkorrosion, auch bekannt als galvanische Korrosion, verstehen. Bimetallische Korrosion ist, wie der Name schon sagt, eine einzigartige Art von Korrosion, die zwischen der Paarung zweier Metalle auftritt. Diese Korrosion wird in mehreren Situationen beobachtet, in denen unterschiedliche Metalle in direktem oder indirektem Kontakt miteinander stehen. Bimetallkorrosion ist normalerweise durch beschleunigte Korrosion in einem Metall gekennzeichnet, während das andere unbeeinflusst bleibt. Mit anderen Worten, ein Metall opfert sich selbst, während es das andere schützt. (Dieser Vorgang wird ausführlicher im Artikel Warum verursachen zwei unterschiedliche Metalle Korrosion?)

Die Korrosion in einer elektrochemischen Zelle wird hauptsächlich durch eine Eigenschaft angetrieben, die als Potentialdifferenz bekannt ist. Diese Potentialdifferenz bewirkt, dass Elektronen von einem Metall in der Zelle (der Anode) zum anderen Metall (der Kathode) fließen, während dabei eine kleine Menge Strom erzeugt wird. Wenn Elektronen aus der Anode fließen, findet eine Oxidation statt, wodurch das anodische Metall abgebaut oder korrodiert wird. Während Elektronen zur Kathode fließen, findet eine Reduktion statt, wodurch das kathodische Metall weiter geschützt wird.

Bei Bimetallkorrosion ist diese Potentialdifferenz ein direktes Ergebnis der Differenz des Elektrodenpotentials zwischen den beiden unterschiedlichen Metallen. Wenn ein Metall in einen Elektrolyten eingetaucht wird, nimmt es ein Elektrodenpotential an, das die Fähigkeit des Metalls darstellt, oxidiert oder reduziert zu werden. Das Elektrodenpotential verschiedener Metalle wird auf einer Liste dargestellt, die als galvanische Reihe bekannt ist. (Weitere Informationen finden Sie unter Eine Einführung in die Galvanische Reihe: Galvanische Verträglichkeit und Korrosion.) Die höher auf dem Tisch positionierten Metalle gelten als anodisch (elektronegativer), während die weiter unten auf dem Tisch platzierten Metalle eher kathodisch (elektropositiver) sind. . Je weiter die sich berührenden Metalle in der galvanischen Reihe voneinander entfernt sind, desto größer ist die Potentialdifferenz zwischen den Metallen und desto stärker ist die Korrosion an der Anode.

Kathodischer Schutz (CP) und seine Funktionsweise

Während das Design von kathodischen Schutzsystemen anspruchsvoll sein kann, basiert ihr Betrieb auf dem zuvor beschriebenen Konzept der bimetallischen oder galvanischen Korrosion. Wenn wir die Prinzipien dieser Art von Korrosion verstehen, können wir Metalle gezielt paaren, um sicherzustellen, dass das eine das andere kathodisch schützt. Mit anderen Worten, wenn wir eine bestimmte metallische Struktur schützen wollen, können wir Bedingungen schaffen, unter denen dieses Metall zur Kathode einer elektrochemischen Zelle wird. Durch die elektrische Verbindung des zu schützenden Metalls mit einem stärker anodischen (elektronegativen) Metall können wir sicherstellen, dass sich die Anode selbst opfert, indem sie bevorzugt gegenüber ihrem kathodischen Gegenstück korrodiert.

In einigen Fällen können externe Stromquellen verwendet werden, um dem elektrochemischen Prozess zusätzliche Elektronen zuzuführen, was die Wirksamkeit des kathodischen Schutzes erhöhen kann.

Kathodische Korrosionsschutzsysteme werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, um eine breite Palette von Strukturen in anspruchsvollen oder aggressiven Umgebungen zu schützen. Insbesondere die Öl- und Gasindustrie verwendet kathodische Schutzsysteme, um Korrosion in Kraftstoffleitungen, Stahllagertanks, Offshore-Plattformen und Ölquellengehäusen zu verhindern. In der Schifffahrt wird diese Schutzmethode auch bei Stahlpfählen, Piers, Stegen und Schiffsrümpfen eingesetzt. Eine andere übliche Art des kathodischen Schutzes, die als Verzinkung bekannt ist, wird üblicherweise zum Schutz von Stahlelementen und -strukturen verwendet. (Um mehr zu erfahren, lesen Sie Galvanisierung und ihre Wirksamkeit im Korrosionsschutz.)

Arten des kathodischen Korrosionsschutzes (CP)

Wie bereits erwähnt, funktioniert der kathodische Schutz durch die absichtliche Bildung einer galvanischen Zelle mit einem anderen Opfermetall. Dies kann durch den Einsatz von zwei unterschiedlichen Arten des kathodischen Schutzes erreicht werden: passiver kathodischer Schutz und kathodischer Fremdstromschutz.

Passiver kathodischer Schutz

Bei passiven kathodischen Schutzsystemen wird die Opferanode direkt oder indirekt mit dem zu schützenden Metall verbunden. Die Potentialdifferenz zwischen den beiden unterschiedlichen Metallen erzeugt ausreichend Elektrizität, um eine elektrochemische Zelle zu bilden und eine galvanische oder bimetallische Korrosion anzutreiben.

Diese Art von Schutz wird üblicherweise in der Öl- und Gasindustrie verwendet, um die Stahlbauteile von Offshore-Bohrinseln und -Plattformen zu schützen. Hier werden Aluminiumstangen (oder ein anderes geeignetes Metall) direkt auf Stahlprofilen montiert, um die Rolle des Opfermetalls zu übernehmen. Mit einem ähnlichen Verfahren werden auch Warmwasserbereiter, Tanks und Pfähle aus Stahl kathodisch geschützt.

Abbildung 2. Schema einer Pipeline, die durch eine Opferanode mit passiven kathodischen Schutzverfahren geschützt wird. Beachten Sie, dass keine externe Stromquelle beteiligt ist.

Ein weiteres gängiges Beispiel für passiven kathodischen Schutz ist feuerverzinkter Stahl. Während dieses Prozesses werden Stahlteile oder -strukturen in ein Bad aus geschmolzenem Zink getaucht, das das Objekt überzieht. Wenn der Stahl aus dem geschmolzenen Zink entfernt wird, reagiert er mit Luft und Feuchtigkeit und bildet eine als Zinkkarbonat bekannte Schutzschicht, die mit dem Stahl eine galvanische Zelle bildet.

Wenn das Stahlelement zerkratzt oder beschädigt wird, so dass das Substrat freigelegt wird, wirkt die umgebende Zinkbeschichtung als Opferanode und korrodiert vorzugsweise, um den freigelegten Stahl zu schützen. Diese Art des Schutzes wird fortgesetzt, bis das nahe gelegene Zink aufgebraucht ist.

Fremdstrom-Kathodenschutz (ICCP)

In großen Strukturen ist es möglicherweise nicht möglich, passive kathodische Schutzmethoden zu verwenden. Die Anzahl der Opferanoden, die erforderlich ist, um genügend Strom zu liefern, um einen angemessenen Schutz zu bieten, kann entweder unrealistisch oder unpraktisch sein. Um dies anzugehen, wird eine externe Stromquelle verwendet, um das Antreiben der elektrochemischen Reaktionen zu unterstützen. Diese Technik ist als kathodischer Schutz mit eingeprägtem Strom (ICCP) bekannt. ICCP-Systeme sind ideal zum Schutz langwieriger Bauwerke wie unterirdischer Rohrleitungen. Die Flansche von Verbindungsrohren werden normalerweise mit Isolationskits isoliert, um die Rohre zum Zwecke des ICCP-Schutzes in kleinere, handlichere Abschnitte zu unterteilen.

Abbildung 3. Schema eines Objekts, das durch eine Anode unter Verwendung von ICCP-Methoden (Impeded Current Catodic Protection) geschützt wird. Beachten Sie, wie eine externe Gleichstromquelle beteiligt ist.

Einschränkungen des kathodischen Schutzes

In großen Pipelinenetzen kann es viele Kreuzungen, Parallelitäten und Annäherungen in der Nähe des CP-Systems der Pipeline geben. Zwischen Pipelines können DC-Interferenzen auftreten, die die Korrosion beschleunigen. Um dieses Problem zu überwinden, können Rohrleitungen entweder direkt oder über einen Widerstand elektrisch gekoppelt werden.

Bei beschichteten Rohrleitungen kann es aufgrund hoher CP-Werte zu kathodischer Ablösung kommen, wenn die Qualität der aufgebrachten Beschichtung schlecht ist. Höhere Temperaturen können auch eine kathodische Enthaftung fördern. Umgebungen mit hohem pH-Wert sind auch ein Problem im Hinblick auf Spannungsrisskorrosion.

Conclusion

Kathodischer Korrosionsschutz ist eine beliebte Schutzmethode zur Verhinderung von Korrosion in Pipelines, Offshore-Ölplattformen und anderen Stahlkonstruktionen. Für eine effektive Umsetzung ist es jedoch entscheidend, die Grundprinzipien der bimetallischen/galvanischen Korrosion zu verstehen. Die Wahl des richtigen kathodischen Korrosionsschutzsystems hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die Kosteneffizienz und die Größe der zu schützenden Struktur.