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 eine Umwandlung des Metalls in seine chemisch stabilere Oxid-, Hydroxid- oder Sulfidform bewirken. Bei Metallen auf Eisenbasis, wie z. B. Stahl, tritt die Korrosion in Form von Eisen-III-Oxiden auf, die auch als Rost bekannt sind.
Damit elektrochemische Korrosion stattfinden kann, müssen drei Bestandteile vorhanden sein: eine Anode, eine Kathode und ein Elektrolyt. Anode und Kathode sind in der Regel über eine durchgehende elektrische Leitung miteinander verbunden, während beide in denselben Elektrolyten eingetaucht sind. Während dieses Prozesses erfährt die Anode Korrosion, während die Kathode unbeeinflusst bleibt.
Abbildung 1. Eine typische elektrochemische Zelle, in der Elektronen durch eine elektrische Verbindung von der Anode zur Kathode fließen. (Quelle: Alksub in der englischen Wikipedia / CC BY-SA)
Es gibt verschiedene Methoden, Korrosion zu verhindern und zu kontrollieren. Eine davon ist der sogenannte kathodische Schutz (CP). Diese Technik funktioniert, indem das zu schützende Metall mit einem leichter korrodierenden „Opfermetall“ verbunden wird. Dieses „Opfermetall“ korrodiert bevorzugt (es fungiert als Anode), während das zu schützende, wertvollere Metallobjekt (es fungiert als Kathode) geschützt bleibt. In diesem Artikel werden wir erklären, wie diese Opferschutzmethode funktioniert und ihre verschiedenen Anwendungen beschreiben.
Verständnis der galvanischen oder bimetallischen Korrosion
Um zu verstehen, wie der kathodische Schutz funktioniert, müssen wir zunächst die Grundlagen der bimetallischen Korrosion, auch bekannt als galvanische Korrosion, verstehen. Bimetallische Korrosion ist, wie der Name schon sagt, eine besondere Art der Korrosion, die zwischen der Paarung zweier Metalle auftritt. Diese Korrosion wird in verschiedenen Situationen beobachtet, in denen ungleiche Metalle in direktem oder indirektem Kontakt zueinander stehen. Bimetallische Korrosion ist in der Regel 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 Prozess wird im Artikel Warum verursachen zwei ungleiche Metalle Korrosion? genauer untersucht)
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 und dabei eine kleine Menge Strom erzeugen. Wenn Elektronen aus der Anode herausfließen, findet eine Oxidation statt, wodurch das anodische Metall zerfällt oder korrodiert. Wenn Elektronen zur Kathode fließen, findet eine Reduktion statt, die das kathodische Metall weiter schützt.
Bei der bimetallischen Korrosion ist diese Potentialdifferenz ein direktes Ergebnis der Differenz des Elektrodenpotentials zwischen den beiden ungleichen Metallen. Wenn ein Metall in einen Elektrolyten getaucht wird, nimmt es ein Elektrodenpotential an, das die Fähigkeit des Metalls darstellt, oxidiert oder reduziert zu werden. Das Elektrodenpotential verschiedener Metalle wird in einer Liste dargestellt, die als galvanische Reihe bekannt ist. (Siehe An Introduction to the Galvanic Series: Galvanische Kompatibilität und Korrosion für weitere Informationen.) Die Metalle, die weiter oben in der Tabelle stehen, gelten als anodisch (elektronegativ), während die Metalle, die weiter unten in der Tabelle stehen, kathodisch (elektropositiv) 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 (KKS) und seine Funktionsweise
Während die Konstruktion von kathodischen Schutzsystemen anspruchsvoll sein kann, basiert ihre Funktionsweise auf dem Konzept der bimetallischen oder galvanischen Korrosion, das zuvor beschrieben wurde. Wenn wir die Prinzipien dieser Art von Korrosion verstehen, können wir Metalle absichtlich miteinander verbinden, um sicherzustellen, dass das eine das andere kathodisch schützt. Mit anderen Worten, wenn wir eine bestimmte Metallstruktur schützen wollen, können wir Bedingungen schaffen, bei denen dieses Metall zur Kathode einer elektrochemischen Zelle wird. Indem man das zu schützende Metall mit einem anodischen (elektronegativen) Metall elektrisch verbindet, kann man sicherstellen, dass die Anode sich selbst opfert, indem sie vorzugsweise gegenüber ihrem kathodischen Gegenstück korrodiert.
In einigen Fällen können externe Stromquellen verwendet werden, um dem elektrochemischen Prozess zusätzliche Elektronen zuzuführen, was die Effektivität des kathodischen Schutzes erhöhen kann.
Kathodische Schutzsysteme werden in zahlreichen Industrien eingesetzt, um eine breite Palette von Strukturen in schwierigen oder aggressiven Umgebungen zu schützen. Vor allem die Öl- und Gasindustrie setzt kathodische Schutzsysteme ein, um Korrosion in Treibstoffpipelines, Stahlspeichertanks, Offshore-Plattformen und Ölquellengehäusen zu verhindern. In der Schifffahrtsindustrie wird diese Schutzmethode auch an Stahlpfählen, Piers, Stegen und Schiffsrümpfen eingesetzt. Eine andere gängige Art des kathodischen Schutzes, die sogenannte Galvanisierung, wird häufig zum Schutz von Stahlbauteilen und -konstruktionen eingesetzt. (Um mehr zu erfahren, lesen Sie Galvanisierung und ihre Wirksamkeit im Korrosionsschutz.)
Arten des kathodischen Schutzes (CP)
Wie bereits erwähnt, funktioniert der kathodische Schutz durch die absichtliche Bildung einer galvanischen Zelle mit einem anderen Opfermetall. Dies kann durch zwei verschiedene Arten des kathodischen Schutzes erreicht werden: passiver kathodischer Schutz und kathodischer Schutz mit eingeprägtem Strom.
Passiver kathodischer Schutz
Bei passiven kathodischen Schutzsystemen ist die Opferanode direkt oder indirekt mit dem zu schützenden Metall verbunden. Die Potentialdifferenz zwischen den beiden ungleichen Metallen erzeugt ausreichend Elektrizität, um eine elektrochemische Zelle zu bilden und die galvanische oder bimetallische Korrosion voranzutreiben.
Diese Art des Schutzes wird häufig in der Öl- und Gasindustrie verwendet, um die Stahlbauteile von Offshore-Anlagen und Plattformen zu schützen. Hier werden Aluminiumstäbe (oder ein anderes geeignetes Metall) direkt auf Stahlprofile montiert, um die Rolle des Opfermetalls zu übernehmen. Auch Wassererhitzer, Tanks und Pfähle aus Stahl werden mit einer ähnlichen Methode kathodisch geschützt.
Abbildung 2. Schematische Darstellung einer Rohrleitung, die durch eine Opferanode unter Verwendung passiver kathodischer Schutzmethoden geschützt wird. Beachten Sie, dass keine externe Stromquelle beteiligt ist.
Ein weiteres gängiges Beispiel für passiven kathodischen Schutz ist feuerverzinkter Stahl. Bei diesem Verfahren werden Stahlteile oder -konstruktionen in ein geschmolzenes Zinkbad getaucht, das das Objekt beschichtet. Wenn der Stahl aus der Zinkschmelze entnommen wird, reagiert er mit Luft und Feuchtigkeit und bildet eine Schutzschicht, das sogenannte Zinkkarbonat, das mit dem Stahl eine galvanische Zelle bildet.
Wenn das Stahlelement zerkratzt oder beschädigt wird, so dass das Substrat freiliegt, wirkt die umgebende Zinkschicht als Opferanode und korrodiert bevorzugt, um den freiliegenden Stahl zu schützen. Diese Art des Schutzes hält an, bis das nahe gelegene Zink verbraucht ist.
Druckstromkathodischer Schutz (ICCP)
Bei großen Strukturen ist es möglicherweise nicht möglich, passive kathodische Schutzmethoden zu verwenden. Die Anzahl der Opferanoden, die erforderlich ist, um genügend Strom für einen ausreichenden Schutz zu liefern, kann entweder unrealistisch oder unpraktisch sein. Aus diesem Grund wird eine externe Stromquelle verwendet, um die elektrochemischen Reaktionen anzutreiben. Diese Technik ist als kathodischer Fremdstromschutz (ICCP) bekannt. ICCP-Systeme sind ideal für den Schutz langer Strukturen, wie z. B. unterirdisch verlegter Pipelines. Die Flansche von Verbindungsrohren werden in der Regel mit Isoliersätzen isoliert, um die Rohre für den ICCP-Schutz in kleinere, besser handhabbare Abschnitte zu trennen.
Abbildung 3. Schematische Darstellung eines Objekts, das durch eine Anode unter Verwendung von kathodischen Fremdstromschutzmethoden (ICCP) geschützt wird. Beachten Sie, dass eine externe Gleichstromquelle beteiligt ist.
Grenzen des kathodischen Schutzes
In großen Pipelinenetzen kann es viele Kreuzungen, Parallelitäten und Annäherungen in der Nähe des CP-Systems der Pipeline geben. Zwischen den Pipelines kann es zu Gleichstromstörungen kommen, die die Korrosion beschleunigen. Um dieses Problem zu überwinden, können Rohrleitungen elektrisch gekoppelt werden, entweder direkt oder über einen Widerstand.
Bei beschichteten Rohrleitungen kann es aufgrund hoher CP-Werte zu kathodischer Entladung kommen, wenn die aufgebrachte Beschichtungsqualität schlecht ist. Höhere Temperaturen können ebenfalls die kathodische Ablösung fördern. Umgebungen mit hohem pH-Wert sind ebenfalls ein Problem in Bezug auf Spannungsrisskorrosion.
Schlussfolgerung
Kathodischer Schutz ist eine beliebte Schutzmethode zur Verhinderung von Korrosion bei Pipelines, Offshore-Ölplattformen und anderen Stahlkonstruktionen. Für eine effektive Umsetzung ist es jedoch entscheidend, die grundlegenden Prinzipien der bimetallischen/galvanischen Korrosion zu verstehen. Die Wahl des richtigen Typs eines kathodischen Schutzsystems hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich der Kosteneffizienz und der Größe der zu schützenden Struktur.