16 - Fachverband Kathodischer Korrosionsschutz e.V.

MITTEILUNGEN DES FACHVERBANDESKATHODISCHER KORROSIONSSCHUTZ E.V.E 13001 F Juli 1995 Nr. 16Wechselstrombeeinflussung und WechselstromkorrosionFachreferat gehalten von Dr. Schöneich / Ruhrgas AG, Essen, auf der Jahreshauptversammlung 1994 in Hamburg – 2. FolgePhänomenologie und Grundlagen derWechselstromkorrosionPhänomenologieStellvertretend für alle bisherbekannt gewordenen Korrosionsangriffean Rohrleitungen, die durch Wechselstromkorrosionverursacht wurden, sollhier ein Fall beschrieben werden, derim Wallis (Schweiz) aufgetreten ist. Eshandelt sich um eine Polyethylenumhülltekathodisch geschützte Rohrleitung,die durch eine Wechselstrombahn(16 2 ⁄3 Hz) beeinflußt wird. Aneiner Umhüllungsbeschädigung hattendie Korrosionsprodukte zu einer Aufwölbungder Umhüllung geführt.Abb. 7: Umhüllungsbeschädigungund Wechselstrom-Korrosionsschadenan einer kathodisch geschützten PolyethylenumhülltenRohrleitungU~ ≈ 35 Vf = 16 2 ⁄3 HzImax = 3,2 mmd = ca. 20 mmpH > 10Alter = 13 JahreNach der Beseitigung der Umhüllungund der Korrosionsproduktekamen muldenförmige scharf begrenzteKorrosionsangriffe mit einer Lochtiefevon mehreren mm zum Vorschein undanhand der konzentrischen Kreise umdie Korrosionsmulde erkennt man, daßin diesem Bereich ein Disbonding derPolyethylenumhüllung stattgefundenhat. Die übrigen Daten zeigten, daß derMittelwert der induzierten Wechselspannungetwa 35 Volt betrug und daßder pH-Wert in der unmittelbaren Nähedes Korrosionsangriffes größer als 10ist und damit weit im alkalischenBereich liegt, was die korrekte Einstellungdes kathodischen Korrosionsschutzesbestätigt.Die bisherigen Erkenntnisse ausden bekanntgewordenen Wechselstrom-Korrosionsfällenan kathodischgeschützten Rohrleitungen zusammenfassendkann man sagen:- Ergebnisse der Überwachungsmessungendes kathodischen Korrosionsschutzeslassen keine Rückschlüsseauf eine Wechselstromkorrosionsgefährdungzu.- Korrosionsangriffe werden an Umhüllungsbeschädigungenmit Flächen inder Größenordnung von 10 cm 2 undkleiner gefunden. Das Umhüllungsmaterialder Rohrleitung hat keinenEinfluß.- Für die Höhe der Wechselspannunggibt es nach unten keinen Grenzwert.- Der pH-Wert auf der korrodiertenStahloberfläche ist häufig größer als10.Grundlagen der WechselstromkorrosionBis 1985 ging man davon aus,daß Wechselspannungen, die in eineRohrleitung induziert wurden und diezu einem Wechselstromfluß von derRohrleitung in das umgebende Erdreichführen, vom Standpunkt einer Korrosionsgefährdunghergesehen unkritischsind. Das prinzipielle elektrische Ersatzschaltbildeiner Umhüllungsbeschädigung(vgl. Abb. 8), die in Kontakt mitdem Erdboden steht, wurde zurBegründung herangezogen.Abb. 8: Ersatzschaltbild einerUmhüllungsbeschädigung (Stahl inKontakt mit Erdboden)In erster Näherung kann die Phasengrenze,d.h. die Grenzfläche zwischenStahl und Erdboden durch dieParallelschaltung einer Kapazität CD(Doppelschichtkapazität) und einesWiderstandes Rp (Polarisationswiderstand)beschrieben werden. BeideSchaltelemente sind von den jeweiligenchemischen und elektrischen Bedingungenabhängig und müssen auf dieFläche des Stahls bezogen werden, diemit dem Erdboden in Kontakt steht(Richtwerte sind: CD = 10 - 100 µF/cm 2 ,Rp = 1 - 1000 Ωcm 2 ). RE ist der Ausbreitungswiderstandder Stahlfläche imErdboden. Eine Polarisation der Stahloberflächetritt ein, wenn über denPolarisationswiderstand ein Stromfließt. Ein Gleichstrom I, der vom Erdbodenzur Stahloberfläche fließt,bewirkt kathodischen Korrosionsschutz.Der dadurch hervorgerufene Span-1

nungsabfall UO am Polarisationswiderstandbedingt die Verschiebung desPotentials hin zu negativeren Werten,die als Polarisation bezeichnet wird.Analog bewirkt ein Gleichstrom, dervom Stahl zum Erdboden fließt eineverstärkte Korrosion. Der Spannungsabfallam Polarisationswiderstand führtjetzt zu einer Verschiebung des Potentialsin positive Richtung. Für einenWechselstrom bietet sich ein zweiterPfad über die Doppelschichtkapazitätan. Es kommt nun zu einer Aufteilungdes Stromes entsprechend dem Verhältnisder Leitwerte von Doppelschichtkapazitätund Polarisationswiderstand.In der Vergangenheit wurdenun immer vermutet, daß der Leitwertder Doppelschichtkapazität gegenüberdem des Polarisationswiderstandes sohoch ist, daß die Stimulation der Korrosionvernachlässigbar ist. Man kannsich jedoch leicht klarmachen, daß esnur eine Frage der Höhe der Wechselstromdichteist bis diese Vermutungnicht mehr zutreffend ist.Viele Untersuchungen, die in denvergangenen Jahren durchgeführt wurden,betrafen gerade diese Frage: Beiwelchem Betrag der Wechselstromdichtemuß mit einer Korrosionsgefährdunggerechnet werden? Unter denverschiedensten Bedingungen wurdenKorrosionsexperimente durchgeführt.Insbesondere wurden die folgendenParameter variiert:- Wechselstromdichte- Gleichstromdichte- Chemische Eigenschaften des Mediums,das den Erdboden simuliert.Das Ergebnis dieser Untersuchungenist in DIN 50925 eingeflossenund lautet: „Bei starker Wechselstrombeeinflussungmit Stromdichten über30 A/m 2 ist das Schutzpotentialkriteriumnach derzeitigen Erkenntnissennicht in allen Fällen anwendbar“. Fürdie Praxis beinhaltet dieser Satz zweiwichtige Aussagen: Zum einen muß anUmhüllungsbeschädigungen, in denendie Wechselstromdichte 30 A/m 2 übersteigt,mit einer Korrosionsgefährdunggerechnet werden. Zum anderen kanndiese Korrosionsgefährdung nicht mitHilfe einer Potentialmessung (unddamit auch nicht mit einer Intensivmessung)sicher erkannt werden.Ein weiteres Ergebnis dieserMessungen soll erwähnt werden: DieStromausbeute für die Korrosionsreaktion,die für Gleichstrom entsprechenddem Faradayschen Gesetz 100 % beträgt,erreicht bei wechselstrom im Frequenzbereichvon 16 2 ⁄3 bis 50 Hz nuretwa 1 bis 0,1 % oder sie ist sogarnoch kleiner. Dies bedeutet, daß nurdieser geringe Teil der Ladung despositiven Teils der anodischen Halbwelledes Wechselstromes zur Korrosionsreaktionbeiträgt.2ModellvorstellungenAus den beschriebenen praktischenund experimentellen Kenntnissenkönnen die in Abb. 9 dargestelltenModellvorstellungen abgeleitet werden.Abb. 9: Ersatzschaltbild einerUmhüllungsbeschädigung und schematischeDarstellung des Rohr/BodenPotentials (mit und ohne IR-Anteil)Der in die Umhüllungsbeschädigungfließende Strom ist die Summeaus dem eintretenden Schutzstrom unddem überlagerten Wechselstrom; imzeitlichen Mittel ist dies also ein kathodischerStrom. Er verursacht an derKombination CD/Rp/RE einen Spannungsabfall,der mit einer auf den Erdbodenaufgesetzten Bezugselektrodeals Rohr/Boden Potential gemessenwerden kann. Mit einem wechselspannungsdämpfendenMeßgerät wird nurder Gleichspannungsanteil - das Einschaltpotential- gemessen, der durchden Schutzstrom verursacht wird. Miteinem Oszillographen kann der zeitlicheVerlauf dieser Spannung gemessenwerden. Insbesondere bei Beeinflussungder Rohrleitung durch 50 HzHochspannungsleitungen wird häufigein recht sauberer sinusförmiger Spannungsverlaufgemessen (in Abb. 9 alsdurchgezogene Linie dargestellt).Diese Spannung enthält den gesamtenIR-Anteil (Spannungsabfall an RE). Mankann nun versuchen zu überlegen, wiesich die durch den Summenstrom verursachtePolarisation, d.h. der Spannungsabfallüber dem Polarisationswiderstandverhält (die Messung dieserSpannung ergäbe das IR-freie Potentialder stromdurchflossenen Umhüllungsbeschädigung).Da die beeinflussendeHochspannungsleitung nicht kurzzeitigabgeschaltet werden kann, scheideteine „Ausschaltpotentialmessung“ aus.Man kann aber gedanklich eine (ideale)Meßprobe verwenden, bei der durchgeschickte Anordnung der Bezugselektrodein unmittelbarer Nähe der Stahlflächejeglicher IR-Anteil in der Potentialmessungeliminiert wird. Der dannübrigbleibende Spannungsabfall überdem Polarisationswiderstand ist dasIR-freie Potential der Meßprobe, dasnun nicht mehr zeitlich konstant ist,sondern vermutlich mit der Frequenzdes fließenden Wechselstromesschwanken wird (vgl. gepunktete Liniein Abb. 9).Es ist nun nur noch ein kleinerSchritt bis zu der Annahme, daß in derPhase, in der das IR-freie Potentialpositiver als UCu/CuSO4=-0,85 V an derStahlfläche ein Korrosionsabtrag stattfindet,aber diese Vermutung kann bislangnur eingeschränkt belegt werden.Die Vorstellungen sind aber in Einklangmit den folgenden Befunden aus derPraxis:- das mittlere Potential eines Probeblechs(s.u. ist in der Regel negativerals UCu/CuSO4=-0,85 V.- Nur ein geringer Teil der Ladung deranodischen Halbwelle trägt zum Korrosionsvorgangbei- An Wechselstrom-Korrosionsschädenwerden hohe pH-Werte gefunden(verursacht durch den kathodischenSummenstrom)Es erscheint daher lohnend,diese Vorstellungen weiter zu verfolgen.Da zur Zeit aber noch der Nachweisfehlt, daß das IR-freie Potentialauch für die Bewertung der Gefährdungdurch Wechselstromkorrosioneine geeignete Meßgröße ist und darüberhinaus eine einsatzbereite Meßtechniknicht zur Verfügung steht, istman in der Praxis auf die Anwendungdes oben genannten Stromdichtekriteriumsangewiesen.

Einsatz von ProbeblechenDie Wechselstromdichte in derUmhüllungsbeschädigung einer Rohrleitungkann nicht direkt gemessen werden.Bei der Arbeit mit diesem Kriteriumist man daher auf auf rechnerischeAbschätzungen oder auf Messungenan Probeblechen angewiesen. Für dieWechselstromdichte J in einer kreisförmigenUmhüllungsbeschädigung giltnäherungsweise die in Abb. 10beschriebene Beziehung.Abb. 10: Abschätzung der Wechselstromdichtein einer kreisförmigenUmhüllungsbeschädigungIn dieser Gleichung bedeuten Udie Wechselspannung Rohrleitung/Erde, p den spezifischen Bodenwiderstandin der unmittelbaren Nähe derUmhüllungsbeschädigung und d denDurchmesser der Umhüllungsbeschädigung.Wegen der meist unbekanntenGeometrie der Umhüllungsbeschädigungund dem unbekannten spezifischenBodenwiderstand ist diese Gleichungfür die Praxis nur von eingeschränktemWert. Sie informiert jedochdarüber, daß Stromdichten in derGrößenordnung von 30 A/m 2 unterdurchaus „normalen“ Bedingungenerreicht werden können.Probebleche, die neben der Rohrleitungvergraben und mit dieser elektrischleitend verbunden werden, simulierenUmhüllungsbeschädigungen. Siegestatten daher mit Hilfe einer Wechselstrommessungeine Bewertung derKorrosionsgefährdung, der auch entsprechendeUmhüllungsbeschädigungender Rohrleitung unterliegen. Ihrefreie Stahlfläche sollte so klein gewähltwerden, daß sie ungünstigen Bedingungenentspricht. DIN 50925 nenntdazu einen Wert von 1 cm 2 , es kannaber nicht ausgeschlossen werden,daß unter ungünstigen Bedingungen ankleineren Umhüllungsbeschädigungenhöhere Wechselstromdichten auftreten.Abb. 11 zeigt beispielhaft ein Probeblechmit einer Stahlfläche von 1 cm 2und das Ergebnis einer Registrierungder Wechselstromdichte.Abb. 11: Schematische Darstellungeines Probebleches für die Kontrolleeiner Gefährdung durch Wechselstromkorrosionund Beispiel einer Registrierungder Wechselstromdichte übereinen Zeitraum von 28 Tagenwenn der Grenzwert überschritten wird.Die tatsächlich vorliegende Korrosionsgefährdungkann nur nach Ausgrabungdes Probebleches festgestellt werdenErgebnisse der Messungen an derartigenProbeblechen bei der Erdgas Südbayernhaben auch Hinweise daraufgegeben, daß schon bei Wechselstromdichtenzwischen 15 und 20 A/m 2 einKorrosionsangriff auftritt.Für die Bewertung der gemessenenWechselstromdichte sollte eineRegistrierung nach einer ausreichendlangen Einbauzeit (ca. 3 Monate)durchgeführt werden. Die Ergebnissesind nur dann aussagekräftig wenn dasdie beeinflussende Hochspannungsanlagebetreibende EVU bestätigt, daßdie in dieser Zeit vorliegenden Betriebsbedingungendem Normalbetrieb entsprechen.Die mittlere Wechselstromdichtekann dann bestimmt werden(wobei Phasen der Betriebsruhe derHochspannungsanlage ausgeklammertwerden sollen) – im oben gezeigten Fallkönnen etwa 200 A/m 2 abgeschätztwerden – und mit dem Kriterium verglichenwerden. Diese mittlere Wechselstromdichtegibt nur einen Hinweis aufeine potentielle KorrosionsgefährdungNeue NormentwürfeFolgende Normentwürfe sinderschienen und können über denBeuth-Verlag bezogen werden:● DIN EN 1451 „Kunststoff-Rohrleitungssystemefür Abwasserleitungen(niederer und hoher Temperatur)innerhalb der Gebäudestruktur– Polypropylen (PP) –;Teil 1: AllgemeinesTeil 2: RohreTeil 3: FormstückeTeil 5: Gebrauchstauglichkeit desSystems“3

Beurteilung der Streustrom-Korrosionsgefahr von erdverlegtenInstallationen im Einflußbereich von GleichstrombahnenFachreferat, gehalten von Ulrich Bette, TA Wuppertal auf der Jahrestagung 1995E 13001 FPressepostVom Bundesminister für Verkehr wurdedie TAW mit dem ForschungsvorhabenFE-Nr. 70348/90: „Maßnahmen zur Verringerungder Korrosionsgefahr durchStreuströme bei Rasengleisen vonGleichstrombahnen“ beauftragt, dessenErgebnisse im April 1994 vorgelegtwurden. Diesem Forschungsvorhabenwaren Untersuchungen in U-/Stadtbahn-Tunnelnvorausgegangen, wobeinachgewiesen wurde, daß das Streustromgeschehenvon mehreren Kenngrößenabhängt. Eine wesentlicheKenngröße ist der Ableitungsbelag derFahrschienen. Weiterhin hat der Fahrbetriebin benachbarten RückleitungsabschnittenAuswirkungen auf dieStreustromsituation in dem geradebetrachteten Abschnitt, was sich insbesonderebei hochwertigen Schienenbettungenstark bemerkbar macht.Daher führt die Betrachtung eines einzelnenRückleitungsabschnittes, wiebisher üblich, zu falschen Beurteilungen.In letzter Zeit werden oberirdischeStraßenbahnstrecken verstärkt aufeigenem Bahnkörper geführt, so daßbei offener Bettung ein kleiner Ableitungsbelagund damit ein großerBettungswiderstand ohne weiteres realisiertwerden kann. Hierdurch wirdaber der Einfluß durch den Fahrbetriebin den benachbarten Abschnittenwesentlich stärker. Wird in einzelnenStreckenabschnitten der Raum zwischenden Fahrschienen begrünt(Rasengleis), so konnte nicht mitSicherheit ausgeschlossen werden,daß in diesen Bereichen verstärktStreustromkorrosion auftritt.Das Ziel des Forschungsvorhabenswar deshalb, die verschiedenenOberbauformen, insbesondere vonRasengleisen, hinsichtlich der möglichenStreustromkorrosionsgefahr zuuntersuchen und Grundlagen für diePlanung sowie die meßtechnische Prüfungvon oberirdischen Strecken zuerarbeiten.Die an verschiedenen Oberbauformendurchgeführten Messungenergaben, daß Rasengleise in der Regelkeine größeren Ableitungsbeläge aufweisenals andere Gleise, die in derStraßendecke eingebaut worden sind(geschlossene Bettung). Je nach Konstruktionder Rasengleise wurden andiesen sogar Ableitungsbeläge ermittelt,die kleiner sind als die von Gleisenim Schotterbett (offene Bettung). ImForschungsbericht wird empfohlen, denImpressum: Die Mitteilungen des Fachverbandes Kathodischer Korrosionsschutze.V. werden vom Fachverband Kathodischer Korrosionsschutze.V., Sitz Esslingen a. N., Postfach 60 50, 73717 Esslingen,Telefon (07 11) 91 99 01-0, Telefax (07 11) 91 99 01-11 herausgegebenund erscheinen vierteljährlich. Der Bezugspreis ist durch den Mitgliedsbeitragabgegolten. Für den Inhalt verantwortlich: Hans J. Spieth, Postfach60 50, 73734 Esslingen. Redaktion: Dipl. Phys. W. v. Baeckmann,Essen, Hans J. Spieth, Esslingen. Für namentlich gekennzeichneteBeiträge trägt der Verfasser die Verantwortung. Nachdruck mit Quellenangabeund Übersendung von zwei Belegexemplaren erwünscht.Korrosionsstrombelag, also den auf dieLänge bezogenen Stromaustausch zwischenden Fahrschienen und dem Erdboden,zu begrenzen. Hierdurch wirddie örtliche Korrosionsgefahr sowohl anden erdverlegten Metallinstallationenals auch den Fahrschienen berücksichtigt.Der Korrosionsstrombelag hängtvon dem Betriebsstrom des betrachtetenRückleitungsabschnittes und dessenLänge sowie dem Ableitungsbelagund dem Widerstandsbelag der Fahrschienenab. Bei der Planung von oberirdischenStrecken kann der Korrosionsstrombelaganhand der genanntenKenngrößen rechnerisch ermittelt werden.Ein möglicher Richtwert kannI’korr ≤ 5 A/km sein.Die vorgenommenen Untersuchungenergaben, daß unter normalenBedingungen dieser Wert ausreicht,vorzeitige Korrosionsschäden an denFahrschienen und unzulässige Beeinflussungenan Installationen, die vonden Fahrschienen mindestens 1 m entferntsind, zu vermeiden. Weiterhin solltennach Inbetriebnahme von oberirdischenStrecken gemäß AfK-EmpfehlungNr. 4 Kontrollmessungen durchgeführtwerden. Werden hierbei Streustromübertragungsmaßevon > 0,1 festgestellt,ist an den entsprechendenStellen der Schienenspannungstrichterüber einen längeren Zeitraum in derHauptverkehrszeit zu messen. Wenndas Schienenpotential im zeitlichen Mittelnegativ ist und die Streustromaktivitätim Bereich von 100 mV liegt, mußmit einer nachteiligen Beeinflussungerdverlegter Installationen gerechnetwerden.Im Rahmen der Forschungsarbeitenwurden von der TAW neue Meßverfahrenerarbeitet, die in der Regel auchwährend des Tages eine exakte Beurteilungder Streustromkorrosionsgefahrermöglichen. Hierzu gehören die Ermittlungdes Streustromübertragungsmaßesund der Streustromaktivität. DieBeeinflussung erdverlegter Installationenläßt sich anhand der Streustromaktivitätinnerhalb von 30 Minuten in derHauptverkehrszeit ermitteln. Nur wenndie Streustromaktivität größer ist als100 mV und auch anhand des zeitlichenPotentialverlaufes oder durch eineKorrelationsanalyse von Rohr/Boden-Potential und Spannung Fahrschienen/Rohrleitungkeine eindeutigeAussage getroffen werden kann, isteine 24h-Registrierung erforderlich.Praktische Messungen im Einflußbereichvon 21 Unterwerken eines Verkehrsbetriebesergaben, daß lediglichan einem Unterwerk Registrierungenüber 24 Stunden erforderlich waren. Inden anderen Fällen reichte eine Registrierzeitvon 30 Minuten in der Hauptverkehrszeitaus, d.h., daß mit denneuen Meßverfahren nicht nur eineexaktere Beurteilung der Streustromkorrosionsgefahrmöglich ist, sondernsich auch eine wesentliche Verkürzungder Meßzeit ergibt.Die vorgenommenen Untersuchungenzeigten aber auch, daß beiden heute üblichen Schienenverlegungenin offener Bettung auf Streustromschutznaßnahmenan erdverlegtenInstallationen in den meisten Fällenverzichtet werden kann. Trotzdem ist esnoch üblich, Drainagen oder Soutiragensozusagen als Vorsorgemaßnahme zuinstallieren. Da es sich hierbei in derRegel um eine Schutzmaßnahme handelt,die ein einzelner Betreiber fürseine erdverlegten Installationen durchführt,werden nicht alle Installationenerfaßt. Dieses hat zur Folge, daß dienicht einbezogenen Installationen undauch die Fahrschienen stärker nachteiligbeeinflußt werden. Aus diesemGrund sollten vor der Errichtung einerDrainage Objekt/BodenPotentialmessungendurchgeführt werden. Tretenz.B. an bitumenumhüllten Objektenunzulässige Beeinflussungen auf, istmit dem Verkehrsbetrieb zu klären, obzusätzliche Maßnahmen an den Bahnanlagenzu einer Verbesserung führen.PE-umhüllte Objekte sollten aufgrundihres relativ kleinen Schutzstrombedarfeskathodisch geschützt werden,wobei eine Schutzanlage mit Fremdstromanodensinnvoller als eine Drainageoder Soutirage ist.Hinweis: Eine ausführlicheBeschreibung der Meßverfahren zurErmittlung der Streustromaktivität unddes Streustromübertragungsmaßes istin 3R international 34 (1995) 4, S.170-4