Fragen Sie jeden, der ein Jahrzehnt lang eine Stahlpfahlwand in einem Gezeitenfluss beobachtet hat, und Sie werden die gleiche Geschichte hören. Jahrelang sieht das Bauwerk noch gut aus, doch dann kommt es direkt unter Niedrigwasser zu Abschnittsverlusten, genau dort, wo ihn niemand sehen kann. Es gibt kathodischen Schutz und Opferanoden, um diese Geschichte zu unterbrechen. Sie stellen keine neue Technologie dar und sind nicht kompliziert, wenn man einmal den Fachjargon weglässt, aber sie sind auch leicht schlecht zu spezifizieren. In diesem Leitfaden erfahren Sie, wie die beiden Methoden funktionieren, wie ein Anodensystem in der Praxis dimensioniert wird und wo sich die ganze Diskussion ändert, wenn die Wand selbst aus Polymer statt aus Stahl besteht.

Was kathodischer Schutz tatsächlich bewirkt

Stahl korrodiert, weil er mit seiner Umgebung eine elektrochemische Zelle bildet. Ein Teil der Oberfläche fungiert als Anode und gibt Eisenionen an das Wasser oder den Boden ab, wodurch Elektronen freigesetzt werden. Ein anderer Teil fungiert als Kathode, wo diese Elektronen verbraucht werden. Der Elektrolyt (Meerwasser, Brackwasser, feuchter Boden) trägt den Ionenstrom und der Stahl selbst trägt den elektronischen Strom. Entfernen Sie eines dieser drei Elemente und Korrosionsstopps.

Der kathodische Schutz geht das Problem von der elektrischen Seite aus an. Anstatt den Stahl seine eigenen Elektronen an den anodischen Stellen liefern zu lassen, speist man Elektronen von einer externen Quelle ein. Die aktiven Bereiche werden in einen kathodischen, passiven Zustand versetzt. Tatsächlich stoppen Sie die Korrosionsreaktion nicht so sehr, als vielmehr, dass sie woanders stattfinden kann.

Es gibt nur zwei Möglichkeiten, diese Elektronen bereitzustellen. Entweder verbinden Sie den Stahl mit einem reaktiveren Metall, das an seiner Stelle korrodiert (einer Opferanode oder galvanischen Anode), oder Sie leiten Strom von einer Stromversorgung über inerte Anoden in die Struktur (kathodischer Schutz mit eingeprägtem Strom, normalerweise abgekürzt als ICCP).

Wie eine Opferanode funktioniert

Eine Opferanode ist einfach ein Metallklumpen, der weniger edel ist als der Stahl, den er schützt. Verbinden Sie die beiden elektrisch, geben Sie beide in den gleichen Elektrolyten und die Anode wird zur korrodierenden Oberfläche. Stahlpfähle in einem Steg sind häufig mit am Steg verschraubten Armbändern aus Zink- oder Aluminiumlegierung oder an der Fenderlinie mit geschweißten Abstandshaltern ausgestattet. Die Anode löst sich langsam auf; Der Stapel bleibt intakt.

Da die Antriebsspannung aus der Potentialdifferenz zwischen den beiden Metallen stammt, ist keine externe Stromversorgung erforderlich. Das ist die große Stärke galvanischer Systeme und auch ihrer Decke. Die Spannung ist klein, sodass der Strom, der eine entfernte oder gut beschichtete Oberfläche erreicht, begrenzt ist und die Anode eine endliche Masse hat, die über die Lebensdauer verbraucht wird. Wenn die Anoden weg sind, ist auch der Schutz weg, weshalb der Zugang zum Ersatz genauso wichtig ist wie die anfängliche Berechnung.

Anpassen des Anodenmetalls an das Wasser

Bei der Auswahl der Anode kommt es hauptsächlich auf den Elektrolyten an. Spezifischer Widerstand, Salzgehalt, Temperatur und gelöster Sauerstoff verändern die Wahl, und wenn man etwas falsch macht, bedeutet das in der Regel entweder Masseverschwendung oder, noch schlimmer, übermäßigen Schutz, der die Beschichtung beschädigt, die sie eigentlich schützen sollte.

Auf Magnesium wird in der Meerwasserreihe bewusst verzichtet. Seine höhere Antriebsspannung ist in trockenem, widerstandsfähigem Boden nützlich, aber in Salzwasser kann es das Stahlpotential weit genug ins Negative drücken, um Wasserstoff an der Oberfläche zu erzeugen und die Beschichtung zu blasen. Es wird auch schneller verbraucht, als die Mathematik vermuten lässt. Genau aus diesem Grund sind Zink- und Aluminiumlegierungen die Arbeitspferde der Meereswelt.

Opferanoden oder eingeprägter Strom?

Für eine einzelne kurze Spundwand mit gutem Zugang für Taucher oder ein kleines Boot sind galvanische Anoden kaum zu schlagen. Es gibt keinen Transformator-Gleichrichter im Haus, keine zu schützende Verkabelung, keine Stromversorgung, die ausfallen könnte, und das System ist im Wesentlichen wartungsfrei, bis die Anoden ausgetauscht werden müssen.

ICCP gewinnt bei größeren Strukturen. Ein langer Steg mit Hunderten von Pfählen oder eine Struktur, bei der die Anoden in abgelegenen Schlitten auf dem Meeresboden sitzen, benötigt mehr Strom, als ein galvanisches System liefern kann. Anoden mit eingeprägtem Strom, typischerweise mit gemischten Metalloxiden beschichtetes Titan oder Graphit, können mit einer viel höheren Spannung betrieben werden und die Leistung kann angepasst werden, wenn sich die Beschichtung verschlechtert oder sich die Umgebung ändert. Im Gegenzug akzeptieren Sie höhere Kapitalkosten, einen permanenten Strombedarf, Überwachungsgeräte und ein System, das von einem kompetenten Betreiber betreut werden muss.

Eine vernünftige Faustregel: Wenn die aktuelle Nachfrage bescheiden und die Struktur kompakt ist, bleiben Sie galvanisch. Wenn Sie Tausende Quadratmeter Stahl schützen und ein einziges Schaltpult anstelle mehrerer Tonnen Aluminium benötigen, schauen Sie sich den Imprägnierungsstrom an.

Dimensionierung eines Systems: Strom, Fläche und Zeit

Jeder Entwurf beginnt mit dem aktuellen Bedarf, und der aktuelle Bedarf beginnt mit der benetzten Fläche:

• Berechnen Sie die eingetauchte und vergrabene Oberfläche des zu schützenden Stahls.
• Multiplizieren Sie es mit einer für diese Umgebung ausgelegten Stromdichte, die normalerweise in Milliampere pro Quadratmeter ausgedrückt wird.
• Wenden Sie einen Beschichtungsabbaufaktor an, wenn der Stahl lackiert ist, denn eine Beschichtung, die heute zu 95 Prozent intakt ist, wird in fünfzehn Jahren nicht mehr intakt sein.

Eine kurze Illustration. Sechshundert Quadratmeter blanker Stahl in Meerwasser bei 25 mA/m² benötigen etwa 15 A. Um dies zwanzig Jahre lang zu halten, sind etwa 2,6 Millionen Amperestunden Ladung erforderlich, was bei 2.000 Ah/kg etwa 1,3 Tonnen Anodenmaterial aus Aluminiumlegierung entspricht, bevor ein Nutzungsfaktor berücksichtigt wird. Das ist die Zahl, die Menschen überrascht, die Anoden für ein kleines Accessoire hielten.

Zwei Dimensionen steuern zwei verschiedene Dinge. Die Anodenlänge und damit die Oberfläche legen fest, wie viel Strom die Anode zu jedem Zeitpunkt abgeben kann. Der Anodenquerschnitt und damit die Masse bestimmen, wie lange die Anode diese Aufgabe ausführen kann. Eine lange, dünne Anode liefert einen hohen Strom für eine kurze Lebensdauer; ein kurzes, dickes ergibt das Gegenteil. Gute Designs gleichen beides mit dem Austauschintervall ab, mit dem der Besitzer tatsächlich leben kann.

Grenzen, die Sie kennen sollten, bevor Sie sie festlegen

Der kathodische Schutz funktioniert nur dort, wo ein kontinuierlicher Elektrolyt und ein freier elektrischer Pfad vorhanden sind. Das schafft ein paar praktische Grenzen:

• Der Spritzbereich und alles darüber kann nicht geschützt werden, da kein Wasser vorhanden ist, das die Strömung transportiert. Dieses Band benötigt eine Beschichtungsdicke, eine Korrosionszugabe oder ein ganz anderes Material.
• Abgeschirmte Oberflächen, wie zum Beispiel Stahl, der hinter einem engen Kotflügel versteckt oder in einer Spalte eingeschlossen ist, erhalten wenig oder gar keinen Strom, egal wie viele Anoden Sie in der Nähe anbringen.
• Streuströme von nahegelegenen Schweißanlagen, Straßenbahnsystemen oder anderen CP-Installationen können die Korrosion auf ungeschütztem Stahl eher beschleunigen als verhindern.
• Übermäßiger Schutz ist ein echter Fehlermodus. Zu viel Strom schädigt Beschichtungen, verschwendet Anodenmasse und wirft bei hochfesten Stählen Bedenken hinsichtlich der Wasserstoffversprödung auf.

Was das für Polymerspundbohlen bedeutet

Hier ist der Teil des Gesprächs, der oft übersprungen wird. Kathodischer Schutz schützt Stahl. Eine Spundwand aus Vinyl oder PVC ist ein dielektrisches Material: Es gibt kein Eisen, das Ionen abgibt, keine elektrochemische Zelle, die unterbrochen werden könnte, und keine Anode, die irgendetwas Nützliches bewirken könnte, selbst wenn man sie an die Platte schraubt. Wenn ein Projekt von Stahl- auf Polymerspundbohlen umstellt, entfällt in der Regel das kathodische Schutzpaket vollständig, zusammen mit dem Gleichrichter, der jährlichen Überprüfung und dem Anodenaustauschprogramm.

Damit ist Polymer nicht die Antwort auf jedes Problem. Es muss für die richtigen Belastungen, den richtigen Boden und die richtige Belichtung ausgewählt werden, und die Wand muss dennoch sinnvoll gestaltet werden. Aber wo der Treiber für den Schutz Chloridangriff, Brackwasser oder ein sehr langer Wartungshorizont war, ist die Wirtschaftlichkeit von korrosionsbeständige PVC-Spundbohlen sehen oft ganz anders aus als eine Stahlwand plus zwanzig Jahre Anodenwechsel.

Ein Vorbehalt aus der Werkstatt: Viele sogenannte Polymerwände enthalten immer noch Stahl. Zugstangen, Ankerplatten, Riegel und Verbindungshalterungen bestehen häufig aus verzinktem oder beschichtetem Stahl und bleiben der oben beschriebenen Elektrochemie vollständig ausgesetzt. Diese Komponenten verdienen möglicherweise immer noch Anoden oder einen Materialwechsel, selbst wenn die Spundwand selbst inaktiv ist. Wir sehen das am häufigsten Vinyl-Spundwandwände in Schiffsbauwerken , bei dem die Platten aus Polymer bestehen, die Verankerung hinter der Wand jedoch nicht.

Überwachung und Wartung im Klartext

Ein galvanisches System kann mit einer Referenzelektrode und einem hochohmigen Voltmeter überprüft werden. Ein übliches Akzeptanzkriterium für Stahl in Meerwasser ist ein Potential von etwa -0,80 V gegenüber einer Silber-/Silberchlorid-Referenz oder eine 100-mV-Verschiebung gegenüber dem Potential für freie Korrosion, das vor der Installation gemessen wurde. Welches Kriterium das Design auch immer anwendet, notieren Sie die ersten Messwerte, denn sie sind die einzigen Basiswerte, die es jemals geben wird.

Umfragen finden in der Regel jährlich oder zweimal jährlich statt. Die nützlichen Ergebnisse sind das Schutzpotenzial entlang der Wand, der Anodenverbrauch im Vergleich zur vorhergesagten Rate und alle Anzeichen dafür, dass die Beschichtung schneller als angenommen abgebaut ist. Wenn die Anoden schneller als erwartet verbraucht werden, wurde der aktuelle Bedarf unterschätzt und die Nachrüstung muss erfolgen, bevor der Schutz wegfällt.

Fragen, die wir von Projektteams hören

Kann ich Anoden an einer bestehenden Wand anbringen?

Ja, und es ist üblich. Armband- und Abstandsanoden können von Tauchern angebracht werden, und Fernanodensysteme können auf dem Meeresboden in der Nähe platziert werden. Die Einschränkung liegt in der Regel im Zugang und im Zustand des vorhandenen Stahls, nicht in der Theorie.

Brauche ich einen kathodischen Schutz, wenn der Stahl gut beschichtet ist?

Eine gute Beschichtung reduziert den aktuellen Bedarf drastisch, beseitigt jedoch nicht die Notwendigkeit eines Schutzes an jedem Defekt, jeder Kante und jeder Schweißnaht. Genau aus diesem Grund gehen Konstruktionsvorschriften von einem Beschichtungsdurchschlagsfaktor aus.

Braucht eine Polymerwand überhaupt einen Korrosionsschutz?

Bei den Paneelen ist das nicht der Fall, aber bei allen Stahlkomponenten im System ist das immer noch der Fall. Überprüfen Sie die Anker, die Verbindungen und alles, was nass bleibt.

Zehn Jahre Erfahrung mit dem Bau von Spundwänden haben uns gelehrt, dass Korrosionsentscheidungen in der Regel früh und mit unvollständigen Informationen getroffen werden und dann jahrzehntelang damit zu leben haben. Wenn Ihr Projekt auf ein kathodisches Schutzpaket zusteuert, sollten Sie es vom ersten Tag an richtig dimensionieren und den Ersatz einkalkulieren. Wenn es auf eine stahlfreie Wand zusteuert, stellen Sie sicher, dass das gesamte System stahlfrei ist, nicht nur der Teil, den Sie vom Wasser aus sehen können. In jedem Fall besprechen wir gerne die materielle Seite dieser Entscheidung mit Ihren Ingenieuren.