Im chemischen Labor des DBI Leipzig

01. Dezember 2015

Abschlussberichte Feldversuch Wechselstromkorrosion

G 201412: Feldversuch Wechselstromkorrosion – Aktiver kathodischer Korrosionsschutz (Nov. 2013) G 201101: Feldversuch Wechselstromkorrosion – Validierung des Berechnungsmodells (Dez. 2015)
Projektbeschreibungen

Forschungsbericht
G 201101

Im Rahmen der DVGW Forschungsprojekte G 2/01/10 und G 2/01/08 „Feldversuche Wechselstromkorrosion“ konnten die in Laborversuchen ermittelten Stromdichtegrenzwerte in Bezug auf Wechselstromkorrosion bestätigt werden. Ein wesentlicher Erfolg dieser Untersuchungen war die Erarbeitung von ergänzenden Grenzwerten, welche auf Potentialmessungen an der Rohrleitung beruhen. Damit kann der Schutz gegen Wechselstromkorrosion an sämtlichen Messstellen entlang der Rohrleitung vereinfacht verifiziert werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber der Überprüfung der Wechselstromkorrosionsgefährdung anhand von Stromdichtekriterien, bei welchen auf Probebleche zurückgegriffen werden muss, und eine Aussage nur für den Standort der Probebleche möglich ist. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden konkrete Grenzwerte in die AfK Empfehlung Nr. 11 eingebracht. Die aufgrund dieser DVGW Forschungsvorhaben erarbeiteten Grundlagen und Anforderungen sind zudem in die EN 15280 und die ISO 18086 eingeflossen.

Das Problem besteht nun darin, dass sowohl die Stromdichte- als auch die Potentialgrenzwerte nicht ohne weiteres auf allen Rohrleitungen umgesetzt werden können. Deren Einhaltung ist besonders bei erhöhten Wechselspannungen, hohem Schutzstrombedarf, hohem Bodenwiderstand oder Gleichstrombeeinflussung schwierig. Dies liegt in den erforderlichen wenig negativen Einschaltpotentialen begründet, welche kaum Spielraum bei der Einstellung des Schutzstromgeräts zulassen. So kann zwar die Gefahr von Wechselstromkorrosion eliminiert werden, es besteht aber in gewissen Fällen die Gefahr, dass die Schutzkriterien gemäss EN 12954 nicht eingehalten werden können.

Die Situation wird zusätzlich verschärft durch die oft hohen und vor allem auch zeitlich stark variierenden Wechselspannungen. Nebst der Sicherstellung eines ausreichenden kathodischen Korrosionsschutzes stellt sich damit konkret die Frage nach der Prozedur für der Einstellung und Überwachung des kathodischen Korrosionsschutzes. Im Rahmen des Forschungsvorhabens G 2/01/10 wurde diese Problematik im Detail behandelt. Dabei wurde ein aktives Schutzstromgerät entwickelt, welches auf die verschiedenen sich zeitlich ändernden Beeinflussungssituationen reagieren kann. Mit dieser Vorgehensweise kann ein optimaler Korrosionsschutz auch bei starken Beeinflussungen erreicht werden, denn dabei wird sichergestellt, dass der kathodische Korrosionsschutz (im Sinne eines Schutzes gegen Wechselstromkorrosion) stets optimal betrieben wird. Da das System die effektive Beeinflussungssituation in Echtzeit erfasst, aktiv auf diese reagiert und selbständig die idealen Betriebsbedingungen wählt, wird die Ermittlung der relevanten Beeinflussungsbedingungen hinfällig. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass durch die aktive Steuerung sogar deutlich erhöhte Wechselspannungen, wie sie auf Transportleitungen bereits heute und in Zukunft sogar noch verstärkt auftreten und welche ausserhalb des Bereichs der Grenzwerte der EN 15280 liegen, toleriert werden können. Dies ist aber nur durch die Verschiebung der Einschaltpotentiale hin zu positiveren Werten möglich, was jedoch das Risiko eines unzureichenden kathodischen Korrosionsschutzes birgt. Der Schutz vor Wechselstromkorrosion wird damit also auf Kosten des Korrosionsschutzes erkauft. Der Betreiber steht demnach vor der Wahl zwischen zwei Korrosionsarten, welche beide unzulässige Wanddickenminderungen der Leitung nach sich ziehen können. In diesem Zusammenhang ist im Weiteren festzuhalten, dass im Rahmen des Projektes G 2/01/08 an Probeblechen Korrosionsgeschwindigkeiten von mehr als 100 mm/Jahr beobachtet wurden. Derart hohe Geschwindigkeiten können jedoch am entsprechenden Rohr nie über längere Zeiträume vorgelegen haben, da diese sonst längst zu Perforationen geführt hätten. Diese Prob-lematik wurde schon im entsprechenden Schlussbericht diskutiert. Trotz verschiedenster Anstrengungen konnte damals aber keine Erklärung für diesen Effekt gefunden werden.

In neusten Untersuchungen, unter numerischer Beschreibung des Einflussfaktors Faradayrektifikation, konnte nun eine schlüssige Erklärung gefunden werden. Die Modellrechnung führt zu zwei wesentlichen Schlussfolgerungen: 1. Wechselstromkorrosion kann an kleinen Fehlstellen generell nicht verhindert werden. 2. Wechselstromkorrosion wird beim Erreichen einer bestimmten Angriffstiefe stoppen sofern die Wanddicke ausreichend gross ist. Damit kann gefolgert werden, dass an den dünnen Probeblechen die real auftretende Korrosionsgeschwindigkeit der Anfangsphase gemessen wird. Die Verlangsamung des Korrosionsprozesses mit zunehmender Angriffstiefe kann aber aufgrund der geringen Blechdicke nicht erfasst werden. Dies erklärt, weshalb die von Probeblechdaten extrapolierten Korrosionsgeschwindigkeiten deutlich zu hoch sind und nicht auf dickwandigere Rohrleitungen angewendet werden können.

Da Wechselstromkorrosion an kleinen Fehlstellen kaum verhindert werden kann ist somit eine vollständige Unterbindung von Wechselstromkorrosion nicht umsetzbar. Vielmehr stellt sich aufgrund der neuen Betrachtungen die Frage nach der Annahme einer maximal zulässigen Angriffstiefe. Wenn diese erhöht wird, werden negativere Einschaltpotentiale und damit eine bessere kathodische Schutzwirkung des KKS auch bei starker Wechselspannungsbeeinflussung möglich.

Gemäss diesem Ansatz müsste gefolgert werden, dass Leckagen durch Wechselstromkorrosion primär an Leitungen mit geringen Wandstärken auftreten sollten. Tatsächlich sind alle bisherigen Leckagen in Deutschland, Frankreich und der Schweiz an Leitungen mit Wandstärken im Bereich von 5 mm oder weniger aufgetreten. Dies ist ein Hinweis auf die Richtigkeit dieser Betrachtungen.

Die Überprüfung zeigt, dass bei allen bisher vorliegenden Datensätzen aus dem Feldversuch eine korrekte Beurteilung der Korrosionsgefährdung möglich ist. Obwohl alle qualitativen Befunde gut mit den Modellvorstellungen übereinstimmen, ist das Modell bis heute nicht validiert. Da die Berechnungen nur mit Hilfe der aktuell verfügbaren Daten erfolgten, besteht auch ein Potential zur Verbesserung der physikalischen Grundparameter. Weiter wurden verschiedene konservative Annahmen getroffen, welche aufgrund der bisher vorliegenden Informationen zu einer deutlichen Überschätzung der maximalen Korrosionsangriffstiefe führen. Im Rahmen des vorliegenden Projektes wurden die bisherigen Daten überprüft und die Datenlage verbessert. Zudem wurden die Berechnungen durch direkte Messungen im Labor sowie Messdaten aus dem Betrieb validiert. Es sollte damit eine möglichst genaue quantitative Beschreibung des erwarteten Verhaltens erreicht werden. Dies soll verhindern, dass unnötige Kompromisse beim kathodischen Korrosionsschutz gemacht werden müssen und ermöglichen, dass die dabei entstehenden Risiken möglichst klar bekannt sind.

Projektpartner

  • SGK Schweizerische Gesellschaft für Korrosionsschutz, Zürich

Förderkennzeichen G 201101

Altes Förderkennzeichen: G 2/01/10-F

Forschungsbericht

Mithilfe von Modellrechnungen konnten die bei Wechselstromkorrosion ablaufenden Prozesse dargestellt werden. Dabei zeigte sich, dass die Korrosionsangriffstiefe einen wesentlichen Einfluss auf die Korrosionsgeschwindigkeit hat. Aufgrund dieser Betrachtungen muss geschlossen werden, dass die Wechselstromkorrosion zunächst mit Geschwindigkeiten von mehr als 1 mm/Jahr erfolgt und mit zunehmendem Abtrag schließlich zum Stillstand kommt. Die relevanten Einflussgrößen werden diskutiert und ein neuer Ansatz für die Bewertung der Korrosionsgefährdung wird vorgestellt.

Projektpartner

  • Schweizerische Gesellschaft für Korrosionsschutz 'SGK', Zürich

Förderkennzeichen G 201412

Altes Förderkennzeichen: G 2/01/10-F

Weitere Informationen zum Thema

Dieser Forschungsbericht entstand im Forschungscluster Korrosionsschutz. Zur Themenseite Forschung Gasnetzkonzepte, Netzbetrieb und Netzsteuerung

Ansprechpartner
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Bei Fragen zum Forschungsbericht
Hans Rasmusson
Hauptgeschäftsstelle / Technologie und Innovationsmanagement

Telefon+49 228 91 88-843
Bei Fragen nach älteren Forschungsberichten
Katrin Gleisberg-Gerber
Hauptgeschäftsstelle / Technologie und Innovationsmanagement

Telefon+49 228 91 88-629