Korrosion verstehen —
Galvanische, Loch-, Spalt-
und Erosionskorrosion

Die meisten Korrosionsausfälle sind vermeidbar. Nicht durch die Verwendung teurer Werkstoffe, nicht durch die Spezifikation exotischer Legierungen, sondern durch das Verständnis dessen, was tatsächlich an der Metalloberfläche geschieht, und durch Konstruktionsentscheidungen, die die Bedingungen entfernen, unter denen jeder Mechanismus wirkt. Die Ausfälle, die nicht hätten verhindert werden können, sind selten. Die Ausfälle, die geschahen, weil jemand zwei unterschiedliche Metalle in Kontakt brachte, oder einen Spalt hinterließ, in dem Medium stagnieren konnte, oder das Geschwindigkeitslimit für die gewählte Legierung im spezifizierten Medium ignorierte — diese machen den Großteil dessen aus, was nachträglich untersucht wird.

Dieser Artikel behandelt die vier Korrosionsmechanismen, die für die Mehrheit der vermeidbaren technischen Ausfälle in Prozessanlagen, Rohrleitungen, und gefertigter Ausrüstung verantwortlich sind. Für jeden: der Mechanismus, die für sein Wirken erforderlichen Bedingungen, die am stärksten gefährdeten Werkstoff- und Konstruktionskombinationen, und die praktischen Konstruktionsentscheidungen, die ihn verhindern.

Gleichmäßige allgemeine Korrosion — Die Basislinie

Vor den vier spezifischen Mechanismen lohnt es sich, die allgemeine Korrosion als Basisfall festzustellen. Allgemeine (oder gleichmäßige) Korrosion ist der gleichmäßige, vorhersagbare Metallabtrag von einer freiliegenden Oberfläche durch chemischen oder elektrochemischen Angriff. Das Rosten von Kohlenstoffstahl in Wasser ist das vertrauteste Beispiel. Die Rate ist für eine gegebene Metall-Umgebung-Kombination relativ vorhersagbar, gemessen in Millimetern pro Jahr (mm/Jahr) oder Mils pro Jahr (mpy), und die konstruktive Reaktion ist unkompliziert: einen Korrosionszuschlag zur berechneten Wanddicke hinzufügen, der ausreicht, um die beabsichtigte Auslegungslebensdauer zu erreichen.

Allgemeine Korrosion ist der am wenigsten gefährliche Modus, weil sie vorhersagbar ist und sichtbare Warnung gibt. Die vier unten behandelten Mechanismen sind gerade deshalb gefährlicher, weil sie lokalisiert, beschleunigt, und häufig mit minimaler oder keiner vorherigen Warnung an der Außenfläche des Bauteils auftreten.

Galvanische Korrosion

Der Mechanismus

Wenn zwei unterschiedliche Metalle in Gegenwart eines Elektrolyten (jeder leitfähigen Flüssigkeit — Wasser, Prozessmedium, Feuchtigkeit auf einer Oberfläche) elektrisch in Kontakt stehen, bilden sie eine elektrochemische Zelle. Das unedlere Metall (die Anode) korrodiert bevorzugt — es oxidiert und gibt Metallionen an den Elektrolyten ab —, während das edlere Metall (die Kathode) geschützt wird. Die treibende Kraft ist der Potentialunterschied zwischen den beiden Metallen in der galvanischen Reihe. Je größer der Potentialunterschied, desto aggressiver der galvanische Angriff auf die Anode.

Die galvanische Reihe

Die galvanische Reihe ordnet Metalle und Legierungen nach ihrem elektrochemischen Potential in Meerwasser. Metalle am aktiven (anodischen) Ende werden bevorzugt korrodiert; Metalle am edlen (kathodischen) Ende werden geschützt. Von am aktivsten bis am edelsten, die ungefähre Reihenfolge gängiger technischer Werkstoffe:

Magnesium → Zink → Aluminium → Kohlenstoffstahl → Gusseisen → niedriglegierter Stahl → 316-Edelstahl (aktiv) → Blei → Zinn → Kupfer → Messing → Bronze → Monel → Silber → Titan → Platin → Gold → 316-Edelstahl (passiv)

Der Abstand zwischen zwei Werkstoffen in dieser Reihe bestimmt die Schwere des galvanischen Angriffs. Kohlenstoffstahl und Kupfer in Kontakt in Meerwasser ist eine besonders aggressive Kopplung — der Stahl korrodiert schnell. Aluminium und Edelstahl in Kontakt greifen das Aluminium an. Kohlenstoffstahl und Zink sind eine absichtliche Kopplung — Zink ist die Opferanode beim Verzinken, die den Stahl schützt.

Was es schlimmer macht

Das Flächenverhältnis von Kathode zu Anode ist entscheidend. Eine kleine Anode, gekoppelt mit einer großen Kathode, beschleunigt die Korrosion der Anode erheblich — die große kathodische Fläche treibt einen hohen Strom durch eine kleine anodische Fläche, was den Angriff konzentriert. Eine Stahlschraube in einer Kupferlegierungsplatte ist weit gefährlicher als eine Kupferschraube in einer Stahlplatte. Das klassische Versagensmuster: Edelstahlbefestiger in einem Kohlenstoffstahlflansch sind relativ harmlos (kleine edle Kathode, große aktive Anode). Kohlenstoffstahlschrauben in einem Edelstahlflansch — die Stahlschraube ist die kleine Anode mit einem großen kathodischen Edelstahlflansch, der den Angriff antreibt — korrodieren aggressiv.

Vorbeugung

• Unterschiedliche Metallpaarungen wo möglich vermeiden — dieselbe Legierung im gesamten System verwenden
• Wo unterschiedliche Metalle verbunden werden müssen, elektrisch isolieren — PTFE-Isolierdichtungen, Nylon-Schraubenhülsen, und Isolierflansche zwischen Kohlenstoffstahl- und Edelstahl- oder Kupferlegierungsrohrleitungen
• Wenn die Paarung nicht vermieden werden kann, die Anode relativ zur Kathode groß machen — niemals umgekehrt
• Beschichtungen auf die Kathode aufbringen (nicht auf die Anode — ein Riss in einer Beschichtung auf der Anode konzentriert den Angriff dramatisch)
• Opferanoden gezielt einsetzen — Zinkanoden an Stahlkonstruktionen in Meerwasser, Magnesiumanoden an erdverlegten Rohrleitungen
• Den Elektrolyten reduzieren oder eliminieren — trockene Baugruppen sind galvanisch inert

Lochkorrosion

Der Mechanismus

Lochkorrosion ist lokalisierter elektrochemischer Angriff, der kleine, tiefe Hohlräume (Löcher) in einer ansonsten intakten Oberfläche erzeugt. Sie ist das charakteristische Versagensmuster passiver Legierungen — Edelstähle, Aluminiumlegierungen, Nickellegierungen — in Gegenwart spezifischer aggressiver Ionen, am häufigsten Chloride. Der passive Oxidfilm, der Edelstahl seine Korrosionsbeständigkeit verleiht, bricht lokal an mikroskopischen Defekten oder Heterogenitäten im Film zusammen. Sobald der Film an einer Stelle zusammenbricht, ist das blanke Metall darunter dem Elektrolyten ausgesetzt und wird zu einer kleinen, hochaktiven Anode. Die umgebende intakte passive Oberfläche fungiert als Kathode. Das stark ungünstige Flächenverhältnis (winziges anodisches Loch, große kathodische passive Oberfläche) treibt intensiven lokalisierten Angriff an — das Loch wächst schnell in die Tiefe, während die umgebende Oberfläche visuell unmarkiert bleibt.

Lochfraßbeständigkeits-Äquivalentzahl (PREN)

Die Anfälligkeit von Edelstählen und Nickellegierungen für Lochkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen wird durch die Lochfraßbeständigkeits-Äquivalentzahl charakterisiert:

PREN = %Cr + 3,3×%Mo + 16×%N

Ein höherer PREN-Wert zeigt eine bessere Lochfraßbeständigkeit an. Als praktischer Leitfaden:

• 304L (PREN ~18) — geeignet für chloridarme Umgebungen (typischerweise <100 ppm Cl⁻)
• 316L (PREN ~25) — verbesserte Beständigkeit, geeignet für mäßige Chloridgehalte. Das Standard-Upgrade von 304L für chloridhaltige Prozessströme.
• Duplex 2205 (PREN ~35) — erheblich besser, geeignet für Meerwasserinjektion und mäßig aggressiven Chloridbetrieb
• Super-Duplex 2507 (PREN ~43) — Meerwasserbetrieb, Lagerstättenwasser, aggressive Chloridumgebungen
• Legierung 625 (PREN ~51) — hochaggressive Chloridumgebungen, marine, saure Gase

Die Temperatur beeinflusst die Lochfraßanfälligkeit erheblich — die kritische Lochfraßtemperatur (CPT) ist die Temperatur, oberhalb derer Lochfraß in einer Standardprüflösung einsetzt. 316L zeigt Lochfraß leicht in warmem Meerwasser über ~25°C; 2205 ist bis ~50°C zuverlässig; 2507 und Legierungen mit höherem PREN erweitern dies auf 80°C und darüber.

Vorbeugung

• Eine dem Chloridgehalt und der Temperatur angemessene Legierung mit passendem PREN auswählen — nicht die billigste Legierung, die wie Edelstahl aussieht
• Die Mediumgeschwindigkeit über der kritischen Ablagerungsgeschwindigkeit halten, um Chloridkonzentration unter stagnierenden Ablagerungen zu verhindern
• Oberflächenkontamination während der Fertigung vermeiden — Eisenkontamination durch Kohlenstoffstahl-Werkzeuge initiiert Lochfraß in Edelstahl. Dedizierte Werkzeuge, Passivierung nach der Fertigung, und Freiheit von eingebetteten Eisenpartikeln sind Prozesskontrollanforderungen für die Edelstahlfertigung
• Den passiven Film erhalten — mechanische Beschädigung, Schweißverfärbung (Anlauffarben), und Spalten vermeiden, in denen der passive Film nicht erhalten werden kann

Spaltkorrosion

Der Mechanismus

Spaltkorrosion tritt in engen Räumen auf — der Spalt unter einer Dichtung, der Kontaktbereich zwischen zwei überlappenden Platten, der Raum unter einem Schraubenkopf, der Ringraum zwischen einem Rohr und Rohrboden —, wo Elektrolyt vorhanden ist, aber der Mediumaustausch mit der umgebenden Umgebung eingeschränkt ist. Der Mechanismus beinhaltet eine fortschreitende Sauerstoffverarmung im Spalt (der Sauerstoff wird durch die Korrosionsreaktion verbraucht und kann nicht aus dem stagnierenden Medium im Spalt aufgefüllt werden) und Anreicherung aggressiver Ionen (besonders Chloride, die in den Spalt wandern, um die elektrische Neutralität aufrechtzuerhalten, während Metallionen erzeugt werden). Das Ergebnis ist eine saure, sauerstoffarme, chloridangereicherte Umgebung innerhalb des Spalts — Bedingungen, die den passiven Film aufbrechen und intensiven lokalisierten Angriff an den Spaltwänden erzeugen.

Spaltkorrosion ist besonders heimtückisch, weil sie an Stellen auftritt, die im Betrieb nicht visuell inspizierbar sind. Bis sie entdeckt wird — meist während einer Wartungsabschaltung, wenn eine Dichtung entfernt oder eine Armatur demontiert wird — kann der Schaden bereits die Wand durchdrungen haben.

Kritischer Spaltabstand

Spaltkorrosion erfordert einen Spalt, der eng genug ist, um den Mediumaustausch einzuschränken (typischerweise <0,1–0,5mm bei den meisten Legierung-Elektrolyt-Kombinationen), aber breit genug, damit der Elektrolyt eindringen kann. Ein perfekt enger Metall-zu-Metall-Kontakt ohne Spalt ist kein Spalt. Ein sehr breiter Spalt mit freier Mediumzirkulation ist kein Spalt. Der gefährliche Bereich ist der enge Spalt, der stagnierenden Elektrolyten einfängt — genau die Geometrie, die durch eine Standard-Weichdichtung, eine Kehlnahtbefestigung, oder eine überlappende Verbindung erzeugt wird.

Vorbeugung

• Spalten konstruktiv eliminieren — Stumpfnähte statt Kehlnähte, vollständig durchgeschweißte Verbindungen an Rohr-Rohrboden-Verbindungen, bündig montierte Armaturen, Eliminierung von Totsträngen und stagnierenden Zonen
• Nichtmetallische Dichtungswerkstoffe verwenden, die sich eng an die Flanschfläche anpassen und den Spalt am Dichtungsinnendurchmesser eliminieren — spiralgewickelte Dichtungen mit Kompressionsstopps sind besser als flache Zuschnittdichtungen
• Wo Spalten nicht eliminiert werden können, sie abdichten — den Spalt zuschweißen, mit einem kompatiblen Dichtmittel füllen, oder ein Biozid im Medium aufrechterhalten, um biologisches Wachstum zu unterdrücken, das den Angriff sonst beschleunigen würde
• Legierungen mit höherem PREN in spaltanfälligen Geometrien verwenden — die kritische Spalttemperatur für eine gegebene Legierung ist immer niedriger als die kritische Lochfraßtemperatur derselben Legierung, sodass eine Legierung, die Lochfraß an offenen Oberflächen widersteht, bei derselben Temperatur dennoch Spaltangriff erleiden kann
• Das Überstreichen von Oberflächen mit Spalten vermeiden — ein Lackbruch an einem Spalt erzeugt eine kleine Anode in einer großen kathodischen lackierten Oberfläche, was den Angriff genau an der anfälligsten Geometrie konzentriert

Erosionskorrosion

Der Mechanismus

Erosionskorrosion ist die kombinierte und synergetische Wirkung von mechanischer Erosion (physischer Metallabtrag durch Mediumströmung, mitgerissene Partikel, oder Kavitation) und elektrochemischer Korrosion. Die beiden Mechanismen beschleunigen sich gegenseitig: Erosion entfernt das schützende Korrosionsprodukt oder den passiven Film von der Metalloberfläche und legt frisches Metall dem korrosiven Angriff aus. Korrosion greift dann die frisch freigelegte Oberfläche an und erzeugt eine erweichte oder gelochte Oberfläche, die anfälliger für den nächsten Erosionszyklus ist. Die kombinierte Angriffsrate ist typischerweise größer als die Summe der beiden individuellen Raten.

Wo sie auftritt

Erosionskorrosion konzentriert sich an Änderungen der Strömungsgeometrie, wo Geschwindigkeit, Turbulenz, oder Aufprall am höchsten sind:

• Die Außenseite von Bögen — besonders Bögen mit kleinem Radius —, wo das Medium auf die Außenwand auftrifft
• Stromabwärts von Blendenscheiben, Regelventilen, und Strömungsverengungen, wo die Turbulenz hoch ist
• Pumpenlaufräder, besonders bei Schlamm- oder partikelhaltigem Betrieb
• Wärmetauscher-Rohreinlässe — die ersten 100–150mm des Rohrs stromabwärts vom Einlassrohrboden
• T-Verbindungen, wo eine Abzweigströmung auf die Hauptleitung auftrifft

Geschwindigkeitslimits

Jede Werkstoff-Medium-Kombination hat eine kritische Geschwindigkeit, oberhalb derer Erosionskorrosion bedeutsam wird. Das Überschreiten dieser Geschwindigkeit erzeugt einen sich beschleunigenden Angriff, dem kein Korrosionszuschlag begegnen kann — die Rate ist nicht linear, und der Korrosionszuschlag wird weit schneller aufgebraucht, als die allgemeine Korrosionsrate vorhersagt. Indikative maximale Geschwindigkeitslimits für gängige Werkstoff-Medium-Kombinationen:

Schlämme und partikelhaltige Medien

Mitgerissene Feststoffpartikel senken die Schwellengeschwindigkeit für Erosionskorrosion dramatisch. Partikelhärte, -größe, -form, und -konzentration beeinflussen alle die Angriffsrate. Eckige Partikel (Quarz, Tonerde) sind schädlicher als abgerundete Partikel vergleichbarer Größe. Bei Schlammbetrieb sind Gummiauskleidung, Keramikbeschichtung, oder hochchromhaltiges weißes Gusseisen die Standardwerkstoffe; Edelstahl ist im Allgemeinen nicht hart genug, um Schlammerosion bei mäßigen Konzentrationen zu widerstehen.

Vorbeugung

• Die Geschwindigkeit unter dem kritischen Limit für die Werkstoff-Medium-Kombination halten
• Großradius-Bögen statt Kleinradius-Bögen verwenden — der Aufprallwinkel an der Außenseite ist geringer, und der Angriff verteilt sich über eine größere Fläche
• Einspeisungen und Abzweige so ausrichten, dass die einströmende Strömung nicht mit 90° auf die gegenüberliegende Wand der Hauptleitung auftrifft
• Ersetzbare Erosionsziele (Opfer-Inspektionsstücke oder Korrosionscoupons) an bekannten Hochangriffsstellen spezifizieren
• Härtere oder widerstandsfähigere Werkstoffe an Geometrieänderungen wählen — hartbeschichtete oder Stellite-Auflage-Garnituren in Ventilsitzen und -kegeln, hochchromhaltige weiße Gusseisenlaufräder in Schlammpumpen
• Mitgerissene Partikel eliminieren oder reduzieren — Filter stromaufwärts von Regelventilen und Pumpen, Entfernung von Sand und Schmutz aus Meerwassersystemen

Spannungsrisskorrosion — Der Bonus-Mechanismus

Kein Artikel über Korrosionsmechanismen ist vollständig, ohne Spannungsrisskorrosion (SCC) zu erwähnen, obwohl sie außerhalb der vier Hauptmechanismen liegt. SCC ist die kombinierte Wirkung eines anfälligen Werkstoffs, einer spezifischen korrosiven Umgebung, und Zugspannung — alle drei müssen gleichzeitig vorhanden sein. Entfernen Sie einen der drei, und SCC tritt nicht auf.

Die wichtigsten Kombinationen in der Verfahrenstechnik:

• Austenitischer Edelstahl + Chloride + Zugspannung — das klassische SCC-System. Edelstahlbehälter und Wärmetauschermäntel reißen in Gegenwart chloridhaltiger Medien (einschließlich feuchter Atmosphären mit Chloridkontamination) unter Eigen- oder angewandter Zugspannung. Temperatur über ~60°C beschleunigt den Angriff dramatisch. Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) oder Spannungsarmglühen reduziert Eigenspannung und reduziert die Anfälligkeit erheblich, kann sie jedoch nicht eliminieren, wo die angewandte Spannung hoch ist.
• Kohlenstoffstahl + Schwefelwasserstoff (H₂S) + Spannung — Sulfidspannungsrisskorrosion (SSC), geregelt durch NACE MR0175 / ISO 15156. Hochfeste Stähle sind am anfälligsten. Härtegrenzen (typischerweise ≤22 HRC für Grundwerkstoff, ≤35 HRC für Schweißgut) werden im Sauergasbetrieb auferlegt, um SSC zu verhindern.
• Kupferlegierungen + Ammoniak + Spannung — Spannungsrisskorrosion durch Ammoniak. Kupferlegierungsbauteile in ammoniakhaltigen Umgebungen unter Spannung reißen. Relevant in Kälteanlagen und Düngemittelbetrieben.

Zusammenfügen — Eine Konstruktions-Korrosionscheckliste

Für jede neue Konstruktion mit korrosivem Betrieb identifizieren die folgenden Fragen die bedeutendsten Risiken, bevor eine Linie gezeichnet wird:

1. Sind unterschiedliche Metalle elektrisch in Kontakt? Was ist der Elektrolyt? Wie ist das Flächenverhältnis? Können sie isoliert werden?
2. Enthält das Medium Chloride? Wie hoch ist die Temperatur? Welcher PREN-Wert ist für die Edelstahllegierungsauswahl erforderlich?
3. Wo befinden sich die Spalten? Dichtungen, Kehlnähte, Flanschverbindungen, Gewindearmaturen — kann einer davon durch Neukonstruktion eliminiert werden?
4. Wie hoch ist die Mediumgeschwindigkeit an Bögen, Reduzierstücken, Ventilausgängen, und Wärmetauscher-Rohreinlässen? Übersteigt sie die kritische Erosionskorrosionsgeschwindigkeit für den Werkstoff?
5. Gibt es Zugspannungen in einem anfälligen Werkstoff in einer spezifischen korrosiven Umgebung? Besteht ein SCC-Risiko?

Zusammenfassung

Galvanische Korrosion erfordert zwei unterschiedliche Metalle, einen Elektrolyten, und elektrischen Kontakt — eines davon entfernen, und sie stoppt. Lochkorrosion erfordert eine passive Legierung, Chloride, und stagnierende Bedingungen — einen angemessenen PREN-Wert für den Chloridgehalt und die Temperatur auswählen. Spaltkorrosion erfordert einen engen begrenzten Spalt mit stagnierendem Elektrolyten — den Spalt konstruktiv eliminieren. Erosionskorrosion erfordert übermäßige Geschwindigkeit oder Turbulenz an einer Geometrieänderung — unter der kritischen Geschwindigkeit bleiben und angemessene Geometrie verwenden. Keiner dieser Mechanismen ist unvorhersagbar. Alle sind in den meisten Fällen durch Konstruktionsentscheidungen vermeidbar, die vor Fertigungsbeginn getroffen werden, statt nach der Untersuchung des Ausfalls, der zugelassen wurde.