Korrosionsschutz bekennt Farbe

Schnelltest auf Korrosionsgefahr bei nicht rostenden Stählen

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08.11.2017 Der raue Produktionsalltag in Chemieanlagen gefährdet auch Rohrsysteme und Behälter aus nicht rostendem Stahl: Die schützende Passivschicht auf dem am häufigsten verwendeten beständigen Werkstoff, dem nicht rostenden austenitischen Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl, ist nur wenige Atomlagen dick. Essenziell dafür ist das Legierungselement Chrom: Ab einem Legierungsgehalt von etwa 10,5 % bildet es auf der Stahloberfläche eine dichte Chromoxidschicht, die den Werkstoff vor Materialauflösung schützt. Diese Passivschicht ist empfindlich und nicht sichtbar.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Eine hauchdünne Passivschicht schützt nicht rostenden Stahl vor Korrosion. Fehlstellen in dieser Schicht sind praktisch unmöglich mit bloßem Auge zu erkennen.
  • Ein einfach anzuwendender Schnelltest zeigt mögliche Korrosionsgefahr innerhalb von 15 min an. Das Verfahren ermöglicht das Überprüfen von Rohmaterial und bereits verbauten Anlagenteilen.
  • Im Vergleich mit etablierten Testverfahren ist der Test zuverlässig sowie schneller und einfacher in der Anwendung. Fachkenntnisse sind nicht notwendig.

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Bild: kevron2001 – Fotolia

Im laufenden Betrieb ist der durch die Passivierung erreichte Korrosionsschutz von entscheidender Bedeutung: Er sorgt für die notwendige Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der Produktionsanlage. Denn die Oberflächen nicht rostender Stähle werden tagtäglich extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt: Rohrsysteme und Behälter haben direkten Kontakt mit Säuren, korrosiven Gasen und anderen aggressiven Medien.

Unsichtbare Fehlstellen

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Korrosionsanzeigen und Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit der Oberflächen (%-Angaben: Anteil der Prüffläche mit Farbumschlag). Bild: BAM

Korrosionsgefahr droht, wenn die Passivschicht noch nicht vollständig ausgebildet ist. Jedoch auch, wenn die Werkstoffoberfläche Imperfektionen enthält, die einer Passivierung entgegenwirken. Auch im Neuzustand können Schäden entstehen, etwa durch Schleifvorgänge oder unvollständig entfernte Anlauffarben nach dem Schweißen. Bei Beschädigung kann sich die Chromoxidschicht bei Zutritt von Sauerstoff und Feuchtigkeit neu ausbilden. Dauerhafter Schutz ist aber nur dann sichergestellt, wenn die Bedingungen für eine Repassivierung erfüllt sind. Wichtige Parameter sind dabei eine ausreichende Sauerstoffkonzentration, Feuchtigkeit sowie saubere Oberflächen.

Weist die Passivschicht Fehlstellen auf, können besonders schnell Schadensereignisse durch Materialauflösung eintreten. Dann ist es auch nicht mehr weit bis zur Lochkorrosion. Daher ist es besonders wichtig, von Anfang an für Klarheit bei der Korrosionsbeständigkeit zu sorgen. Dies geht aber nur, wenn Fehlstellen in der Passivierung sichtbar werden. Mit bloßem Auge sind solche Fehlstellen allerdings nicht zu erkennen. Die Werkstoffoberflächen sehen anfangs nahezu immer optisch blank aus. Dies ist also kein Kriterium für die sichere Werkstoffauswahl von Komponenten, welche für den Einsatz im Anlagenbau vorgesehen sind.

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Korrosionsanzeige an einem längsnahtgeschweißen Rohr im Neuzustand. Bild: TÜV Süd

Berliner Blau zeigt Korrosionsgefahr

Routinemäßig setzt TÜV Süd Chemie Service für die sichere Werkstoffauswahl elektrochemische Messmethoden ein. So wird beispielsweise das Lochkorrosionspotenzial durch Aufnahme von Stromdichte-Potenzialkurven ermittelt. Dies geschieht in Labormesszellen, aber auch an lokalen Stellen von Bauteilen. Elektrochemische Messungen und auch Salzsprühnebeltests sind verlässliche und bewährte Methoden zur Charakterisierung der Korrosionsbeständigkeit der Passivschicht.

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Die Passivschicht auf nicht rostendem Stahl schützt Rohrsysteme und Behälter vor Korrosion – Schäden daran sind allerdings schwer zu erkennen. Bild: TÜV Süd

Von Nachteil ist, dass beide Verfahren zeitaufwendig und kostenintensiv sind. Ein von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelter Korrosionsschnelltest soll hier Abhilfe schaffen. Ziel war es, dem Anwender eine einfache Vor-Ort-Methode zur Verfügung zu stellen. Die sogenannten Korropads liefern in nur 15 min eine valide Aussage zum Zustand der Passivschicht auf Werkstoffoberflächen. TÜV Süd Chemie Service und BAM arbeiteten zusammen, um die Methode zu bewerten und mit den bisher üblichen Verfahren zu vergleichen.

Das schnelle Prüfverfahren macht sich zunutze, dass bei einer unvollständigen oder beschädigten Passivschicht zweiwertige Eisenionen aus den Fehlstellen heraustreten und in Lösung gehen. Die gelartigen Pads enthalten Wasser mit geringen Mengen an Natriumchlorid und einen Indikator für Eisenionen. Der in wässriger Lösung gelblich-transparente Indikator Kaliumhexacyanoferrat(III) zeigt bei Kontakt mit den Eisenionen einen spontanen Farbumschlag zu „Berliner Blau“. Gut sichtbare blaue Punkte erscheinen in den hellgelben Pads als Anzeigen. An diesen Stellen ist die schützende Passivschicht auf der Stahloberfläche nicht vorhanden bzw. konnte sich nicht ausbilden.

Die Prüfmethode mit den Pads ist zerstörungsfrei und vor allem einfach und schnell anzuwenden. Sie ermöglicht es, die Oberflächen von Rohrsystemen und Behältern bereits vor dem Einbau in eine Chemieanlage auf ihre Korrosionsbeständigkeit hin zu testen. Ein weiterer Vorteil: Vorkenntnisse auf dem Gebiet der Korrosion oder der Elektrochemie sind nicht nötig.

Schnelltest im Praxisvergleich

Pro Prüfung kommen drei Pads zum Einsatz, die der Anwender auf die Stahloberflächen legt und andrückt. Die zu prüfende Oberfläche sollte zuvor mit Aceton oder Alkohol gereinigt werden. Bereits nach 15 min lassen sich die Pads mit einem Kunststoffspatel ablösen und auf eine Kunststoffträgerfolie legen. Zur Auswertung und Dokumentation empfiehlt es sich, das Prüfergebnis einzuscannen oder zu fotografieren. Bei entdeckter Korrosionsgefahr beraten die Werkstoff-Experten zusammen mit dem Anlagenbetreiber die notwendigen Schritte. Zentrale Punkte sind dabei immer die Anlagensicherheit und der Schutz der Produktionsmitarbeiter.

Der Schnelltest wirkt vorrangig oberflächenspezifisch. Er eignet sich für alle relevanten nicht rostenden Stahlsorten. Bei umfangreichen Praxistests an austenitischen Chrom-Nickel-Molybdän-Stählen zeigten sich bei Prüfungen an Anlauffarben nach dem Schweißen Anzeigen im Indikator-Pad. Auch elektrochemisches Reinigen / Polieren mit dafür vorgesehenen Apparaten oder mechanische Bearbeitung, wie beim Bürsten der Schweißnähte, hatten teilweise noch Anzeigen zur Folge. Offensichtlich waren in diesen Fällen die Anlauffarben zuvor nicht in ausreichendem Maße beseitigt worden. Als Folge konnte sich daher die Passivschicht nicht vollständig neu bilden.

Zu Vergleichszwecken durchgeführte lokale elektrochemische Messungen zeigten an den mit dem Schnelltest identifizierten Stellen ein niedrigeres Lochkorrosionspotenzial. Hier ist daher von einer erhöhten Korrosionsgefahr auszugehen.

Auf der sicheren Seite

Ein weiterer Vorteil des Schnelltests ist der geführte Nachweis, ob die Passivschicht nach Schleif-, Beiz- oder sonstigen Reinigungsschritten gut ausgebildet und damit auch nicht mit Problemen beim Betrieb zu rechnen ist. Des Weiteren eignet sich das Verfahren für die Qualitätssicherung: Fehlstellen auf der Außenseite längsnahtgeschweißter Rohre sind klar nachzuweisen. Die Oberfläche von Stählen lässt sich sowohl im Lieferzustand als auch nach der Verarbeitung auf Korrosionsgefahr prüfen. Handwerksbetriebe sind so in der Lage, kostenintensive Gewährleistungsansprüche abzuwehren. Schließlich sind die nicht rostenden Stähle häufig Ausgangsmaterial für die Herstellung von Behältern für Gefahrgüter oder komplex aufgebauten Produktionsanlagen. So dient die Anwendung des Korrosionsgefahr-Schnelltests auch der Anlagensicherheit.

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Heftausgabe: November 2017

Über den Autor

Dr. Helga Leonhard, Prüfingenieurin Materials Eng. & Testing, TÜV Süd Chemie Service, und Jens Lehmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
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