Worin besteht die Problematik?
Eine Werft entwickelt ein neues Service-Schiff mit einem Stahlrumpf und einer Aluminiumaufbauten, um die Struktur zu erleichtern. Die Verbindung zwischen diesen beiden Metallen erfolgt durch eine spezielle Schweißnaht. Das Konstruktionsbüro ist besorgt über das Risiko einer beschleunigten galvanischen Korrosion an der Verbindungsstelle, die ständig dem Meerwasser ausgesetzt sein wird.
Ein Ausfall an dieser kritischen Stelle könnte die strukturelle Integrität des Schiffes gefährden. Der Kunde beauftragte FILAB, dieses Problem durch eine Studie zur galvanischen Kopplung zu lösen.
Zur Bewertung dieses Risikos haben wir eine Studie zur galvanischen Kopplung gemäß der Norm ASTM G71 durchgeführt.
Untersuchung des Risikos galvanischer Korrosion
Ziel :
Das Hauptziel dieser Studie besteht darin, der Werft eine quantitative und prognostische Bewertung des Risikos der galvanischen Korrosion im Zusammenhang mit der Verbindung Stahlrumpf/Aluminiumaufbau zu liefern, um die strukturelle Integrität des neuen Service-Schiffes zu sichern und gleichzeitig hohe Wartungs- und Stillstandskosten nach der Konstruktion zu vermeiden.
Unser technischer Ansatz
Um dieses Risiko zu bewerten, haben wir gemäß der Norm ASTM G71 eine Untersuchung zur galvanischen Kopplung durchgeführt.
Schritt 1: Einrichtung der elektrochemischen Zelle
Im ersten Schritt wurde die Probe vorbereitet. Platten aus Stahl (als Darstellung des Rumpfs) und aus Aluminium (als Darstellung des Aufbaus) wurden in einer elektrochemischen Zelle montiert und elektrisch verbunden. Anschließend wurde die Zelle mit künstlichem Meerwasser gefüllt, um die Betriebsumgebung möglichst genau nachzubilden und die Korrosionsreaktion einzuleiten.
Schritt 2: Erste Messung und Überwachung
Anschließend erfolgte die Messphase. Der Kopplungsstrom und das Kopplungspotenzial wurden kontinuierlich gemessen. Der Kopplungsstrom ist der wichtigste Indikator für die Korrosionsgeschwindigkeit des weniger edlen Metalls, in diesem Fall Aluminium, und liefert eine direkte Aussage über die Schädigung des Materials.
Schritt 3: Beobachtung der Entwicklung des Systems
Abschließend wurde der Versuch über mehrere Tage fortgeführt. Diese verlängerte Dauer ermöglichte es, die Entwicklung des Systems im Zeitverlauf zu beobachten und insbesondere die mögliche Bildung von Schutzschichten (Passivierungsphänomen) zu erkennen und zu analysieren, die die Korrosionskinetik verändern könnten.
Der Nutzen dieser Analyse für den Kunden
Der Test bestätigte, dass sich Aluminium als Opferanode verhalten würde und sich bevorzugt korrodieren würde, um den Stahl zu schützen, wobei die Korrosionsgeschwindigkeit an der Verbindung zunächst sehr hoch war.
Diese Daten ermöglichten der Werft Folgendes:
• Ein erhebliches Korrosionsphänomen frühzeitig zu erkennen, noch vor dem Bau.
• Fundierte Konstruktionsentscheidungen zu treffen, indem ein exakt dimensioniertes kathodisches Schutzsystem (Opferanoden aus Zink) integriert wurde, um den Schweißnahtbereich zu schützen.
• Die Sicherheit und Langlebigkeit des Schiffes zu gewährleisten und extrem hohe Wartungskosten sowie das Risiko von Stillstandszeiten zu vermeiden.
Fazit der Studie
Die nach ASTM G71 durchgeführte Studie zum galvanischen Kontakt machte aus einer theoretischen Unsicherheit eine kritische quantitative Größe für die Schiffskonstruktion. Die kontinuierlichen Messungen des Kontaktstroms und des Kontaktpotenzials bestätigten eine starke elektrochemische Wechselwirkung zwischen dem Stahl des Rumpfs (kathodisch) und dem Aluminium der Aufbauten (anodisch) in Meerwasser.
Letztlich gewährleistet dieser präventive, durch angewandte Elektrochemie validierte Ansatz die Sicherheit und Langlebigkeit des Schiffes. Er ermöglichte der Werft nicht nur, ihre Konstruktion technisch zu validieren, sondern dem Betreiber des Schiffes auch eine Garantie für die strukturelle Zuverlässigkeit zu geben und erhebliche finanzielle und betriebliche Risiken zu vermeiden.
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Häufige Fragen
Warum wird die galvanische Kopplung einer Stahl-Aluminium-Konstruktion in maritimer Umgebung untersucht?
Zwei Metalle, die elektrisch miteinander verbunden und einem Elektrolyten ausgesetzt sind, können eine galvanische Wechselwirkung zeigen. Im untersuchten Fall sollte die Verbindung zwischen einem Stahlrumpf und einem Aluminiumaufbau dem Meerwasser ausgesetzt werden. FILAB untersuchte dieses Risiko vor dem Bau, um nützliche Daten für die Konstruktion der Verbindung bereitzustellen.
Wie hat FILAB das zu untersuchende Stahl-Aluminium-Paar nachgebildet?
Stahl- und Aluminiumplatten wurden in einer Zelle mit künstlichem Meerwasser elektrisch miteinander verbunden. Das vorgestellte Prüfverfahren basiert auf ASTM G71. Diese Konfiguration ermöglichte es, das Verhalten des Materialpaares in einem Medium zu verfolgen, das die maritime Exposition der untersuchten Verbindung repräsentieren sollte.
Welche Informationen liefern der Kopplungsstrom und das Kopplungspotenzial?
Die Überwachung von Strom und Potenzial ermöglicht es, die elektrochemische Wechselwirkung zwischen den beiden Metallen im Zeitverlauf zu untersuchen. In dieser Studie wiesen die Messungen auf ein anodisches Verhalten des Aluminiums und ein kathodisches Verhalten des Stahls hin. Dadurch wurde das Risiko einer bevorzugten Auflösung des Aluminiums in der Versuchsanordnung dokumentiert.
Warum wird ein galvanischer Kopplungsversuch über mehrere Tage verfolgt?
Das Verhalten des Systems kann sich während der Exposition verändern, insbesondere wenn sich Oberflächenschichten bilden und die Reaktionskinetik beeinflussen. FILAB führte den Versuch mehrere Tage lang durch, um diese Entwicklung zu verfolgen. Diese zeitabhängige Beobachtung ergänzt die ersten Messungen und erleichtert die Interpretation des Verhaltens des Metallpaares im gewählten Medium.
Welche Schutzmaßnahme wurde nach der Untersuchung des Schiffbaus gewählt?
Die Ergebnisse führten dazu, dass die Werft für den betreffenden Bereich einen kathodischen Schutz mit Zinkopferanoden integrierte. Die Untersuchung lieferte Daten, die bei der Auslegung dieser Lösung berücksichtigt wurden. Die Wirksamkeit und Dimensionierung eines Schutzsystems müssen für den vorgesehenen Zusammenbau und die entsprechenden Betriebsbedingungen bewertet werden.