Kathodischer Korrosionsschutz

Magnesium-SchutzanodenMagnesium-SchutzanodenMagnesium-Schutzanoden      FremdstromanodeFremdstromanodeFremdstromanode

Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik
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Die Zerstörung von Metallen durch die Anwesenheit von Wasser ist ein elektrochemischer Vorgang. Hierbei wirkt das Wasser als Elektrolyt und es entsteht eine galvanische Elementbildung. Bei diesem Korrosionsvorgang tritt ein Metallatom unter Zurücklassung einer oder mehrerer Elektronen aus dem festen Metallgitter als positives Ion in die Flüssigkeit. Die zurückgelassenen Elektronen wandern auf der metallischen Oberfläche zur Kathode und werden dort durch verschiedene Kathodenreaktionen verbraucht. Die Stellen an welchem der Korrosionsablauf stattfindet werden Elektroden genannt. Die Elektrode an welcher die Metallatome das Gefüge verlassen wird Anode genannt. Die Elektrode an welcher die Elektronen verbraucht werden wird Kathode genannt.

Da metallische Oberflächen nicht homogen sind, bilden sich auch bei reinem Metall unterschiedliche Bereiche mit verschiedenen Reaktionsfähigkeiten. Außerdem entstehen durch Deckschichtbildung heterogene Zonen und in Legierungen unterschiedliche Gefüge. Besonders schädlich sind unterschiedliche Metalle (Eisen und Messing, Chromstahl und Kupfer), die in leitender Verbindung stehen.

Das Wasser als Elektrolyt schließt den Stromkreis. Erst dadurch kann eine Korrosion stattfinden und es entstehen verschiedene Lokalelemente.

Bei emaillierten Trinkwassererwärmern ist die Beschichtung nie ganz ohne Fehlstellen und Materialporen und deswegen ist immer ein zusätzlicher kathodischer Schutz eingebaut. Auch kunststoffbeschichtete Speicher sind gefährdet, da die Beschichtung kleine Risse durch den Transport, die Wärmeausdehnung, kleine Fabrikationsfehler aufweisen kann. Diese Speicher sind jedoch nicht immer mit einem kathodischen Korrosionsschutz ausgerüstet. Auch Pufferspeicher in Heizungssystemen brauchen einen kathodischen Schutz, weil sie in der Regel keine Beschichtung haben. Wenn das Heizungswasser richtig behandelt wurde, kann auf ein Korrosionsschutz verzichtet werden.

Eigentlich benötigen Speicher aus nichtrostendem Stahl (Edelstahl) keinen zusätzlichen kathodischen Korrosionsschutz. Da sich durch das Zulegieren von Chrom (Chromgehalt ab 12 %) an der Oberfläche mit dem Sauerstoff des Wassers eine durchgehende Chromoxidschicht (Passivschicht) bildet, die Korrosion verhindert bzw. sich bei mechnischen Beschädigungen neu bildet.. Aber einige Hersteller empfehlen trotzdem einen zusätzlichen Kathodenschutz (Magnesium- oder Fremdstromanode), weil durch eine Oberflächenverunreinigung mit Fremdpartikeln (z. B. Stahlteilchen in Häusern mit einer verzinkten Trinkwasserinstallation) eine Passivschichtbildung behindert oder nicht stattfindet.

Innenschutz durch Kathodenschutz
Bei dem Korrosionsschutz von Speichern wird der elektrochemische Vorgang inform des kathodischen Korrosionsschutzes genutzt. Hierbei fließt der Korrosionsstrom von der Anode an die Kathode. Dabei wird die Kathode nicht abgebaut, denn an ihr treten nur die Elektronen aus, die mit den H+Ionen des Wassers reagieren. Die Anode löst sich auf.
Auch die anodische Oberfläche des zu schützenden Metalls gibt Elektronen ab. Die anodischen Bereiche werden auch zur Kathode. Dies ist möglich, weil man in das zu schützende Objekt eine Überzahl an Elektronen abgibt, damit auf der gesamten Oberfläche eine Elektronen-Abgabe stattfindet.
Man unterscheidet zwei Schutzverfahren:
  • Galvanischen Anoden. Diese Magnesium-Schutzanoden (-Opferanoden) besitzen eine grosse Differenz in der elektrochemischen Spannungsreihe bezogen auf das Schutzobjekt (z. B. Bei Stahl <> Magnesium 2,31 Volt). Die Wassererwärmer werden in Verbindung mit der eingesetzten Anode nach DIN 4753 Teil 6 (und DIN EN 12828) auf die Wirksamkeit überprüft und zertifiziert. Deshalb dürfen beim Auswechseln immer nur die gleichen Anoden eingesetzt werden. Galvanische Anoden sind löslich und werden aufgebraucht. Man muss sie regelmäßig kontrollieren und evtl. reinigen oder wechseln.
  • Fremdstromanoden. Hier werden hauptsächlich unlösliche Titan-Mischoxyd-Anoden eingesetzt, die isoliert in den Behälter eingebaut werden. Ein Potentiostat versorgt die Anode mit Fremdstrom. Unlösliche Fremdstromanoden sind grundsätzlich wartungsfrei.
Magnesium-Schutzanode


Opferanoden



Anodentester AT1
Quelle: Afriso Euro-Index GmbH

Total verbrauchte Anode

Magnesium-Schutzanoden schützen Trinkwassererwärmer vor häufig unerkannten Korrosionsschäden. Sie kommen in emaillierten Speichern oder in Trinkwassererwärmern, die mit anderen passiven Schutzschichten geschützt werden, zum Einsatz. An Fehlstellen in der Emaillierung oder sonstigen passiven Schutzschichten (z. B. Rohrstutzen, Gewindeanschlüsse) entsteht mit der Korrosionserscheinung ein Stromfluss, der von dem Anodenmaterial in einen Schutzstrom umgewandelt wird. Das Anodenmaterial wird somit ein Opfer des elektrochemischen Abtrags. Die Schutzwirkung des Anodenstabes ist zeitlich nicht unbegrenzt und sollte deswegen regelmäßig getestet und mit einem Anodentester kann der Zeitpunkt des Austauschs der verbrauchten Anode festgestellt werden.
Auch Pufferspeicher können mit einer Magnesium-Schutzanode oder eine Fremdstromanode vor Korrosion geschützt werden.

Opferanode Ø 22, 26 oder 33 mm nach DIN EN 12828 aus Magnesiumlegierung.
Flexible Opferanode Ø 22 mm (Kettenanode)  nach DIN EN 12828 aus Magnesiumlegierung. Diese Anode wird eingesetzt, wenn eine starre Anode aus Platzgründen nicht montiert werden kann.
Die Anode I Ø 22, 26, 33 mm nach DIN EN 12828 aus Magnesiumlegierung mit  Isolierstück und Massekabel ist für den isolierten Einbau zu verwenden.

Wer opfert sich freiwillig? - Opferanoden

Anodentester
Das Testgerät AT1 wird zur Verbrauchskontrolle von Anoden mit Massekabel (Anode I), herkömmlichen Opferanoden und Kettenanode, die isoliert eingebaut sind, eingesetzt.
Mit dem Handmessgerät mit 4-stufiger LED-Anzeige ist eine einfache und schnelle Anzeige des aktuellen Verbrauchszustandes der Anode möglich. Dadurch eine vorausschauende Wartung wird die Funktionssicherheit des Trinkwassererwärmers gewährleistet und die verbrauchte Anode kann zum richtigen Zeitpunkt ausgetauscht werden.

Die Lebensdauer der Magnesium-Schutzanode beträgt ca. fünf Jahre (aber auch erheblich länger). Sie sollte jedoch möglichst einmal im Jahr überprüft werden. Der Zustand der Magnesium-Schutzanode kann bei eingebauter Anode durch das Messen des Schutzstromes bestimmt werden. Dabei wird z. B. das Erdungskabel am Speicher gelöst und der Schutzstrom kann auch mit einem Anodentester bzw. Amperemeter gemessen. Bei einem Schutzstrom von weniger als 0,3 mA muss die Anode herausgenommen und auf Abtragung überprüft werden.

Betriebsanleitung - Anodentester AT1

 

Quelle: Afriso Euro-Index GmbH
Mit einer Signalanode kann über einen Signalgeber außerhalb des Speichers der  erforderliche Austausch der Anode gemeldet werden. Die Anoden kommen in emaillierte Speichern oder in Speichern mit passiven Schutzschichten von 100 bis 500 Litern zum Einsatz.
Nach dem Abtrag des Anodenmaterials dringt Wasser in einen Testraum, der Signalgeber verfärbt sich rot und meldet, dass die Anode verbraucht ist. Bei herkömmlichen Anoden muss zur Anodenkontrolle der Speicher geöffnet werden.
 
Aufbau einer Signalanode
Quelle: Afriso Euro-Index GmbH

Die Lebensdauer der Magnesium-Schutzanode (1) beträgt ca. fünf Jahre. Sie sollte jedoch möglichst einmal im Jahr überprüft werden.
Der Zustand der Magnesium-Schutzanode kann bei eingebauter Anode durch das Messen des Schutzstromes bestimmt werden:
Erdungskabel (2) am Speicher lösen und den Schutzstrom mit einem Amperemeter (3) messen. Bei einem Schutzstrom von weniger als 0,3 mA muss die Anode herausgenommen und auf Abtragung überprüft werden.
Wartung – Magnesium-Schutzanode (-Opferanode)
Zum Schutz von emaillierten- und kunststoffbeschichteten Wassererwärmern und Speichern hat sich der Einsatz von Magnesium-Anoden (MA) als sehr wirkungsvoll erwiesen. Durch die grosse elektrische Spannungsdifferenz zum Eisen (2,31 V) braucht die MA keine zusätzliche Spannungsquelle. Ein Nachteil der MA liegt in der unkontrollierten Abbaurate, dem Risiko einer Oxydschicht-Bildung auf der Anode, sowie dem grösseren Aufwand für Service und Kontrolle. Eine Magnesiumanode wird oft auch als Schutzanode, Opferanode, Protanod oder galvanische Anode bezeichnet.
Eine regelmäßige Wartung sollte immer durchgeführt werden, damit es nicht so aussieht.

Das obige Bild zeigt, wie sich eine Opferanode in einem Trinkwassererwärmer mit der Zeit abbaut. Rechts eine ungebrauchte Opferanode. In der Mitte eine Anode die schon einige Zeit in Betrieb gewesen ist, jedoch noch ca. zu 60% besteht. Links eine Anode die ihren Dienst erfüllt hat und vollständig aufgelöst ist (und der Speicher ist sicherlich schon durch Korrosion angegriffen)
Wie funktioniert eine Anode?
Um die Funktionsweise einer Anode zu verstehen, muss zunächst das galvanische Element erklärt werden. Bei dem galvanischen Element handelt es sich um zwei Metalle (Kathode, Anode) die durch eine elektrisch leitende Flüssigkeit (Elektrolyt) verbunden sind.
In einem Elektrolyt löst sich das Metall mit der geringeren Spannung (Anode) auf. Die sich auflösenden Metallteilchen wandern dabei über das Elektrolyt zum Metall mit der höheren Spannung (Kathode). Die Größe der Spannung ist in der elektrochemischen Spannungsreihe festgelegt. In Ihr steht Gold mit +1.50 V weit oben, Magnesium mit -2,35 V weit unten. Wasserstoff verhält sich mit +-0V neutral.
In einem emailierten Speicher bilden die an der beschädigten Speicherwand an dem freiliegendem Metall und an den Gewindeanschlüssen die Kathode und der Magnesiumstab ist die Anode. Das Trinkwasser bildet das Elektrolyt. Die sich an der Magnesiumanode lösenden Teilchen wandern über das Elektrolyt zu den beschädigten Stellen in der Emailierung und den Gewindestutzen, da dort der ungeschützte Stahl die Kathode bildet. Dabei baut sich die Anode ab (sie opfert sich), deswegen nennt man die Magnesiumanode auch "Opferanode".
Autor: Thomas Schreiber
Fremdstromanoden

Als Fremdstromanoden werden hauptsächlich unlösliche Titan-Mischoxyd-Anoden eingesetzt, die isoliert in den Behälter eingebaut werden. Ein Potentiostat versorgt die Anode mit Fremdstrom.
Wasserbehältern aus Stahl können auch zur Verhütung von Korrosion durch Fremdstromanoden geschützt werden. Diese Methode bedarf im Gegensatz zu Magnesium-Schutzanoden (Opferanoden) keine regelmäßige Kontrolle und müssen nicht ausgetauscht werden, da sie nur in sehr wenig verbraucht werden. Das Anodenmaterial wird hierbei im Gegensatz zur Verzehranode (Opferanode) nicht verbraucht. Die Betriebskosten sind bei einer Leistungsaufnahme von 2 - 4 W zu vernachlässigen (jährliche Stromkosten ca. 5 €).
Auch Edelstahlbehälter brauchen Schutz, denn selbst der sicherste Edelstahlbehälter kann unter ungünstigen Umständen anfällig für Korrosion werden. So gibt es z. B. hohe Chloridbelastungen (>150 mg/l) außergewöhnliche Betriebsbedingungen, die auch dem Behälter aus nicht rostendem Stahl gefährlich werden können. Ebenso führt eine nicht fachgerechte Verarbeitung (Schweißnähte sind Angriffsflächen für Korrosion) zur Aufhebung der Schutzfunktion. Hier werden sicherheitshalber Fremdstromanoden eingesetzt.

Quelle: Correx®

Ein Netzteil versorgt die Fremdstromanlagen mit Gleichspannung. Dabei werden der negative Pol der Stromquelle mit dem zu schützenden Metall, und der positive Pol mit der Fremdstromanode verbunden. Am Transformator des Netzteils wird die Spannung zwischen Fremdstromanode und Schutzobjekt eingestellt. So entsteht der Schutzstrom. Ein geringer spezifischer Metallabtrag ist notwendig, um eine möglichst lange Lebensdauer der Anoden zu erhalten.

Fremdstromanoden brauchen im Gegensatz zu Opferanoden kein negatives Potenzial gegenüber dem Grundwerkstoff zu besitzen. Durch den kathodischen Schutzstrom wird das Potential an der Grenzfläche in negativer Richtung verschoben.

CORREX® Fremdstromanode - Diagnosehilfe


Einbau einer Fremdstromanode
Quelle: Wolf GmbH


Die Abbildungen zeigen Folgen, wenn die Schutzanode schon aufgebraucht bzw. die Fremdstromanode nicht eingeschaltet war.
Hier kam es zu einem "Leitungsinfakt"  in einer Trinkwasser-Zirkulationsleitung

Warmwasseranschluss an einem emailliertem TW-Speicher
Hier hätte man sich besser erst einmal die Schutzanode ansehen sollen

Die Errichtung einer Trinkwasserinstallation und wesentliche Veränderungen an diesen dürfen nur von Installationsbetrieben durchgeführt werden, die in das Installateurverzeichnis eines Wasserversorgungsunternehmen (WVU) eingetragen sind.
Hinweis! Schutzrechtsverletzung: Falls Sie meinen, dass von meiner Website aus Ihre Schutzrechte verletzt werden, bitte ich Sie, zur Vermeidung eines unnötigen Rechtsstreites, mich umgehend bereits im Vorfeld zu kontaktieren, damit zügig Abhilfe geschaffen werden kann. Bitte nehmen Sie zur Kenntnis: Das zeitaufwändigere Einschalten eines Anwaltes zur Erstellung einer für den Diensteanbieter kostenpflichtigen Abmahnung entspricht nicht dessen wirklichen oder mutmaßlichen Willen. Die Kostennote einer anwaltlichen Abmahnung ohne vorhergehende Kontaktaufnahme mit mir wird daher im Sinne der Schadensminderungspflicht als unbegründet zurückgewiesen.
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