Alles über die verschiedenen Arten von Korrosion in Rohrleitungen

Korrosion von Stahlpipelines

Dieser Artikel erklärt, was Korrosion ist, beschreibt die zehn Arten, die Stahlpipelines betreffen, und wie man sie erkennt, und zeigt, wie Pipelinekorrosion beherrscht und repariert wird.

Die Korrosion von Stahlpipelines ist ein häufiger Prozess, der sich kaum vollständig aufhalten lässt. Um Pipelines in gutem Zustand zu halten, muss Korrosion rechtzeitig erkannt und entfernt werden. Ist die Korrosion zu weit fortgeschritten, muss unter Umständen ein Abschnitt oder sogar die gesamte Pipeline ersetzt werden – eine aufwendige und teure Aufgabe. Über alle Branchen hinweg schätzte NACE International die weltweiten Korrosionskosten auf 2,5 Billionen US-Dollar, etwa 3,4 % des globalen BIP (2013), und dieselbe Studie schätzte, dass sich 15–35 % dieser Kosten mit verfügbaren Korrosionsschutzmaßnahmen einsparen ließen.

In Pipelines gibt es verschiedene Korrosionsarten. Jede hat ihre eigenen Merkmale und Bekämpfungsmöglichkeiten. Doch was genau ist Korrosion? Wie entsteht Korrosion in Pipelines? Und welche Arten lassen sich unterscheiden?

Was ist Korrosion?

Korrosion ist die Schädigung eines Metalls durch eine elektrochemische Reaktion mit seiner Umgebung. Sie erfordert eine Anode, an der sich das Metall auflöst, eine Kathode und einen Elektrolyten wie Wasser oder feuchten Boden, der beide verbindet. Korrosion wird oft mit Rost verwechselt. Korrosion ist jedoch ein weiter gefasster Begriff als Rost. Rost ist speziell das Eisenoxid, das entsteht, wenn Eisen oder Stahl in Gegenwart von Feuchtigkeit mit Sauerstoff reagiert; es ist die bekannte braune Schicht auf der Metalloberfläche. Korrosion umfasst jede Form dieser Schädigung, an jedem Metall und unabhängig von der Ursache. Eine breitere Einführung finden Sie unter Was ist Korrosion: Arten, Ursachen und Vorbeugung und Rost vs. Korrosion.

Korrosion in Pipelines tritt in verschiedenen Formen auf. Welche sind die häufigsten, und was kennzeichnet sie?

Die Korrosionsarten in Pipelines

Sauerstoffkorrosion

Sauerstoffkorrosion ist der Prozess, bei dem Rost entsteht. Sie ist die häufigste und sichtbarste Korrosionsart in Stahlpipelines. Sie wird durch die Reaktion von Stahl mit Sauerstoff und Wasser oder einer anderen Form von Feuchtigkeit verursacht. Die entstehende Eisenoxidschicht, der bekannte braune Rost, ist porös und schützt das Metall nicht: Sauerstoff und Wasser gelangen weiterhin an den darunterliegenden Stahl, sodass dieser langsam, aber stetig korrodiert. Edelstahl und Aluminium verhalten sich anders, weil sie einen dünnen, dichten und haftfesten Oxidfilm (eine Passivschicht) bilden, der das darunterliegende Metall schützt. Deshalb werden sie in manchen Anwendungen eingesetzt, in denen Sauerstoffkorrosion vermieden werden muss.

Gleichmäßige Flächenkorrosion

Gleichmäßige Flächenkorrosion ist eng mit der Sauerstoffkorrosion verwandt und entsteht ebenfalls durch die Reaktion von Stahl mit Feuchtigkeit und Sauerstoff. Wie der Name sagt, ist sie durch eine gleichmäßige Verteilung der Korrosion über die gesamte Stahloberfläche gekennzeichnet. Gleichmäßige Flächenkorrosion gilt allgemein als die am wenigsten gefährliche Form. Durch Messungen oder aus Erfahrung lassen sich Geschwindigkeit und Ausmaß der Korrosion oft gut vorhersagen, sodass der Wanddickenverlust über einen Korrosionszuschlag und Inspektionsintervalle eingeplant werden kann.

Säurekorrosion

Bei der Säurekorrosion reagiert eine Säure mit dem Metall zu einem Metallsalz und Wasserstoffgas. Eine Säure ist eine Lösung mit einem pH-Wert unter 7; je niedriger der pH-Wert, desto aggressiver ist sie. Ob ein Metall angegriffen wird, hängt von seinem Elektrodenpotenzial ab: Metalle, deren Standardpotenzial unter dem des Wasserstoffs liegt – dazu gehören Eisen und damit Kohlenstoffstahl –, lösen sich in Säuren unter Freisetzung von Wasserstoff auf. In Pipelines entstehen saure Bedingungen zum Beispiel durch gelöstes Kohlendioxid (Sweet Corrosion) oder Schwefelwasserstoff (Sour Corrosion) in Förderfluiden.

Galvanische Korrosion

Elektrodenpotenziale, die bei der Säurekorrosion erwähnt wurden, spielen auch bei der galvanischen Korrosion eine große Rolle. Diese Korrosionsart kann auftreten, wenn zwei unterschiedliche Metalle elektrisch miteinander in Kontakt stehen und über Wasser, feuchten Boden oder einen anderen Elektrolyten verbunden sind. Das unedlere Metall, also das mit dem negativeren Potenzial, wird zur Anode und korrodiert schneller, während das edlere Metall geschützt wird. Eine kleine Anode, die mit einer großen Kathode verbunden ist, korrodiert besonders schnell. Dasselbe Prinzip wird bei Zinkstaubgrundierungen und Opferanoden gezielt genutzt; siehe galvanische Korrosion und Zinkstaubgrundierungen.

Spannungsrisskorrosion

Anders als Sauerstoffkorrosion ist Spannungsrisskorrosion (SCC) sehr schwer vorherzusagen und wird oft erst spät erkannt. SCC tritt auf, wenn drei Bedingungen gleichzeitig vorliegen: eine Zugspannung oberhalb eines Schwellenwerts, oft mit zyklischem Anteil (aus Betriebsdruck, Beulen oder Eigenspannungen an Schweißnähten); ein anfälliger Werkstoff; und ein stark rissauslösendes Medium. Bei erdverlegten Stahlpipelines sind zwei Formen bekannt: High-pH-SCC in konzentrierten Carbonat-Bicarbonat-Lösungen, häufiger bei höheren Temperaturen in der Nähe von Verdichter- oder Pumpstationen, und Near-neutral-pH-SCC in verdünntem Grundwasser mit gelöstem Kohlendioxid. Beide entstehen dort, wo sich die Beschichtung abgelöst hat; unter einer intakten Beschichtung tritt SCC nicht auf. Bei nichtrostenden Stählen ist chloridinduzierte Spannungsrisskorrosion bei erhöhten Temperaturen die bekannteste Form. Deshalb kann Edelstahl, obwohl er gegen Sauerstoff- und Flächenkorrosion beständig ist, anfälliger für SCC sein. Mehr dazu unter Spannungsrisskorrosion: Vorbeugung und Beschichtungen.

Streustromkorrosion

Streustromkorrosion ist mit der galvanischen Korrosion verwandt. Streuströme sind elektrische Ströme, die auf unbeabsichtigten Wegen durch das Erdreich fließen, zum Beispiel aus Gleichstrom-Bahnsystemen oder aus dem kathodischen Schutzsystem eines benachbarten Bauwerks. Wo ein solcher Strom in eine Pipeline eintritt, ist der Stahl geschützt; wo er die Pipeline verlässt, um durch das Erdreich zurückzufließen, wirkt der Stahl als Anode und korrodiert, mitunter sehr schnell. Der Unterschied zur galvanischen Korrosion besteht darin, dass die treibende Kraft kein zweites Metall, sondern eine externe Stromquelle ist.

Lochfraßkorrosion

Lochfraß ist ein örtlicher Angriff, der dort beginnt, wo ein schützender Oxidfilm oder eine Beschichtung örtlich beschädigt ist oder versagt, häufig begünstigt durch Chloridionen. Die kleine freiliegende Fläche wirkt als Anode gegenüber der großen umgebenden Kathode, sodass sich die Korrosion dort konzentriert und kleine, tiefe Löcher im Stahl bildet. Diese sind auf den ersten Blick oft kaum sichtbar, können die Rohrwand aber viel schneller durchdringen als Flächenkorrosion. Siehe Lochfraßkorrosion und Oberflächenvorbereitung.

Spaltkorrosion

Spaltkorrosion ähnelt dem Lochfraß, tritt aber in engen, abgeschirmten Spalten auf: unter Dichtungen, Flanschen und Schellen, unter Ablagerungen oder unter abgelöster Beschichtung. Im Spalt verarmt der Sauerstoff, und die eingeschlossene Flüssigkeit wird saurer und chloridreicher als die Umgebung, sodass das Metall im Spalt zur Anode wird. Wie beim Lochfraß beschleunigt sich der Angriff tendenziell, sobald er begonnen hat, und der Spalt vertieft sich.

Interkristalline Korrosion

Interkristalline Korrosion ist eine der heimtückischsten Korrosionsformen. Sie greift die Grenzen zwischen den Metallkörnern an und nicht die Körner selbst, weshalb sie mit bloßem Auge kaum sichtbar ist. Die Oberfläche zeigt unter Umständen wenig oder keine Korrosion, während der Werkstoff von innen geschwächt wird. Das Metall wird zunehmend spröde, verliert seinen Zusammenhalt und kann schließlich versagen. Ein bekanntes Beispiel ist sensibilisierter Edelstahl, bei dem sich nach dem Schweißen oder einer Wärmebehandlung Chromkarbide an den Korngrenzen bilden.

Mikrobiell beeinflusste Korrosion (MIC)

Mikrobiell beeinflusste Korrosion gehört zu den weniger bekannten Korrosionsformen. Dennoch ist sie für Stahlpipelines sehr relevant, sowohl innen, wo sich Wasser an Tiefpunkten sammelt, als auch außen unter abgelösten Beschichtungen. Viele der beteiligten Bakterien, etwa sulfatreduzierende Bakterien, gedeihen unter sauerstofffreien Bedingungen. Die Korrosion wird durch die von den Bakterien produzierten Stoffe wie Schwefelwasserstoff und organische Säuren verursacht, die den Stahl angreifen. MIC ist daher mit Säurekorrosion vergleichbar, doch das korrosive Medium wird von den Bakterien erzeugt. Mehr dazu unter MIC-Korrosion erklärt.

Wie Pipelinekorrosion beherrscht und repariert wird

Pipelinebetreiber kombinieren mehrere Schutzebenen:

• Außenbeschichtungen wie Pulverepoxid (FBE), Dreischicht-Polyethylen oder -Polypropylen sowie Nachumhüllungen an den Rundschweißnähten.
• Kathodischer Schutz für erdverlegte und unter Wasser liegende Abschnitte, der das Rohr zur Kathode macht, sodass Beschichtungsfehlstellen nicht korrodieren.
• Interne Maßnahmen wie Inhibitoren, Trocknung und Reinigungsmolche gegen Innenkorrosion und MIC.
• Inspektion und Überwachung, einschließlich Molchinspektion, Umhüllungsmessungen und Streustrommessungen.

Wird Korrosion festgestellt und ist die verbleibende Wanddicke akzeptabel, wird der geschädigte Bereich bis auf blanken Stahl gereinigt und neu beschichtet. Die Reparaturbeschichtung erfüllt ihre Aufgabe nur, wenn die Oberfläche richtig vorbereitet ist: Korrosionsprodukte, Altbeschichtung und Salze entfernt und ein Rauheitsprofil für die Haftung erzeugt. Feldnähte und korrodierte Schweißnähte sind ein typischer Fall; siehe Oberflächenvorbereitung an Pipeline-Feldnähten.

Vor Ort entfernt der Bristle Blaster® von MontiPower® Rost und Beschichtung und erzeugt das Rauheitsprofil in einem Durchgang, ohne Strahlmittel. In dokumentierten Tests auf Pipelinestahl nach API 5L erzielt er eine mit ISO 8501-1 Sa 2½ / SSPC-SP 10 vergleichbare Reinheit bei einem Rauheitsprofil von 65–85 µm Rz; die Ergebnisse variieren mit Stahlsorte, Rostgrad, Band und Technik. Mehr dazu auf unserer Seite Öl, Gas & Pipelines und unter Rost von einem Metallrohr entfernen.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die häufigste Korrosionsart in Pipelines?

Gleichmäßige Flächenkorrosion von Kohlenstoffstahl, der bekannte durch Sauerstoff und Feuchtigkeit verursachte Rost, ist die häufigste und sichtbarste Form. Sie ist auch die am besten vorhersagbare. Örtliche Formen wie Lochfraß, Spaltkorrosion, MIC und Spannungsrisskorrosion sind seltener, aber gefährlicher, weil sie die Wand mit kaum sichtbarer Vorwarnung durchdringen können.

Was verursacht Spannungsrisskorrosion in Pipelines?

Spannungsrisskorrosion erfordert drei gleichzeitige Bedingungen: eine Zugspannung oberhalb eines Schwellenwerts, einen anfälligen Werkstoff und ein stark rissauslösendes Medium. Bei erdverlegten Pipelines tritt sie als High-pH-SCC in Carbonat-Bicarbonat-Lösungen und als Near-neutral-pH-SCC in verdünntem Grundwasser auf, beide typischerweise dort, wo sich die Beschichtung abgelöst hat und der kathodische Schutz den Stahl nicht erreicht.

Wie verhindert man Korrosion in Stahlpipelines?

Pipelines werden durch ein Außenbeschichtungssystem, kathodischen Schutz für erdverlegte oder unter Wasser liegende Abschnitte, interne Maßnahmen wie Inhibitoren und Reinigungsmolche sowie regelmäßige Inspektion geschützt. Wird Korrosion festgestellt, wird sie entfernt und der Stahl auf die von der Reparaturbeschichtung geforderte Reinheit und das geforderte Rauheitsprofil vorbereitet und anschließend neu beschichtet, oder der Abschnitt wird repariert bzw. ersetzt, wenn der Wanddickenverlust zu groß ist.

Wie wird Korrosion vor der Neubeschichtung einer Pipeline entfernt?

Strahlen mit Strahlmittel ist das traditionelle Verfahren. Bei Feldnähten, Punktreparaturen und Leitungen im laufenden Betrieb kann ein Bristle-Blasting-Werkzeug Rost und Beschichtung entfernen und in einem Durchgang ein Rauheitsprofil erzeugen, mit einer mit Sa 2½ / SSPC-SP 10 vergleichbaren Reinheit und einem Profil von 65–85 µm Rz in dokumentierten Tests auf Stahl nach API 5L. Die Ergebnisse variieren mit Stahl, Rostgrad und Technik.