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Case studies
(2013)
In this paper, some quite different survey tasks are described, and it can be seen that corrosion surveys will follow a certain scheme of data acquisition (first NDT measurements, than detailed testing on suspect areas), but the individual scope of on-site measurements may have a vast variety according to the local circumstances, and the interpretation always has to refer to a wider set of information than the data readings only.
Nichtrostende Stähle gewinnen durch ihre Vielseitigkeit bei Bau, Sanierung und Einrichtung von Schwimmbädern seit einigen Jahren zunehmende Bedeutung. Neben der hohen Korrosionsbeständigkeit vermitteln die überlegenen hygienischen Eigenschaften sowie der geringe Inspektions- und Instandhaltungsaufwand ein beständiges Gefühl von Dauerhaftigkeit und Sicherheit. Voraussetzung dafür ist die richtige Wahl von Werkstoffsorte, Oberfläche, Bauweise und Reinigungstechnik.
In vielen Konstruktionen erfordern unterschiedliche Eigenschaftsanforderungen an Komponenten und Bauteile häufig die Kombination verschiedener metallischer Werkstoffe. In der Praxis sind aber auch sogenannte Zufallskombinationen häufig anzutreffen, bei denen die Kombination allein durch die momentane Verfügbarkeit z.B. eines Befestigungsmittels oder eines Zwischenstückes zustande kommt. Unter bestimmten Einsatzbedingungen kann eine solche Kombination, die auch unter dem Begriff Mischbauweise bekannt ist, zu Korrosionsproblemen an einem der beiden Partner führen. Die Grundlagen und Einflussgrößen auf die Bimetallkorrosion werden dargestellt und deren praktische Bedeutung anhand von Beispielen verdeutlicht.
DGZfP - Merkblatt elektrochemische Potentialmessungen zur Detektion von Bewehrungsstahlkorrosion
(2011)
Im DGZfP- Fachausschuss für zerstörungsfreie Prüfling im Bauwesen - Unterausschuss Korrosionsnachweis bei Stahlbeton haben sich die Universitäten München, Aachen, Stuttgart und Braunschweig sowie die BAM Berlin an der Überarbeitung des Merkblatts B 3: „Elektrochemische Potentialmessungen zur Detektion von Bewehrungsstahlkorrosion“ beteiligt. Das Merkblatt wurde komplett überarbeitet und bietet jetzt umfangreichere Hinweise zur Durchführung der Messungen und deren Auswertung. Wesentlich stärker als zuvor geht das Merkblatt auf mögliche Einflüsse und Fehlerquellen sowie die für eine Interpretation der Daten notwendigen begleitenden Bauwerksuntersuchungen ein. Die nachfolgenden Ausführungen greifen einige wesentliche Aspekte in enger Anlehnung an die Ausführungen des Merkblatts B3 auf. Das vollständige Merkblatt ist über die DGZfP e.V. online zu beziehen.
Über das Korrosionsverhalten nichtrostender Stähle bei atmosphärischer Beanspruchung liegen umfangreiche Erfahrungen aus jahrzehntelangen praktischen Anwendungen weltweit vor. Systematische Auslagerungsversuche unter spezifischen Umgebungsbedingungen ergänzen diese Erfahrungen. Die daraus gewonnenen Daten erlauben die beanspruchungsgerechte Werkstoffauswahl. Unter vielen atmosphärischen Bedingungen sind die nichtrostenden Stähle bei freier Bewitterung, auch unter langzeit- oder dauerfeuchten Bedingungen vollständig korrosionsbeständig. Die Auswahl der nichtrostenden Stähle muss den jeweiligen Einsatzbedingungen angepasst werden, um in jedem Fall sicherzustellen, dass der passive Zustand aufrechterhalten bzw. eine erneute Passivierung unter den Einsatzbedingungen möglich ist. Störungen der Passivschichtausbildung führen zu verminderter Korrosionsbeständigkeit mit den für nichtrostende Stähle typischen örtlichen Korrosionserscheinungen. Das Merkblatt gibt Hinweise zur Werkstoffauswahl, zur Oberflächenausführung, zur Konstruktion sowie zu Verarbeitung, Nachbehandlung und Reinigung.
Es ist mittlerweile eine zunehmend bekannte Tatsache, dass „nichtrostende“ Stähle trotz ihres Namens rosten können. Werden die spezifischen Besonderheiten und Anforderungen, die sich beim Einsatz nichtrostender Stähle ergeben, aus Unkenntnis oder Nachlässigkeit nicht beachtet, kann dies zu unerwarteten Korrosionserscheinungen und auch zum funktionalen Versagen von Konstruktionen führen. Im Folgenden wird dargestellt, dass nichtrostende Stähle nur dann korrosionsbeständig bleiben, wenn auch Reinigung und Pflege der Oberflächen mehr Beachtung finden. Bereits in der Planungsphase, spätestens aber bei der Ausführung muss klar sein, wie mit den Oberflächen urngegangen werden soll, um ihre positiven Eigenschaften zu erhalten. Nicht zuletzt müssen auch die Betreiber und Nutzer wissen, dass nichtrostende Stähle in vielen Bereichen erheblichen Pflege- und Erhaltungsbedarf haben.
Im Zusammenhang mit Planungs- und Entwicklungsaufgaben, den Forderungen in Normen und Regelwerken, in betrieblichen Arbeitsanweisungen, den Vorgaben für Zulieferteile oder bei der Auseinandersetzung mit Schadensfällen stellen sich häufig Fragen zum Korrosionsschutz sowie zu entsprechenden Prüf- und Untersuchungsverfahren. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sollen z. B. eine Eignung von Werkstoffen oder Schutzsystemen unter spezifischen Einsatzbedingungen, die Dauerhaftigkeit des Schutzes, den Nachweis einer gleichbleibenden Qualität, die Vergleichbarkeit bekannter mit neuen Korrosionsschutzkonzepten oder den Wirkungsnachweis für gezielte Systemeingriffe belegen. Schnell wird deutlich, dass sich aus dem Blickwinkel verschiedener Branchen ganz unterschiedliche Anforderungsprofile ergeben, die ihren Niederschlag dann in unterschiedlichen Strategien der Prüf- und Untersuchungsverfahren finden.
Investigation of chloride-induced pitting corrosion of steel in concrete with innovative methods
(2016)
The combination of electrochemical and 3D computed tomography (CT) investigations offers the possibility of verifying electrochemical measurements non-destructively. Determining the steel surfaces damaged by pitting corrosion allows developing specimens having damage pattern corresponding to practice. Corrosion phenomena like decoupled pitting corrosion cannot be verified by electrochemical measurements only, but with the combination of those two kinds of investigations it is possible. Another advantage is the minimization of the number of samples. The classical experimental procedure requires the destruction of samples after each damage step.This can be avoided by the use of 3D computed tomography. As long as the corrosion phenomena are completely within the examination zone shown by the 3D computed tomography, the electrochemical measurements can be calculated on an area basis to get the specific corrosion rate or polarization resistance.
In indoor swimming pools stainless steels are used not only due to structural and economic reasons but also due to aesthetic considerations. And therefore not only safety relevant load bearing components have to fulfil their tasks but also the visual appearance should be free of any staining. In a lot of cases basic requirements (e.g. design criteria, material selection and maintenance) being essential parts of technical regulations were not taken into account. Typical case studies with explanation of the cause of the corrosion problems and possibilities to prevent them are shown in the present paper.
Die wichtigste Aufgabe von Dämmstoffen in betriebstechnischen Anlagen ist, Energie zu sparen. Oft gewünschte Nebeneffekte sind Brandschutz, Schallschutz und die Erleichterung der Temperatursteuerung in verfahrenstechnischen Prozessen. Betriebstechnische Anlagen sind Produktions- und Verteilungsanlagen im Industriebau und in der Haustechnik, z.B. Apparate, Behälter, Kolonnen, Tanks, Dampferzeuger, Rohrleitungen, Heizungs- und Lüftungs-, Klima-, Kalt- und Warmwasseranlagen. Dämmungen an Gebäuden und Bauwerken, im Schiff- und Fahrzeugbau sollen hier nicht erörtert werden. Je nach Anlagentemperatur unterscheidet man zwischen Wärmedämmung für Betriebstemperaturen über der Umgebungstemperatur und Kältedämmung für Betriebstemperaturen unter der Umgebungstemperatur. Kältedämmungen werden auch an Anlagen durchgeführt, bei denen durch wechselnde Betriebstemperaturen die Taupunkttemperatur der Umgebungsluft zeitweise unterschritten wird. Beide Dämmungen bestehen in betriebstechnischen Anlagen aus Dämmstoff, Stütz- und Tragkonstruktion sowie der Ummantelung. Manchmal wird zusätzlich eine Dmpfbremse vorgesehen, mit deren Hilfe das Eindringen von Feuchtigkeit verhindert werden soll. Das ist vor allem bei Kälteanlagen erforderlich und bei Anlagen deren Temperaturen stark schwanken.
Über das Korrosionsverhalten nichtrostender Stähle bei atmosphärischer Beanspruchung liegen umfangreiche Erfahrungen aus jahrzehntelangen praktischen Anwendungen weltweit vor. Systematische Auslagerungsversuche unter spezifischen Umgebungsbedingungen ergänzen diese Erfahrungen. Die daraus gewonnenen Daten erlauben die beanspruchungsgerechte Werkstoffauswahl. Unter vielen atmosphärischen Bedingungen sind die nichtrostenden Stähle bei freier Bewitterung, auch unter langzeit- oder dauerfeuchten Bedingungen vollständig korrosionsbeständig. Die Auswahl der nichtrostenden Stähle muss den jeweiligen Einsatzbedingungen angepasst werden, um in jedem Fall sicherzustellen, dass der passive Zustand aufrechterhalten bzw. eine erneute Passivierung unter den Einsatzbedingungen möglich ist. Störungen der Passivschichtausbildung führen zu verminderter Korrosionsbeständigkeit mit den für nichtrostende Stähle typischen örtlichen Korrosionserscheinungen. Das Merkblatt gibt Hinweise zur Werkstoffauswahl, zur Oberflächenausführung, zur Konstruktion sowie zu Verarbeitung, Nachbehandlung und Reinigung.
Bei der Planung von Betriebstechnischen Anlagen erfolgt die Auswahl der Art der Dämmarbeiten zuerst nach wärmetechnischen Gesichtspunkten, den Anschaffungskosten, der Verfügbarkeit und Verarbeitbarkeit.
Besonders bei großen industriellen Projekten sind Dämmarbeiten, weil
sie ein nicht so stark kapitalintensiver Faktor sind, meist von geringerer Wichtung.
Dies ändert sich erst dann, wenn durch versteckte Korrosionsprobleme
Schäden entstehen, in deren Folge nach Ausfall ganzer Anlagenteile beispielsweise erhebliche Produktionsverluste entstehen können.
Im Jahr 1986 wurde in Deutschland die erste kathodische Korrosionsschutzanlage für ein Stahlbetonbauwerk in Betrieb genommen. Die Installation, die Inbetriebnahme sowie die laufende Überwachung wurden wissenschaftlich begleitet.
Im Zuge notwendiger verkehrstechnisch bedingter Umbaumaßnahmen wurde die Anlage nach etwa 15 Jahren außer Betrieb genommen. Die in dieser Zeit durchgeführten Untersuchungen dienten dem Ziel, die an Laborversuchen gewonnenen Ergebnisse an einem praktischen Bauwerk zu überprüfen sowie Informationen über das Langzeitverhalten hinsichtlich Dauerhaftigkeit, Potentialverteilung, Temperaturabhängigkeit, Chloridmigration usw. zu bekommen.
Mit zunehmender Betriebsdauer konnten die Schutzkriterien nur durch Erhöhung der Gleichrichterspannung eingehalten werden (die Anlage wurde im Konstantspannungsmodus betrieben). Umfangreiche Untersuchungen an Anodenmaterialproben (leitfähiger Polymerdraht mit einem Kupferkern) nach 15-jährigem Einsatz zeigten, dass irreversible Veränderungen die Leitfähigkeit des Polymers erheblich vermindert haben, wodurch letztendlich die Funktionsfähigkeit der Anode nicht mehr gegeben war. Diese Art von Anoden werden aber heutzutage nicht mehr für den kathodischen Korrosionsschutz von Stahlbetonbauwerken eingesetzt.
Translated Abstract
Long-term experiences with a cathodic protection system for steel in concrete
In 1986 in Germany the first cathodic protection system for reinforced concrete structures was put into service. Installation, commissioning and the regular monitoring were scientifically supported.
Due to necessary traffic related reconstruction measures the system was switch off after 15 years of service. Investigations carried out during that period should verify laboratory test results at a real structure and furthermore yield information on the long-term behaviour concerning durability, temperature dependence, potential distribution, chloride migration etc.
With increasing time of service the protection criteria could only be met by increasing the transformer rectifier voltage (the system worked in the constant voltage mode). Extensive investigations of the anode material (conductive polymer wire with a copper core) after 15 years of service showed that irreversible changes substantially decreased the polymer's conductivity limiting the functionality. Today, these kind of anodes are not used any more for the application in cathodic protection systems of reinforced concrete structures.
Anhand der hier vorgestellten Untersuchungsergebnisse kann
eine umfassende Einschätzung des Korrosionszustands einer Gabionenkonstruktion aus Drähten mit Zink-Aluminium-Überzug nach 20 Jahren Einsatzzeit in Abhängigkeit von unterschiedlichen Expositionsbedingungen vorgenommen werden. Die festgestellten Massenverluste der Zink-Aluminium-Überzüge waren an den Untersuchungspositionen, insbesondere hinsichtlich der verschiedenen Expositionsbedingungen der Probenentnahmestellen, unterschiedlich ausgeprägt. Gabionendrähte, die im direkten Bodenkontakt standen, wiesen dabei die geringsten Restauflagen auf. Atmosphärisch beanspruchte sowie durch Vlies vor direktem Bodenkontakt geschützte Gabionendrähte zeigten dagegen etwas größere Restauflagen. Über den Drahtumfang wurden bei allen untersuchten Drahtproben stark variierende Schichtdicken festgestellt, was offensichtlich herstellungsbedingte Ursachen hat. Die Untersuchungen an der Gabionenkonstruktion haben gezeigt, dass die Annahme einer mittleren linearen Abtragsrate des metallischen Überzugs von 1 mm/a unter den hier untersuchten Bedingungen ein realistischer Wert ist. An Positionen mit direktem Bodenkontakt kann dieser Wert aber deutlich größer ausfallen, sobald sich die Aggressivität des Bodens erhöht. Eine Rotrostbildung war an den Drahtproben nicht feststellbar.
Im Rahmen der Erarbeitung einer neuen bauaufsichtlichen Zulassung für nichtrostende Stähle ergab sich die Fragestellung, ob durch eine Kaltverfestigung die Beständigkeit gegenüber Spannungsrißkorrosion negativ beeinflußt wird. Durch experimentelle Versuche an verschiedenen nichtrostenden Stählen sollte geklärt werden, ob kaltverformtes Material bei hoher Chloridbelastung, wie sie z. B. in Schwimmhallenatmosphäre vorkommen kann, eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Spannungsrißkorrosion aufweist. Die Untersuchungen wurden mit den hochlegierten Stählen 1.4462 sowie 1.4529 durchgeführt. Als Vergleichswerkstoff mit bekannter Empfindlichkeit gegenüber Spannungsrißkorrosion bei hoher Chloridbelastung wurde der Stahl 1.4301 eingesetzt. Die Versuche erfolgten mittels Bügel- und Zugproben, auf die Tropfen aus gesättigter Magnesiumchloridlösung aufgebracht waren. Hinweise auf eine höhere Spannungsrißkorrosionsempfindlichkeit des kaltverformten Materials wurden aber sowohl bei den Versuchen mit Bügelproben als auch bei den Versuchen mit Zugproben nicht festgestellt.
Translated Abstract
Investigations on stress corrosion cracking resistivity of stainless steels with different degree of cold straining
Within the context of the elaboration of a new approval for stainless steels for civil engineering applications the question arised whether cold straining could adversely affect the resistance against stress corrosion cracking. By means of experimental tests with different stainless steels it should be clarified whether cold straining increase the stress corrosion cracking susceptibility under high chloride loads like e.g. in swimming hall atmospheres.
The investigations were carried out using the high-alloyed steels 1.4462 and 1.4529. As reference material with known susceptibility against stress corrosion cracking the steel 1.4301 was used. The tests were performed using U-bent and tension specimens with saturated MgCl2 salt spots. Indications for an increase in stress corrosion cracking susceptibility of the cold drawn steel were not found.
For an assessment of the risk potential of existing structures where in the case of prestressing steel damage the load-bearing capacity could be significantly affected non-destructive testing techniques which enable reliable evaluation of the condition of the prestressing steels are of utmost importance. During the demolition of the Hohenzollerndamm bridge in Berlin where damage of prestressing wires due to hydrogen-induced stress corrosion cracking were found in former investigations parts of the girders of the bridge superstructure could be taken out. After non-destructive investigation by means of two testing techniques based on magnetic leakage flux measurement and one technique based on electromagnetic resonance measurement the single wires were inspected in order to verify the non-destructive testing results with respect to their reliability. From the results it can be concluded that areas with fractures of several wires could be detected by the two techniques based on magnetic leakage flux measurement.
Für Spannstähle muss im Rahmen der Überwachung die Beständigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion nach DIN EN ISO 15630-3 nachgewiesen werden. Die Stähle werden hierbei entweder einer konzentrierten Ammoniumthiocyanatlösung oder einer verdünnten Lösung, die eher die Verhältnisse in der Baupraxis wiedergibt, ausgesetzt. In den vergangenen Jahren gab es an Spannstäben der Festigkeitsklasse St 950/1050 immer wieder Probleme mit dem Erreichen der erforderlichen Standzeiten in der konzentrierten Lösung. Der Ringversuch sollte nun klären, inwieweit Unsicherheiten hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Aussagekraft der Ergebnisse von Spannungsrisskorrosionsprüfungen bestehen. Außerdem sollten die Prüfanweisungen, die Prüfeinrichtungen sowie die Vor-Ort-Inspektion der Prüfstände kritisch beurteilt werden, um eventuell vorhandene versuchstechnische Probleme zu identifizieren und ggf. zu beheben.
Im Rahmen einer Bauwerksuntersuchung an einer in nachträglicher Verbundbauweise hergestellten Brücke wurden Anrisse an Spannstählen der Quervorspannung festgestellt, ohne daß Verpreßmängel oder korrosionsfördernde Substanzen vorlagen. Bei dem verwendeten Werkstoff handelt es sich um einen in der ehemaligen DDR hergestellten vergüteten Stahl der Festigkeitsklasse St 140/160. Ursache für die Anrisse ist die in Laborversuchen nachgewiesene Empfindlichkeit dieses Stahles gegenüber wasserstoffinduzierter Spannungsrißkorrosion, die unter ungünstigen Bedingungen dazu führen kann, daß Vorschädigungen vor dem Verpressen eintreten. Zusätzlich durchgeführte Magnetpulverprüfungen an ausgewählten Bereichen der Längsvorspannung ergaben keinerlei Hinweise auf Anrisse.
Translated Abstract
Stress corrosion cracking of prestressing steels
During the investigation of a post-tensioned bridge structure incipient cracks of the prestressing steels of the transverse prestressed members were observed. Defects related to non-injected ducts or the presence of corrosion inducing substances could not be detected. The prestressing steel used is a quenched and tempered steel, strength class St 140/160, which was produced in the former GDR. The cause for the cracks is the susceptibility of this type of steel to hydrogen-induced stress corrosion cracking as could be shown in laboratory tests. Under unfavourable conditions cracks can be initiated before grouting. Additional magnetic particle tests at selected areas of the longitudinal prestressed members did not indicate any signs for incipient cracks.