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. |
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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.
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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.
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| 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: |
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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.
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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.
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Opferanoden
Anodentester AT1
Quelle: Afriso Euro-Index GmbH
Total verbrauchte Anode
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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.
Wissenswertes zu 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.
Anodentester AT1
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Quelle:
Afriso Euro-Index GmbH |
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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. |
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Aufbau
einer Signalanode |
Quelle:
Afriso Euro-Index GmbH |
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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. |
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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. |
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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) |
Prüfung von Opferanoden
Sichtprüfung
Bei einer Sichtprüfung wird die Opferanode nach den Herstellerangaben
ausgebaut. Wenn der Durchmesser der Opferanode z. B. auf 15 - 10 mm verbraucht ist, sollte
die Schutzanode ausgetauscht werden. Das gilt auch dann, wenn an der Anode sehr starke
Ablagerungen vorhanden sind, denn dann gibt sie nur noch wenig Schutzstrom ab.
Strommessung
Im Gegensatz zu einer Sichtprüfung, muss bei einer Opferanode mit
isolierten Einbau (Massekabel) die Anlage nicht außer Betrieb gesetzt werden, also nicht
ausgebaut werden. Die Messung des noch vorhandenen Schutzstroms wird mit einem
Anodenprüfgerät oder Widerstandmessgerät gemessen.
> 0,3 mA: Anode ist funktionsfähig
< 0,3 mA Anode ausbauen und weiter mit der
Sichtprüfung fortfahren
Achtung: Immer die Bedienungsanleitung des
Herstellers des Prüfgeräts beachten. Eine Schutzstrommessung ist nur
bei einem mit Wasser gefüllten Speicher möglich.
Signalanode
Die einfachste Art, den Verbrauch einer Opferanode festzustellen,
ist der Einsatz einer Signalanode. Hier zeigt die Verfärbung (z. B. Rotfärbung)
des Signalgebers an, ob die Anode verbraucht ist. |
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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.
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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 |
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| 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.
Wenn im emaillierten-
oder kunststoffbeschichteten Speicher ein Elektroheizstab eingebaut ist,
dann muss dieser isoliert eingebaut sein. Dadurch entsteht keine leitende
Verbindung und keine Stromaustrittkorrosion. |
Quelle: Correx®
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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® Fremdstromsysteme - Rainer Killus
Anodenprüfgerät AT-50 zur Prüfung von Opfer- bzw. Fremdstromanoden - BA - Bachler e.U.
Elektro-Heizstab (isolierter Einbau) - TWL–Technologie GmbH
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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 |
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Warmwasseranschluss an einem
emailliertem TW-Speicher
Hier hätte man sich besser erst einmal die Schutzanode
ansehen sollen
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Magnesium-Schutzanoden
