Erosionskorrosion

Definition und Bedeutung

Erosionskorrosion ist der Abtrag eines Werkstoffs durch das Zusammenwirken von mechanischer Erosion und Korrosion. Sie beginnt, wenn ein strömendes Medium eine schützende Oberflächenschicht, meist aus Metalloxiden, erosiv angreift. Gleichzeitig muss das Medium die freigelegte Metalloberfläche korrosiv angreifen; dabei spielen ein ungünstiger pH-Wert sowie der Sauerstoff- und Elektrolytgehalt eine Rolle.

Besonders gefährdet sind Rohrleitungen und Anlagenteile, die von schnell strömenden Flüssigkeiten oder Zweistoffsystemen wie Wasser und Dampf durchströmt werden. Abrasive Teilchen können den Angriff zusätzlich fördern. Das abgetragene Material wird mit der Einphasenströmung, etwa Wasser, oder der Zweiphasenströmung, etwa Wasser und Dampf, weitertransportiert.

Schadensbild und gefährdete Stellen

Nach dem Wegspülen der Schutzschicht entstehen Abtragungen, die meist von einem einzelnen Angriffspunkt ausgehen. Typisch sind glatte, teilweise metallisch glänzende Auswaschungen. Die betroffene Oberfläche kann muldenartige, wellige oder schulterartige Strukturen zeigen.

Strömungsturbulenzen fördern die Entfernung der Schutzschicht. Daher sind Störstellen wie Kanten, Erhebungen, Vertiefungen und Umlenkungen besonders gefährdet.

Kavitationserosion kann vergleichbare Schäden verursachen, hat aber physikalische Ursachen, beispielsweise eine hohe Strömungsgeschwindigkeit. Korrosionschemische Einflüsse lösen sie nicht aus, können sie jedoch verstärken.

Entstehungsbedingungen

Erosionskorrosion entsteht nur, wenn Passivschichten oder andere korrosionshemmende Oxidschichten von der Metalloberfläche entfernt werden. Eine Ursache ist, dass die wandnahe Flüssigkeitsschicht nicht mit den zur Oxidschichtbildung nötigen Korrosionsprodukten gesättigt ist. Dies kann durch einen schnellen Stoffaustausch zwischen der Grenzschicht an der Wand und der Kernströmung geschehen.

Entscheidend ist das Verhältnis zweier Geschwindigkeiten: Ist die Abtragegeschwindigkeit durch das Medium höher als die Geschwindigkeit, mit der sich durch elektrochemische Reaktionen eine neue Schutzschicht bildet, kann Erosionskorrosion auftreten. Die Bildung von Eisenoxiden in der wandnahen Grenzschicht ist dann geringer als deren erosive Abtragung. Eisen- und Hydroxid-Ionen verlassen den Bereich durch Konvektion und Diffusion schneller, als sie dort für die Schutzschichtbildung bereitgestellt werden.

Ein höherer Chromzuschlag verbessert die Beständigkeit des Stahls bereits deutlich unterhalb des für Passivität erforderlichen Bereichs von mehr als 12 bis 13 Gewichtsprozent Chrom.

Bestimmende Parameter

Die Entstehung von Erosion und Erosionskorrosion hängt von mehreren miteinander verbundenen Parametern ab:

• pH-Wert, Sauerstoffgehalt und Temperatur des Wassers • Werkstoffart und Legierungsbestandteile • geometrische Verhältnisse im betroffenen Bereich • örtliche Strömungsgeschwindigkeit

Für die Vermeidung der Erosionskorrosion sind besonders pH-Wert, Sauerstoffgehalt und Wassertemperatur wichtig. Geometrie und Strömung bestimmen, wo starke Turbulenzen und damit hohe örtliche Abtragsraten auftreten.

Typisches Vorkommen

Erosionskorrosion tritt grundsätzlich in der flüssigen Phase auf. Sie kann dennoch auch bei zweiphasigen Wasser-Wasserdampf-Strömungen vorkommen, wenn sich auf der Wandoberfläche ein zusammenhängender Flüssigkeitsfilm befindet. Für den Erosionsvorgang ist dann die Geschwindigkeit des Wassers in diesem wandnahen Film maßgebend.

Besonders betroffen sind unlegierte oder niedriglegierte Stähle mit geringem Chromzuschlag. Der relevante Temperaturbereich liegt zwischen 80 und 250 Grad Celsius. Der größte Materialabtrag ist ungefähr zwischen 140 und 160 Grad Celsius zu erwarten.