Extreme Maßnahmen für ein extremes Umfeld – Teil 2 1

Kolbenstangen sind bei Einsätzen im maritimen Bereich in hohem Maße korrosionsgefährdet. Die Korrosionsarten wurden in der vorigen Ausgabe beschrieben. Welche weiteren Probleme aufgrund welcher Ursachen auftreten können und welche Gegenmaßnahmen Abhilfe bringen, ist Thema des Schlussteils der Beitragsreihe.

Elektrochemische Korrosion tritt dann auf, wenn zwei Metalle mit unterschiedlichem Potenzial durch einen Elektrolyten, beispielsweise Salzwasser, verbunden sind. Das chemisch unedlere Metall wird sich durch Korrosion auflösen, während das chemisch edlere Metall nicht angegriffen wird. Man kann Potenzialunterschiede aber auch künstlich erzeugen oder so verschieben, dass ein Schutzeffekt für bestimmte Komponenten erreicht wird. Das ist etwa beim kathodischen Schutzsystem der Fall, bei dem eine Fremdspannung so angelegt wird, dass das zu schützende Bauteil, beispielsweise der Schiffsrumpf, negativ kontaktiert wird und eine positiv kontaktierte Anode den Gegenpol im Seewasser bildet.

Wie aus Bild 2 ersichtlich, können allerdings unerwünschte Nebeneffekte auftreten, welche die Schutzfunktion umkehren und bestimmte Komponenten kurzfristig durch elektrochemische Effekte zerstören. Die Bohrplattform ist mit einem kathodischen Schutzsystem ausgerüstet, das nicht nur den Schiffsrumpf, sondern auch den in das Seewasser eingetauchten unteren Teil der Kolbenstange schützt. Auch nach mehreren Monaten war keinerlei Korrosion an der mit einem Metalloxid beschichteten Kolbenstange festzustellen. Das Schutzsystem funktioniert mithin einwandfrei.

Ein unerwünschter Nebeneffekt trat jedoch innerhalb des Hydraulikzylinders am oberen Teil der Kolbenstange auf, der nicht der Seeatmosphäre ausgesetzt war. Obwohl das verwendete Hydraulikfluid auf Wasser-Glycol-Basis korrosionshemmende Eigenschaften aufweist, war die Kolbenstangenbeschichtung komplett zerstört, unter der Schicht fanden sich Korrosionsprodukte. Die Bohrungsoberfläche des Zylinderrohres aus Stahl hingegen war frei von Korrosion. Die Analyse ergab, dass die aufgrund der Kunststoff-, Dicht- und Führungselemente nicht geerdete Kolbenstange eine Anode innerhalb des Zylinders bildete, das mit dem Schiffsrumpf verbundene Zylinderrohr jedoch die geschützte Kathode. Der Korrosionseffekt konnte sich jedoch nur einstellen, da das verwendete Hydraulikfluid gute elektrolytische Eigenschaften aufweist.

Risse sind kritisch
Mechanisches Schichtversagen kann aufgrund mechanischer Einwirkungen auf die Schicht, Verschleißes oder zu hoher statischer oder dynamischer Spannungsbelastung auftreten. Neben Materialabtrag, Kratzern und Deformationen sind vor allem Abplatzungen und Risse sehr kritisch, da sie meist zu kurzfristigem Versagen des Hydraulikzylinders führen.

Während bei Schweißschichten vor allem Risse kritisch sind, da sie bei dynamischer Belastung in das Kolbenstangengrundmaterial hineinwachsen, können sich galvanisch aufgebrachte Schichten oder Spritzschichten bei Überlastung eher vom Grundmaterial ablösen.

Bild 3 zeigt eine Chromkarbid- Nickelchrom Schicht, die sich großflächig von der Kolbenstange abgelöst hat. Der Hydraulikzylinder war einer dynamischen Belastung ausgesetzt, die einwirkenden Spannungen zerstörten die Haftung der Schicht auf dem Grundmaterial. Der Schaden an der Schicht führte zu sofortiger Zerstörung der Dicht- und Führungselemente im Zylinderkopf und damit zum Ausfall des Hydraulikzylinders.

Mindestvoraussetzung: Salzsprühtest
Aktuell übliche Testverfahren zur Bewertung von Kolbenstangen für maritimen Einsatz wurden schrittweise an geänderte Anforderungen angepasst. Wurde beispielsweise vor zehn Jahren oftmals noch ein erfolgreich absolvierter Salzsprühtest über 1000 Stunden als alleiniger Korrosionsschutznachweis als ausreichend erachtet, wird er bei den heutigen Akzeptanzkriterien nur noch als Mindestvoraussetzung angesehen. Dennoch stehen selbst die aktuell geltenden Testverfahren lediglich als Empfehlung für Minimalkriterien, die von der Kolbenstangenbeschichtung erfüllt werden sollten.

Die Übertragbarkeit der Testergebnisse auf einen konkreten Einsatzfall ist nach wie vor schwierig, eine Garantie für den Erfolg oder Misserfolg einer Schichtauswahl lässt sich aus den Testergebnissen nicht direkt ableiten. Zur Charakterisierung von Kolbenstangenbeschichtungen sind folgende Untersuchungen von Bedeutung:

  • Schichtdesign (Metallografie, Porositätsanalyse, visuelle Bewertung)
  • Haftung auf dem Substrat (Haftzugtests)
  • mechanische Eigenschaften (Mikrohärte, Biegetest, Verschleißtest)
  • Korrosionsfestigkeit (Salzsprühtest, Saline Droplet Test, elektrochemischer Porositätstest, Pitting Corrosion Test)

Da für die Untersuchung von Schichtdesign, Haftung und mechanischen Eigenschaften oftmals vorhandene Standards unverändert herangezogen werden können, soll im Folgenden nur auf einige ausgewählte Testverfahren bezüglich der Korrosionsfestigkeit eingegangen werden.

Salzsprühtests werden in Europa üblicherweise nach DIN 50021 SS/ESS oder DIN EN ISO 9227 durchgeführt. Sie liefern hinreichende Ergebnisse bei Hartchrom, Nickel- Chrom- und vielen Spritzschichten. Für Schweißschichten mit Eignung im maritimen Bereich liefern Salzsprühtests üblicherweise keine Ergebnisse.

Mit Salzsprühtest lassen sich Korrosion durch Unterwanderung der Schicht sowie eventuell Pittings in einer metallischen Schicht nachvollziehen. Bewertungskriterium sind dabei Testdauer sowie der Zustand der Schicht. Es erwies sich auch als sinnvoll, Prüfkörper, die den Test ohne Korrosionserscheinungen absolviert haben, in der Folge unter Raumklima-Bedingungen zu beobachten. Derart lassen sich Korrosionsherde unterhalb der Schicht erkennen, die noch keine Korrosionsprodukte an die Schichtoberfläche transportiert oder Schichtabhebung verursacht haben. Die Prüfkörper (Bild 4) zeigen deutlich die unterschiedliche Leistungsfähigkeit von Hartchrom- und Metalloxid-Beschichtung bezüglich des Korrosionsschutzes.

Dichtigkeitsuntersuchungen von Kolbenstangenbeschichtungen erfolgen mittels elektrochemischen Porositätstests nach DNV-C2-Testmethode. Der Test wird vor allem bei galvanisch aufgebrachten Schichten sowie thermisch applizierten Spritzschichten zur Ermittlung von Mikrorissen und Porosität, welche die gesamte Schicht durchdringen, herangezogen. Für Schweißschichten, die eine sehr hohe Dichtigkeit aufweisen, ist dieser Test zumeist nicht verwendbar.

Zum Ablauf: Auf die Beschichtung wird zunächst eine mit künstlichem Seewasser gefüllte Prüfkammer aufgesetzt. Anschließend werden der Prüfling direkt und das Seewasser über eine Elektrode kontaktiert. Sodann erfolgt das Anlegen einer definierten Potenzialspannung. Eine Prüftemperatur kann vereinbart werden. Während des Versuches wird die Stromdichte überwacht. Überschreitet der positive Anodenstrom den Wert 1µA/cm2, liegt aktive Auflösung oder Korrosion vor.

Für Offshore- Beschichtungen sollte die Prüfdauer mindestens 500 Stunden betragen, der Anodenstrom darf den Wert 1µA/cm2 nicht überschreiten. Alternativ kann die Versuchs-Potenzialspannung erhöht werden, bis Korrosionsprodukte an der Schichtoberfläche sichtbar werden oder die Beschichtung aufreißt (Bild 5).

Testübertragung oftmals schwierig
Der Pitting Corrosion Test nach DNV-C3, ASTM G48- Methode A, modifiziert, dient der Bestimmung der Lochfraßbeständigkeit einer metallischen Schicht. Es handelt sich um einen sehr aggressiven Test, der  bereits nach 24 oder 48 Stunden Ergebnisse liefert. Allerdings erweist sich eine direkte Übertragung der Testergebnisse auf reale Offshore-Bedingungen als schwierig.

Zum Ablauf: Auf die Beschichtung wird eine Prüfkammer mit sechsprozentigem FeCl3 gesetzt. Prüfling und Lösung werden durch ein umgebendes Wasserbad auf die spezifizierte Prüftemperatur temperiert. Nach Ablauf der Prüfzeit wird der Testbereich gereinigt und unter dem Mikroskop auf Korrosionserscheinungen hin untersucht. Der Versuch kann bei schrittweise erhöhter Temperatur so lange wiederholt werden, bis die Schicht Korrosion in Form von Pittings aufweist. Derart lässt sich die Pitting Corrosion Temperature (PCT) der metallischen Schicht bestimmen. Für den maritimen Bereich wird eine PCT von mindestens 35 bis 40 Grad Celsius empfohlen. Die im Test ermittelte PCT kann jedoch nicht direkt auf die Einsatztemperaturgrenze bezogen werden.

Zusätzlich kann eine Ruhepotenzialmessung während des Versuches durchgeführt werden, welche ein Ranking der Korrosionsbeständigkeit gegenüber Lochkorrosion erlaubt.

Fazit: Es gibt nicht die eine Kolbenstangenbeschichtung für den maritimen Bereich. Die Schichtauswahl sollte aufgrund der Einsatzbedingungen und nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten erfolgen.