Die neue SGK-Richtlinie C3 zum Schutz vor Streustromkorrosion

Die Elektrifizierung von Bahnen mit Gleichstrom (Fig. 1) um 1900 hat bald zu erheblichen Schäden an Rohrleitungssystemen geführt. Diese unzulässigen Beeinflussungen führten 1923 zur Bildung der Korrosionskommission, welche später in die Schweizerische Gesellschaft für Korrosionsschutz (SGK) überführt wurde und dieses Jahr ihr 100-jähriges Bestehen feiert. Die SGK setzt sich für die unabhängige, kompetente und ökonomische Lösung der Korrosionsprobleme sowie die Überwachung der Schutzmassnahmen aufgrund von Streuströmen ein. Bald nach dem Auftreten dieser ersten Schäden wurden gerichtete Streustromdrainagen entwickelt. Im Zusammenhang mit den Korrosionsschäden an Wasserleitungen wurde 1928 durch Robert Kuhn in New Orleans der kathodische Korrosionsschutz entwickelt [1]. Die Problematik und die grundlegenden Zusammenhänge wurden schnell erkannt und Lösungsverfahren wurden effizient umgesetzt. Umso überraschender ist es, dass erst 2021 mit der SN EN ISO 21857 «Erdöl-, petrochemische und Erdgasindustrie – Vermeidung von durch Streuströme beeinflusster Korrosion an Rohrleitungssystemen» [2] die erste Norm mit Schutzkriterien gegen Streustrombeeinflussungen von Rohrleitungen publiziert wurde. Das Grundproblem der Streustrombeeinflussung ist in Figur 2 gemäss der Richtlinie C3 dargestellt. Der Traktionsstrom gelangt über den Fahrdraht zur Lokomotive und fliesst über die Schienen zum Speisegleichrichter zurück. Aufgrund des Schienenlängswiderstands und des hohen Traktionsstroms kommt es zu einem relevanten Längsspannungsfall auf den Schienen und somit zu einer Potenzialanhebung. Diese Potenzialanhebung der Schienen wiederum führt abhängig von der Schienenisolation zu Stromaustritt in den Boden, wobei Korrosion an den Schienen und den Schienenbefestigungen auftritt. Derjenige Anteil des Traktionsstroms, der unbeabsichtigt über das Erdreich zum Speisegleichrichter zurückfliesst, wird als Streustrom bezeichnet. Der Strom im Erdreich führt wiederum zu einer Bodenpotenzialanhebung und somit Stromeintritt in längsleitfähige metallische Infrastruktur wie Rohrleitungen und Kabel. An den Stellen des Stromaustritts (rote Pfeile in Figur 2) erfolgt Korrosion.

In den letzten Jahrzehnten konnte durch systematische Isolation der Schienen und Berücksichtigung der Vorgaben der EN 50122-2 «Bahnanwendungen – Ortsfeste Anlagen – Elektrische Sicherheit, Erdung und Rückleitung – Teil 2: Schutzmassnahmen gegen Streustromwirkungen durch Gleichstrom-Zugförderungssysteme» [3] in Bezug auf die Begrenzung des Streustromaustritts generell eine deutliche Verbesserung der Korrosionssituation erreicht werden. Dabei ging es in erster Linie um eine Verringerung der Korrosion an der Bahninfrastruktur, da korrodierende Schienenklammern und Mastbefestigungen zu Entgleisungen und umgestürzten Masten geführt hatten. Gleichzeitig wird durch die Begrenzung des Streustroms auch die Beeinflussung von Drittstrukturen stark reduziert. Diese Massnahmen zur Verminderung des Streustroms aufseiten des Beeinflussers wurden begleitet durch den vermehrten Einsatz von Rohrleitungen ohne Längsleitfähigkeit, was die Gefährdung der erdverlegten Anlagen zusätzlich verringerte [4], obwohl die Verkehrsdichte und die Leistung der Traktionsfahrzeuge in den letzten Jahren deutlich zugenommen haben.
Mit dem vermehrten Einsatz von Gleichstrom in der Energieerzeugung wie der Photovoltaik, der Energiespeicherung sowie der Hochspannungsgleichstromübertragung ergeben sich weitere wichtige Beeinflussungsquellen, die in Zukunft für eine hohe Nutzungsdauer von erdverlegter Infrastruktur zu behandeln sind.
Die Hintergründe werden im vorliegenden Artikel diskutiert und die Umsetzung des aktuellen Kenntnisstands in die SGK-Richtlinie C3 [5] wird erläutert.

Neuste Erkenntnisse zur Beeinflussung 

Beeinflussungsgrenzwerte

Die Korrosion von Metallen ist ein elektrochemischer Prozess und wird in relevantem Masse durch Ströme beeinflusst. Diese Ströme stammen in vielen Anwendungsfällen von galvanischen Elementen wie Erdungssystemen oder Verbindungen von unterschiedlichen Metallen. Diese Effekte sind zusammen mit den zugehörigen Schutzmassnahmen in den SVGW-Merkblättern W10015 «Elektrische Trennung von Wasserleitungen und Erdungsanlagen» [6] sowie W10018 «Korrosion durch galvanische Elemente bei der Verbindung verschiedener Werkstoffe von Trinkwasserleitungen in Haustechnikanlagen» [7] beschrieben. Diese Effekte können aber bei externen Beeinflussungen (z. B. von Bahnanlagen) erheblich verstärkt werden, zumal die beeinflussenden Spannungen und Ströme oft deutlich erhöht sind.
Solange das Metall im aktiv korrodierenden Zustand vorliegt, führt ein Stromaustritt aus einer Rohrleitung unweigerlich zu Korrosion, wie dies in Figur 2 mit den roten Pfeilen bei Stromaustritt aus der Rohrleitung dargestellt ist. Die Korrosionsgeschwindigkeit ist dabei proportional zur Spannung und zum austretenden Strom. Die Grundlagen für die zugehörigen Effekte sind bestens bekannt und wurden bereits durch Michael Faraday im 19. Jahrhundert korrekt beschrieben. Es überrascht daher, dass die anwendbaren Beeinflussungsgrenzwerte bis heute kontrovers diskutiert werden. Zwar wird in den internationalen Normen ein zulässiger Wert für die Beeinflussung der Stahloberfläche von 20 mV genannt [2, 8], man sucht in der Literatur aber vergeblich nach den technischen Erklärungen für diesen Wert. Oft wird als Argument aufgeführt, dass bei den früheren analogen Messinstrumenten die Zeigerbreite 20 mV gewesen sei und somit dem kleinstmöglichen Messwert entsprochen habe. Tatsächlich versuchten Hoar and Farrer [9] 1961, den damals in England üblichen Grenzwert von 20 mV wissenschaftlich zu begründen. Dabei stellten sie fest, dass dieser für aktiv korrodierenden Stahl viel zu optimistisch ist. Sie schlugen daher einen Wert im Bereich von 5 mV vor.
In der Diskussion der Streustrombeeinflussung verweisen von Baeckmann et al. [10] auf die Richtlinie C3 der SGK, welche ebenfalls die in England üblichen 20 mV nannte. Diese 20 mV sind 2005 in die SN EN 50162 «Schutz gegen Korrosion durch Streuströme aus Gleichstromanlagen» [8] eingeflossen, womit erstmals ein international gültiger Grenzwert für die Streustrombeeinflussung vorlag, ohne dass die Beobachtungen von Hoar and Farrer [9] berücksichtigt wurden.
In den letzten Jahren wurde gezeigt, dass die Korrosion von metallischen Rohrleitungen im Boden respektive beim Betrieb mit Wasser in vielen Fällen zur Bildung von schützenden Deckschichten auf der Metalloberfläche führt [11]. Die Annahme, dass Stahl und Gusseisen im aktiv korrodierenden Zustand vorliegen, ist somit üblicherweise nicht zutreffend. Die Annahmen von Hoar and Farrer [9] und deren Schlussfolgerungen in Bezug auf den vorgeschlagenen Beeinflussungsgrenzwert von 5 mV sind somit deutlich zu konservativ. Dies erklärt die guten Erfahrungen, die in der Schweiz und in Europa bei Anwendung der SN EN 50162 [8] gemacht wurden, die auf einem Beeinflussungsgrenzwert von 20 mV basiert.
Zudem wurde die Beschreibung und Bewertung der Streustromkorrosions­gefährdung wesentlich verbessert, indem die sogenannte Konzentrationspolarisation berücksichtigt wurde [12]. Diese ergibt sich aus der Veränderung der Bodenzusammensetzung, was wiederum eine Folge der beim Stromdurchtritt an der Grenzfläche Metall/Elektrolyt ablaufenden elektrochemischen Reaktionen ist. Der Streustromdurchtritt beeinflusst den Sauerstoffgehalt und den pH-Wert im Erdboden. Daraus folgt, dass längere kathodische Beeinflussungen (Stromeintritt) zu einer Verringerung der Bodenaggressivität führen, was zu höheren zulässigen anodischen Beeinflussungen bei kathodisch geschützten Rohrleitungen führt. Damit ist es möglich, zeitliche Mittelwerte der anodischen Beeinflussung für die Bewertung der Korrosionsgefährdung zu verwenden [12]. Dies führt zu einer deutlich vereinfachten Bewertung der Korrosionsgefährdung.
Diese neusten Erkenntnisse wurden 2021 in die SN EN ISO 21857 [2] übernommen. Es gibt nun erstmals ein weltweit anerkanntes Verständnis für die ablaufenden Prozesse und die Bewertung der Korrosionsgefährdung von Rohrleitungen unter Gleichstrombeeinflussung. Dies ist angesichts der vermehrten Anwendung von Gleichstromtechnik von grosser Bedeutung.

Messtechnik zur Erfassung der Beeinflussung 

Die messtechnische Erfassung der Streustrombeeinflussung erfordert ein vertieftes Verständnis der Strom- und Spannungsverteilung im Erdboden. Ohne deren Berücksichtigung ist es nicht möglich, die Beeinflussung korrekt zu erfassen. Insbesondere die Positionierung der Bezugselektrode ist relevant, damit repräsentative Daten ermittelt werden können. Diese Aspekte wurden in der SN EN 50162 [8] nicht ausreichend behandelt, was in der Vergangenheit wiederholt zu fehlerhaften Bewertungen der tatsächlichen Beeinflussungssituation geführt hat. Diese Thematik wurde detailliert in [4] behandelt. Aus den beschriebenen Abhängigkeiten folgt die Anforderung, dass der Abstand zwischen der Bezugselektrode zu den Schienen gleich gross oder kleiner sein muss als die minimale Annäherung der Rohrleitung an die Schienen. In Figur 3 sind der Stromeintritt (blauer Pfeil) und der Stromaustritt (roter Pfeil) als Folge der elektrischen Feldverteilung (rote Kurve) im Boden dargestellt. Die Streustrom­beeinflussung bewirkt somit eine geringfügige kathodische Beeinflussung um ΔUk an der grossen Fehlstelle (gelb) und eine starke anodische Beeinflussung um ΔUa an der kleinen Fehlstelle unterhalb der Schiene. Mit der Positionierung der Bezugselektrode auf dem Kreis mit Zentrum auf der nahen Schiene und einem Radius, der dem geringsten Abstand zwischen Schiene und Rohr entspricht, wird die maximal mögliche anodische Streustrombeeinflussung ermittelt.
Selbstverständlich ist es nicht immer möglich, diese Vorgaben für die korrekte Positionierung der Bezugselektrode einzuhalten, da asphaltierte oder betonierte Oberflächen den Zugang zum Erdboden verhindern. Mithilfe der SGK-Richtlinie C3 ist es aber möglich, die in Figur 3 dargestellte rote Feldverteilung numerisch zu modellieren und auf die erwartete Beeinflussung im relevanten Abstand von der Schiene zu schliessen. Damit werden erstmals Vorgaben für eine objektive und technisch korrekte Ermittlung der Streustrombeeinflussung geschaffen.

Streustromschutz in der Bahntechnik 

In Bezug auf die korrosive Beeinflussung der Bahninfrastruktur (z. B. der Schienen in Figur 2) oder von Drittstrukturen (z. B. der Rohrleitung in Figur 2) sind die wesentlichen Vorgaben für den Beeinflusser in der C3 aufgeführt:

• Der Rückleiter (die Schiene) ist galvanisch von der Bauwerkserde und dem Erdungssystem des Netzbetreibers zu trennen. Damit wird der Streustromfluss stark eingeschränkt.
• Der Streustromaustritt ist auf maximal 2,5 mA pro Laufmeter Gleis zu begrenzen. Dies wird durch die Isolation der Schiene und/oder durch Begrenzung des Schienenpotenzials erreicht.
• Das Schienenpotenzial kann durch ausreichende Rückleiterquerschnitte oder optimierte Speisegleichrichterabstände begrenzt werden.

Weiter wurden die Begrifflichkeiten in der Richtlinie C3 an jene der SN EN 50122-2 [3] angepasst. So wird die Schiene sowie das allenfalls vorhandene Rückleiterseil neu als Rückleitersystem bezeichnet. Weiter wird bei der Verbindung von metallischen Komponenten der Bahnanlage unterschieden, ob diese Verbindung dem Personenschutz oder der Rückleitung dient. Durch diese Anpassungen wird bei der Planung und dem Betrieb eine verbesserte Behandlung der Streustromschutzmassnahmen erreicht.

Schutzmassnahmen

In der Vergangenheit wurden zum Schutz gegen Streuströme sogenannte polarisierte Drainagen eingesetzt. Diese stellen im Wesentlichen eine galvanische Verbindung zwischen der Schiene und der Rohrleitung her. Der Einbau von Drainagen war sinnvoll, solange die Schienen nicht isoliert verbaut wurden. Faktisch wird durch den Einbau dieser Drainage eine Erdung der Schiene an die Rohrleitung bewirkt [13]. Im Falle von isolierenden Schienen ist dies nicht sinnvoll, da gemäss SN EN 50122-2 [3] der Streustromschutz durch Isolation der Schienen erreicht wird. Die früher mit der Drainage bewirkte Erdung der Schiene an die Rohrleitung ist somit im Widerspruch zu den heutigen Schutzkonzepten. Der Einbau von Drainagen ebenso wie die Verwendung der Schienen als Anoden für kathodische Schutzanlagen ist daher nicht mehr zulässig.
Alternativ wird das Verfahren der Bodenpotenzialsteuerung in der Richtlinie C3 eingeführt (Fig. 4). Dieses kompensiert durch einen Strom zwischen einer Anode (rot) und einer Erdungsanlage die streustrombedingte Potenzialveränderung im Erdboden. Die korrosiven Auswirkungen des Streustroms werden somit durch einen entsprechenden Gegenstrom aufgehoben [13]. Im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren wird damit nicht das Symptom, sondern die Ursache für die korrosive Wirkung des Streustroms aufgehoben. Dies führt erstmals zu einer Korrektur der Streustrombeeinflussung mit minimaler Auswirkung auf weitere Infrastrukturen.