Korrosion 15. Apr 2016 Marianne Wollenweber

Bakterien gehen auf Beutezug

Biokorrosion: Die Stahlfüße von Offshore-Windkraftanlagen in Nord- und Ostsee sind besonders gefährdet.
Foto: BAW

Ausgefranste Löcher in Stahlbauteilen, marode Abflussrohre mit pockennarbigem Überzug, undichte Stahlrohre, die durch Blasen und Löcher unbrauchbar sind – wenn Bakterien günstige Bedingungen vorfinden, hinterlassen sie in kurzer Zeit eine folgenschwere Spur der Verwüstung.

„Hier ist eine der ältesten Bakterienarten am Werk, die wir überhaupt kennen. Diese sind hart im Nehmen und bilden sich in ihrem Biofilm ein eigenes, für sie vorteilhaftes Milieu“, erklärt Roland Baier von der Abteilung Bautechnik der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) in Karlsruhe das Problem der mikrobiell induzierten Korrosion (MIC).

Vor einigen Jahren stellten BAW-Forscher fest, dass 10 mm dicke Rammpfähle aus Baustahl nach einer Standzeit von nur 35 Jahren im Brackwasser der Ostsee komplett durchgerostet waren. Was war der Grund für den im maritimen Bereich ungewöhnlich hohen Materialabtrag von durchschnittlich 0,29 mm/a? Stahlteile wie Spundwandbohlen zur Uferbefestigung an Wasserstraßen unterliegen im Süßwasser einer natürlich bedingten Korrosion von 0,02 mm bis 0,05 mm/a. Im Meerwasser kann diese je nach Standort sogar bis zu 0,120 mm/a betragen.

Sulfatreduzierende Mikroben unter Wasser

Unterm Mikroskop zeigten sich Rostflächen an den Außenflächen der Spundwände aus der Ostsee. An den Pfahlinnenflächen hingegen wurde eine starke Lochfraßkorrosion festgestellt. Hier ließen sich sogenannte sulfatreduzierende Bakterien (SRB) in hohen Konzentrationen nachweisen. Die Zusammensetzung des Rostes unterschied sich deutlich von normalem Rost, der in feuchter Umgebung bei Stahl und Eisen durch Oxidation mit Sauerstoff entsteht.

In den meisten MIC-Schadensfällen sind die SRB ursächlich beteiligt, stellten die Karlsruher Forscher fest. Diese Bakterien leben im sauerstoffarmen, anaeroben Milieu und produzieren Schwefelwasserstoff. Die benötigten Elektronen werden durch die forcierte, lokale Korrosion der Stahlbauteile mit entsprechender Eisenauflösung oder durch die Oxidation von Biomasse etwa aus Gewässerverunreinigungen bereitgestellt.

Für den Werkstoff Stahl ist der bakteriell produzierte Schwefelwasserstoff ein höchst aggressives Medium, das die chemisch bedingte Korrosion stark beschleunigt. Bei Baustahl entsteht durch die Bakterien ein auffälliger Rost. Dieser enthält u. a. schwarzes Eisensulfid, das vermischt mit Carbonaten aus dem Wasser Krusten bildet – kugelig aussehendes Greigit, gelben, elementaren Schwefel und gelbbräunliches Siderit. Eine solche Zusammensetzung weist „normaler“ Rost nicht auf.

Anschließend können in Bauteilbereichen mit höheren Sauerstoffgehalten die entstandenen Sulfide und der Schwefelwasserstoff durch den Einfluss von sulfidoxidierenden Bakterien (SOB) zu ätzender Schwefelsäure oxidiert werden. Auch das führt zu erhöhten Stahlabtragungsraten, wobei sich Sulfatmineralien wie Rozenit, Melanterit, Jarosit und Gips bilden können.

Die chemische Analyse ergibt einen typischen Aufbau des korrodierten Stahlteils mit folgenden Schichten: eine blank wirkende Stahloberfläche, darüber eine schwarze Schicht aus Eisensulfiden mit Schwefel bzw. Siderit und schließlich wasserseits eine Randschicht mit Rotrost, Sulfatmineralien und rotbraunem Schwermannit, einem Eisenoxyhydroxysulfat. Mithilfe der sulfidischen Rostprodukte lässt sich die Korrosionsursache chemisch analysieren.

Offshore-Windkraftanlagen, die auf Stahlfüßen im Meer stehen, sind besonders gefährdet. Die BAW untersucht gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Bremerhaven und der Amtlichen Materialprüfanstalt (MPA) Bremen, ob das Gefährdungspotenzial solcher Anlagen in Nord- und Ostsee vorausgesagt werden kann.

Schutz durch Beschichtung und galvanische Anoden

Dabei soll auch analysiert werden, wie die Besiedelung von unbeschichteten Stahlgründungsstrukturen durch Opferanoden, wie im Kathodischen Korrosionsschutz (KKS) üblich, beeinflusst werden kann. In Zukunft sollen in den Regelwerken für Offshore-Anlagen Mindestanforderungen für Korrosionsmaßnahmen für die Windparks bereits im Planungs- und Designprozess gelten, die eine möglichst geringe Belastung für die Meeresumwelt von Anfang an berücksichtigen.

Werden Windanlagen ohne Korrosionsschutz gebaut, kann sich nach einem BAW-Gutachten allein durch den Einsatz von galvanischen Aluminium-Anoden für den Innenraum eines Stahlpfahls (Monopile) und für dessen unbeschichteten Unterwasseraußenbereich über die Standzeit von 25 Jahren ein Verbrauch von mehreren Tonnen Aluminium ergeben.

Deutliche Vorteile hat der kombinierte Schutz aus Beschichtung und dem Einsatz galvanischer Anoden: Die Beschichtung aus lösemittelarmen Epoxidharzen und Polyurethanen kann an Land aufgebracht werden. Das vermeidet Lösemitteleinträge ins Meer. Und der Aluminiumeintrag wird auf weniger als ein Zehntel reduziert.

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