Samstag, 3. Juli 1999. Die „Random Harvest“, ein 33 Fuß langes GFK-Charterboot, befindet sich mit zwei Mann Besatzung und sechs Gästen auf der Rückfahrt von einem Angelausflug im Ärmelkanal.
Rund vier Meilen südwestlich der Brighton Marina ertönt plötzlich der Bilgenalarm – allerdings nur kurz, bevor er wieder verstummt. Als der Skipper die Bodenluke im Steuerhaus öffnet, entdeckt er einen massiven Wassereinbruch. Die elektrische Bilgepumpe wird eingeschaltet, der Decksmann bedient zusätzlich die Handlenzpumpe. Außerdem stellt der Skipper den Kühlwasserzulauf der Maschine so um, dass die Seewasserpumpe Wasser aus der Bilge ansaugt.
Erst durch diese Kombination gelingt es, den Wassereinbruch unter Kontrolle zu bringen. Die „Random Harvest“ kann, begleitet von einem Rettungsboot, in die Marina zurückkehren.
Wenig später identifizieren Sachverständige der britischen Marine Accident Investigation Branch einen gebrochenen, 25 Millimeter großen Borddurchlass des Toiletten-Seewasserzulaufs als Ursache. Der Messingbeschlag war unmittelbar am Beginn seines Gewindes gebrochen.
Doch wie konnte ein erst rund 16 Monate zuvor eingebauter Borddurchlass derart plötzlich versagen?
Nun … die Antwort findet sich in der guten alten elektrochemischen beziehungsweise galvanischen Spannungsreihe, mit der so mancher von uns bereits im Physikunterricht mehr oder weniger engen Kontakt hatte.
Drehen wir das Rad der Zeit also etwas zurück. Bitte um Ruhe im Klassenzimmer!
Metalle und Metalllegierungen besitzen in einer bestimmten Umgebung unterschiedliche elektrochemische Potenziale. Diese werden gegenüber einer Referenzelektrode gemessen und zeigen vereinfacht ausgedrückt, wie stark ein Metall dazu neigt, Elektronen abzugeben und dabei als Metallion in Lösung zu gehen.
Metalle mit einem vergleichsweise positiveren beziehungsweise weniger negativen Potenzial gelten als „edler“. In einer galvanischen Verbindung übernehmen sie eher die Rolle der Kathode.
Metalle mit einem stärker negativen Potenzial sind dagegen reaktionsfreudiger oder „unedler“. Sie übernehmen gegenüber einem edleren Metall eher die Rolle der Anode – und sind damit jener Teil der Verbindung, an dem Material abgetragen wird. Die Einordnung ist also immer relativ zur jeweiligen Metallpaarung und zur umgebenden Flüssigkeit zu verstehen.
„Edle und Unedle Metalle“
Wie aus der nachfolgenden Tabelle ersichtlich wird, befindet sich Bronze vergleichsweise weit auf der edleren Seite der Spannungsreihe. Magnesium weist dagegen ein stark negatives Potenzial auf und ist entsprechend anodisch beziehungsweise sehr reaktionsfreudig.
Aber was hat das alles mit einem gebrochenen Borddurchlass zu tun, könnte man nun zweifelnd in Richtung Lehrerpult fragen?
Solange alle Beteiligten im Trockenen sitzen, wären die bisherigen Erkenntnisse tatsächlich nur mäßig aufregend. Ganz anders sieht es jedoch aus, sobald – wie bei Booten nicht ganz unüblich – Wasser hinzukommt.
Wasser ist elektrisch leitfähig und wirkt als sogenannter Elektrolyt. Besonders gut funktioniert dies in Salz- und Brackwasser, da die darin gelösten Salze die Leitfähigkeit erhöhen.
Bringen wir nun zwei Metalle mit unterschiedlichen Potenzialen in einen solchen Elektrolyten und verbinden sie zusätzlich elektrisch miteinander, entsteht ein galvanisches Element.
Für die Elektronen ist das gewissermaßen wie das Läuten der Pausenglocke nach dem Physikunterricht: Die vorhandene Potenzialdifferenz setzt sie in Bewegung.
Sie fließen über die metallische Verbindung von der Anode zur Kathode. An der Anode gehen gleichzeitig Metallatome als positiv geladene Ionen in die Flüssigkeit über. Das Metall verliert dadurch nach und nach an Substanz.
Die Kathode wird dagegen geschützt.
Welche chemischen Einzelreaktionen dabei genau stattfinden, heben wir uns für die nächste Unterrichtsstunde auf. Für den Moment genügt die Erkenntnis: Die Anode verliert Material, weil sie Elektronen bereitstellt – oder, etwas anschaulicher formuliert, weil sie sich gegenüber der Kathode „aufopfert“.
Genau dieses Prinzip machen wir uns später beim kathodischen Korrosionsschutz ganz bewusst zunutze.
Doch bei der „Random Harvest“ war nicht etwa eine ordnungsgemäß ausgewählte Opferanode das Problem.
Wir erinnern uns: Der Wassereinbruch entstand durch den gebrochenen Borddurchlass des Toiletten-Seewasserzulaufs. Dieser bestand aus bleihaltigem 60/40-Messing – einer Legierung, die im Wesentlichen aus rund 60 Prozent Kupfer und 40 Prozent Zink besteht
Entzinkung - Das Unglück kommt auf leisen Pfoten
Zink ist innerhalb einer Messinglegierung der unedlere und reaktionsfreudigere Bestandteil. Unter ungünstigen Bedingungen kann es deshalb bevorzugt aus der Legierung herausgelöst werden.
Dieser Prozess wird als Entzinkung bezeichnet.
Dabei bleibt ein poröses, kupferreiches Metallgefüge zurück. Der Beschlag kann äußerlich noch nahezu vollständig erscheinen und weist oftmals lediglich eine rosa bis rötliche Verfärbung auf. Seine ursprüngliche Festigkeit hat er jedoch weitgehend verloren.
Aus einem scheinbar soliden Metallteil wird auf diese Weise ein sprödes und mechanisch kaum noch belastbares Bauteil.
Bei der „Random Harvest“ war die Entzinkung bereits durch die gesamte Wandstärke bis in den Gewindegrund vorgedrungen. Dort führten zusätzliche mechanische Spannungen schließlich zum Bruch des Borddurchlasses. Auch der benachbarte Beschlag zeigte bereits deutliche Entzinkungserscheinungen.
Metallurgen sprechen dabei auch von einer Form der selektiven Korrosion oder „De-Alloying“: Nicht die gesamte Legierung wird gleichmäßig abgetragen, sondern bevorzugt einer ihrer Bestandteile.
Das Heimtückische daran: Der Vorgang vollzieht sich oftmals über lange Zeit nahezu unbemerkt.
Bild oben: Fallbeispiel für die Entzinkung eines Borddurchlasses auf einer Oyster 68. Weitere Informationen zu dieser Begutachtung finden sie hier: [Referenzgutachten Oyster 68]
Galvanische Korrosion und Streustromkorrosion
Bei der galvanischen Korrosion werden zwei unterschiedliche Metalle elektrisch miteinander verbunden und gleichzeitig einem Elektrolyten ausgesetzt. Das unedlere Metall wird zur Anode und korrodiert, während das edlere Metall als Kathode geschützt wird.
Ein funktionierendes galvanisches Element benötigt somit:
- eine Anode,
- eine Kathode,
- einen elektrisch leitenden Weg zwischen beiden Metallen
- und einen Elektrolyten, beispielsweise Meerwasser.
Bei der „Random Harvest“ war die unmittelbare Schadensform jedoch eine fortgeschrittene Entzinkung des Messing-Borddurchlasses.
Die Ermittler kamen außerdem zu dem Schluss, dass Streuströme aus der elektrischen Anlage des Bootes die ungewöhnlich hohe Korrosionsgeschwindigkeit wahrscheinlich zusätzlich beschleunigt hatten. Eine relevante galvanische Beeinflussung durch die benachbarte kupferne Erdungsplatte wurde dagegen als eher unwahrscheinlich beurteilt.
Stammt der korrosionsfördernde Strom nicht allein aus der natürlichen Potenzialdifferenz zweier Metalle, sondern aus einer externen elektrischen Quelle, spricht man von Streustrom- oder Fremdstromkorrosion. Traditionell wird hierfür auch die Bezeichnung „elektrolytische Korrosion“ verwendet.
Solche Ströme können beispielsweise durch beschädigte Kabel, feuchte oder korrodierte Anschlüsse, fehlerhafte Geräte, mangelhafte Masseverbindungen oder unzureichend ausgeführte elektrische Installationen entstehen.
Besonders kritisch sind Gleichströme. Sie können wesentlich größere Korrosionsströme verursachen als eine natürliche galvanische Metallpaarung und innerhalb vergleichsweise kurzer Zeit erhebliche Schäden an Unterwasserbauteilen hervorrufen. Der MAIB-Bericht bezeichnet Streuströme deshalb als wahrscheinlichen Beschleunigungsfaktor beim Versagen des Borddurchlasses.
Bild oben: Das Rumpfpotenzial beschreibt die elektrische Potenzialdifferenz zwischen dem metallischen Rumpf beziehungsweise dem Bonding-System des Bootes und einer definierten Referenzelektrode im Wasser. Im gezeigten Messaufbau wird hierfür eine Silber-/Silberchlorid-Referenzelektrode möglichst nahe am Aluminiumrumpf ins Wasser gehängt und über ein Multimeter mit dem Rumpf verbunden.
Der gemessene Gleichspannungswert gibt Hinweise darauf, ob der kathodische Korrosionsschutz im vorgesehenen Bereich arbeitet. Ein zu wenig negatives Potenzial kann auf unzureichenden Schutz hindeuten; ein auffällig stark negatives Potenzial kann unter anderem durch Überprotektion oder Fremdströme verursacht werden. Entscheidend ist stets der Vergleich mit den Vorgaben des Rumpf- beziehungsweise Anodenherstellers.
Da Landstrom, galvanische Isolation, Anodenzustand, Wasserqualität und benachbarte Boote den Messwert beeinflussen können, ist eine Einzelmessung nur eine Momentaufnahme. Besonders aussagekräftig sind regelmäßig wiederholte Messungen unter vergleichbaren Bedingungen.
Mit seemännischen Grüssen, Ihr
Ing. Ingolf Schneider, MASc (AffIIMS)
Zertifizierter Sachverständiger für Boote und Yachten bis 24m (LLoyds Maritime Academy, American Boat and Yacht Council). Mitglied der Royal Institution of Naval Architects und des International Institute of Marine Surveyors
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