Kavitation und Bimetall-Korrosion:
Wenn zwei Schadensmechanismen zusammentreffen
Als Korrosionsschützer und Schweißfachingenieur im Stahlwasserbau sind Kavitation und Bimetall-Korrosion (Kontaktkorrosion) bekannte, jedoch für die Lebensdauer von Bauteilen sehr unangenehme Schadensmechanismen. Besonders herausfordernd ist ihr kombiniertes Auftreten, wie wir es regelmäßig im Abströmbereich von Kaplan-Turbinen beobachten.
Ein Fachbeitrag von Christoph Maser | Der Korrosionsschützer
Ihr Experte für nachhaltigen Korrosionsschutz
29. Oktober 2025
Die Kausalkette der Zerstörung
Die Befundung einer Turbine zeigte die klassische Schädigungsabfolge, welche im kavitationsgefährdeten Bereich in der nachfolgenden Form dann eintritt, wenn dieser in der Vergangenheit mittels Aufschweißung eines rostfreien Materials plattiert wurde - sehr wahrscheinlich um bereits vorhandene Kavitationsschäden zu minimieren. Jedoch folgte nach dem Zerstören dieser Schicht durch Kavitation ein zusätzlicher elektrochemischer Schadensprozess, oder kurz: Auf einen mechanischen Schadensprozess folgt ein elektrochemischer Schadensprozess gepaart mit dem weiterhin vorhandenen mechanischen Schadensprozess.
1. Initialschaden durch Kavitation:
Durch die Strömungsverhältnisse im Abströmbereich einer Kaplanturbine entstehen lokale Unterdruckbereiche (Partialdruck fällt unter 0 bar). In diesen Unterdruckbereichen entstehen Dampfblasen, welche beim Auftreffen auf Material zerplatzen (implodieren). Dieser Vorgang kann bei einer Wasserturbine millionenfach innerhalb kurzer Zeit vonstattengehen. Die Oberfläche des Materials wurde durch das Zerplatzen (implodieren) der Blasen beschädigt, was dazu geführt hat, dass die rostfreie (Plattierungs-)Schicht in einigen Bereichen vollständig durchschlagen wurde.
2. Folgeschaden durch Bimetall-Korrosion:
Folgeschaden durch Bimetall-Korrosion: Durch die Beschädigung wird der unedlere Schwarzstahl des Grundmaterials freigelegt. Die entstandene Schwarz-Weiß-Verbindung (rostfreier Edelstahl/Schwarzstahl) im wässrigen Elektrolyt führt zur extrem schnellen Korrosion des unedleren Grundmaterials. Dies wiederum bewirkt, dass sich die Plattierung aufgrund fehlender Verkrallung mit dem Grundmaterial (Hinterrostung) weiter ablöst.
Bimetall-Korrosion:
Die unterschätzte Gefahr (Kontaktkorrosion)
Fazit: Jede Verbindung von Metallen mit unterschiedlichen Normalpotentialen in feuchter Umgebung muss bei der Konzeption und Sanierung als potenzielle Korrosionsstelle betrachtet und für Sanierungsmaßnahmen umfassend bewertet werden.
Entwicklung eines ganzheitlichen Sanierungskonzepts
In kritischen Bereichen wie Wasserkraft, Anlagenbau und Großmaschinenbau ist die Bimetall-Korrosion eine häufig unterschätzte „Zeitbombe“. Sie entsteht, wenn Metalle mit unterschiedlichen Normalpotentialen leitend miteinander in Kontakt stehen und von einem Elektrolyten (z. B. Wasser) benetzt werden. Dabei stellt das Material mit dem niedrigeren Normalpotential das unedlere Material dar
Der Mechanismus: Das unedlere Metall wird zur Anode und zersetzt sich, das edlere Metall (Kathode) bleibt geschützt. Die Korrosionsgeschwindigkeit ist abhängig von der in Wirkung stehenden Oberfläche der Materialien (Flächenregel) und kann um den Faktor 10-100 fach schneller verlaufen als eine “normale” Korrosion.
Kavitationsschaden einer Kaplan-Turbine
Die reine Behebung des Kavitationsschadens ohne ein ganzheitliches Konzept zur Beseitigung der zugrundeliegenden Bimetallkorrosion würde bei diesem Schadensmechanismus keine nachhaltige Lösung darstellen.
Beispiel für kritische Paarungen
Die erfolgreiche Sanierung kombinierter Schäden erfordert die nahtlose Integration von Korrosionsschutz- und Schweißtechnik. Für das erstellte Sanierungskonzept mussten folgende technische Schlüsselfragen beantwortet werden:
- Präzise Materialanalyse: Welche chemischen Eigenschaften besitzen Grundmaterial und Plattierung? (Bewertung der Potentialdifferenz).
- Optimale Werkstoffwahl: Welche neuen Plattierungswerkstoffe bieten eine höhere Beständigkeit gegen Kavitation und sind galvanisch am kompatibelsten?
- Schweißtechnische Sicherheit: Wie gewährleisten wir eine einwandfreie Schwarz-Weiß-Schweißverbindung? Welcher Schweißfolgeplan minimiert Spannungen und Verzüge, um die Kontur zu erhalten?
Präventionsstrategien bei Verbindungen unterschiedlicher Normalpotentiale:
- Elektrische Isolation: Unterbrechung des direkten Metallkontakts durch nichtleitende Materialien (Gummi, Kunststoff), z.B. bei Flanschverbindungen mittels eines sogenannten “Isolierflansches”.
- Beschichtungen: Das unedlere Metall (Anode) sollte vollständig beschichtet werden, um die Anodenfläche zu minimieren. Jedoch gilt es, folgendes Risiko zu bedenken: Kleinste Fehlstellen in der Beschichtung führen zum Pin-Hole-Effekt und extrem schneller, lokaler Korrosion). Daher ist die Empfehlung, ebenfalls die edlere Kathodenfläche zu beschichten.
- Flächenverhältnis: Das Verhältnis von Anode (unedel) zu Kathode (edel) sollte möglichst groß sein, um die Korrosionsgeschwindigkeit zu minimieren (Flächenregel).
Korrosionsanalyse und Frühwarnzeichen
Eine frühzeitige und präzise Schadensanalyse ist der Schlüssel zur Langlebigkeit einer Anlage.
Schwerpunkte der Analyse:
- Identifizierung der Korrosionsart (Lochfraß, Kontaktkorrosion, Flächenkorrosion).
- Bewertung von Fortschritt, Tiefe und Dringlichkeit der Sanierung des Schadens.
- Überprüfung des Beschichtungszustands.
- Analyse von korrosionsbegünstigenden Umwelteinflüssen und Materialkombinationen.
Folgen von Korrosion: Fortschreitende Korrosion führt prinzipiell immer zu einer Substanzschädigung von Metallen, welche zu reduzierter Tragfähigkeit von Stahlkonstruktionen, verminderter Druckstabilität von Rohrleitungen und fehlender Abdichtung hin zu vollständigem Materialversagen und ungeplanten Betriebsstillständen führt.
Ihr Partner für nachhaltige Sanierungen:
Ein fundiertes Sanierungskonzept, das die Expertise eines Korrosionsschützers und eines Schweißfachingenieurs vereint, ist essentiell für die Sanierung derartiger Schäden. Wir bieten Ihnen die ganzheitliche Analyse und detaillierte Sanierungsplanung, um die Ursachen zu bekämpfen und Ihre Anlage zukunftssicher zu machen.
Unterwanderung (Hinterrostung) der rostfreien Plattierung