Gefahrenvermeidung von Wasserstoffversprödung

Die wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion kann plötzliche Systemausfälle an Funktionsbauteilen von Windkraftanlagen verursachen. Die Folge: Wartungs- und Reparaturarbeiten und dadurch Stillstand der Anlagen. Um dies zu vermeiden, bedarf es eines effektiven Korrosionsschutzes.

Ganz gleich, ob Anlagen-Neubau oder turnusmäßige Wartungs- und Reparaturarbeiten: Um den Montageprozess so effizient wie möglich zu gestalten und Anlagenstandzeiten zu verlängern, sollten die Komponenten von Windkraftanlagen effektiv beschichtet sein. Denn nicht nur Rotrost ist schädlich für die Bauteile. Gefährlich ist auch die wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion – ein Phänomen, das aus scheinbar „heiterem Himmel“ eintritt. Es führt besonders bei hochfesten Bauteilen zum plötzlichen Versagen. Konstruktionsteile, aber auch Verbindungselemente, können von jetzt auf gleich brechen. Bei Windkraftanlagen bedeutet dieser plötzliche Ausfall: Stillstand und damit verbunden Kosten.

Zusammenspiel verschiedener Ursachen

Die Gefahr der Wasserstoffversprödung betrifft hochfeste Stähle ab Festigkeiten > 1.000 N/mm2und wird begünstigt durch z. B. Gefügefehler, Einschlüsse, Verunreinigungen oder mechanische Spannungen bei der Stahlverarbeitung. Weitere Einflussgrößen ergeben sich bei der Fertigung von Bauteilen aus Stahl durch Maßnahmen wie Umformung, Verfestigung oder Wärmebehandlung. Aber auch die Beschichtung des Bauteils kann einen Einfluss haben. Bei Beiz- bzw. Reinigungsvorgängen und dem galvanischen Beschichten von ferritischen Stahlteilen kann im Prozessbad atomarer Wasserstoff entstehen, der in die Stahloberfläche eindiffundieren kann. Nicht zuletzt kann eine Wasserstoffbeladung durch Korrosionswasserstoff erfolgen, also beim Benutzen der Bauteile. Es ist das kritische Zusammenwirken verschiedener Einflussgrößen, welches schließlich zum Versagen eines Bauteils führt, ohne dass eine Vorschädigung bemerkt werden konnte.

Ein schleichender Prozess

Der atomare Wasserstoff wandert im Stahl zu den Korngrenzen und Fehlstellen, reichert sich dort an und schwächt dabei den Metallverbund bis ein mikroskopisch feiner Riss entsteht. Dadurch entspannt sich zwar diese Zone, an der Rissspitze entstehen jedoch neue Spannungskonzentrationen, die ihrerseits wieder atomaren Wasserstoff anziehen, geschwächt werden und reisen. In letzter Konsequenz kann der Restquerschnitt die äußere Zugbelastung nicht mehr tragen und es kann zu einem verzögerten Sprödbruch kommen.


REM-Aufnahme eines Wasserstoffrisses interkristallin 10 µm (Foto: GSI SLV Duisburg)

Die DIN 50969-1 beschreibt, wie sich die Einflussgrößen der wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion durch die konstruktive Auslegung eines Bauteils, durch werkstofftechnische und fertigungstechnische Maßnahmen und durch die Verminderung von Zugeigenspannungen reduzieren lassen. Auch bei der Beschichtung kann man versuchen, die Wasserstoffaufnahme durch entsprechende Prozessführung zu minimieren – zum Beispiel indem man bei der Vorbehandlung nicht beizt, sondern strahlt oder alkalisch entfettet. Auch kann man den Wasserstoff durch Tempern wieder effundieren lassen. Dies hängt jedoch von der Struktur der Beschichtung ab und ist zeit- und damit kostenaufwändig.


REM-Aufnahme eines Wasserstoffrisses transkristallin 10 µm (Foto: GSI SLV Duisburg)

Zinklamelle als „entspannte“ Lösung

Eine relevante Alternative stellt deshalb der Einsatz eines Beschichtungssystems dar, in dessen Prozess gar kein Wasserstoff angeboten wird. Die nicht-elektrolytische applizierte Zinklamellenbeschichtung ist deshalb eine gute Wahl bei der Herausforderung, ein hochfestes Stahlbauteil sicher vor Korrosion zu schützen. Dabei handelt es sich um einen „Lack“ aus vielen kleinen Lamellen, der Bauteile verschiedener Art primär vor Korrosion schützt. Durch die Opferwirkung des unedleren Zinks schützt er aktiv vor Umwelteinflüssen. Das nennt sich kathodischer Korrosionsschutz. 

Zinklamellenüberzüge enthalten meist eine Kombination aus Zink- und Aluminiumlamellen (gem. DIN EN ISO 10683 oder DIN EN 13858), die durch eine anorganische Matrix verbunden sind. Das System, bestehend aus einem Base- und einem Topcoat, hat nur eine Schichtdicke von 8 bis 20 μm und ermöglicht sehr hohe Standzeiten in verschiedenen Korrosionsschutztests. Lamellenartig angeordnete Zinkpartikel, verbunden durch eine Bindermatrix, vernetzen dabei auf dem Bauteil. Dies kann schon bei Raumtemperatur geschehen; die meisten Produkte vernetzen jedoch bei Temperaturen von gewöhnlich 180–220°C. Materialschonender kann kathodischer Korrosionsschutz nicht aufgebracht werden. Je nach Bauteil empfehlen sich unterschiedliche Applikationsformen wie z. B. das Tauch-Schleuder-Verfahren oder die Spritz-Applikation.


Verhältnis von Schichtdicke zu Salzsprühnebeltestbeständigkeit, in Anlehnung an ISO 10683

Keine Frage der Kosten

Effektive Zinklamellensysteme bieten also nicht nur einen hoch leistungsfähigen kathodischen Korrosionsschutz, sondern sind auch dank der geringen Schichtdicke nicht kostenintensiver als bedingt geeignete, konventionelle Dickschichtlackierungen.