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Korrosionsschäden an einer Rohrbrücke aus Stahl in einer Chemiefabrik

Dokumententyp: Schadensfall

Korrosionsschäden an einer Stahlrohrbrücke
© J. Faßbender
Die Beauftragung zur Begutachtung einer Rohrbrücke innerhalb eines Chemiewerks wurde im Jahr 2010 erteilt. Das zu begutachtende Bauwerk war eine Rohrbrücke, Baujahr Anfang 1979, welche als Stahlkonstruktion aus Walzmaterialien verschiedenster Abmessungen hergestellt ist. Als Walzstahl versteht man Trägerprofile, Flach – und Winkelstähle sowie Bleche in verschiedenen Stärken.

 

Vorgeschichte

Ende der 70er Jahre wurde innerhalb eines Chemiewerks eine Rohrbrücke installiert. Dieses Bauwerk wurde aus Walzmaterialien hergestellt. Durch die Einführung eines neuen Produkts und einer neuen Fertigungsstraße war 2010 eine Neuinstallation ganzer Rohrstränge an der Brücke notwendig. Da die ursprüngliche Konstruktion der Brücke gemäß den vorliegenden Unterlagen mit statisch ausreichend großen Reserven ausgeführt wurde, schien die Nachbelegung problemlos möglich. Im Zuge dieser Arbeiten stellten die ausführenden Firmen jedoch verschiedene Mängel durch Rostbefall an der Brücke fest.

 

Grundsätzliches

Die Brücke besteht aus senkrechten Stützen aus Trägerprofilen HEB 240, welche unten in Betonfundamente eingespannt sind. Die im Boden liegenden Fundamente wurden oberirdisch mit einer Abmessung von ca. 500 x 500 mm und 300 mm Höhe über den Bodenbelag weitergeführt. Dies sollte als Anfahrschutz dienen.

Die freistehenden Betonklötze weisen Abplatzungen durch Korrosion der unbehandelten Bewehrungsstähle auf.

 

12-16-04-01 Bild 1: Betonfundament mit Abplatzungen durch nicht gegen Korrosion geschützte Bewehrungsstähle (Quelle: Faßbender)

 

Zwischen diesen Stützen sind waagerechte Trägerprofile HEB 240 eingeschraubt. Oben sind auf diesen Stützen wiederum Kopfplatten aufgeschweißt. Diese dienen zur Aufnahme der waagerechten Brückenfelder, die jeweils eine Konstruktionslänge von rund zehn Metern aufweisen. Die Brückenfelder sind aus waagerecht liegenden Trägerprofilen HEB 200 mit diagonalen Aussteifungen aus Winkelstahl 80 x 80 x 6 mm ausgestattet. Ebensolche Winkelprofile dienen als kreuzförmige diagonale Aussteifungen in der Waagerechten.

Die gesamte Konstruktion wurde als Schraubkonstruktion gefertigt.

Die Stahlteile wurden vor der Beschichtung gesäubert und entfettet; lose Zunderteile wurden entfernt. Die Beschichtung wurde, gemäß den Messungen der Schichtdicke und den erkennbar verschiedenen Farben, vermutlich zweifach als Grundierung aufgetragen.

 

Beschreibung der Schäden

Die gesamte Konstruktion ist mittlerweile durch Rost befallen, wobei noch keine Gefährdung der Standsicherheit vorliegt. Um jedoch die Brücke auf lange Sicht für den Betrieb nutzbar zu halten und den bereits aufgetretenen Rostbefall so vor der weiteren Ausbreitung zu hindern, ist eine Sanierung wirtschaftlich sinnvoll. Durch eine solche Komplettsanierung kann die Lebensdauer um mindestens 25 Jahre verlängert werden.

 

Teilweise hat der Rostbefall der Konstruktion schon zu Lochbildungen und massiver Spaltkorrosion geführt. Hervorgerufen wurden diese Schäden v. a. durch die nicht ausgeführte, heute jedoch vorgeschriebene Feuerverzinkung für außen liegende Bauteile.

Bei der Konstruktion der Anlage wurden zudem verschiedene konstruktive Fehler begangen, die teilweise den Ersatz ganzer Stahlkonstruktionsteile unumgänglich machten:

Verschiedene Trägerprofile wurden mit der offenen Seite nach oben eingebaut. Hierdurch bleibt Regenwasser in dem Profil stehen und trocknet nur langsam aus. Dies wiederum führt dazu, dass sich Verunreinigungen aus der Luft oder herabtropfende Schadstoffe in diesen Profilgeometrien ansammeln und verstärkt reagieren können. Eine Auswaschung dieser Stoffe geschieht nicht.

Des weiteren wurden sämtliche Knotenbleche ohne Eckaussparungen ausgeführt. Dies begünstigt ebenfalls einen erhöhten Rostbefall dieser Bereiche.

 

12-16-04-02 Bild 2: Träger in waagerechter Position eingebaut,
mit Knotenblech ohne Eckaussparung.
Hierdurch sammelt sich Wasser an und es entsteht
starker Rostbefall. (Quelle: Faßbender)

 

Einige Bauteile wurden so konstruiert, dass „Tote Ecken“ entstanden. Diese Ecken verstärken durch die konstruktionsbedingten Feuchtigkeitsansammlungen und fehlende Ablaufmöglichkeiten die Korrosion und führten zu starken Schädigungen.

 

12-16-04-03 Bild 3: „Tote Ecke“ – Keine Ablaufmöglichkeit
für Wasser oder Kondensat (Quelle: Faßbender)

 

Aufgrund der fehlenden Feuerverzinkung hat sich zwischen den Windverbänden und Trägerprofilen starke Spaltkorrosion gebildet. Diese ist mittlerweile so stark, dass hier massive Rostentwicklung stattgefunden hat und ein Austausch dieser Windverbände notwendig ist.

Als weiteres ist festzustellen, dass Schrauben ohne Oberflächenschutz verbaut wurden. Viele der Schrauben sind so stark angegriffen, dass ein Lösen mit einem Schraubenschlüssel nicht mehr möglich ist.

 

12-16-04-04 Bild 4: Starke Spaltkorrosion zwischen Windverband aus Winkelstahl und Trägerprofil. (Quelle: Faßbender)

 

Die Sanierungsmaßnahmen

Im Sanierungsplan wurden folgende Maßnahmen festgelegt:

  1. Die gesamte Brückenkonstruktion wird abschnittweise durch Folieneinhausungen abgeschirmt.
  2. An diese Einhausungen sind Absauganlagen mit Filterelementen angebunden.
  3. Durch Sandstrahlen werden die vorhandenen Beschichtungen entfernt, die Walzhaut und Zunder ebenso und die Fläche stark aufgerauht.
  4. Das gebrauchte und verschmutzte Strahlgut wird in Behältern aufgefangen.
  5. Hiernach erfolgt ein mehrschichtiger Farbaufbau mit Grundierung, mindestens einer Zwischenschicht und einer Deckschicht.
  6. Die Schichtstärken werden jeweils kontrolliert und in einem gemeinsamen Protokoll festgehalten.
  7. Die irreparabel beschädigten Bauteile werden durch ebenso beschichtete Teile erneuert.
  8. Sämtliche Schraubverbindungen werden durch feuerverzinkte Schrauben ersetzt.
  9. Es erfolgt eine Gesamtabnahme der Maßnahme.
  10. Eine Kontrolle der Stahlkonstruktion durch einen Sachverständigen findet in Zukunft jährlich statt.

 

Schutz außen liegender Stahlbauteile heute

Heutzutage ist für den Oberflächenschutz als Mindestanforderung vorgeschrieben, dass Bauteile im Außenbereich mit einer Feuerverzinkung zu versehen sind.

Wodurch zeichnen sich feuerverzinkungsgerechte Konstruktionen aus bzw. welche Grundsätze sind bei der Konstruktion zu beachten?

 

a.

Tote Ecken und Winkel sind zu vermeiden. An Überlappungen sind Öffnungen vorzusehen. Auch bei Rahmenkonstruktionen aus offenen Profilen sind Entlüftungen und Ablaufmöglichkeiten vorzusehen. Durch diese Öffnungen können sich im Zinkbad keine Luftblasen bilden, das Zink kann ungehindert durchfließen und so eine schützende Schicht innen und außen über das gesamte Werkstück bilden. Außerdem sind alle Schweißnähte umlaufend und unterbrechungsfrei auszuführen.

b.

Konstruktionen aus Hohlprofilen, die in das Zinkbad eintauchen, müssen an der obersten und untersten Stelle mit Entlüftungslöchern versehen sein. Es dürfen keine Rohre ohne Entlüftungsöffnungen verbaut werden. Wird dies nicht beachtet, kann das Werkstück im Zinkbad „aufschwimmen“, Rohre können durch die sich ausdehnende Luft platzen und schlimmstenfalls zu erheblichen Verletzungen bei den Bediensteten am Zinkbad führen.

c.

Knotenbleche sowie Kopf- und Fußplatten müssen mit Eckaussparungen versehen werden, damit der Zink auch hier ungehindert durchfließen und eine umlaufende Schutzschicht bilden kann. Andernfalls können sich Luftblasen in Ecken bilden. Zudem führen solche Ecken dazu, dass Zink aus dem Zinkbad mit ausgeschleppt wird. Da das Feuerverzinken nach dem Gewicht des Werkstücks nach der Verzinkung berechnet wird, erhöhen solche Konstruktionsfehler zudem unnötig den Preis des Oberflächenschutzes und mindern den Gewinn des ausführenden Metallbauers.

d.

Bei Schottblechen in Profilen oder Kästen sollten Ausschnitte vorgesehen werden, die ein Durchströmen des Zinks möglich machen.

e.

Bei der Konstruktion und Herstellung von Bauteilen, welche verzinkt werden sollen, muss ggf. vorher die Kesselgröße beim ausführenden Feuerverzinker angefragt werden. Eventuell führen bereits geringe Änderungen zu erheblichen Kosteneinsparungen. Je nach Konstruktionsart des Werkstücks werden andernfalls für Bauteile mit geringen Stückgewichten, wie z. B. Geländern aus Rohren, Sperrigkeitszuschläge erhoben.

 

In Bezug auf den heute vielfach gebrauchten Begriff des nachhaltigen Bauens wurde nachgewiesen, dass eine Feuerverzinkung im Vergleich zu den klassischen Farbbeschichtungen positive Aspekte hat. Es werden bei der Feuerverzinkung im Vergleich bis zu dreimal weniger Ressourcen verbraucht.

In einer Studie der TU Berlin wurde – ausgehend von einem klassischen Parkhaus bei Verwendung von 500 Tonnen Stahl – festgestellt, dass bei Verwendung der Feuerverzinkung bis zu 114 kg CO2 pro Tonne Stahl weniger entsteht, als bei einer "herkömmlichen" Beschichtung. Dies entspricht, auf das vorgenannte Bauwerk bezogen, einer Einsparung von 50 Tonnen CO2 im Vergleich zur Farbbeschichtung.

Einen zusätzlichen Schutzeffekt kann man durch den Einsatz des Duplexverfahrens erreichen. Hierbei wird die bereits fertig feuerverzinkte Oberfläche mit einer anschließenden Beschichtung versehen. Die Zinkschicht schützt hierbei die Beschichtung vor einer Unterrostung, die Farbschicht verhindert einen Abtrag des Zinküberzugs. Diese beiden Verfahren ergänzen sich und erhöhen, abhängig von der Umweltbelastung, die Lebensdauer um das ca. 1,5 – 2,5-fache.
Das Duplex-Verfahren findet v. a. dann Anwendung, wenn eine besonders lange Schutzdauer angestrebt wird und wenn Konstruktionen für spätere Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten nicht mehr oder nur unter erschwerten Bedingungen zugänglich sind.

 

 

Fazit

Betrachtet man die Schichtdicken bei feuerverzinkten Bauteilen und berücksichtigt die umweltbedingten Abtragungen, hätten die Bauteile der Rohrbrücke mit 8 – 15 mm Materialstärke und einer Schichtdicke der Feuerverzinkung von ca. 150 µm sowie einer Abtragung von 3 µm/anno ohne weiteres eine Lebensdauer von rund 50 Jahren erreicht, bevor größere Schäden entstanden wären.

Eine Ausführung der vorhandenen Rohrbrücke war aufgrund der generell verwendeten Schraubkonstruktion grundsätzlich möglich. Kleinere Konstruktionsänderungen, um eine feuerverzinkungsgerechte Bauweise zu realisieren, wären jedoch ohne erheblichen Kostenaufwand möglich gewesen.

Die zur Errichtungszeit „sehr teure“ Feuerverzinkung hätte sich durch die später geringeren Kosten für eventuelle Renovierungsmaßnahmen an einer solchen Konstruktion amortisiert.

 

Autor

Josef Faßbender

Öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger
Metallbauermeister
Brandschutzbeauftragter

Euskirchener Straße 89
53902 Bad Münstereifel