Korrosionsschäden an einer Rohrbrücke aus Stahl in einer Chemiefabrik

Korrosionsschäden an einer Rohrbrücke!

Die Beauftragung zur Begutachtung einer Rohrbrücke innerhalb eines Chemiewerkes wurde im Jahr 2010 erteilt.

Vorgeschichte: Das zu begutachtende Bauwerk war eine Rohrbrücke, Baujahr Anfang der 79er Jahre, welche als Stahlkonstruktion aus  Walzmaterialien verschiedenster Abmessungen hergestellt ist. Als Walzstahl versteht man Trägerprofilen, Flach – und Winkelstählen sowie Blechen in verschiedenen Stärken.

Ende der 70er Jahre wurde innerhalb eines Chemiewerkes eine Rohrbrücke installiert. Dieses Bauwerk wurde aus Walzmaterialien hergestellt.

Durch die Einführung eines neuen Produktes und auch einer neuen Fertigungsstraße, war die Neuinstallation ganzer Rohrstränge notwendig. Da die ursprüngliche Konstruktion der Brücke gemäß den vorliegenden Unterlagen mit statisch ausreichend großen Reserven ausgeführt wurde, war die Nachbelegung problemlos möglich.

Im Zuge dieser Arbeiten stellten die ausführenden Firmen verschiedene Mängel durch Rostbefall an der Brücke fest. Herstellungsjahr 1979 / 1980

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 mm * 500mm und 300 mm in der Höhe über den Bodenbelag weitergeführt. Dies sollte als Anfahrschutz dienen.

• Diese freistehenden Betonklötze weisen durch Korrosion der unbehandelten Bewehrungsstähle Abplatzungen auf.

Betonfundament mit Abplatzungen durch nicht gegen Korrosion geschützte Bewehrungsstähle eingespanntem Träger? Quelle: Sachverständiger Josef 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 10,0 Meter aufweisen.  Die Brückenfelder sind aus waagerecht liegenden Trägerprofilen HEB 200 mit Diagonalen Aussteifungen aus Winkelstahl 80*80*6mm 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, sowie lose Zunderteile entfernt. Die Beschichtung wurde, gemäß Messungen der Schichtdicke und erkennbar verschiedener Farben vermutlich zweifach als Grundierung aufgetragen.

Beschreibung der Schäden:

Die gesamte Konstruktion ist mittlerweile durch Rost befallen. Eine Gefährdung der Standsicherheit liegt jedoch noch nicht vor. Um jedoch die Brücke auf lange Sicht für den Betrieb nutzbar zu unterhalten und den bereits aufgetretenen Rostbefall so vor der weiteren Ausbreitung zu hindern, ist eine Sanierung wirtschaftlich sinnvoll. Teilweise hat der Rostbefall der Konstruktion schon zu Lochbildungen und massiver Spaltkorrosion geführt. Hervorgerufen wurden diese Schäden vor allem durch die nicht ausgeführte, heute jedoch vorgeschriebene Feuerverzinkung für außen liegende Bauteile.

Manche Bauteile müssen ausgetauscht werden. Durch diese Komplettsanierung kann die Lebensdauer auf von jetzt ab auf mind. 25 Jahre verlängert werden.

Bei der Konstruktion der Anlage wurden außerdem verschiedene konstruktive Fehler begangen, die teilweise den Ersatz ganzer Stahlkonstruktionsteile unumgänglich macht: Die Einbaulage verschiedener Trägerprofile mit der offenen Seite nach oben. 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. Sämtliche  Knotenbleche wurden ohne Eckaussparungen ausgeführt. Dies begünstigt ebenfalls einen erhöhten Rostbefall dieser Bereiche.

Träger in waagerechter Position eingebaut und Knotenblech ohne Eckaussparung. Hierdurch Wasseransammlung und starker Rostbefall; Quelle: Sachverständiger Josef Fassbender

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

Titel „Tote Ecke“ Keine Ablaufmöglichkeit für Wasser oder Kondensat; Quelle: Sachverständiger Josef 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.

Starke Spaltkorrosion zwischen Windverband aus Winkelstahl und Trägerprofil. Quelle: Sachverständiger Josef Fassbender

Die Sanierungsmaßnahmen

Im Sanierungsplan wurden folgende Maßnahmen festgelegt:

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

Schutz solcher Bauteile heute:

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

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

• Tote Ecken und Winkel vermeiden – Öffnungen an Überlappungen vorsehen. Auch bei Rahmenkonstruktionen aus offenen Profilen sind Entlüftungen und Ablaufmöglichkeiten vorzusehen. Durch diese Öffnungen können sich im Zinkbad keine Luftblasen bilden, der Zink kann ungehindert durchfließen und der Zink kann so eine schützende Schicht über das gesamte Werkstück innen und außen. Ausbreiten Außerdem sind alle Schweißnähte umlaufend und unterbrechungsfrei auszuführen.
• Konstruktionen aus Hohlprofilen müssen an der obersten und untersten Stelle die in das Zinkbad eintauchen, mit Entlüftungslöchern versehen sein. Es dürfen keine Rohre ohne Entlüftungsöffnungen verbaut werden. Wird dies nicht beachtet, kann das Werkstück im Zinkbad „aufschwimmen“ und Rohre durch die sich ausdehnende Luft platzen und schlimmstenfalls zu erheblichen Verletzungen bei den Bediensteten am Zinkbad führen.
• Knotenbleche, 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 Gewicht des Werkstückes nach der Verzinkung berechnet wird, erhöhen solche Konstruktionsfehler zudem unnötig den Preis des Oberflächenschutzes und mindert den Gewinn des ausführenden Metallbauers.
• Bei Schottblechen in Profilen oder Kästen sollen Ausschnitte vorgesehen werden, die ein Durchströmen des Zinks möglich machen.
• 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 Werkstückes werden andernfalls für Bauteile mit geringen Stückgewichten, wie z.B. Geländer aus Rohren, Sperrigkeitszuschläge an.

In Bezug auf den heute vielfach gebrauchten Begriff von nachhaltigem Bauen, wurde nachgewiesen, dass eine Feuerverzinkung im Vergleich zu den klassischen Farbbeschichtungen positive Aspekte hat. Es werden bei der Feuerverzinkung im Vergleich bis zu 3 mal weniger Ressourcen verbraucht.

In einer Studie der TU Berlin wurde unter Bezug eines klassischen Parkhauses mit Verwendung von 500 t Stahl, wurde in wissenschaftlichen Studien festgestellt, dass die Feuerverzinkung hier bis zu 114 kg CO2 weniger per Tonne Stahl verbraucht, als eine herkömmliche Beschichtung. Dies entspricht, auf das vorgenannte Bauwerk bezogen, einer Einsparung von 50 Tonnen CO2 im Vergleich zur Farbbeschichtung herkömmlicher Weise.

Einen zusätzlichen Schutzeffekt kann man durch den Einsatz des Duplexverfahrens erreichen. Hierbei wird die bereits fertig feuerverzinkte Oberfläche mit einer anschließenden Beschichtung versehen. Diese beiden Verfahren ergänzen sich hierbei und erhöhen die Lebensdauer einer durch eine Zinkschicht geschützte Konstruktion um das ca. 1,5 – 2,5 fache. Dies abhängig von der Umweltbelastung. Die Zinkschicht schützt hierbei die Beschichtung vor einer Unterrostung, die Farbschicht verhindert im Gegenzug einen Abtrag des Zinküberzuges. Das Duplex-Verfahren findet immer 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. Darüber hinaus bietet der Einsatz von Farbe vielfältige gestalterische Möglichkeiten.

Fazit

Betrachtet man die Schichtdicken bei feuerverzinkten Bauteilen und berücksichtigt man die Abtragungen je nach Umweltbelastung hätten diese Bauteile, mit 8 mm – 15 mm Materialstärke und einer Schichtdicke der Feuerverzinkung von ca. 150µm sowie einer Abtragung von 3µm/anno, ohne weiteres eine Lebensdauer von rd. 50 Jahren bedeutet, ehe größere Schäden entstanden wären.

Eine Ausführung der vorhandenen Rohrbrücke war aufgrund der generell verwendeten Schraubkonstruktion grundsätzlich möglich. Kleinere Konstruktionsänderungen um ein feuerverzinkungsgerechte Bauweise zu realisieren, wären ohne erheblichen Kostenaufwand möglich gewesen. Die zur Errichtungszeit „sehr teure“ Feuerverzinkung hätte sich heute durch die geringen Kosten von eventuellen Renovierungsmaßnahmen einer solchen Konstruktion amortisiert.

Autor: SV Josef Fassbender, Öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger, Metallbauermeister, Brandschutzbeauftragter; Euskirchener Straße 89, D-53902 Bad Münstereife