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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den kathodischen Schutz eines
Gegenstands aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gegen elektrochemische Korrosion
durch periodisch kurzes Vermindern des kathodischen Potentials des Gegenstands,
wenn dieses Potential sich demjenigen Potential nähert oder dasjenige Potential
erreicht, bei dem diese Korrosion beginnen würde.
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Aus Gründen der Abkürzung wird in den Ansprüchen und in der Beschreibung
für "Aluminium oder eine Aluminiumlegierung" zusammenfassend der Begriff "Aluminium"
verwendet.
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Aluminium ist ein metallisches Material von geringem Gewicht, guter
Wärmeleitfähigkeit und relativ hoher Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion in einer
neutralen Atmosphäre. Infolgedessen wird es in letzter Zeit in immer weiter verbreitetem
Umfang allgemein benutzt, und zwar beispielsweise in der Form von Bauteilen für
chemische Ausrüstungen, Anlagen und Behälter. Es ist jedoch bekannt, daß dann, wenn
Aluminiumbauteile in den Bereichen von Wärmeaustauschern und Flüssigkeitsspeicherbehältern
bzw. bei Wärmeaustauschern und Flüssigkeitsspeicherbehältern verwendet werden, die
See- bzw. Meerwasser oder industriellem Wasser (in den Ansprüchen sowie nachstehend
in der Beschreibung allgemein als "Wasser" bezeichnet) direkt ausgesetzt sind, diese
Bauteile oft Anfreß- bzw.
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Lochfraßkorrosion oder Korngrenzenkorrosion entwickeln, d. h. bei
ihnen die Erscheinung von ungleichmäßiger Korrosion auftritt, die einer sogenannten
elektrochemischen Ursache zuzuschreiben ist. Solche Anfreß- bzw.
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Lochfraß- oder Korngrenzenkorrosion von Aluminiumgegen-
ständen,
die sich in Kontakt mit Wasser befinden, ist eine Form einer elektrochemischen Erscheinung,
die durch einen Potentialunterschied zwischen dem Gegenstand und dem Wasser verursacht
wird. Als Maßnahmen für den Schutz gegen diese elektrochemische Korrosion und Aluminiummaterialien,
die in Umgebungen benutzt werden, die Wasser ausgesetzt sind bzw. in denen sie Wasser
ausgesetzt sind, wie oben beschrieben, haben sich die Anwendung einer anodischen
Oxydbeschichtung auf der Oberfläche solcher Aluminiummaterialien und/oder die Anwendung
eines Films aus einem Anstrich auf einer solchen Oberfläche in der aktuellen Praxis
als akzeptabel erwiesen, und diese Maßnahmen verhindern eine solche Korrosion wenigstens
bis zu einem gewissen Ausmaß. Wenn man sich jedoch allein auf Oxydbeschichtungen
und Anstrichfilme verläßt, dann kann man nicht erwarten, daß ein genügender Schutz
gegen Korrosion über eine lange Zeitdauer hinweg erzielt wird, weil diese Beschichtungen
und Filme ihnen eigene potentielle Mängel bzw. Potentialmängel haben und die Beschichtung
eine Zersetzung erfährt und sich der Film während eines langdauernden Betriebs-
bzw. Gebrauchs von der Unterlage abschält.
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Als Technik für den Schutz von wassereingetauchten metallischen Materialien
gegen elektrochemische Korrosion ist bisher das sogenannte Opferanoden- bzw. Reaktivanodenverfahren
bekannt, bei dem an einem metallischen Material, das Schutz erfordert, ein anderes
metallisches Material angebracht wird, welches ein niedrigeres natürliches Potential
in Wasser als das Schutz erfordernde metallische Material hat, so daß dadurch das
Potential des zu schützenden metallischen Materials in Wasser stets unter das Anfreß-
bzw. Lochfraßpotential vermindert wird. Alternativ ist ein sogenanntes kathodisches
Schutzverfahren bekannt, bei dem bewirkt wird, daß ein schwacher Antikorrosions-
strom
von einer äußeren Stromquelle zwischen dem metallischen Material und einer entgegengesetzten
bzw. gegenüberliegenden Elektrode, wenn sie in Wasser eingetaucht sind, fließt,
wodurch das Potential des metallischen Materials in Wasser soweit niedergehalten
wird, daß es stets unterhalb des Anfreß- bzw. Lochfraßpotentials ist.
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Diese Verfahren werden in weitem Umfang für den Schutz von Stahlmaterialien
gegen Korrosion angewandt und erbringen wünschenswerte Ergebnisse. Alternativ wurde
ein schwacher Strom von einer äußeren Quelle zwischen dem Gegenstand und einer entgegengesetzten
bzw. gegenüberliegenden, in dem Wasser eingetauchten Elektrode bewirkt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurden verschiedenartigste und
umfangreiche Untersuchungen gemacht, um ein Verfahren zu finden, das in der Lage
ist, entweder Aluminiummaterialien, die eine anodische Oxydbeschichtung oder einen
auf deren Oberfläche aufgebrachten Anstrichfilm haben oder bloße Aluminiummaterialien,
und zwar eingetaucht in Wasser, gegen Anfreß- bzw. Lochfraß- oder Korngrenzenkorrosion
durch Anwendung des vorerwähnten Opferanoden-bzw. Reaktivanodenschutzverfahrens
oder des kathodischen Schutzverfahrens zu schützen. Jedoch zeigte es sich in allen
durchgeführten Tests, daß eine bloße Anwendung des konventionellen Opferanoden-
bzw. Reaktivanodenverfahrens auf solche Aluminiummaterialien nicht den gleichen
zufriedenstellenden Schutz gegen Korrosion erbrachte, wie er bei Stahlmaterialien
erzielt werden konnte. Der Grund für dieses Versagen besteht darin, daß Aluminium
im Gegensatz zu Stahl ein sogenanntes amphoteres Metall ist, das sich sowohl in
Säuren als auch in Alkalien auflöst.
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Es ist bekannt, daß bei einem gegebenen Aluminiummaterial, damit dieses
in Wasser während einer langen Zeitdauer stabil bleibt, ohne eine wesentliche Korrosion
zu erfahren,
das natürliche Potential des Aluminiummaterials in
Wasser in einem engen Bereich von etwa 0,3 Volt bis 0,4 Volt unterhalb des Anfreß-
bzw. Lochfraßpotentials bis hinauf zum Anfreß- bzw. Lochfraßpotential gehalten werden
sollte, obwohl dieser Bereich in Abhängigkeit von der Art der in dem Aluminiummaterial
verwendeten Legierungskomponenten oder von der Natur der Umgebung, in welcher die
Aluminiumlegierung in Wasser eingetaucht ist, leicht variabel ist. Um einen Schutz
des Aluminiummaterials gegen Korrosion durch Benutzung von bekannten Verfahren sicherzustellen,
ist es daher erforderlich, daß das kathodische Potential des Aluminiumgegenstands,
der gegen Korrosion geschützt werden soll, über das gesamte Volumen oder die gesamte
Masse des Aluminiummaterials oder zu jeder Zeit so kontrolliert wird bzw. gesteuert
wird, daß es soweit wie möglich innerhalb des-vorerwähnten stabilen Potentialbereichs
bleibt.- Um einen Schutz des Aluminiummaterials gegen Korrosion durch die Anwendung
der Opferanode bzw. reaktiven Anode sicherzustellen, ist es daher erforderlich,
daß das Kathodenpotential des Aluminiummaterials, welches dem Schutz gegen Korrosion
unterworfen wird, über das gesamte Volumen des Aluminiummaterials hinweg so kontrolliert
bzw. gesteuert wird, daß es soweit wie möglich innerhalb des vorerwähnten stabilen
Potentialbereichs erhalten wird. Wenn die Opferelektrode bzw. reaktive Elektrode
aus einem Metall ausgebildet ist, das ein Potential hat, welches sehr eng am natürlichen
Potential von Aluminium in Wasser liegt, dann kann der Teil des Aluminiumgegenstands,
der sich in der Nähe der Opferanode bzw. reaktiven Anode befindet, so kontrolliert
werden, daß er sich auf einem angemessenen Potential befindet, und zwar aufgrund
des Kathodenstroms, der zwischen dem Aluminiummaterial und der Opferanode bzw. reaktiven
Anode fließt. Im Gegensatz hierzu kann an dem Teil des Aluminiumgegenstands, der
von der
Opferanode bzw. der reaktiven Anode weit weg ist, keine
genügende Kontrolle des Potentials durchgeführt werden weil der Fluß des Kathodenstroms
durch den vom Wasser erzeugten elektrischen Widerstand herabgesetzt ist. Daher erfährt
dieser Teil des Aluminiumgegenstands unvermeidbar eine Anfreß- bzw Lochfraß- oder
Korngrenzenkorrosion.
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Wenn die Opferanode bzw. reaktive Anode aus einem Metall hergestellt
ist, das ein natürliches Potential besitzt, welches genügend niedriger als dasjenige
des Aluminiums ist, so daß eine Kontrolle des Potentials selbst in dem Teil des
Aluminiummaterials ermöglicht wird, welcher getrennt bzw. entfernt von der Opferanode
bzw. reaktiven Anode ist, dann wird der Teil des Aluminiummaterials, der nahe an
der Opferanode bzw. reaktiven Anode ist, einem übermäßigen Potential ausgesetzt,
das die Tendenz hat, die Erscheinung von Alkalikorrosion aufgrund von sogenannter
übermäßiger Antikorrosion hervorzurufen. Das ist auch so bei der Anwendung des kathodischen
Schutzverfahrens, bei dem eine äußere Stromquelle verwendet wird. Das bedeutet,
daß dann, wenn die Spannung der äußeren Stromquelle so gesteuert wird, daß das Kathodenpotential
an dem Teil, der sich in der Nähe der entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden
Elektrode des Aluminiummaterials befindet, in einem angemessenen Bereich gehalten
wird, das Potential an dem Teil, der von der entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden
Elektrode entfernt ist, ungenügend unterdrückt bzw. herabgedrückt wird. Andererseits
wird das Potential an dem Teil, der sich in der Nähe der entgegengesetzten bzw.
gegenüberliegenden Elektrode befindet, übermäßig unterdrückt bzw. herabgedrückt,
wenn man so vorgeht, daß man das Potential an dem von der entgegengesetzten bzw.
gegenüberliegenden Elektrode des Aluminiummaterials entfernten Teil genügend unterdrückt
bzw. herabdrückt. Eine solche übermäßige Unterdrückung bzw. ein solches übermäßiges
Herabdrücken des Potentials
tendiert~dahin, eine Lösung, d. h.
eine Alkalikorrosion,-des Alùminiummaterials zu verursachen. Wie oben beschrieben,
isttes, wenn man sich auf das konventionelle Opferanoden-bzw. Reaktivanodenverfahren
oder auf das konventionelle kathodische Schutzverfahren bei Verwendung einer äußeren
Stromquelle verläßt, schwierige eine umfangreiche Kontrolle bzw. Steuerung des Kathodenpotentials
des gesamten Volumens des Aluminiummaterials so zu bewirken, daß das Potential in
dem stabilen Bereich bleibt. Diese Schwierigkeit hat die Anwendung des Opferanoden-
bzw. Reaktivanodenverfahrens auf Aluminiummaterialien beträchtlich beschränkt.
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Kurz zusammengefaßt sollen mit der Erfindung die oben beschriebenen
Nachteile überwunden werden, die in dem konventionellen Verfahren für den kathodischen
Schutz von Aluminiummaterialien mittels der Verwendung einer Opferanode bzw. reaktiven
Anode auftreten.
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Es sei an dieser Stelle daraufhingewiesen, daß der Begriff "Opferanode"
gleichzeitig auch den Begriff der reaktiven Anode" mit umfassen soll, und umgekehrt.
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Im einzelnen betrifft die Erfindung, kurz zusammengefaßt, ein Verfahren
für den kathodischen Schutz eines Aluminiumgegenstands gegen Korrosion in einem
wässrigen Medium durch Herstellen eines direkten elektrischen Kreises zwischen dem
Aluminiumgegenstand und einer Potentialquelle, die bezüglich dem kathodischen Potential
des Gegenstands elektronegativ ist, während einer kurzen Zeitdauer jedes Mal dann,
wenn das Kathodenpotential des Aluminiummaterials, das relativ zu einer Bezugselektrode
gemessen
wird, die sich in Kontakt mit dem Medium befindet, auf
ein vorbestimmtes oberes Grenzpotential ansteigt, das generell nicht höher und wünschenswert
etwas niedriger als das kathodische Potential ist, bei dem eine solche Korrosion
beginnt, so daß dadurch intermittierend das Kathodenpotential des Aluminiummaterials
unterdrückt bzw.
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herabgedrückt wird. In einer Ausführungsform ist die elektronegative
Potentialquelle eine reaktive Anode, die sich in Kontakt mit dem Medium befindet,
und die intermittierend in einen elektrischen Kreis mit dem Gegenstand geschaltet
bzw. verbunden wird. Bezugselektrode kann eine für diesen Zweck vorgesehene gesonderte
Elektrode sein, oder die reaktive Anode selbst kann auch als die Bezugselektrode
dienen, in einer anderen Ausführungsform wird ein elektrischer Kreis intermittierend
zwischen dem Gegenstand und einer äußeren Quelle negativer Spannung hergestellt.
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Das Verfahren nach der Erfindung sei nachstehend in näheren Einzelheiten
unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen
erläutert, insbesondere anhand einer ersten Ausführungsform, die in den Figuren
1a und 1b dargestellt ist; es zeigen: Fig. 1a schematische Schaltbilder, welche
typische und 1b Formen des ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens nach der Erfindung
veranschaulichen; Fig. 2 eine Kurvendarstellung, die einen typischen Zeitverlauf
der Änderung des Kathodenpotentials eines Aluminiummaterials zeigt, das mittels
des Verfahrens nach der Erfindung gegen Korrosion geschützt werden soll; und
Fig.
3 ein schematisches Schaltbild, das eine typische Form des zweiten Ausführungsbeispiels
des Verfahrens nach der Erfindung veranschaulicht.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein Aluminiumgegenstand bezeichnet, der in Wasser
eingetaucht ist und einen Schutz gegen Korrosion erfordert, wobei eine Bezugselektrode
2 unter Wasser in der Nähe des Aluminiummaterials bzw. -gegenstands 1 vorgesehen
ist.Obwohl eine Standardelektrode, wie beispielsweise eine gesättigte Kalomelelektrode,
als die Bezugselektrode 2 verwendet werden kann, braucht die Bezugselektrode nicht
auf eine Kalomelelektrode beschränkt zu sein. Als Bezugselektrode kann wirksam eine
Elektrode aus Metall oder einer Metallegierung unter Verwendung von Zink oder Magnesium
benutzt werden, die bzw. das trotz Änderungen in der äußeren Umgebung ein relativ
stabildes Elektrodenpotential aufweist. Der Aluminiumgegenstand 1 und die Bezugselektrode
2 sind mittels Leitungsdrähten mit einer Potentialmeßeinrichtung 3 verbunden, so
daß dadurch Potentialmeßkreise 6, 6' gebildet werden. Wenn das Kathodenpotential
V des Aluminiumgegenstands 1 basierend auf der Bezugselektrode 2, das aufgrund des
Potentialunterschieds zwischen dem Aluminiumgegenstand 1 und der Bezugselektrode
2 bestimmt wird, welcher mittels der Potentialmeßeinrichtung 3 gemessen wird, zu
einem vorbestimmten oberen Grenzpotential ansteigt, dann gibt die potentiale Meßeinrichtung
3 ein Signal ab, welches diese Tatsache einer elektrischen Relaiseinrichtung 5 anzeigt.
Eine Opferanode bzw. reaktive Anode 4 ist unter Wasser vorgesehen und wird über
die Relaiseinrichtung 5 mit dem Aluminiumgegenstand 1 verbunden, so daß auf diese
Weise ein Kathodenstromkreis bzw. Kathodenstromkreise 7, 7' herstellbar ist bzw.
sind. Normalerweise bleiben die Kathodenstromkreise 7, 7' in einem offenen oder
un-
terbrochenenZustand. Wenn jedoch das Potential des Aluminiumgegenstands
1 das obere Grenzpotential Vu erreicht, dann betätigt das Signal von der Potentialmeßeinrichtung
3 die Relaiseinrichtung 5, so daß dadurch die Kathodenstromkreise 7, 7' für eine
kurze Zeitdauer geschlossen werden. Während der kurzen Zeitdauer wird bzw. ist eine
direkte elektrische Verbindung zu dem Aluminiumgegenstand 1 und der reaktiven Anode
4 hergestellt. Durch diesen Mechanismus wird der Kathodenstrom bzw. das Kathodenpotential
V des Aluminiummaterials 1 intermittierend unterdrückt bzw. herabgedrückt.
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Fig. 1b veranschaulicht eine andere Form zur Durchführung der ersten
Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung.In der Ausführungsform der Fig.
1a ist die Bezugselektrode 2 unter Wasser getrennt von der Opferelektrode bzw.
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reaktiven Elektrode 4 vorgesehen, so daß dann, wenn das Kathodenpotential
V des Aluminiummaterials 1, basierend auf der Bezugselektrode 2, daß aufgrund der
Potentialunterschiede zwischen dem Aluminiummaterial 1 und der Bezugselektrode 2
bestimmt wird, das vorbestimmte obere Grenzpotential VU erreicht, das Signal, welches
von der Potentialmeßeinrichtung 3 herkommt, die Relaiseinrichtung 5 betätigt, wodurch
die Kathodenstromkreise 7, 7' geschlossen werden und bewirkt wird, daß eine Kurzschlußstrom
zwischen dem Aluminiummaterial 1 und der reaktiven Anode 2 fließt. Im Gegensatz
hierzu ist in der Ausführungsform der Fig. 1b eine gesonderte Bezugselektrode 2
weggelassen, und die Opferanode bzw. reaktive Anode 4 selbst wird gleichzeitig als
Bezugselektrode verwendet, so daß dann, wenn das Kathodenpotential V des Aluminiummaterials
1, welches auf der Basis des Potentialunterschieds zwischen der reaktiven Anode
4' und dem Aluminiummaterial 1 bestimmt wird, das vorbestimmte obere Grenzpotential
Vu erreicht, die Potentialmeßeinrichtung 3 ein Signal abgibt, das die Relais-
einrichtung
5 betätigt und die Kathodenstromkreise 7, 7' während einer kurzen Zeitdauer schließt
sowie das Fliessen eines Kurzschlußstroms zwischen dem Aluminiummaterial 1 und der
reaktiven Anode 4' ermöglicht. Auf diese Weise wird das Kathodenpotential des Aluminiummaterials
1 intermittierend unterdrückt bzw. herabgedrückt.
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Fig. 2 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf der Änderung des Kathodenpotentials,
das in dem Teil des Aluminiummaterials auftritt, welcher gegen Korrosion geschützt
werden soll, und zwar relativ nahe an einer Opferanode bzw. reaktiven Anode, wobei
der zeitliche Verlauf der Änderung des Kathodenpotentials bei der Ausführung des
Verfahrens nach der Erfindung mit der Einrichtung der Fig. 1a oder 1b unter Verwendung
einer Elektrode aus Magnesium als reaktive Anode bestimmt wurde. In der Kurvendarstellung
ist auf der vertikalen Achse das Kathodenpotential des Aluminiummaterials aufgetragen
(das Potential, welches auf einer gesättigten Kalomelelektrode basiert), während
auf der horizontalen Achse die Zeit aufgetragen ist. Aus der Kurvendarstellung ist
ersichtlich, daß dann, wenn das Kathodenpotential V des Aluminiummaterials 1, das
auf der Grundlage des Potentialunterschieds zwischen dem Aluminiummaterial 1 und
der Bezugselektrode 2 oder der reaktiven Elektrode 4' in Fig. 1b bestimmt wird,
welcher durch die Potentialmeßeinrichtung 3 gemessen wird, ansteigt, und einen Punkt
a1 erreicht, nämlich das vorbestimmte obere Grenzpotential Vu, das von der Potentialmeßeinrichtung
3 ausgehende Signal die Relaiseinrichtung 5 betätigt, wodurch die Kathodenstromkreise
7, 7' geschlossen werden und während einer kurzen Zeitdauer ein Kurzschlußkreis
zwischen der reaktiven Anode 4, 4' und dem Aluminiummaterial 1 hergestellt wird,
was zur Folge hat, daß das Kathodenpotential V des Aluminiummaterials 1 abrupt bis
zu dem Punkt b1 herabgesetzt wird. Wenn die
Kathodenstromkreise
7, 7' nachfolgend geöffnet werden, dann beginnt das Kathodenpotential V sofort anzusteigen.
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Dieser Anstieg des Kathodenpotentials V ist im Anfangsstadium scharf
und erfolgt dann im letzten Stadium allmählich, wie durch die Kurve b1 - a2 veranschaulicht
ist.
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Wenn das Kathodenpotential V des Aluminiummaterials 1 zum Punkt a2
zurückkehrt, der das obere Grenzpotential V U darstellt bzw. auf der horizontalen
Linie des oberen Grenzpotentials Vu liegt, dann gibt die Potentialmeßeinrichtung
3 ein Signal ab, welches die Relaiseinrichtung betätigt. Auf diese Weise wird das
Kathodenpotential V erneut bis zum Punkt b2 herabgesetzt, und dann steigt es entlang
der Kurve b2 - a3 an.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich ersichtlich ist, wird
mit dem Verfahren nach der Erfindung zum kathodischen Schützen eines Aluminiummaterials
eine intermittierende Unterdrückung bzw. ein intermittierendes Herabdrücken des
Kathodenpotentials des Aluminiummaterials durch Herstellen eines Kurzschlußkreises
während einer kurzen Zeitdauer zwischen der Opferanode bzw. reaktiven Anode und
dem Aluminiummaterial jedesmal dann, wenn das Kathodenpotential des Aluminiummaterials
zu dem vorbestimmten oberen Grenzpotential VU ansteigt bzw. angestiegen ist, durchgeführt.
In diesem Verfahren sollte das obere Grenzpotential Vu des Aluminiummaterials, welches
vorherzubestimmen ist, in der Nähe des Anfreß- bzw. Lochfraßpotentials in der Umgebung,
in welcher das Aluminium material verwendet wird, gewählt werden (z. B. etwa -0,70
Volt basierend auf einer gesättigten Kalomelelektrode für Aluminium von der Qualität
A1100, welches unter See- bzw. Meerwasser verwendet wird) oder etwa 50 mV unter
dem Anfreß-bzw. Lochfraßpotential, obwohl diese Grenze etwas variabel mit der Art
der Legierungskomponenten ist, die in dem Aluminiummaterial verwendet worden sind,
oder mit der Natur
der Umgebung, in welcher Aluminiummaterial verwendet
wird. Die Opferelektrode bzw. kathodische Elektrode, die in diesem Fall verwendet
wird, ist vorzugsweise aus einer Metalllegierung hergestellt, die ein Elektrodenpotential
aufweist, das etwa 0,3 bis 0,8 V niedriger als das Kathodenpotential des Aluminiummaterials,
welches gegen Korrosion geschützt werden soll, in der gleichen Arbeitsumgebung ist.
Wenn das Aluminiummaterial in einer Umgebung verwendet wird, in der eine Alkalikorrosion
nicht ohne weiteres hervorgerufen wird, kann jedoch die Opferelektrode bzw. reaktive
Elektrode aus einem metallischen Material hergestellt sein, das ein Elektrodenpotential
aufweist, welches wenigstens 1 Volt niedriger als dasjenige des Aluminiummaterials
ist. Die reaktive Anode, welche das vorerwähnte Erfordernis erfüllt, kann aus einem
Material hergestellt sein, daß in angemessener Weise unter bekannten Materialien
für Opferanoden bzw. reaktiven Anoden, die vorwiegend aus Magnesium hergestellt
sind und allgemein für den kathodischen Schutz von Stahlmaterialien verwendet werden,
so gewählt werden, daß sie der speziellen Arbeitsumgebung angepaßt bzw. für die
spezielle Arbeitsumgebung geeignet ist. Die Zeitdauer t, während der Kurzschluß
gemäß der Erfindung zwischen der reaktiven Anode und dem Aluminiummaterial hergestellt
wird, wenn das Kathodenpotential des Aluminiummaterials bis zum oberen Grenzpotential
angestiegen ist, braucht nicht sehr genau definiert zu werden. Generell fällt diese
Zeitdauer in den Bereich von 0,01 bis 2 Sek. Sie kann bis auf die Größenordnung
von mehreren Sekunden erhöht werden, sofern nicht die korrosive Umgebung eines solche
ist, in der das Aluminiummaterial besonders anfällig für Alkalikorrosion ist.
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Wie vorstehend beschrieben, wird mit dem Verfahren nach der Erfindung
eine intermittierende oder periodische Unterdrückung bzw. intermittierendes oder
periodisches Herabdrücken des Potentials des wassereingetauchten Aluminiummaterials
dadurch erreicht, daß man eine elektrische Verbindung, d. h. einen Stromkreis, während
einer kurzen Zeitdauer zwischen dem Aluminiummaterial und der reaktiven Anode jedesmal
dann herstellt, wenn das Kathodenpotential des Aluminiummaterials bis in die Nachbarschaft
des Anfreß- bzw. Lochfraßpotentials ansteigt. Auf diese Weise wird das Potential
des Aluminiummaterials stets unterhalb des Anfreß- bzw. Lochfraßpotentials gehalten,
und daher wird das Aluminiummaterial fehlerfrei gegen Anfreß- bzw. Lochfraß- oder
Korngrenzenkorrosion geschützt. Weiter ist, wie in Fig. 2 veranschaulicht, die Zeitdauer,
während der das Aluminiummaterial den Alkalikorrosionsbedingungen ausgesetzt wird,
extrem kurz, da der Anstieg des Potentials des Aluminiummaterials nach dem Ende
des Kurzschlusses zwischen dem Aluminiummaterial und der reaktiven Anode in dem
Anfangsstadium dieses Potentialanstiegs sehr schnell ist und dann in seinem späteren
Stadium allmählich verläuft. Außerdem hat die Erscheinung der Alkalikorrosion eine
Hervorrufungsperiode.
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Selbst wenn das Kathodenpotential momentan in den Alkalikorrosionsbereich
herabgedrückt wird, besteht daher virtuell bzw. praktisch keine Möglichkeit, daß
das Aluminiummaterial einer Alkalikorrosion ausgesetzt wird. Im Vergleich mit dem
konventionellen Verfahren zumkathodischen Schutz ermöglicht es das Verfahren nach
der vorliegenden Erfindung, eine reaktive Anode zu verwenden, die ein genügend größeres
elektronegatives Potential als das Aluminiummaterial hat, so daß ein Schutz des
gesamten Volumens oder der gesamten Masse eines gegebenen Aluminiumgegenstands gegen
elektrochemische Korrosion, wie beispielsweise Anfreß- bzw. Lochfraß- oder Korngrenzenkorrosion,
erzielt
wird, ohne daß die Möglichkeit bzw. Wahrscheinlichkeit des Hervorrufens einer Alkalikorrosion
besteht.
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Da weiter das Verfahren nach der Erfindung bewirkt, daß der Fluß des
Antikorrosionsstroms intermittierend zwischen dem Aluminiummaterial und der reaktiven
Anode erfolgt, hat es den zusätzlichen Vorteil, daß der Verbrauch der reaktiven
Anode bei weitem geringer ist, als er erfahrungsgemäß bei dem konventionellen Verfahren
ist, welches es erfordert, daß der Fluß des Antikorrosionsstroms stets bzw. ununterbrochen
stattfindet.
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Nachstehend sei die Erfindung anhand von Arbeitsbeispielen erläutert:
Beispiel 1 Als Teststück für einen Schutz gegen Korrosion wurde eine Platte aus
Aluminium A1100 (800 mm Länge x 100 mm Breite x 1 mm Dicke) hergestellt und dem
folgenden Experiment unterworfen.
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Es wurden Wasserkanäle von etwa 5 mm Breite auf beiden Seiten des
Teststücks längs dessen Längsrichtung ausgebildet.
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In einer Position, die sich im Abstand von etwa 10 cm von einem Ende
der Aluminiumplatte befand, wurde eine Antikorrosions-Opferanode vorgesehen (hergestellt
aus Mn-Legierung Az 63, die 6,0 % Mg, 3,0 % Al und 0,2 % Zn enthält, und die eine
Abmessung von 40 mm Breite x 70 mm Länge x 15 mm Dicke hatte); zwischen der Opferanode
und dem Teststück wurde ein Kathodenstromkreis aufgebaut, so daß das intermittierende
Herstellen eines Kurzschlusses zwischen der Opferanode und dem Teststück ermöglicht
wurde. Als Wasser wurde für den Test natürliches See- bzw. Meerwasser verwendet,
das eine Temperatur von etwa 200C hatte, und dieses Wasser wurde durch die Wasserkanäle
mit einer Strömungsrate von etwa 20 cm/Sek. fließen gelassen.
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Als Bezugselektrode wurde eine Standard-Kalomelelektrode gegenüber
der Opferanode über bzw. quer über dem Teststück vorgesehen. Jedesmal, wenn das
Potential des Teststücks, welches in Bezug auf das Potential der Bezugselektrode
gemessen wurde, auf ein vorbestimmtes oberes Grenzpotential anstieg (das auf -0,70
V auf der Basis einer gesättigten Kalomelelektrode festgelegt war), wurde von einer
Potentialmeßeinrichtung ein Signal abgegeben das in dem Kathodenstromkreis während
einer kurzen Zeitdauer (die auf 0,2 Sekunden festgelegt war) einen Kurzschlußkreis
herstellte. Infolgedessen wurde das Potential des Teststücks intermittierend kontrolliert
bzw. gesteuert.
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Dieses Experiment wurde während 10 Monaten fortgesetzt.
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Während des Verlaufs dieses fortgeführten Experiments trat absolut
kein Anfraß bzw. Lochfraß auf, und es wurde keine Alkalikorrosion beobachtet.
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Experiment 2 Als Teststück für einen Schutz gegen Korrosion wurde
eine Platte aus Aluminium A1100 (die die gleichen Abmessungen wie das Teststück
des Beispiels 1 hatte) hergestellt und dem folgenden Experiment unterworfen.
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Es wurden entsprechend dem Beispiel 1 Wasserkanäle auf beiden Seiten
des Teststücks ausgebildet. In einer Position, die etwa 10 cm von einem Ende der
Wasserkanäle entfernt war, wurde ein Metallelektrode(hergestellt aus einer Mn-Legierung
Az 63, die 6,0 % Mg, 3,0 % Al und 0,2 % Zn enthält und von der Abmessung 40 mm Breite
x 70 mm Länge x 15 mm Dicke) so vorgesehen, daß sie als eine Kombi-
nation
von Bezugselektrode und Opferanode diente. Als Wasser für den Test wurde das gleiche
natürliche See-bzw. Meerwasser mit einer Strömungsrate von etwa 20 cm/ Sek. fließen
gelassen.
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Jedesmal, wenn das Potential des Teststücks, das mit einer Potentialmeßeinrichtung
in Bezug auf das Potential der Metallelektrode, die als Kombination von Bezugselektrode
und Opferanode diente, gemessen wurde, auf das vorbestimmte obere Grenzpotential
anstieg (das auf der Basis der gesättigten Kalomelelektrode auf -0,70 Volt festgelegt
war), wurde von der Potentialmeßeinrichtung ein Signal angegeben, daß für eine kurze
Zeitdauer (die auf 0,1 Sekunde festgelegt war) einen Kurzschluß in dem Kathodenstromkreis
herstellte. Auf diese Weise wurde das Potential des Teststücks intermittierend gesteuert.
Dieses Experiment wurde während 10 Monaten fortgesetzt.
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Während des Verlaufs dieses fortgesetzten Experiments trat absolut
kein Anfraß bzw. Lochfraß auf, und es wurde keine Alkalikorrosion beobachtet.
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Zum Zwecke des Vergleichs wurden das gleiche Teststück, wie es im
Beispiel 2 verwendet wurde, und eine Opferanode (die aus dem gleichen Material hergestellt
war, wie im Beispiel 2 angegeben), welche an einem Ende des Teststücks angebracht
war,dem gleichen Experiment unterworfen, ohne daß jedoch irgendeine Unterbrechung
des Flusses des Antikorrosionsstroms bewirkt wurde. Etwa einen Monat nach dem Beginn
des Fließens von See- bzw. Meerwasser zeigte der Teil der Aluminiumplatte, der sich
benachbart der Opferanode befand, eine wesentlich vergröberte Haut aufgrund von
Alkalikorrosion.
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Die Fig. 3 veranschaulicht eine typische Form des zweiten Ausführungsbeispiels
des Verfahrens nach der Erfindung. In Fig. 3 ist mit 11 ein Aluminiumgegenstand
bezeichnet, der in Wasser eingetaucht ist und einen Schutz gegen Korrosion erfordert;
eine Bezugselektrode 12 ist im Wasser in der Nähe des Gegenstands vorgesehen. Obwohl
eine Standardelektrode, wie beispielsweise eine gesättigte Kalomelelektrode, als
die Bezugselektrode 12 verwendet werden kann, ist die Bezugselektrode nicht notwendigerweise
auf eine Kalomelelektrode beschränkt. Als Bezugselektrode kann auch wirksam eine
Elektrode aus Metall oder einer Metalllegierung unter Verwendung von Zink- oder
Magnesium, die relativ stabiles Elektrodenpotential trotz Änderungen in der äußeren
Umgebung aufweisen, verwendet werden. Der Aluminiumgegenstand 11 und die Bezugselektrode
12 sind mittels Leitungsdrähten mit einer Potentialmeßeinrichtung 13 verbunden,
so daß dadurch Potentialmeßkreise 17, 17' ausgebildet werden. Wenn das Kathodenpotential
V des Aluminiumgegenstands, basierend auf der Bezugselektrode und mittels der Potentialmeßeinrichtung
gemessen, ansteigt und ein vorbestimmtes oberes Grenzpotential VU erreicht, dann
gibt die Potentialmeßeinrichtung 13 ein Signal an eine Relaiseinrichtung 15. Mit
14 ist eine entgegengesetzte bzw. gegenüberliegende Elektrode bezeichnet.
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Diese gegenüberliegende Elektrode ist aus einem unlösbarem elektrisch
leitfähigem Material, wie beispielsweise einem magnetischen Eisenoxydmaterial oder
einem platinbesch-ichtetem Titanmaterial, hergestellt. Die gegenüberliegende Elektrode
14 und der Gegenstand 11 werden über die Relaiseinrichtung 15 mit einer äußeren
Stromquelle 16 mittels der Relaiseinrichtung 15 und dem Kathodenstromkreis bzw.
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Kathodenstromkreisen 18, 18' verbunden. Normalerweise bleiben die
Kathodenstromkreise 18, 18' in ihrem offenen Zustand. Wenn das Potential des Aluminiumgegenstandes
zum oberen Grenzpotential VU ansteigt, dann betätigt das Signal der Potentialmeßeinrichtung
13 die Relaiseinrichtung
15 und schließt den Kathodenstromkreis
bzw. die Kathodenstromkreise 18, 18' für eine kurze Zeitdauer. In dieser kurzen
Zeitdauer fließt ein anodischer oder negativer Strom von der äußeren Stromquelle
16 zwischen dem Aluminiumgegenstand und der entgegengesetzten Elektrode 14, so daß
dadurch das Kathodenpotential V des Aluminiumgegenstandes 11 unterdrückt bzw. herabgedrückt
wird.
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Typischerweise ändert sich das Kathodenpotential in der zweiten Ausführungsform
der Fig. 3 in dem gleichen Muster, wie das in der ersten Ausführungsform der Fig.
1 geschieht, d. h. wie in Fig. 2 dargestellt. Infolgedessen kommt es, wie unter.
erneuter Bezugnahme auf Fig. 2 ausgeführt sei, dann, wenn das Kathodenpotential
V des Aluminiumgegenstandes, das mittels der Bezugselektrode 12 gemessen wird, ansteigt,
und das vorbestimmte obere Grenzpotential Vu erreicht, dazu, daß das Signal, welches
von der Potentialmeßeinrichtung 13 abgegeben wird, die Relaiseinrichtung 15 betätigt
und den Kathodenstromkreis bzw. die Kathodenstromkreise 18, 18' schließt, was zur
Folge hat, das eine negative Spannung mittels der äußeren Stromquelle 16 während
einer kurzen Zeitdauer an den Aluminiumgegenstand angelegt und dessen Kathodenpotential
V abrupt bis zu dem Punkt b1 erniedrigt wird. Wenn das Anliegen der Spannung von
der äußeren Stromquelle 16 her beendet wird, beginnt das Kathodenpotential V des
Gegenstandes unmittelbar anzusteigen. Dieses Ansteigen des Kathodenpotentials V
ist in seiner Anfangsstufe schnell,und in seiner späteren Stufe erfolgt das Ansteigen
allmählich, wie durch die Kurve, beispielsweise den Verlauf von b1 zu a2 dargestellt
ist. Wenn das Kathodenpotential V auf diese Weise zu der Stelle a2 zurückkehrt,
die auf dem oberen Grenzpotential Vu liegt, dann betätigt das Signal von der Potentialmeßeinrichtung
13 erneut die Relaiseinrichtung, und das Kathodenpotential V wird wiederum abrupt
bis zu
dem Punkt b2 erniedrigt, von dem aus es dann wieder ansteigt,
wie vorstehend dargelegt.
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In der alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es, ebenso wie
in der ersten Ausführungsform erwünscht, das obere Grenzpotential Vu des Aluminiummaterials,
das vorherbestimmt wird, in der Nähe des Anfreß- bzw. Lochfraßpotentials des zu
verwendenden Aluminiummaterials festzulegen (z. B. ungefähr -0,70 Volt basierend
auf einer gesättigten Kalomelelektrode für Aluminium der Qualität A1100, das unter
See- bzw. Meerwasser verwendet wird) oder ungefähr 50 mV unterhalb des Anfreß- bzw.
Lochfraßpotentials, obwohl diese Grenze, wie weiter oben bereits erwähnt, etwas
variabel ist, da sie von der Art der im Aluminiummaterial verwendeten Legierungskomponenten
und/oder von der Art der Umgebung, in der das Aluminiummaterial verwendet wird,
abhängt. Die Größe der Spannung, die von der äußeren negativen Stromquelle her angelegt
werden soll, ist wünschenswerterweise derart, daß das Anlegen dieser Spannung ein
sehr schnelles Abfallen des Kathodenpotentials des Aluminiummaterials auf das Niveau
von etwa 0,3 bis 0,8 Volt unter dem oberen Grenzpotential bewirkt. Wenn das Aluminiummaterial
in einer Umgebung verwendet wird, in der eine Alkalikorrosion nicht ohne weiteres
hervorgerufen wird, kann jedoch dieser Abfall des Kathodenpotentials 1 Volt oder
mehr unter das obere Grenzpotential betragen. Das Anlegen einer solchen negativen
Spannung an das Aluminiummaterial kann durch Einstellen der Größe der Spannung der
äußeren Stromquelle auf ein festes Niveau erfolgen. Andernfalls kann es dadurch
bewirkt werden, daß man ein unteres Grenzpotential VL anstelle des Einstellens der
Spannung der äußeren Stromquelle einstellt, so daß dann, wenn das Kathodenpotential
V des Aluminiummaterials, gemessen durch die Bezugselektrode 2, nach dem Anlegen
der negativen Spannung auf das untere Grenzpoten-
tial VL abgefallen
ist, das Signal von der Potentialmeßeinrichtung 13, das Relais 15 betätigt, und
den Kathodenstromkreis bzw. die Kathodenstromkreise 18, 18' automatisch öffnet.
Auf diese Weise ist ein weiter Bereich von negativen Spannungen verfügbar, während
die Änderung im kathodischen Potential des Gegenstandes konstant bleibt.
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Die Dauer des Anlegens der negativen Spannung an das Aluminiummaterial
in einem Zyklus sollte, obwohl sie mit der Größe der negativen Spannung und der
Art der infragestehenden Arbeitsumgebung variabel ist, wenigstens unterhalb von
mehreren Sekunden gehalten werden, um zu vermeiden, daß das Aluminiummaterial irgendeine
nennenswerte Zeit der Alkalikorrosionszone ausgesetzt wird, die durch das Abfallen
des Potentials hervorrufbar ist bzw. hervorgerufen wird. Vorzugsweise sollte diese
Dauer nicht mehr als eine Sekunde betragen und sie kann einige hundertstel oder
zehntel Sekunden sein. Auf diese Weise bleibt die Dauer, während der das Potential
des Aluminiummaterials im wesentlich in der Alkalikorrosionszone bleibt, extrem
kurz.
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Weiter hat das Phänomen der Alkalikorrosion, wie oben erwähnt, eine
Hervorrufungs- bzw. Auslösungsperiode. Infolgedessen besteht virtuell bzw. praktisch
keine Möglichkeit, daß das Aluminiummaterial während dieser Dauer einer Alkalikorrosion
unterworfen wird. Selbst wenn die Größe der an das Aluminiummaterial angelegten
negativen Spannung groß im Vergleich mit der Spannung ist, die bei dem konventionellen
kathodischen Schutzverfahren benutzt wird, bei dem eine äußere Spannungsquelle beendet
wird und die Notwendigkeit eines konstanten Kathodenstromflusses besteht, ist die
Möglichkeit, daß das Aluminiummaterial eine Alkalikorrosion aufgrund übermäßiger
Antikorrosion erfährt, ziemlich fernliegend. Sogar unter rauhen Bedingungen wird
das Aluminiummaterial über sein gesamten Volumen hinweg
ziemlich
wirksam gegen Korrosion geschützt.
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Nun sei die Praxis der alternativen Ausführungsform anhand des nachfolgenden
Arbeitsbeispiels erläutert: Beispiel 3 Als Teststück zum Schutz gegen Korrosion
wurde eine Platte aus Aluminium A1100 (800 mm Länge x 100 mm Breite x 1 mm Dicke)
hergestellt und dem nachfolgenden Experiment unterworfen.
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Wasserkanäle von etwa 5 mm Breite wurden auf beiden Seiten des Teststücks
entlang der Längserstreckungen bzw. der Längsränder desselben ausgebildet. In einer
Position, die etwa 10 cm im Abstand von dem einen Ende der Testplatte war, wurde
eine entgegengesetzte, bzw. gegenüberliegende Elektrode für Antikorrosion von 10
mm Durchmesser und 10 mm Länge (aus Ferrit hergestellt) angeordnet. Zwischen dieser
Elektrode und dem Teststück wurde ein Kathodenstromkreis vorgesehen, durch den ein
elektrischer Strom hindurchgehen konnte, wenn er mittels des Relais 15 betätigt
wurde, so daß damit das Teststück intermittierend in eine Kathode umgewandelt werden
konnte. Als Wasser für das Experiment wurde natürliches See- bzw. Meerwasser verwendet
(das eine Temperatur von etwa 200C hatte) und dieses Wasser wurde in den Wasserkanälen
mit einer Strömungsrate von etwa 20 cm/Sek. fließen gelassen.
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Eine Bezugselektrode (Kalomelelektrode) wurde gegenüber der gegenuberliegenden
Elektrode über dem Teststück vorgesehen.
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Jedesmal, wenn das Potential des Teststücks, gemessen auf der Basis
der Bezugselektrode, anstieg und das vorbestimmte obere Grenzpotential (das bei
-0,70 Volt festgelegt war)
erreichte, wurde der Kathodenstromkreis
durch ein von einer Potentialmeßeinrichtung ausgehendes Signal automatisch während
einer kurzen Zeitdauer (dic auf 0,06 Sekunden festgelegt war), geschlossen. Auf
diese Weise wurde die negative Spannung der äußeren Stromquelle (eine Konstantspannungs-Stromquelle
VOìl ~2 t5 -2,5 Volt) wiederholt zwischen das Teststück und die gegenüberliegende
Elektrode angelegt. Während des Experiments stieg und fiel das Kathodenpotential
des Teststücks abwechselnci in Intervallen von etwa 2 bis 3 Sekunden zwischen dem
oberen Grenzpotential und dem Potential, das etwa 0,6 Volt unterhalb des oberen
Grenzpotentials lag.
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Dieses Experiment wurde während 10 Monaten fortgesetzt.
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Während des Verlaufs dieses Experiments trat absolut kein Anfressen
bzw Locbfraß auf, und es wurde keine Alkalikorrosion beobachtet.
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Zum Zwecke des Vergleichs wurde das gleiche Teststück, wie es in dem
vorstehenden Experiment verwendet worden war, dem gleichen Vorgang ausgesetzt, wie
er vorstehend beschrieben ist, jedoch mit der Vcränderung, daß der Fluß von Antikorrosionsstrom
wegfiel. Eine Woche nach dem Beginn des Fliessens von See- bzw. Meerwasser wurde
das Auftreten von Andessen bzw. Lochfraß beobachtet.