DE69206157T2 - Verfahren und vorrichtung zum erhalten kathodischen schutzes gegen korrosion. - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum erhalten kathodischen schutzes gegen korrosion.Info
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Description
- Die hier beschriebene Erfindung bezicht sich auf eine Methode zur Aufrechterhaltung eines kathodisches Schutzes gegen Korrosion. Insbesondere ist diese Erfindung die einer galvanischen kathodischen Schutzmethode gegen Korrosion von metallischen Objekten, besonders Heizkesseln, unter Verwendung einer Elektrode, die von einem extern zugeleiteten Strom durchflossen wird, sowie einem elektronischen Regel- Potentiostat. Die Erfindung umfaßt gleichfalls eine Vorrichtung, die geeignet ist, diese Methode anzuwenden. Die Erfindung ist besonders für den Einsatz im thermo-mechanischen und elektrochemischen Bereich geeignet.
- Methoden zum kathodischen Schutz gegen die Korrosion von Heizkesseln, besonders Warmwasser-Aufbereitern, sind in der Technik seit langem bekannt. Das italienische Patent N. 1.079.586 beschreibt ein hierfür geeignetes Gerät, welches zwei Elektroden verwendet, d.h. eine Anode und eine Bezugselektrode, welche gemeinsam mit der Wand des Heizkessels an die drei Eingänge einer elektrischen Stromquelle angeschlossen sind und wo, genauer gesagt, die Anode an den positiven Pol geschlossen ist, die Heizkesselwand an den negativen Pol und die Bezugselektrode an den Verbindungspol zum Schaltkreis der Gegenreaktion. Das System misst kontinuierlich die Differenz des Schutszpotentials zwischen Bezugselektrode und der Heizkesselwand, mittels Strombeufschlagung, ohne daß diese auf irgend eine Weise verringert oder ganz unterbrochen wird. Die gemessene Schutzdifferenz wird mit einem Bezugswert verglichen, wobei fortlaufend geeignete Regulierungen des Stroms erfolgen, welcher zwischen Anode und Heizkesselwand erzeugt wird. Dieses System beinhaltet einige Probleme und Nachteile, weil die Messung der Schutzpotential-Differenz zwischen Anode und Heizkesselwand, die unter Strombeaufschlagung erfolgt, einen unterschiedlichen ohmschen Wert beinhaltet, abhängig von der Leitfähigkeit des Wassers sowie von dessen Temperatur, deshalb also nicht "a priori" bestimmt werden kann. Zur Bewältigung dieses Problems wird für die Bezugselektrode eine besondere Struktur vorgesehen, welche unmittelbar in der Nähe der Heizkesselwand eingebaut werden muß. Dies bedingt zusätzliche Nachteile in Bezug auf die Montage des Heizkessels selbst.
- EP A 0.018.522 beschriebt eine weitere Methode des kathodischen Schutzes, wobei nur eine Elektrode verwendet wird, als Anode, angeschlossen an den positiven Pol einer elektrischen Stromquelle, deren negativer Pol an den Heizkessel angeschlossen ist. Bei dieser Methode wird der zugeleitete Strom periodisch abgeschaltet. (d.h. sein Wert annulliert) und, während dieser Phase wird die Differenz des Schutspotentials zwischen Anode und Heizkesselwand gemessen. Während der Null-Phase des Stroms wirkt die Anode also als Bezugselektrode. Analog zum zuvor beschriebenen italienischen Patent wird die gemessene Differenz des Schutspotentials mittels eines Vergleichsinstruments mit dem Bezugswert verglichen und der Unterschied dieser Werte wird genutzt, um die für die darauffolgende Phase einzugebende Stromintensität festzulegen.
- Die Messung der Differenz des Potentials zwischen Anode und Heizkesselwand ohne Strombeaufschlagung dient zur Vermeidung der beschriebenen Nachteile aufgrund des Auftretens von ohmschen Verlusten im Wasser. Dennoch ist auch diese Methode nicht problemlos oder ohne Nachteile, da bei der Unterbrechung der Strombeaufschlagung das Potential der Anode schnell vom Wert unter Strombeaufschlagung auf den Gleichgewichtswert bei Null- Strom absinkt, der erheblich niedriger liegt. Dieses Absinken hangt, außer von Desorbtion während der Funktion mit voller Strombeaufschlagung gebildeter Mittel, auch von der oberflächlichen Änderung des pH-Wertes ab, der sich vom typisch sauren Wert unter Strombeaufschlagung auf einen alkalen typischen Wert des Wassers verändert. Dieses Absinken des Potentials, das erheblich und sehr schnell erfolgt, erschwierigt die Wiedergabe des Messwertes während der stromlosen Phase; deshalb ist die darauffolgende Regulierung der einzugebenden Stromstärke nicht vollständig zuverlässig.
- WO 88/08462 beschriebt eine Methode zur Messung des polarisierten Potentials eines Netzes von vererdeten Rohren mit einem vorgegeben kathodischen Strompotential. Im Besonderen wird die Messung des Potentials eines Rohres betrachtet, das mehrere Schutzkreise beinhaltet. Dieses Patent beschriebt die Problematik aufgrund des Abfalls des IR und wegen der induktiven Transitorien in Verbindung mit der Messung des polarisierten Potentials. Beim Vorgang dieses Dokumentes wird jeder Schutzkreis periodisch impulsmäßig ein bzw. abgeschaltet. Die Spannung wird während beider Perioden impulsmäßig erfaßt. Diese Messung erlaubt, die Probleme des Absinkens des IR und der induktiven Transitoren zu vermeiden. Ebenso erfolgt damit eine genaue Messung des polarisierten Potentials, auch wenn der durchfließende Strom von anderen Schutzkreisen kommt. Dennoch beschreibt dieses Dokument nicht die Anwendung eines Schutzstroms mit Werten zwischen 10% und 50% oder 200% der Betriebsstärke. Zudem ist die Verwendung von veränderten Strömen - im Gegensatz zum Nullstrom - zur Bestimmung des polarisierten Potentials, welches ermöglicht, den Effekt des Absinkens des IR und der Transitorien zu verringern, in diesem Dokument nicht beeinhalter; hingegen werden diese Probleme nach dem WO 88/08462 mittels komplexer Technik zur Erzeugung von Impulsen und zur Messung überwunden.
- Die hier beschriebene Erfinding dient zur Vermeidung der Probleme und Nachteile der bekannten Technik und zur Verfügbarkeit einer kathodischen Schutzmethode gegen Korrosion, wobei, unter Verwendung nur einer Elektrode, eine geeignete Messung des Stroms erfolgt und dengemäß die Intensität des Schutzstroms zuverläßig geregelt werden kann. Dies erfolgt mittels Verwendung einer kathodischen Korrosionsschutzmethode, wie unter Anspruch 1 beschrieben. Die davon abhängigen Ansprüche (2-5) beschreiben besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten dieser Erfindung. Die Ansprüche 6 bis 11 beschreiben weiterhin eine Vorrichtung, die geeignet ist, die Methode dieser Erfindung duchzuführen.
- Entsprechend der Erfindung verwendet diese kathodische Korrosionsschutzmethode nur eine Elektrode, welche an den positiven Pol einer elktrischen Stromquelle angeschlossen ist, und deren negativer Pol mit dem zu schützenden Objekt verbunden ist, im vorliegenden Falle einem Heizkessel. Nach einem grundsätzlichen Merkmal dieser Erfindung wird die Intensität des Stroms zur Gewährleistung der Methode periodisch erhöht oder verringert, während eines bestimmten Zeitraums, um einen vorbestimmten Wert im Bezug auf den Normalwert, und während dieser Phase erhöhter oder verringerter Stormstärke wird die Differenz des Potentials zwischen Heizkessel und Anode gemessen. Mittels eines Vergleichsinstruments wird die Potentialdifferenz mit einem vorbestimmten Bezugswert verglichen, und die Abweichung wird genutzt, um die Stromstärke während der darauffolgenden Betriebsphase zu bestimmen. Auf diese Weise werden zahlreiche Vorteile im Vergleich zu bekannten Methoden erzielt.
- In der Tat ermöglicht die Messung der Potentialdifferenz während der Phase mit verringerter Stromstärke, den verringerten ohmschen Wert des Wassers stark bis ganz zu vernachläßigen; dieser Wert wäre sonst schwierig zu messen, da je nach Gegebenheit und Temperatur unterschiedlich. Zusätzlich verringert die Methode der Verringerung und nicht der Unterbrechung der Schutzstromstärke erheblich den Effekt des Abrutschens des Anodenpotentials zum Gleichgewicht bei Nullstrom, und damit ist eine genaue Messung mit entsprechend zuverläßiger Regulierung der Stromstärke kontinuierlich möglich.
- Nach einer Variante der Methode dieser Erfindung wird die Schutzstromstärke periodisch um einen Bruchteil des Wertes bei Betriebsbedingung für einen vorbestimmten Zeitraum verringert, wobei eine Messung der Spannung erfolgt. Mittels einer geeigneten Elektronik zur Kontrolle wird das Meßergebnis dann linear korrigiert, mit Extrapolation auf den Nullstrom-Wert, und mit dem Bezugswert verglichen, um dadurch den Wert zur Regulierung des Stroms in der darauffolgenden Betriebsphase vorzunehmen. In einer weiteren Variante der Methode dieser Erfindung wird die Schutzstromstärke periodisch über eine vorbestimmte Zeit verdoppelt und das entsprechende Potential gemessen. Erneut erfolgt die Extrapolierung des Ergebnisses und der Vergleich mit dem vorbestimmten Bezugswert, um dementsprechend die Stromregulierung für den folgenden Betriebszyklus vorzunehmen.
- Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschriebungen des Einstatzes der Erfindung, welchen exemplarisch erfolgen, ohne Einschränkungen, unter Verwendung einer Zeichnung eines Blockschemas einer Vorrichtung, die geeignet ist, die Methode des kathodischen Korrosionsschutzes nach dieser Erfindung praktisch anzuwenden.
- In der Zeichnung bedeutet die Bezugsnummer 10 generell ein Blockschema, welches die Komponetnen einer Vorrichtung zeigt, die zur Verwendung der Methode nach dieser Verwendung geeignet ist, Die Vorrichtung 10 ist in Verbindung mit einem Objekt 11 zu sehen, das gegen Korrosion geschützt werden soll und welches eine metallische Oberfläche hat, die mit Wasser in Berührung steht. Im gebräuchlichsten Falle ist das Objekt 11 ein Warmwasser-Aufbereiter oder Heizkessel; die Methode dieser Erfindung kann jedoch auch auf anderen Metallflächen angewendet werden, die von Wasser korrodiert werden können, wie Teile von Schwimmkörpern, Rohrleitung, Regenrinnen usw.
- Der Heizkessel 11, mit Wasser gefüllt, das als elektrolythische Lösung fungiert, enthält im Innern eine Elektrode 12, welche zur Vorrichtng 10 gehört und die an den positiven Pol einer Stromquelle 20 angeschlossen ist, deren negativer Pol mit der Wand des Kessels 11 verbunden ist.
- Die Elektrode 11 besteht hauptsächlich aus einer Titanstange, die mit Edelmetallen vergütet ist. Die Stromversorgung für den gesamten Schaltkreis erfolgt von einer geeigneten Dauerversorgung (nicht dargestellt), die normalerweise ein Gerät ist, welches den Wechselstrom vom Netz abzweigt und mit einem Transformator versehen ist, sowie mit einem Gleichrichter und geeigneten Filtern. Der Stromerzeuger 20 und die Elektrode 12 sind zudem mit einem Zellenpaar 14 zur Steuerung verbunden, Type Sample und Hold, welche in der Gegenphase vom Oszillator 19 gesteuert werden. Bei dieser Auslegung wird die Zelle 15 gesteuert werden. Bei dieser Auslegung wird die Zelle 15 mittels geeignetem Signal aktiviert, in Bezug auf eine Stromstärke von 100% des Betriebsstroms, während die Zelle 14 diesbezüglich mit einer Stromstärke von 50% des Betriebsstroms aktiviert wird.
- Dementsprechend wird in der Zelle 15 der Wert V-100% (V1) gespeichert, was dem Potential der Anode 12 entspricht, wenn die Stromstärke die des Betiebstroms ist I-100% (I1), während die Zelle 14 den Wert V-50% (V2) des Potentials der Anode 12 speichert, wenn die Stromstärke 50% des Betriebsstroms ist (I- 50% = I2). Entsprechend der Eigenschaft der Erfindung werden die Werte V1 und V2 genutzt, um eine lineare Korrektur nach folgender Formel vorzunehmen:
- V3 = V1 - 2(V1-V2)
- Der Wert V3 ist dabei der extrapolierte Wert des Potentials bei Null-Strom und wird mit dem Wert Vr des zuvor bestimmten und gespeicherten Potentialwerts verglichen. Zur praktischen Anwendung dieser Formel beinhaltet die Vorrichtung 10 einen ersten Differentialverstärker 16, welcher die Differenz (V1-V2) ergibt und der, mitttels geeigneter Auswahl der Widerstandswerte, derartig dargestellt wird, damit ein Gesamtergebnis gleich 2 erhalten wird; demgemäß ist die Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 16 gleich 2(V1-V2). Dieses Potential wird dann auf einen der Eingänge des zweiten Differentialverstärkers 17 gegeben, welcher diesen Wert vom Betriebspotential V1 in Abzug bringt. Dennach erhält man am Ausgang des Verstärkers 17 das Potential V3.
- In der Folge wird das Potential V3 zum Eingang eines dritten Differentialverstärkers 18 geleitet, an dessen anderem Eingang das Bezugspotential Vr anliegt, welches vom Teilermodul 22 mittels Teilung der Speisespannung erhalten wurde, und die Ausgangsspannung des Verstärkers 18 wird dann zum Stromerzeuger 20 geleitet. Das ergibt, daß vom Modul 20 ein Strom erzeugt wird, der proportional zur Spannung am Ausgang des Verstärkers 18 ist. Die Schaltung enthält zudem einen Elektronikschalter 21, der mittels des vom Oszillator 19 gegebenen Signals und während der Ansteuerungsphase der Zelle 14 dafür sorgt, daß der Ausgangsstrom des Generators 20 verringert bzw. auf 50% des Betriebsstroms gebracht wird. Der beschriebene Vorgang wird also periodisch wiederholt, wobei die Stromstärke entsprechend geregelt wird.
- Nach dieser Anwendungsform entspricht dem Potential V-2 eine Verringerung der Stromstärke um 50%. Dies bedeutet keine Beschränkung des Verfahrens dieser Erfindung, da der Wert V-2 innerhalb großzügiger Grenzen gewählt werden kann, die zwischen 10% und 50% der Betriebsstromstärke liegen können, wobei man auf jeden Fall sehr zuverläßige Regulierungen der Stromstärke erhält.
- Nach einer zweiten Verfahrensweise der Erfindung ist es möglich, die Eingänge des Differentialsverstärkers 16 zu tauschen und nach nur einheitlichem Ergebnis darzustellen, sowie den Elektronikschalter 21 so zu schalten, daß dessen Umkehrung eine Verdoppelung des Ausgangsstroms erzeugt. In diesem Falle wird der Strom in einer Zelle mit einer Stärke von 100% des Betriebsstroms erzeugt, und in der anderen Zelle mit 200% des Betriebsstroms, über kurze Zeit, und am Ausgang des Verstärkers 17 erhält man das Potential
- V4= V1 - (V2-V1)
- welches mit dem Bezugspotential Vr verglichen wird.
- In einer dritten Verfahrensweise der Erfindung ist der Teiler 22 mit einer Temperatursonde des Wassers verbunden (in der Abbildung nicht dargestellt). Die Einbeziehung einer Wasser- Temperatursonde hat das Ziel, die Potentialveränderung der Anode auszugleichen, welche sich aufgrund von Änderungen der Wassertemperatur ergibt. In den Anwendungen, die ohne diese Sonde sind, wird das Bezugspotential Vr vom Teiler 22 erzeugt, welcher das Potential verringert, das von einer Diode Zener stabilisiert ist (in der Abbildung nicht dargestellt); da Vr fest ist, geschieht es, daß bei Überprüfung des vom Stromkreis gelieferten Stroms das Potential zwischen Anode und Kathode variiert, je nach unterschiedlichem Verhalten der elektrolytischen Lösung zwischen Anode und Kathode bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen. Dennoch wird, wenn auch Vr mittels einer Wasser-Temperatursonde gemeinsam mit dem Teilerkreis 22 kontrolliert wird, das Bezugspotential entsprechend der Temperaturschwankungen der eelektrolytischen Lösung variiert. Es wird also mittels geeigneter Einstellung der Sonde, um eine Änderung des Bezugspotentials Vr zu verreichen, das Potential zwischen Anode und Kathode sehr konstant gehalten; diese Einschränkung der Änderungen des Potentials wiederum ergibt eine zuverläßige und homogene Sicherung; damit ist auch die Gefahr der Korrosion aufgrund übermäßigem Schutz bei Verwendung von passiven Schutsmaterialien (Lachen, Emaille usw.) erheblich verringert.
- Nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung wird eine anzeige (in der Abbildung nicht dargestellt), normalerweise aus einem LED bestehend, mit dem Stormerzeuger 20 verbunden. Diese Anzeige hat die Aufgabe, optisch die Funktion des Korrosionschutzkreises anzuzeigen.
Claims (11)
1) Methode zur Aufrechterhaltung eins kathodischen Schutzes
gegen Korrosion, wobei eine Elektrode (12), als Anode
verwendet, von einem extern zugeführten Strom durchflossen
wird und dieselbe in einer elektrolythischen Lösung
eingetaucht ist, welche mit dem zu schützenden Metallkörper
in Kontakt ist, der als Kathode funktioniert, und wobei ein
Modul (22) verwendet wird, an welchem ein Bezugspotential
angelegt ist (Vr), sowie mit einem Elektronikkreis, der
dazu geeignet ist, die Differenzdaten des Potentials zu
messen, die sich aus der Differenz zwischen Anode und
Kathode ergeben sowie dem Bezugspotential (Vr) dadurch
gekennzeichnet, daß sie die folgende Phasen umfaßt:
- eine Phase, die periodisch wiederholt wird, während
der die Betriebsstärke (I-100%) des Schutzstroms
erhöht bzw. verringert bezüglich eines vorbestimmten
Wertes wird, der jedenfalls ungleich Null ist, wobei
dieser Wert entweder zwischen 10% und 50% des
Betriebsstroms, oder gleich 200% desselben liegt;
- eine Meßphase während der die Potentialdifferenz (V2)
zwischen Anode (12) und Kathode unter dieser
veränderten Stromstärkesbedingung im Vergleich zur
Betriebsbedingung gemessen wird, und
- eine Phase während der die Potentialdifferenz und der
Bezugspotential (Vr) miteinander verglichen werden,
wobei der Unterschied zwischen den Werten als
Steuerungswert für die Stärke des Schutzstroms
verwendet wird.
2) Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Potentialwerte der Betriebsstromstärke (V1) und der
verringerten Stormstärke (V2) vom Elektronikkries
verarbeitet werden, wobei eine lineare Korrektur aus der
Extrapolation dieser Werte geschaffen wird (V3),
entsprechend einem Nullstrom an der Anode (12), und dann
dieses Potential (V3) anschliessend mit dem Bezugspotential
(Vr) verlichen wird.
3) Methode nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß während
der Phase, in welcher die Betriebsstärke des Schutzstroms
auf einen Wert zwischen 10% und 50% verringert ist, der
Potentialwert (V3) entsprechend der Stärke eines Nullstroms
der Anode (12) vom genannten Elektronikkreis extapoliert
wird mittels Eingabe derfolgenden Formel:
V3 = V1 - 2(V1-V2)
wobei V1 das Potential entsprechend der
Betriebsstromsstärke ist und V2 das Potential entsprechend
der verringerten Stromsstärke ist.
4) Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Werte des Potentials entsprechend der Betriebsstromsstärke
(V1) und der verringerten Stromsstärke (V2) vom genannten
Elektronikkreis verarbeitet werden und eine lineare
Extrapolation zur Korrektur des Potentialwertes (V4)
ausgeführt wird, wobei dieser Wert (V4) anschließend mit
dem Bezugspotential verglichen wird.
5) Methode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
linear korrigierter Potentialwert (V4) mittels Eingabe der
folgenden Formel erreicht wird:
V4 = V1 - (V2-V1)
wobei V1 das Potential entsprechend der
Betriebsstromsstärke darstellt und V2 das Potential
bezeuglich der erhöhten Stromstärke bedeutet.
6) Vorrichtung (10) zur Durchführung einer Methode nach einer
der vorherigen Ansprüchen, die eine Elektrode (12), die als
Anode eingetaucht in einer elektrolythischen Lösung
arbeitet, welche mit dem zu schützenden Metallgegenstand in
Kontakt ist, der als Kathode funktioniert, umfaßt, dadurch
gekennzeichnet daß sie ferner ein Zellenpaar (14, 15) vom
Typ Sample and Hold zur Verarbeitung und speicherung der
Daten bezuglich der Potentialdifferenz bestehend zwischen
Anode und Kathode bei unterschiedlichen Bedingungen der
Stromintensität durch die Anode umfaßt, sowie eine Quelle
(22) für das Bezugspotential (Vr) erste Mittel (16, 17)
zur Verarbeitung dieser Daten, zweitte Mittel (19), welche
geeignet sind, einen Vergleich zwischen den verarbeiteten
Daten und dem Bezugspotential (Vr) auszuführen, einen
Stromgenerator (20), der von diesen Zusatzgeräten (19)
gesteuert wird und der die Stromstärke um 100% höher oder
niedriger als die Betriebsstärke schalten kann, sowie
weitere Geräten (19, 21) zur Zeitsteuerung, um die
Stromstärke nach vorbestimmten Zeiträumen erhöhen oder
verringern zu können.
7) Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Mittel (16, 17) ein Paar
Differentialverstärker beinhalten, die seriell zueinander
verbunden und die mit den Zellen (14, 15) verbunden sind.
8) Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite Mittel einen
Differentialverstärker 918) umfassen, von welchem eine
Eingangsklemme an die Ausgangsklemme der ersten Mittel (16,
17) verbunden ist, deren andere Eingangsklemme an die
Bezugspotentialsquelle (Vr) verbunden ist, wobei die
Ausgangsklemme des Verstärkers zum beschriebenen
Stromgenerator (20) verbunden ist.
9) Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche von 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß dritte Mittel zur
Zeiteinstellung (19, 21) einen Elektronikschalter (21) und
einen Oszillator (19) umfassen.
10) Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche von 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner einen Sensor der
elektrolythischen Lösungstemperatur umfaßt, der mit der
Quelle (22) des Bezugspotentials (Vr) zusammenwirkt, um den
Wert dieses Bezugspotentials (Vr) steuern zu können,
infolge von Temperraturänderungen in der elektrolythischen
Lösung während des Betriebs.
11) Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche von 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß diese zudem mit einer
Vorrichtung ausgerüstet ist, um den augenblicklichen Stand
des Schutzvorgangs visuell anzuzeigen.
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1996
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