Mess-Technik Online-Korrosionsmessung als Betriebsparameter

In der Prozessindustrie wird Korrosion häufig als etwas Unvermeidbares angesehen. Der nachfolgende Beitrag soll helfen ein Informationsdefizit abzubauen und gleichzeitig zeigen, wie man einen hartnäckigen Kostenfaktor in den Griff bekommt.

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Die Steuerung von Temperatur, Druck, Durchflussrate und pH-Wert in einem Prozess ist eine fortlaufende Optimierung mit dem Ziel einer höchstmöglichen Produktivität. Dass der Faktor Korrosion dabei nicht einfließt, liegt daran, dass er messtechnisch bisher schwer fassbar war. Das ist umso kritischer, als gerade heute die Anlagen sehr oft hart an der Obergrenze ihrer Auslegung gefahren werden und sich damit Korrosionseffekte multiplizieren können.

Leider ist die Korrosionsrate keine klar definierte physikalische Messgröße wie die Temperatur. Sie hängt in starkem Maße von chemischen und physikalischen Einflussfaktoren ab und war bisher auch nicht direkt messbar wie etwa Druck- oder Temperaturwerte.

Bisher war man bei Korrosionsmessungen in Anlagen darauf angewiesen, einen Prüfkörper, einen so genannten Coupon aus dem gleichen Material wie es in der Anlage eingesetzt wird, einzubringen und seinen Gewichtsverlust nach einer bestimmten Zeitspanne zu ermitteln. So kann man durch Nachwiegen alle drei Monate einen Masseverlust bestimmen und eine jährliche Korrosionsrate errechnen, die zumindest Anhaltspunkte für die tatsächlichen Vorgänge liefern kann. Es versteht sich von selbst, dass eine solche Messmethode nur einen Mittelwert über einen bestimmten Zeitraum darstellen kann – eine Betrachtung der aktuellen Situation und unter den momentan herrschenden Bedingungen ist nicht möglich. Das bedeutet auch, dass die Korrosionsrate bisher nicht als Steuergröße für den Betrieb einer Anlage einfließen konnte. Es ist aber einleuchtend, dass gerade in der Chemie-, Pharma-, Erdöl- oder auch im Kraftwerksbereich der dringende Bedarf nach einer Echtzeit-Messmethode besteht. Denn die Behebung von Korrosionsschäden, auch in Form vorbeugender Wartung, kostet Millionen. Und oft kommt es nur darauf an, einen bestimmten Parameter geringfügig zu verändern, um den Angriff auf die Materialien signifikant zu verringern. Ein Prüfkörper, der nach drei Monaten Auskunft über die Historie gibt, kann dies nicht leisten.

Ein nicht selten anzutreffender Sonderfall der Korrosion ist die Lochkorrosion oder der Lochfraß. Hierbei handelt es sich um ein räumlich begrenztes Auftreten kräftiger Korrosionserscheinungen an einer ansonsten homogenen Materialoberfläche. Als Ursache können hier z.B. strukturelle Unregelmäßigkeiten im kristallinen Aufbau der Metalle und Legierungen angenommen werden. Das Unangenehme an dieser Art der Korrosion ist die Tatsache, dass sie sehr rasch zum Auslöser erheblicher Betriebsstörungen werden kann. Zuverlässige Aussagen über das Auftreten der Lochkorrosion und die Ermittlung der befallenen Stellen sind bisher kaum möglich.

Wie schon beschrieben, sind elektrochemische Vorgänge in der Regel die Auslöser eines Korrosionsvorganges. Das dahinter stehende Prinzip ist die Spannungsreihe der Elemente. Wichtig ist, dass sich die Korrosionsvorgänge immer als der Ausgleich von Potenzialdifferenzen beschreiben lassen – was einfach ausgedrückt besagt, dass ein Strom fließt. Genau hier bietet sich der Ansatzpunkt für eine Lösung des messtechnischen Problems.

Die bei der Korrosion fließenden, sehr schwachen Ströme kann man mithilfe von Elektroden messen, an die eine Gleichspannung angelegt und der Stromfluss gemessen wird. Auf diese Weise funktioniert der neue Korrosionstransmitter Smartcet. Die Idee dahinter: Die Sonde der Messelektrode ist aus dem selben Material wie die auf Korrosion zu überwachende Rohrleitung, deshalb wird an der Sonde ebenfalls Korrosion auftreten. Der Transmitter misst die bei der Korrosion auftretenden elektrischen Signale und wertet diese aus. Eine Messelektrode mit drei Sonden wird in den Prozess an der Stelle eingebracht, die auf Korrosion überwacht werden soll.

Funktion der Smartcet Sonde

Das „elektrische Modell einer korrodierenden Elektrode“ kann mithilfe eines so genannten Ersatzschaltbildes dargestellt werden. Es ist die Parallelschaltung einer Impedanz (Faraday-Impedanz) und eines Kondensators, sowie eines ohmschen Widerstandes hierzu in Reihe geschaltet. Die Impedanz bildet den eigentlichen Ionen/Elektronenaustausch ab, während der Kondensator die Vorgänge an der Oberfläche zwischen Metall und Elektrolyt darstellt. Der in Reihe geschaltete ohmsche Widerstand entspricht dem Widerstand des Elekt-rolyten (Medium).

Bei Anlegen einer bestimmten Spannung kann die Faraday-Impedanz als komplexe, aber lineare Impedanz aufgefasst werden. Nach dem Korrosionsmodell von Stern und Gaery kann man dann auf die allgemeine/lineare Korrosion schließen, wenn dieser Widerstand sowie die Materialeigenschaften der Elektrode und deren Fläche bekannt sind. Um die Wirkanteile der Faraday-Impedanz zu messen, wird eine Gleichspannung angelegt und der fließende Strom gemessen. Der Korrekturfaktor bei dieser Messung ist der Stearn-Geary-Wert „B“. Mit diesem Wert kann die Richtigkeit der Messung der linearen Korrosion verifiziert werden. Leider ist im elektrischen Modell der korrodierenden Elektrode noch der ohmsche Widerstand des Elektrolyten, also des Mediums „eingebaut“. Um diesen Widerstand quantifizieren zu können, ist auch noch die Leitfähigkeit des Mediums zu messen. Dies wird im Smartcet während des siebenminütigem Messzyklus ebenfalls getan. Der im elektrischen Modell genannte Kondensator bzw. dessen Kapazität wird ebenfalls berechnet und als KMI-Faktor ausgegeben.

Dynamik exakt berechnen

Da ein Korrosionsprozess ein dynamischer Vorgang ist und stark von verschiedenen Randbedingungen im System abhängt, benötigt man für diesen Absolutwert einen Korrekturfaktor B, der für jedes System individuell zu ermitteln ist. Den tatsächlichen B-Wert eines solchen Systems ermittelt man anhand der Abweichungen vom linearen Verlauf des Polarisationswiderstandes. Leider ist dieser Wert nicht direkt berechenbar, sondern wird im Normalfall aus dem Vergleich zwischen einer Kontrollmessung und dem Messergebnis bestimmt bzw. aus Erfahrungswerten abgeleitet. Smartcet variiert die an die Elektrode angelegte Gleichspannung langsam und kann so anhand der Antwort des Systems die Nichtlinearität des ohmschen Anteils der Faraday’schen Impedanz bestimmen. Damit stehen für das Korrosionsmodell online Werte für B zur Verfügung. Diese Werte ermöglichen die präzisere Bestimmung der konkreten Korrosionsrate, da nun die systembedingten Messunsicherheiten kompensiert sind.

Lochfraß ermitteln

Lochkorrosion ist eine Erscheinung, die in ansonsten homogenen Systemen lokal an verschiedenen Stellen auftreten kann. Auslöser können mikroskopische Strukturabweichungen in den Metalloberflächen, an Grenzflächen oder in Ablagerungen, Salz- oder Oxidschichten sein. Elektrochemisch handelt es sich um die lokal begrenzte Ausbildung von Zellen mit einer Potenzialdifferenz zum umgebenden Material. Für die hier beschriebenen Smartcet-Messelektroden erscheint ein solcher Vorgang als „Eigenrauschen“ des betreffenden Systems. Die Messung des Pitting (Lochfraß) erfolgt durch eine Messung dieses Rauschens zwischen einer der beiden Messelektroden und der Referenzelektrode. Die Amplitude des Rauschsignals ist ein Maß für den Lochfraß im Verhältnis zur linearen Korrosion. Der vom Transmitter ausgegebene Pittingfaktor ist deshalb ein Faktor, der das Verhältnis von Pitting zu allgemeiner Korrosion angibt. Der Aufbau der Smartcet-Sonde stellt sicher, dass die Elektroden – die natürlich dem verwendeten Behältermaterial entsprechen müssen – die Messung nicht beeinflussen. Der Vorteil dieser dreistufigen Messtechnik ist ihre Schnelligkeit. Das System kann in wenigen Minuten wichtige Aussagen zur Anlagenkorrosion liefern und versetzt den Betreiber in die Lage, seine Betriebsparameter quasi in Echtzeit anzupassen.

Die Einsatzbereiche

Durch Korrosion entstehen jährlich Schäden, die sich zu dreistelligen Milliardenbeträgen allein in Deutschland summieren. Ein Teil dieser Schäden ist unvermeidlich, weil sich naturgesetzliche Gegebenheiten nicht außer Kraft setzen lassen. Allerdings ist ein nicht unerheblicher Teil dieser Schäden zumindest in seiner Höhe zu begrenzen. Die richtige Materialwahl beim Anlagenbau ist eine der Grundvoraussetzungen. Eine sorgfältige Beobachtung des Korrosionsstatus von kritischen Anlagenteilen und eine gezielte Wartung sind in jedem Falle unerlässlich. Wünschenswert ist eine Echtzeit-Messung von Korrosionswerten, die die Änderung von Prozessparametern im laufenden Betrieb ermöglichen würde. Der Smartcet liefert im Sieben-Minuten-Takt geeignete Messwerte, die entweder in ein vorhandenes Prozesssteuerungssystem einfließen oder mithilfe eines Auswertesystems erfasst werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, einerseits Sofortmaßnahmen einzuleiten und andererseits Trends zu erkennen und damit eine fortlaufende Optimierung der Prozessführung zu ermöglichen. Interessant in diesem Zusammenhang ist die Möglichkeit der Messwertübertragung mit drahtlosen Transmittern von Honeywell. Sie ermöglichen die kostengünstige Montage der Sensoren dort, wo die Problemstellen sind und benötigen keinerlei Verkabelung zur Messwertübertragung. Dies ist gerade bei komplexen Industrieanlagen und bei der Nachrüstung ein enormer Vorteil. Korrosionsmessung ist keine theoretische Wissenschaft, sondern eine sehr diffizile Angelegenheit, die ein großes Maß an interdisziplinärem Wissen erfordert. Daher war sie bisher ein Thema für Spezialisten – oder eben auch gar kein Thema. Was aber teuer werden kann. Mit Smartcet steht jetzt ein praxisbewährtes, patentiertes System zur Verfügung, das Einblick in die akute Korrosionssituation bietet und sogar regelnde Eingriffe ermöglicht.n

Der Autor ist Mitarbeiter bei Honeywell GmbH, Offenbach.

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