DD298063A5 - Vorrichtung zur probenhalterung bei der messung elektrochemischer kennwerte anmetallischen proben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Probenhalterung bei der Messung elektrochemischer Kennwerte an metallischen Proben. Objekte, auf die sich die Erfindung bezieht, sind u. a. korrosiv beanspruchte metallische Rohrleitungen. Erfindungsgemaesz fuehrt bei dieser Vorrichtung der Spannstab mit einem Gewinde zum Spannen, einer Mutter mit Unterlegscheibe zum Spannen, einer Kontaktfeder und einem Gegenlager durch die Probe, die gleichzeitig Arbeitselektrode ist, und die Gefaeszwand, ist um das Gegenlager eine Isolation aus elektrisch nicht leitendem Material angeordnet, ist zur mechanischen und Formstabilisierung der Isolation eine Kapselung, die an dem zur Probe entgegengesetzten Ende einen Verschlusz hat, angeordnet, sind zur Abdichtung der Probe nach oben und unten zwei Abdichtscheiben angeordnet und sind im Abstand von der Probe um die Probe herum eine oder mehrere Gegenelektroden und gegenueber der Probe eine Bezugselektrode angeordnet.{Probenhalterung; elektrochemische Kennwerte; metallische Proben; Spannstab; Kontaktfeder; Gegenlager; Arbeitselektrode; Isolation; Abdichtscheiben; Gegenelektrode; Bezugselektrode; Kapselung}

Description

einer Bohrung versehenen Spannstabes ist es empfehlenswert, wenn der Spannstab an seinem oberen Ende mit einer Druckleitung (die z. B. mit einer Pefestigungsschelle am Spannstab befestigt ist), die entweder gegenüber dem Spannstab isoliert ist oder aus einem elektrisch nicht leitenden Material (z. B. Gummi) besteht, veisehen ist. Wenn sich die Probe nir.it direkt an der Gefäßwand, sondern mehr im Gefäßinneren befinden soll (abhängig von den Versuclisbedingungen), ist es günstig, zwischen der Abdichtscheibe an der Gefäßinnenwand bei der Spannstabdurchführung und der Abdiclitscheibe am oberen Rand der Probe ein Distanzstück, durch das der Spannstab führt und das gegenüber dem Spannstab isoliert ist, aus einem gegenüber dem Elektrolyt beständigen Material (z. B. Metall) anzuordnen. Vorteilhafterweise sollte dieses Distanzstück mit zwei Distanzringen zentriert werden. Bei der Messung von Spalt- oder Korrosionsströmen sollte das Distanzstück, wenn es aus Metall besteht, günstigerweise anstatt der Gegenelektrode als Gegenelektrode verwendet werden: Es ist außerdem günstig, bei einer Wandstärke der Probe S 1,3mm in den Ringraum zwischen Spannstab und Innenwand der Probe einen Stützring, der den Ringraum nahezu vollständig ausfüllt, der die gleiche Höhe wie die Probe hat, der annähernd den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Probe aufweist und der eine Durchführung für die Kontaktfeder besitzt, einzubringen. Wichtig für die bei der Probenhalterung für die verschiedensten Bauteile zum Einsatz kommenden Materialien ist es, daß sie gegenüber der entsprechenden Arbeitstemperatur stabil sind.

Die beschriebene erf indungsgemäße Vorrichtung zur Probenhalterung hat den Vorteil, daß alle im Stand der Technik beschriebenen Nachteile nicht auftreten. Besonders vorteilhaft ist, daß damit auch Möglichkeiten eingeräumt werden, reale technische Einsatzbodingungen zu simulieren und somit die Proben unter praxisnahen Bedingungen zu untersuchen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Probenhalterung wird in nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den beigelegten Abbildungen sind 3 Varianten der erfindungsgemäßen Probenhaltevorrichtung schematisch skizziert.

1 .Ausführungsbeispiel

Diese Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Probenhalterung ist in Abb. 1 skizziert. Als Arbeitselektrode dient eine Rohrprobe 1 mit den Abmessungen Außendurchmesser = 16mm, Wandstärke = 1,5mm und Länge = 10mm aus Stahl X8CrNiTi 18.10, deren Stirnflächen parallel zueinander und rechtwinklig zur Rohrlängsachse angeordnet sind. Diese Rohrprobe 1 ist auf die Probenhaltevorrichtung, bestehend aus Spannstab 2 aus Stahl, Kontaktfeder 6 aus Stahl X8CrNiTi 18.10, die über eine Bohrung durch den Spannstab geführt wird, Gegenlager 7, Kapselung 9 aus Stahl X8CrNiTi 18.10 der elektrischen Isolation 8 des Spannstabes 2 und Verschluß 10 aus Stahl X8CrNiTi 18.10, aufgesteckt. Der Verschluß 10 ist mit einem Gewinde M20 versehen. Den elektrischen Kontakt zwischen Rohrprobe 1 und Spannstab 2 bildet die Kontaktfeder aus elastischem Stahl X8CrNiTi 18.10-Draht. In sicherem Abstand von der Probe um die Probe herum ist eine netzartige Gegenelektrode 13 und gegenüber der Probe ist eine Bezugselektrode 14 angeordnet. Die elektrische Isolation des Spannstabes 2 gegen die Kapselung 9 bewirkt eine Isolation 8 aus unstabilisiertem PTFE. Diese verhindert zusammen mit dem Kapselverschluß 10 auch das Eindringen des aus einer 10~²molaren NaCI-Lösung bestehenden Elektrolyten 26 in den Raum zwischen Rohrprobe 1 und Spannstaboberfläche. Dieser Raum ist mit einem ringförmigen Stützring 24, der zur Zentrierung der Prc Od 1 dient, aus Stahl X8CrNiTi 18.10 nahezu vollständig ausgefüllt. Dieser Stützring 24 verhindert auch das Durchdrücken der Dichtungen (11,12) während des Spannens der Vorrichtung. Das Distanzstück 19 aus Stahl X8CrNiTi 18.10 wird mittels zweier Distanzringe (20,21) zentrisch auf dem Spannstab :<i!yeordnet. Eine weitere Isolation 18 verhindert den direkten elektrischen Kontakt zwischen Distanzstück 19 und Autoklavdeckel 25. Der Spannstab 2 mit den darauf angeordneten Bauelementen ist über ein Gewinde 3 mittels Mutter 4 mit Unterlegscheibe 5 sowie den Dichtungen und Isolationen (11,12,15,18) fest am Autoklavdeckel 25 verschraubt. Die Bohrungen (16,17) im Spannstab 2 ermöglichen die Auflastung von Innendruck auf dio Probe 1, so daß reale technische Einsatzbedingungen simuliert werden können. Es ist hierbei auch möglich, die Bohrung, durch die die Kontaktfeder 6 führt, anstatt der in der Abb. 1 eingezeichneten Bohrung 17 zu verwenden. In diesem Fall muß aber die Bohrung 16 bis zur Bohrung für die Kontaktfeder 6 führen. Das zur Auflastung von Innendruck auf die Probe 1 notwendige Druckgas (z.B. H₂) wird mittels einer Druckleitung 22 aus Gummi mit Gewebeeinlage über die Spannstabbohrungen (16,17) in das Innere der Probe 1 gedrückt. Die Druckleitung 22 ist dann mittels einer Befestigungsschelle 23 am Spannstab 2 befestigt. Das Autoklavgefäß 25 dient zur Aufnahme des Elektrolyten 26. Zur Vermeidung von Korrosionserscheinungen an den Autoklavwänden befindet sich der Elektrolyt 26 im Autoklav noch in einem Bbcherglas 27 innerhalb des Autoklaven. Dieser Einsatz im Autoklaven kann auch aus einem anJeren vom Elektrolyt nicht angreifbaren Material bestehen (.7.B. Kunststoff, Keramik).

2. Ausführungsbeispiel

Diese Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Abb.2 skizziert.

In diesem Beispiel ist die Probenhalterung nicht in einen Autoklaven, sondern in eine Rohrleitung eingebaut. Sie besteht aus den gleichen Bauteilen 1-26, die auch im 1. Ausführungsbeispiel genannt sind. Allerdings ist hier unter Ziffer 25 die Wand der Rohrleitung zu verstehen. Im Unterschied zum 1. Beispiel wird hier auf das Distanzstück (19 in Abb. 1) und die Isolation (18 in Abb. 1), da die Probe 1 als Arbeitselektrode voll in den Elektrolyt 26 eintaucht, und die Gegenelektrode (13 in Abb. 1), da in diesem Beispiel nur Potentialmessungen durchgeführt wurden, verzichtet. Anstelle durch den Autoklavdeckel ist die Probenhalterung durch eine Bohrung in der Rohrleitungswand 25 geführt. Durch eine zweite 3ohrung in der Rohrleitungswand 25 wird dann die für die Potentialmessungen notwendige Bezugselektrode 14 geführt.

3.Ausführungsbeisplel

Diese Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Abb.3 skizziert.

In diesem Beispiel wird die Messung im Autoklav durchgeführt, die Probenhaltevorrichtung ist am Autoklavdeckel 25 montiert, und diese Vorrichtung besteht aus den gleichen Bauteilen 1-27, wie in Beispiel 1.

In dieser Ausführungsvariante ist die Probe 1, die auch gleichzeitig Arbeitselektrode ist, von einem ringförmigen Element 28 aus PTFE ganz oder teilweise umgeben. Zwischen Probe 1 und diesem Element 28 besteht ein Spalt geringer Breite (<0,15mm). Das Distanzstück 19 besteht in diesem Beispiel aus Stahl X8CrNiTi 18.10 und ist selbst als Gegenelektrode geschaltet, so daß die in

Beispiel 1 und Abb. 1 angeführte Gegenelektrcde (13 in Abb. 1) entfallen kann. Die elektrische Ableitung 29, die elektrisch isoliert ist, des Distanzstückes 1i) als Gegenelektrode wird im Dampfraum kontaktiert und durch den Autoklavdeckel 25 aus dem Autoklav herausgeführt. Die Messung der Spaltkorrosionsströme erfolgt mittels Amperemeter zwischen elektrischer Ableitung (Spannstab 2) der Probe 1 und der elektrischen Ableitung 29 des Distanzstückes 19 als Gegenelektrode.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Probenhalterung bei der Messung elektrochemischer Kennwerte an metallischen Proben in elektrochemischen Meßzellen, Autoklaven oder Kühlsystemen, z. B. Wärmetauscherrohren, bei der die Probe (1) rohrförmig oder oval ist bzw. eine Lochdurchführung hat, nur die zu messende Außenfläche der Probe (1) mit dem Elektrolyt (26) in direktem Kontakt steht, die Kontaktierung der Probe (1) an deren Innenseite erfolgt und die elektrische Ableitung über einen Spannstab (2), der elektrisch gegenüber dem Elektrolyt (26) isoliert ist, erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Probe (1), die gleichzeitig Arbeitselektrode ist, und die Gefäßwand (25), der Sp^nnstab (2), der die Probe (Dan der Gefäßwand (25) befestigt und gegenüber dem Elektrolyt (26) und der Gefäßwand (25) elektrisch isoliert ist, mit einem Gewinde (3) zum Spannen, einer Mutter (4) mit Unterlegscheibe (5) zum Spannen, einer Kontaktfeder (6) und einem Gegenlager (7) führt, um das Gegenlager (7) eine Isolation (8) aus elektrisch nicht leitendem Material angeordnet ist, zur mechanischen und Formstabilisierung der Isolation (8) eine Kapselung (9), die an dem zur Probe (1) entgegengesetzten Ende zum Anpressen der elektrischen Isolation (8) einen Verschluß (10) hat, angeordnet ist, zur Abdichtung der Probe (1) nach oben und unten zwei Abdichtscheihen (11,12) angeordnet sind und im Abstand von de'Probe <1) um die Probe (1) herum eine oder mehrere Gegenelektroden (13) und gegenüber der Probe (1) eine Bezugselektrode (14) angeordnet sinu.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannstab (2) mit einer Bohrung (16) zum Auflasten von Druck auf die Probe (1) versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (16) im Spannstab (2) eine Öffnung (17) zur Innenseite der Arbeitselektrode (1) hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Abdichtscheiben (11 und 18) ein Distanzstück (19), durch das der Spannstab (2) führt und das gegenüber dem Spannstab (2) isoliert ist, aus einem gegenüber dem Elektrolyt (26) beständigen Material angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück (19) mit zwei Distanzringen (20, 21) zentriert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück (19) aus Metall ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1,4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück, wenn es aus Metall ist, zwecks Messung der Spalt-oder Koriosionsströme anstatt der Gegenelektrode (13) als Gegenelektrode verwendet wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannstab (2) an seinem oberen Ende mit einer Druckleitung (22), die entweder gegenüber dem Spannstab isoliert ist oder aus einem elektrisch nicht leitenden Material (z. B. Gummi) besteht, versehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitung (22) mit einer Befestigungsschelle (23) am Spannstab (2) befestigt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselung (9) bei Temperaturen <15O⁰C aus Kunststoff besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekonnzeichnet, daß die Kapselung (9) bei Temperaturen <150°Caus PTFE besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselung (9) bei Temperaturen > 150⁰C aus Edelstahl besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Isolationen und Abdichtungen (11,12,8,15,18) und die zwei Distanzringe (20,21) bei Temperaturen <60°C aus Polyethylen bestehen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Isolationen und Abdichtungen (11,12,8,15,18) und die zwei Distanzringe (20,21) bei Temperaturen zwischen 60⁰C und 150⁰C aus unstabilisiertem PTFE bestehen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Isolationen und Abdichtungen (11,12,8,15,18) und die zwei Distanzringe (20,21) bei Temperaturen zwischen 150⁰C und 300⁰C aus stabilisiertem PTFE bestehen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß (10) mit einem Gewinde zum Wiederöffnen versehen ist.

17, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzix^net, daß boi einer Wandstärke der Probe (1) < 1,3mm in den Ringraum zwischen Spannstab (2) und Innenwand der Probe (1) ein Stützring (24), der den Ringraum nahezu vollständig ausfüllt, der die gleiche Höhe wie die Probe hat, der ann' iiernd den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Probe aufvoist und der eine Durchführung für die Kontaktfeder (6) besitzt, eingebracht wird.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrochemie, speziell auf Korrosionsuntersuchungen. Der Einsatz der Erfindung ist besonders zweckmäßig in Kraftwerken, wo bei laufendem Betrieb korrosiv beanspruchte metallische Rohrleitungen ständig zu untersuchen sind.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, elektrochemische Kennwerte an metallischen Proben zu bestimmen (Kernenergie 27 11984), 4/ S. 156-159). Hier wird die Messung einer mch unten geschlossenen Probe in einem Druckgefäß durchgeführt. De Probenhalterung erfolgt mittels eines Spannstabes, der durch die Wandung des Druckgefäßes führt und an seinem eloktrolytseitigen Ende in die Probe eingeschraubt ist.

Ein Nachteil, der durch Verwendung dieser Probenhalterung entsteht, ist der hohe Praparationss ufwand für jede Messung. Die Ursachen für diesen Nachteil sind darin zu suchen, daß in die Probeninnenwand und in den Spannstab jeweils ein Gewinde eingeschnitten werden muß und bei der Messung vor. Proben mit unterschiedlichen Innendurchmessern bei jedem Probenwechsel auch der Spannstab gewechselt werden muß.

Ein weiterer Nachteil dieser Probenhalterung besteht darin, daß eine Messung von Rolirproben, wie es z.B. beim Einsatz in der Praxis in Kühlsystemen notwendig v/äre, nur mit zusätzlichem Aufwand und mit Erhalt verfnlschter Werte möglich ist. Die Ursachen hierfür sind darin zu suchen, daß der Spannstdb in die Probe eingeschraubt werden muß und dadurch am unteren Ende der P.obe unterschiedliche Potentiale an Probeninnen- und -außenwand gemessen werden bzw. wenn die Probe am unteren Ende zugeschweißt wurde, ein veränderter Werkstoffzustand gemessen wird. Ein dritter Mangel, der mit dieser Probenhalterung verbunden ist, besteht darin, daß hier eine Simulation der realen mechanischen Spannungszustände (technische Einsatzbedingungen z. B. in Kühlsystemen in Kraftwerken, wo derartige Rohrleitungen unter Druck stehen) nicht möglich ist. Die Ursache dafür besteht darin, daß hier keine Möglichkeit vorgesehen ist, auf die Probe Druck aufzulasten.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Probenhalterung bei der Messung elektrochemischer Kennwerte an metallischen Proben zu entwickeln, bei der kein hoher Präparationsaufwand für jede Messung auftritt, mit der Rohrproben gut und ohne zusätzlichen Aufwand meßbar sind und bei der auch die Möglichkeit vorgesehen ist, reale mechanische Spannungszustände bzw. die technischen Einsatzbedingungen zu simulieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Probenhalterung bei der Messung elektrochemischer Kennwerte an metallischen Proben vorzusci iiagen, bei der weder in die Probe noch in den Spannstab ein Gewinde geschnitten werden muß, bei der der Spannstab nicht in die Probe eingeschraubt werden muß und bei der es möglich ist, während der Messung auf die Probe Druck aufzulasten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in einer Vorrichtung zur Probenhalterung, bei der die Probe rohrförmig oder oval ist b7 v. eine Lochdurchführung hat, nur die zu messende Außenfläche der Probe mit dem Elektrolyt in direktem Kontakt steht, die Kontaktierung der Probe an deren Innenseite erfolgt und die elektrische Ableitung über den Spannstab, der elektrisch gegenüber dem Elektrolyt isoliert ist, erfolgt, gelöst, indem durch die Probe, die gleichzeitig Arbeitselektrode ist, und die Gefäßwand ein Spannstab, der die Probe an der Gefäßwand befestigt und gegenüber dem Elektrolyt und der der Gefäßwand elektrisch isoliert ist, mit einem Gewinde zum Spannen, einer Mutter mit Unterlegscheibe zum Spannen, einer Kontaktfeder und einem Gegenlager führt. Um das Gegenlager ist eine Isolation aus elektrisch nichtleitendem Material angeordnet. Zur mechanischen und Formstabilisierung dieser Isolation ist eine Kapselung 'gür;stigerweis3 bei Temperaturen £ 15O⁰C aus Kunststoff, vorzugsweise aus PTFE, und bei Temperaturen > 15O⁰C aus Edelstahl bestehend), die an dem zur Probe entgegengesetzten Ende zum Anpressen der elektrischen Isolation einen Verschluß, der vorzugsweise mit einem Gewide zum Wiederöffnen versehen ist, hat, angeordnet. Zur Abdichtung der Probe nach oben und unten 'iind zwei Abdichtscheiben angeordnet. Im Abstand von der Probe um die Probe herum, sind eine oder mehrere Gegenelektroden und gegenüber der Probe ist eine Bezugselektrode angeordnet. Es ist vorteilhaft, wenn die angegebenen elektrischen Isolationen und Abdichtungen bei Temperaturen < 6O⁰C aus Polyethylen, bei Temperaturen zwischen 60⁰C und 150°C aus unstabilisiertem PTFE und bei Temperaturen zwischen 150^cC und 300⁰C aus stabilisiertem PTFE bestehen. Es ist weuerhin günstig, wenn der Spannstab mit einer Bohrung, die dann vorteilhafterweise eine Öffnung zur Innenseite der Arbeitselektrode hat, zum Auflasten von Druck auf die Probe versehen ist. Bei Anwendung eines mit