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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für
die Online Überwachung und Steuerung von kathodischen Korrosionsschutz
(KKS) Anlagen dadurch gekennzeichnet, dass vor Inbetriebnahme der KKS
Anlage mittels mindestens einem Makrozellensensor die lokalen Korrosionsströme
gemessen werden und nach Inbetriebnahme der KKS Anlage die lokalen
Ströme zu den Makrozellensensorelementen gemessen werden.
Die Änderung der lokalen Makrozellenströme dient
erfindungsgemäss zur Beurteilung der Wirksamkeit des KKS.
Die Erfindung ist weiters dadurch gekennzeichnet, dass der kathodische
Schutzstrom oder die Schutzspannung Online wahlweise derart geregelt
wird, dass zu den lokalen Makrozellensensoren nur noch kathodische
Ströme fliessen, wobei die Stromstärke zu/von
den lokalen Sensoren als Stellgrösse für die Regelung
der elektrischen Spannung oder Stromstärke der KKS Anlage
dient..
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Der
kathodische Korrosionsschutz (KKS) von Stahl ist eine seit ca. 150
Jahren erfolgreich eingesetzte Technologie für einen verlässlichen
Korrosionsschutz z. B. von Tankanlagen, Pipelines, Schiffskörpern,
etc. Seit ca. 20 Jahren wird KKS erfolgreich für den Korrosionsschutz
von Stahl in Beton eingesetzt,. Für beide Anwendungsbereiche
gelten eine Reihe von nationalen Richtlinien und technische Normen.
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Um
Stahl kathodisch vor Korrosion zu schützen, wird dem Stahl
von einer externen Stromquelle Strom zugeleitet derart, dass der
zu schützende Stahl an den negativen Pol und eine geeignete
Anode an den positiven Pol der Stromquelle angeschlossen wird. Zwischen
dem zu schützenden Stahl und der Anode bildet sich über
den dazwischen liegenden Elektrolyten, z. B. Meerwasser, Erdreich,
Beton, ein elektrisches Feld. Bei ausreichender Stromstärke
wird im Bereich dieses elektrischen Feldes der Stahl vor Korrosion
geschützt.
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Um
die Wirksamkeit des KKS zu überprüfen, hat sich
international ein rein empirisches Kriterium etabliert, das sogenannte
24 Stunden – 100 mV Depolarisationskriterium:
Nach mindestens dreimonatigem Betrieb der KKS-Anlage wird der Schutzstrom
zum Stahl unterbrochen und das Absinken des elektrochemischen Potentials
des Stahls gegenüber einer Referenzelektrode, üblicherweise
Silber/Silberchlorid- oder Mangan/Mangandioxid-Elektroden, gemessen.
Verschiebt sich das elektrochemische Potential um mindestens 100
mV in positive Richtung, dann wird angenommen, dass der Stahl ausreichend
vor Korrosion geschützt ist. Diese Potentialverschiebung wird
als „Potentialabfall” bezeichnet. Je höher
der Stromfluss von der externen Stromquelle zum zu schützenden
Stahl, umso mehr verschiebt sich das elektrochemische Stahlpotential
in negativer Richtung und umso höher ist nach dem Ausschalten
des Schutzstromes der „Potentialabfall” nach 24
Stunden.
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Die
24 Stunden Depolarisationsmessung ist mit hohem apparativem und
zeitlichem Aufwand verbunden: Für die Bestimmung der Stahlpotentiale
werden üblicherweise standardisierte Referenzelektroden
verwendet. Für die Bestimmung der Stahlpotentiale werden
Standardreferenzelektroden nahe der zu prüfenden Stahlbewehrung
in den Beton eingebettet. Nach dem Ausschalten des Schutzstromes
wird der Potentialabfall in Bezug auf das sogenannte „Instant
Off Potential” kurz nach der Stromunterbrechung bestimmt.
Das „Instant Off Potential” wird bestimmt, in
dem über ca. 20 Sekunden die Stahlpotentiale im Abstand
von 0,1 bis 0,2 Sekunden gemessen und aufgezeichnet werden. Nach
einem raschen anfänglichen Potentialabfall infolge des Ohmschen
Anteiles verläuft der weitere Potentialabfall relativ langsam.
Je nach Beschaffenheit des Stahlbetonbauteiles erfolgt dieser Übergang
vom raschen ohmschenzum langsamen kapazitiven Potentialabfall ca. 0,5
bis 3 Sekunden nach der Stromunterbrechung. Im Anschluss daran werden
dann die Stahlpotentiale im Abstand von 10 bis 30 Minuten aufgezeichnet.
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Üblicherweise
werden an einem Bauwerk mehrere Schutzzonen eingerichtet, wobei
aus technischen Gründen sich eine Schutzzone nicht über
mehr als 100 m2 Betonoberfläche
erstrecken soll. In größeren Bauwerken ergeben
sich somit 20 bis 30 Schutzzonen. Das 24 Stunden Depolarisationskriterium
muss für jede Schutzzone bestimmt werden, in jeder Schutzzone
werden üblicherweise mindestens zwei Referenzelektroden
installiert. Dies bedeutet, dass in einem Bauwerk bis zu 60 Messwerte
in kurzer Zeit abgerufen und ausgewertet werden müssen.
Die Anforderungen an die Hardware (schnelle Datenaufzeichnung – 10
Hz – für bis zu 80 Messwerte bei hoher Eingangsimpedanz – mind.
20 MOhm) sind dementsprechend hoch. Die Bestimmung des 24 Stunden
Potentialabfalls erfolgt indem die grafisch dargestellten Potentialverlaufsplots
manuell ausgewertet werden. Für den Fall, dass die 24 Stunden
Depolarisationswerte geringer sind als 100 mV oder höher
als 200 mV liegen, muss der Schutzstrom manuell nachjustiert werden
und die Depolarisationsmessung wiederholt werden.
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Die Überprüfung
der Wirksamkeit des KKS gemäß dem Stand der Technik,
insbesondere des KKS von Stahlbetonbauteilen, ist daher sowohl apparativ
als auch vom Zeitaufwand her aufwendig und kostspielig. Zudem ist
das 100 mV Depolarisationskriterium rein empirisch und hat keinerlei
wissenschaftliche Grundlage.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war daher ein Verfahren und eine Vorrichtung,
die eine On-Line Überprüfung der Wirksamkeit des
KKS erlaubt und zudem eine On-Line und automatische Regelung des Schutzstromes
von KKS Anlagen mit Fremdstrom ermöglicht.
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Die
gestellte Aufgabe wurde mit Hilfe von Makrozellensensoren gelöst.
Makrozellensensoren werden für die Bestimmung von Korrosionsströmen
in Stahlbetonbauteilen eingesetzt. Eine solcher im Handel erhältlicher
Korrosionsstromsensor, bestehend aus bis zu fünf Makrozellensensoren,
ist in 1 schematisch dargestellt. Der Sensorsatz besteht
aus fünf Bewehrungsstahlstäben (A1–A5)
mit einem Durchmesser von 5 mm, die mittels Epoxydharz im Abstand
von ca. 2 cm in ein 18 mm weites Trägerrohr (B) aus rostfreiem
Stahl eingebettet sind. Das Epoxidharz dient zur Fixierung in den
kreisförmigen Öffnungen des Trägerrohrs
und zur elektrischen Isolierung der Stahlstäbe vom Trägerrohr
(B). Das Trägerrohr (B) mit dem Sensorsatz wird in ein 2
cm weites, 12 cm tiefes mit Ankermörtel gefülltes
Bohrloch im mit Stahl (C1, C2) bewehrten Betonbauteil (D) einge setzt.
Im Betonbauteil muss sichergestellt sein, dass die einzelnen Bewehrungsstahlstäbe
(C1, C2) elektrisch miteinander verbunden sind. Dies ist vor allem
darum von Bedeutung, da die Stahlbewehrung im Betonbauteil als elektrische
Masse verwendet wird. Durch Kurzschließen eines Makrozellensensorstabes,
z. B. A1, mit der Stahlbewehrung über eine elektrische
Verbindung (E) wird ein Makroelement geschaffen. Befindet sich nun
der Makrozellensensorstab in einer Umgebung, die die Korrosion des
Stahls begünstigt, so wird ein elektrischer Strom von A1
zur Stahlbewehrung im Betonbauteil fließen. Dieser Strom
wird als Korrosionsstrom oder anodischer Makrozellenstrom bezeichnet.
Befindet sich jedoch der Makrozellensensorstab im Vergleich zur Stahlbewehrung
in einer passivierenden Umgebung, so wird ein schwacher kathodischer
Strom von der Stahlbewehrung zum Makrozellensensorstab fließen.
Diese Kurzschlussströme werden als Makrozellenströme
bezeichnet. Die Größenordnung der kathodischen
Makrozellenströme liegt im Bereich von wenigen μA/cm2, die anodischen Makrozellenströme
können 200 μA/cm2 erreichen.
Die Strommessung erfolgt vorzugsweise widerstandsfrei über
ein geeignetes elektronisches Modul (E). Mittels der Makrozellensensoren
kann die Korrosionsgeschwindigkeit von Bewehrungsstahl in einem
definierten Milieu, z. B. mit Chlorid kontaminiertem Beton, abgeschätzt
werden: Ein anodischer Strom von 100 μA/cm2 entspricht
einem Stahlabtrag von 1,1 mm/Jahr.
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Es
zeigte sich nun überraschenderweise, dass solche Makrozellensensoren
sich nicht nur zur Abschätzung der Korrosionsgeschwindigkeit
von Stahl in Beton sondern sich auch zur Überprüfung
der Wirksamkeit des kathodischen Korrosionsschutzes von Stahl, insbesondere
von Stahl in Beton, eignen. Es wurde beobachtet, dass sich beim
Einschalten des kathodischen Schutzstromes die anodischen Makrozellenströme
signifikant verringerten und sich teilweise in kathodische Ströme
umwandelten. Eine Erhöhung des kathodischen Schutzstromes
verstärkte diesen Effekt, d. h. mit zunehmendem Schutzstrom
verringerten sich die anodischen Ströme und bei ausreichend
hohem kathodischem Schutzstrom wurden die anodischen Makrozellenströme
vollständig eliminiert und es konnten nur noch kathodische
Makrozellenströme gemessen werden.
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Ziel
des kathodischen Korrosionsschutzes ist die vollständige
Eliminierung von lokalen anodischen Korrosionsströmen.
Dies konnte mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bestehend aus Makrozellensensoren wie in 1 dargestellt, über
ein widerstandsfreies Strommessmodul mit dem Bewehrungsnetz des
Betonbauteiles kurzgeschlossen, erreicht und nachgewiesen werden.
Vorraussetzung für die Wirksamkeit dieses Verfahrens ist
jedoch, dass die Makrozellensensoren in dem eingesetzten Medium
korrodieren. Die Korrosion von Bewehrungsstahl in Beton wird vor
allem durch in der Porenlösung des Betons gelöste
Chloride verursacht wobei, wie dem Fachmann bekannt ist, die Korrosionsgeschwindigkeit
mit zunehmendem Chloridgehalt zunimmt. Sinnvollerweise werden daher
die Makrozellensensoren in Bereichen eingesetzt, in denen mit hoher Korrosion
des Bewehrungsstahls gerechnet wird, vorzugweise in Bereichen, in
denen die höchsten Korrosionsgeschwindigkeit in dem zu
schützenden Bauteil erwartet wird.
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Die
Korrosion der Makrozellenelemente beginnt üblicherweise
nach einer sogenannten Initiierungsphase, die je nach Chlorid- und
Feuchtigkeitsgehalt des Betons unterschiedlich lange dauert. Bei
hohen Chloridgehalten (3–5 Masse%/Zementgewicht) und hoher
Feuchte (Sättigungsgrad > 95%)
beginnt die Korrosion schon nach wenigen Tagen, bei geringen Chloridgehalten
(< 1%) und relativ
trockenem Beton (Sättigungsgrad < 80%) kann die Initiierungsphase mehrere
Wochen bis Monate dauern. In solchen Fällen müsste
mit der Inbetriebnahme der KKS Anlage mehrere Wochen bis Monate
zugewartet werden und zudem regelmäßig die Makrozellenströme
kontrolliert werden. Dieses Problem konnte folgendermaßen
gelöst werden: Ein Makrozellensensorsatz (2),
bestehend aus 3 Makrozellensensoren (A1, A2, A3), analog zu 1 in
einem Halterungsrohr aus rostfreiem Stahl (B), wurde in einer zylinderförmigen
Form in chloridhaltigem Mörtel (C) eingegossen. Nach dem
Aushärten des Betons wurden die Makrozellensensoren über
je ein widerstandsfreies Strommessmodul (E) mit dem Halterungsrohr
(B) aus rostfreiem Stahl kurzgeschlossen (D) und feucht (rel. Feuchte
ca. 90–95%) gelagert. Der Ummantelungsmörtel,
vorzugsweise Feinmörtel (Zuschlagskorngröße
0/1 mm) mit einem Gewichtsverhältnis Zuschlag/Portlandzement
von 4:1, enthält eine definierte Menge an Chlorid bezogen
auf das Zementgewicht. Je nach Beschaffenheit und Chloridgehalt
des zu schützenden Betonbauteils kann der Chloridgehalt
in der Makrozellenprobe eingestellt werden. Vorzugsweise enthält
die Makrozellenprobe einen geringfügig höheren
Chloridgehalt als der höchste im Betonbauteil gemessene
Chloridgehalt. Das Chlorid wird vorzugsweise als Natriumchlorid
zum Anmachwasser zugegeben. Das Chlorid kann jedoch auch nachträglich
nach dem Aushärten des Mörtels durch Eintauchen
in eine chloridhaltige Lösung eingebracht werden. Vorteil
der Chloridzugabe mit dem Anmachwasser ist, dass der Chloridgehalt
des Mörtels sehr genau eingestellt werden kann.
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Die
erfindungsgemäß mit Mörtel ummantelten
Makrozellensensorsätze werden solange feucht gelagert,
bis in allen Sensoren die Stahlkorrosion initiiert ist und ein stabiler
anodischer Makrozellenstrom fließt. Im Anschluss daran
können die Sensorsätze, nach der Trennung der
elektrischen Verbindung (D) zwi schen dem Halterungsrohr (B) und
den Makrozellensensoren (Ax), analog zu dem in 1 dargestellten
Makrozellensensorsatz direkt in den Betonbauteil eingesetzt werden
und ca. 1 Woche nach dem Einbau für die Überwachung
der Wirksamkeit des KKS eingesetzt werden. Die erfindungsgemäß mit
Mörtel ummantelten Makrozellensensorsätze können
jedoch auch auf Vorrat produziert und dann eingelagert werden. Dazu
wird nach der Initiierung der Korrosion, wie oben beschrieben, die
elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Sensoren (Ax) und dem Halterungsrohr (B) unterbrochen
und die Sensorsätze trocken gelagert, vorzugsweise bei
40°C, um die Korrosion der Stahlelemente zu stoppen. Nach
dem Trocknen werden die Sensorsätze vorzugsweise „vakuumverpackt”.
Vor dem Einbau in einen Betonbauteil zur Überwachung der
Wirksamkeit des KKS werden die erfindungsgemäßen
mit Mörtel ummantelten Makrozellensensorsätze
mit Wasser gesättigt, vorzugsweise durch Eintauchen für
24 Stunden in eine 3%ige Natriumchloridlösung. Der Vorteil
der erfindungsgemäßen mit chloridhaltigem Mörtel
ummantelten Makrozellensensorsätze ist, dass diese Sensoren
kurzfristig (binnen einer Woche nach dem Einbau) für die Überwachung
der Wirksamkeit des KKS verwendet werden können. Dies ist insbesondere
vorteilhaft für die Überwachung des KKS in Bauteilen
mit geringem Chloridgehalt (< 2
M%/ZG), in denen die Initiierung der Korrosion der Makrozellenelemente
mehrere Wochen dauern kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung, Makrozellensensorsatz,
bestehend aus mindestens einem Makrozellensensor, elektrisch verbunden
mit der Stahlbewehrung des mittels KKS zu schützenden Betonbauteils, vorzugsweise über
ein Modul für die widerstandsfreie Makrozellenstrommessung
zur Überwachung der Wirksamkeit von KKS Anlagen, eignet
sich insbesondere für die automatische On-Line Steuerung
der KKS Parameter (Schutzstrom oder Schutzspannung) für
einen verlässlichen und jederzeit On-Line überprüfbaren
Korrosionsschutz der Stahlbewehrung in Beton mittels KKS: Um diese
Aufgabe zu erfüllen wird erfindungsgemäß der
zwischen den Makrozellensensoren und der Stahlbewehrung gemessene
Makrozellenstrom als Stellgröße für die
Regelung der Schutzspannung oder des Schutzstromes eingesetzt. Erfindungsgemäß erfolgt
die Regelung der Schutzspannung oder des Schutzstromes derart, dass
die anodische Makrozellenströme gegen Null, vorzugsweise
in einen Bereich geringer kathodischer Makrozellenströme,
geregelt werden.
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Beispiel 1:
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Für
die Überwachung der Wirksamkeit einer KKS Anlage für
den Korrosionsschutz von Stahl in Beton wurde in Anlehnung an die
1 ein
Makrozellensatz mit fünf Makrozellensensoren (Stahloberfläche
2 × 0,5 cm
2) in einem Trägerrohr
aus rostfreiem Stahl (⌀ 18 mm, Länge 90 mm) in
einen mit KKS vor Korrosion der Stahlbewehrung zu schützenden
Betonbauteil eingesetzt, und zwar im Bereich mit einem Chloridgehalt
von 3,7–4,8 M%/ZG im Oberflächenbereich und einem
Chloridgehalt von 1,3–1,65 M% in 80 mm Tiefe. Der Abstand
der Makrozellensensoren voneinander betrug 16 mm, sodass Makrozellenströme
bis in eine Tiefe von 80 mm in der Betonüberdeckung gemessen
werden konnten. Die Betonüberdeckung über der
Stahlbewehrung variierte zwischen 40 und 75 mm. Die nach einer Initiationsphase
von ca. 3 Monaten gemessenen Makrozellenströme sind in
Tabelle 1 zusammengefasst.
| Tabelle
1 |
| | Makrozellenstrom |
| Makrozellensensor | vor
dem KKS | KKS
ein Schutzspannung 2,0 V | KKS
ein Schutzspannung 2,5 V |
| | μA/cm2 | μA/cm2 | μA/cm2 |
| A1 | –50
bis –75 | –10
bis +10 | +30
bis +60 |
| A2 | –10
bis –25 | –10
bis +20 | +20
bis +30 |
| A3 | +1
bis +5 | +5
bis +10 | +5
bis +10 |
| A4 | +3
bis +8 | +5
bis +10 | +5
bis +10 |
| A5 | +25
bis +30 | +50
bis +70 | +20
bis +50 |
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Die
Makrozellensensoren im Oberflächenbereich (A1, A2) korrodieren
stark und weisen hohe anodischen Makrozellenströme auf.
Die Makrozellensensoren A3 bis A5 wirken als Kathoden und korrodieren
daher nicht. Der Betrieb der KKS-Anlage bei 2,0 Volt bewirkte eine
signifikante Verschiebung der anodischen Makrozellenströme
(A1, A2) in Richtung kathodischer Ströme. Eine manuelle
Erhöhung der Schutzspannung auf 2,5 Volt eliminierte sämtliche
anodische Makrozellenströme und es flossen nur noch kathodische
Makrozellenströme. Die Stahlbewehrung war unter diesen
Bedingungen verlässlich vor Korrosion geschützt.
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Beispiel 2:
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Für
die Überwachung der Wirksamkeit einer KKS Anlage für
den Korrosionsschutz von Stahl in Beton analog zu Beispiel 1 ein
Makrozellensensorsatz aus drei Sensoren in einem Trägerrohr
((⌀ 18 mm, Länge 60 mm) aus rostfreiem Stahl mit
einem Mörtelmantel (Zuschlag 0–0,5 mm, Zuschlag/Zement
= 3:1) und einem Chloridgehalt von 3,5 M%/ZG (zugegeben als NaCl
zum Anmachwasser) mit einem Durchmesser von 7 mm versehen. Der Sensorsatz
wurde für 4 Monate feucht gelagert, bis die zwischen Makrozellensensoren
und Trägerrohr stabile Werte ergaben. Der Sensor satz wurde
vor Inbetriebnahme einer KKS Anlage in ein in einem Betonbauteil
angebrachten Bohrloch (⌀ 25 mm, Tiefe 7 cm) mit Ankermörtel
eingesetzt. Nach dem Aushärten der Ankermörtels
wurden die Makrozellenströme eine Woche lang aufgezeichnet
und dann die KKS – Anlage in Betrieb genommen (Tabelle
2).
| Tabelle
2 |
| | Makrozellenstrom |
| Makrozellensensor | vor dem KKS | KKS
ein Schutzspannung 2,2 V | KKS
ein Schutzspannung 2,7 V |
| | μA/cm2 | μA/cm2 | μA/cm2 |
| A1 | –30
bis –55 | –5
bis +20 | +15
bis +25 |
| A2 | –25
bis –35 | –5
bis +20 | +10
bis +20 |
| A3 | –20
bis –35 | 0
bis +10 | +2
bis +15 |
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Wie
die in Tabelle 2 dargestellten Resultate zeigen, ergeben sich bereits
eine Woche nach dem Einbau des Makrozellensensorsatzes stabile Korrosionsströme.
Die Inbetriebnahme des KKS bewirkt eine signifikante Reduzierung
der Korrosionsströme, das manuelle Nachjustieren nach einem
Monat bewirkt eine vollständige Eliminierung der Korrosionsströme
und einen nachweislich verlässlichen Korrosionsschutz der
Stahlbewehrung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Ulf Nürnberger, „Korrosion
und Korrosionsschutz im Bauwesen”, Band 2, Bauverlag GmbH,
Berlin (1995), pp. 1073–1107 [0002]
- - Pietro Pedeferri, Luciano Lazzari, „Cathodic Protection”,
Polipress, Milano (2006) [0002]
- - Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton ÖNORM
EN 12696 (2000-07-01) [0004]