Die
Erfindung betrifft eine Korrosionstestsonde nach dem Anspruch 1
sowie einen Sondenkopf für eine
solche Korrosionstestsonde.The
The invention relates to a corrosion test probe according to claim 1
and a probe head for a
such corrosion test probe.
Aus
der US 3,486,996-B ist
eine Korrosionstestsonde bekannt, welche zur Erfassung der Korrosionsrate
von metallischen Konstruktionsteilen, die bei hoher Temperatur (d.
h. bei T > 100°C) einem
korrosiven Elektrolyt ausgesetzt sind, eingesetzt wird. Die Erfassung
der Korrosionsrate erfolgt über
eine Polarisationsmessung mit einer länglichen gattungsgemäßen Korrosionstestsonde,
welche drei voneinander getrennte Messelektroden aus metallischem Material
umfasst, nämlich
eine Arbeitselektrode, eine Gegenelektrode und eine Referenzelektrode.
Die Messelektroden sind durch Isolierringe aus geschichtetem Phenolharz
gegeneinander elektrisch isoliert. Hierfür sind die Isolierringe und
die Messelektroden miteinander über
Schraubgewinde verschraubt. Die Messelektroden werden über elektrische
Leitungen, welche im inneren der zylindrischen Korrosionstestsonde
verlaufen, an einen Potentiostaten angeschlossen.From the US 3,486,996-B For example, a corrosion test probe is known which is used to detect the corrosion rate of metallic structural parts which are exposed to a corrosive electrolyte at high temperature (ie at T> 100 ° C). The detection of the corrosion rate via a polarization measurement with an elongated generic corrosion test probe, which comprises three separate measuring electrodes made of metallic material, namely a working electrode, a counter electrode and a reference electrode. The measuring electrodes are electrically insulated from each other by insulating rings of layered phenolic resin. For this purpose, the insulating rings and the measuring electrodes are screwed together via screw thread. The measuring electrodes are connected to a potentiostat via electrical leads running inside the cylindrical corrosion test probe.
Mit
einer solchen aus dem Stand der Technik bekannten Korrosionstestsonde
kann beispielsweise die Korrosionsrate von Leitungen, Rohren oder
Behältern
erfasst werden, die von einem korrosiven Fluid um – oder durchströmt werden.
Hierfür
werden die Materialien der Messelektroden so ausgewählt, dass sie
mit dem Material der Leitung, des Rohres bzw. des Behälters übereinstimmen,
so dass von der mit der Korrosionstestsonde erfassten Korrosionsrate unmittelbar
auf die Korrosionsrate der Leitung, des Rohren oder des Behälters geschlossen
werden kann. Ein mögliches
Einsatzfeld für
eine gattungsgemäße Korrosionstestsonde
ist die Erfassung der Korrosionsrate an metallischen Wärmetauschern
einer Müllverbrennungsanlage,
in der die hohe Korrosivität der
entstehenden Abgase zu einem hohen Materialabtrag an den metallischen
Wärmetauscherrohren führt, über die
den Abgasen zur Erzeugung von (überhitztem)
Wasserdampf Wärme
entzogen wird. Insbesondere die Korrosion im Bereich der Kesselwände und
der Überhitzerrohre
stellt in einer Müllverbrennungsanlage,
wie auch in Biomasse-Verbrennungsanlagen und Ersatzbrennstoff-Verbrennungsanlagen,
einen bedeutenden Kostenfaktor dar. Durch eine Reduktion der Korrosion
können
einerseits die Aufwendungen für
Wartung und Instandhaltung der Verbrennungsanlage reduziert und
andererseits kürzere
Stillstände
der Anlage während
einer Revision ermöglicht
werden. Aus diesen Gründen
wurden bereits große
Anstrengungen unternommen, einerseits die Ursachen der Korrosionsprozesse
in solchen Verbrennungsanlagen zu klären und andererseits, verbunden
mit einer In-Situ-Erfassung der Korrosionsrate und eine geeignete
Steuerung der Verbrennungsanlage, Maßnahmen zur Reduzierung der
Korrosionsrate einzuleiten.With
Such a known from the prior art corrosion test probe
For example, the corrosion rate of pipes, pipes or
containers
are detected, which are flowed through by a corrosive fluid - or flowed through.
Therefor
The materials of the measuring electrodes are selected so that they
agree with the material of the pipe, the pipe or the container,
so that directly from the corrosion rate detected with the corrosion test probe
closed at the corrosion rate of the pipe, pipes or container
can be. A possible
Field of application for
a generic corrosion test probe
is the detection of the corrosion rate of metallic heat exchangers
a waste incineration plant,
in the the high corrosiveness of
resulting exhaust gases to a high material removal of the metallic
Heat exchanger tubes leads over the
the exhaust gases for the production of (overheated)
Water vapor heat
is withdrawn. In particular, the corrosion in the area of the boiler walls and
the superheater pipes
puts in a waste incineration plant,
as well as in biomass incinerators and refuse derived fuel incinerators,
a significant cost factor. By reducing corrosion
can
on the one hand the expenses for
Maintenance and repair of the incinerator reduced and
on the other hand shorter
downtimes
the plant during
a revision allows
become. For these reasons
were already big
Efforts, on the one hand, the causes of corrosion processes
in such incinerators and on the other hand, connected
with an in situ detection of the corrosion rate and a suitable
Control of the incinerator, measures to reduce the
Initiate corrosion rate.
Zur
In-Situ-Erfassung der Korrosionsrate in einer Verbrennungsanlage
wird die gattungsgemäße Korrosionstestsonde
in den Kessel eingeführt
und elektrisch mit einem Potentiostaten verbunden. Bei laufendem
Betrieb der Verbrennungsanlage wird die Korrosionstestsonde von
den korrosiven Gasen in dem Kessel umströmt. Dadurch kann die Korrosionsrate
innerhalb des Kessels bzw. des Überhitzerrohres über eine
elektrochemische Messung erfasst werden. Das elektrochemische Messverfahren
basiert auf der Messung der elektrischen Signatur, d. h., dem Ladungstransfer
zwischen dem Material, dessen Korrosionsrate bestimmt werden soll
und dem korrosiven Medium, welches durch den Kessel bzw. das Überhitzerrohr
strömt,
während
der für
den Korrosionsprozess charakteristischen Reaktionen. Aus dem Stand
der Technik sind verschiedene Messprinzipien bekannt. Das einfachste
Messverfahren, mit dem auch eine gattungsgemäße Korrosionstestsonde betrieben
werden kann, ist die Messung des statischen oder quasi-statischen
Polarisationsleitwerts. Hier wird zum einen das freie Korrosionspotential
bei einer stromlosen Messung und zum anderen eine Strom-Spannungskennlinie
mit vorgegebener zeitlicher Änderung
der Spannung aufgenommen. Vorzugsweise geschieht dies in einer Drei-Elektroden-Schaltung,
wie sie aus der Korrosionstestsonde der US 3,486,996-B bekannt ist.
Hierbei wird die angelegte Spannung (Überspannung) gegen eine unabhängige (stromlose)
Referenzelektrode geregelt und der zwischen der Arbeitselektrode
und der Gegenelektrode fließende
Strom gemessen. Aus der Steigung der Kennlinie kann über eine
einfache mathematische Relation der Korrosionsstrom bzw. eine zu
diesem proportionale Messgröße ermittelt
werden. Diese Messprinzipien sind aus dem Stand der Technik bekannt.For in-situ detection of the corrosion rate in an incinerator, the generic corrosion test probe is inserted into the vessel and electrically connected to a potentiostat. During operation of the incinerator, the corrosion test probe is bypassed by the corrosive gases in the boiler. As a result, the corrosion rate within the boiler or the superheater tube can be detected by an electrochemical measurement. The electrochemical measurement method is based on the measurement of the electrical signature, ie, the charge transfer between the material whose corrosion rate is to be determined and the corrosive medium flowing through the boiler or the superheater tube, during the reactions characteristic of the corrosion process. Various measuring principles are known from the prior art. The simplest measuring method with which a generic corrosion test probe can also be operated is the measurement of the static or quasi-static polarization conductance. Here, on the one hand, the free corrosion potential in a currentless measurement and, on the other hand, a current-voltage characteristic with a predetermined time change of the voltage is recorded. Preferably, this is done in a three-electrode circuit as shown in the corrosion test probe of US 3,486,996-B is known. In this case, the applied voltage (overvoltage) is regulated against an independent (currentless) reference electrode and the current flowing between the working electrode and the counterelectrode is measured. From the slope of the characteristic curve, the corrosion current or a measured variable proportional thereto can be determined by a simple mathematical relation. These measurement principles are known from the prior art.
Weitere
gattungsgemäße Korrosionstestsonden
sind aus der US 3,491,012
A und der WO 1988/001052
A1 bekannt. In der gattungsgemäßen Korrosionstestsonde der US 3,491,012 A sind
die Isolierteile, welche die Elektroden elektrisch voneinander isolieren,
aus einem Kunststoff, insbesondere den unter den Handelsnamen „Teflon” und „Kel-F” bekannten
Kunststoffen gebildet. Bei der aus der WO 1988/001052 A1 bekannten
Korrosionstestsonde sind die Isolierteile, welche die Elektroden
voneinander elektrisch isolieren, aus Silicium gefertigt.Other generic corrosion test probes are from US 3,491,012 A and the WO 1988/001052 A1 known. In the generic corrosion test probe of US 3,491,012 A are the insulating parts, which electrically isolate the electrodes from each other, made of a plastic, in particular the known under the trade names "Teflon" and "Kel-F" plastics. At the time of the WO 1988/001052 A1 known corrosion test probe, the insulating parts, which electrically isolate the electrodes from each other, made of silicon.
Bei
der Verwendung einer gattungsgemäßen Korrosionstestsonde
für die
In-Situ-Erfassung der Korrosionsrate in den Behältern und Leitungen einer Verbrennungsanlage
hat sich gezeigt, dass die Korrosionstestsonde nicht dicht genug
ist, um das Eindringen der hochkorrosiven Abgase aus dem Verbrennungsprozess
in das Innere der Korrosionstestsonde zu verhindern. Durch das Eindringen
der hochkorrosiven Abgase in das Innere der Sonde kann jedoch die
Funktion der Sonde beeinträchtigt
werden, insbesondere wegen einer Verschlechterung der elektrischen
Kontaktierung der im Inneren der Sonde verlaufenden elektrischen
Leitungen.When using a generic corrosion test probe for in situ detection of the corrosion rate in the tanks and lines of an incinerator, it has been found that the corrosion test probe is not dense enough to prevent the penetration of the highly corrosive gases from the combustion process into the interior of the corrosion test to prevent probe. However, the penetration of the highly corrosive exhaust gases into the interior of the probe may impair the function of the probe, in particular due to a deterioration in the electrical contacting of the electrical leads extending inside the probe.
Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Korrosionstestsonde
so weiter zu bilden, dass sie eine höhere Dichtigkeit gegen das
Eindringen von korrosiven Gasen in das Sondeninnere und damit eine
längere
Lebensdauer aufweist. Insbesondere soll die Dichtigkeit der Korrosionstestsonde
auch unter dem Einfluss von starken oder schnellen Temperaturschwanken, bspw.
bei einem abrupten Stopp oder bei einer Reinigung der Anlage, in
der die Testsonde betrieben wird, gewährleistet bleiben.Of these,
Based on the invention, the object, the generic corrosion test probe
so on to form a higher tightness against the
Penetration of corrosive gases into the probe interior and thus a
longer
Life has. In particular, the tightness of the corrosion test probe should
also under the influence of strong or fast temperature swings, eg.
during an abrupt stop or during a cleaning of the system, in
the test probe is operated, remain guaranteed.
Gelöst wird
diese Aufgabe mit einer Korrosionstestsonde mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 oder mit einem Sondenkopf für eine Korrosionstestsonde
mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 24. Bevorzugte Ausgestaltungen
der erfindungsgemäßen Korrosionstestsonde
sind den Unteransprüchen
2 bis 23 zu entnehmen.Is solved
this task with a corrosion test probe with the characteristics of
Claim 1 or with a probe head for a corrosion test probe
with the features of the independent claim 24. Preferred embodiments
the corrosion test probe according to the invention
are the dependent claims
2 to 23.
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:following
the invention with reference to an embodiment with reference
explained in more detail in the accompanying drawings. The drawings show:
1:
Perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Korrosionstestsonde; 1 : Perspective view of a corrosion test probe according to the invention;
2:
Detailansicht des Sondenkopfs der Korrosionstestsonde von 1; 2 : Detail view of the probe head of the corrosion test probe of 1 ;
3:
Explosionsdarstellung der Korrosionstestsonde von 1; 3 : Exploded view of the corrosion test probe of 1 ;
4:
Explosionsdarstellung einer alternativen Ausführungsform des Sondenkopfs; 4 : Exploded view of an alternative embodiment of the probe head;
5:
Detailansicht der Endplatte des Sondenkopfs von 2; 5 : Detail view of the end plate of the probe head of 2 ;
Die
erfindungsgemäße Korrosionstestsonde wird
im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
einer Korrosionstestsonde zur In-Situ-Erfassung der Korrosionsrate
in den Überhitzerrohren
einer Verbrennungsanlage dargestellt. Hierfür wird die nachfolgend beschriebene
Sonde bei laufendem Betrieb der Verbrennungsanlage in die von den
korrosiven Abgasen durchströmten Überhitzerrohren
eingeführt
und elektrisch mit einem Korrosionsmeter zur Durchführung der
elektrochemischen Messungen verbunden. Die erfindungsgemäße Korrosionstestsonde
kann jedoch auch für
andere Anwendungen eingesetzt werden, in denen die Korrosionsrate
von metallischen Bauteilen, welche einem korrosiven Medium ausgesetzt
sind, zu erfassen ist.The
According to the invention corrosion test probe is
in the following with reference to an embodiment
a corrosion test probe for in-situ detection of corrosion rate
in the superheater pipes
a combustion system shown. For this purpose, the following is described
Probe during operation of the incinerator in the of the
corrosive exhaust gases flowed through superheater pipes
introduced
and electrically with a corrosion meter to carry out the
connected electrochemical measurements. The corrosion test probe according to the invention
but it can also be used for
Other applications are used in which the corrosion rate
of metallic components exposed to a corrosive medium
are to be grasped.
Die
in 1 gezeigte Korrosionstestsonde umfasst eine Trägerlanze 15 und
einen daran angeordneten Sondenkopf 16. Der Sondenkopf 16 ist
abnehmbar an der Trägerlanze 15 befestigt.
In dem hier zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Korrosionstestsonde
ist der Sondenkopf 16 mit der Trägerlanze 15 verschraubt. Andere
Befestigungsmöglichkeiten,
wie z. B. über
einen Schnapp-, Klemm- oder Bajonett-Verschluss, können ebenfalls
realisiert werden.In the 1 shown corrosion test probe comprises a carrier lance 15 and a probe head disposed thereon 16 , The probe head 16 is removable on the carrier lance 15 attached. In the exemplary embodiment illustrated here of the corrosion test probe according to the invention, the probe head 16 with the carrier lance 15 screwed. Other attachment options, such. B. via a snap, clamp or bayonet closure, can also be realized.
Wie
aus der Explosionsdarstellung der 3 ersichtlich
setzt sich die Trägerlanze 15 aus
einer Hülse 21,
einem unteren Verbindungsstück 20,
einem oberen Verbindungsstück 22,
einem Zwischenstück 23,
einer Quetschverschraubung 24 mit einer Druckschraube 25,
drei Haltestangen 26 und einer Halteplatte 27 mit
einem Befestigungszylinder 28 zusammen. Die Hülse 21 ist
in der Explosionszeichnung der 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit verkürzt dargestellt.
Die Trägerlanze 15 hat
eine Länge
von ca. 2 m. Die Hülse 21 ist
mit dem oberen und unteren Verbindungsstück 20, 22 verschweißt. Die Haltestangen 26 sind über den
Befestigungszylinder 28 an der Halteplatte 27 und über die
Quetschverschraubung 24, 25 an dem Zwischenstück 23 befestigt.As from the exploded view of the 3 the carrier lance is evident 15 from a sleeve 21 , a lower connector 20 , an upper connector 22 , an intermediate piece 23 , a compression fitting 24 with a pressure screw 25 , three handrails 26 and a holding plate 27 with a mounting cylinder 28 together. The sleeve 21 is in the exploded view of the 3 shortened for clarity. The carrier lance 15 has a length of about 2 m. The sleeve 21 is with the upper and lower connector 20 . 22 welded. The handrails 26 are above the mounting cylinder 28 on the retaining plate 27 and about the compression fitting 24 . 25 at the intermediate piece 23 attached.
In
der Trägerlanze 15 ist
eine Kühleinrichtung
mit einer kombinierten Luft- und Wasserkühlung vorgesehen. Über diese
Kühleinrichtung
wird die Trägerlanze 15 und
der Sondenkopf 16 gekühlt.
Der Sondenkopf 16 wird während der Messung in den ca. 900°C heißen Abgasen
der Verbrennungsanlage durch die Kühleinrichtung auf einer konstanten
Messtemperatur gehalten, wobei die Messetemperatur der Rohr- bzw.
Behälterwand
entspricht, deren Korrosionsrate erfasst werden soll. Bei dem vorgesehenen
Einsatzzweck der erfindungsgemäßen Korrosionstestsonde
in einer Verbrennungsanlage ist dies die Temperatur der Überhitzerrohre
während
des Betriebs, welche typischerweise bei ca. 400°C liegt. Die in der Trägerlanze 15 angeordnete
Kühleinrichtung umfasst
eine Wasserkühlung
mit Kühlleitungen,
welche in der Trägerlanze 15 angeordnet
sind und diese auf Temperaturen von ca. 50°C abkühlt. Weiterhin ist in der Trägerlanze 15 eine
Kühlleitung
vorgesehen, durch welche ein Kühlfluid,
insbesondere Luft, zum Sondenkopf 16 geleitet wird. Der
Sondenkopf 16 wird nur durch diese Luftkühlung auf
die Messtemperatur von beispielsweise 400°C abgekühlt und über eine Temperaturregelung
auf konstanter Messtemperatur gehalten. Die Zuleitung der Kühlleitungen
von außen in
die Trägerlanze
ist in dem Zwischenstück 24 angeordnet,
welches über
entsprechende Anschlüsse
für Kühlfluide
(Kühlwasser
und Kühlluft)
verfügt.
Er Austritt der Kühlleitungen
erfolgt aus der Hülse 21.In the carrier lance 15 a cooling device is provided with a combined air and water cooling. About this cooling device is the carrier lance 15 and the probe head 16 cooled. The probe head 16 is maintained during the measurement in the about 900 ° C hot exhaust gases of the incinerator by the cooling device at a constant measuring temperature, the measurement temperature of the pipe or vessel wall corresponds, the corrosion rate to be detected. In the intended use of the corrosion test probe according to the invention in an incinerator this is the temperature of the superheater tubes during operation, which is typically at about 400 ° C. The in the lance 15 arranged cooling device comprises a water cooling with cooling pipes, which in the support lance 15 are arranged and this cools to temperatures of about 50 ° C. Furthermore, in the carrier lance 15 a cooling line provided through which a cooling fluid, in particular air, to the probe head 16 is directed. The probe head 16 is cooled only by this air cooling to the measuring temperature of, for example, 400 ° C and maintained at a constant measuring temperature via a temperature control. The supply line of the cooling lines from the outside into the carrier lance is in the intermediate piece 24 arranged, which has corresponding connections for cooling fluids (cooling water and cooling air). He outlet of the cooling lines takes place from the sleeve 21 ,
Der
in den 2 und 4 im Detail dargestellte Sondenkopf 16 trägt die Messelektroden.
Bei dem hier zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel sind am Sondenkopf 16 insgesamt
4 Messelektroden angeordnet, nämlich
eine Arbeitselektrode 11, eine Gegenelektrode 7 und
eine Referenzelektrode 9, sowie eine Kalibrierelektrode 5.
Die Elektroden 5, 7, 9 und 11 sind
voneinander durch Isolierringe 6, 8 und 10 getrennt
und gegeneinander elektrisch isoliert. Die Elektroden 5, 7 und 11 sind
aus dem gleichen Material wie das von dem korrosiven Fluid durchströmte Rohr
bzw. Behälterwand.
Die Referenzelektrode 9 ist aus einem inerten Material,
welches von dem korrosiven Fluid nicht angegriffen wird. Bei dem
hier vorgesehenen Anwendungsbeispiel in einer Verbrennungsanlage
sind die Elektroden 5,7 und 11 wie die
Rohrwandung der Überhitzerrohre
der Verbrennungsanlage aus dem Stahl 15 Mo3.The in the 2 and 4 in detail shown probe head 16 carries the measuring electrodes. In the embodiment shown here in the drawing, the probe head 16 a total of 4 measuring electrodes arranged, namely a working electrode 11 , a counter electrode 7 and a reference electrode 9 , as well as a calibration electrode 5 , The electrodes 5 . 7 . 9 and 11 are separated from each other by insulating rings 6 . 8th and 10 separated and electrically isolated from each other. The electrodes 5 . 7 and 11 are made of the same material as the tube or container wall through which the corrosive fluid flows. The reference electrode 9 is made of an inert material, which is not attacked by the corrosive fluid. In the application example provided here in an incinerator, the electrodes are 5 . 7 and 11 like the pipe wall of the superheater pipes of the incinerator made of steel 15 Mo3.
Bei
den Isolierringen 6, 8 und 10 handelt
es sich erfindungsgemäß um Keramikringe
aus Si3N4. Die Verwendung
von Keramikringen aus Si3N4.
hat den Vorteil, dass dieses Material neben seiner chemischen und
thermischen Widerstandsfähigkeit
auch über
einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (verglichen
bspw. mit anderen Keramiken wie Al2O3) verfügt.
Dies verringert die thermischen Spannungen zwischen den Isolierringen 6, 8 und 12 und
den Messelektroden 5, 7, 9 beträchtlich
und trägt zu
einer besseren Dichtigkeit des Sondenkopfs 16 bei. Darüber hinaus
zeichnet sich Si3N4 durch
eine hohe Temperaturschockfestigkeit, eine sehr gute elektrische
Isolation und eine hohe Zug- und Druckfestigkeit aus. Die hohe Temperaturschockfestigkeit der
Isolierringe aus Si3N4 ermöglicht ferner
die Reinigung des Kessels, in dem die Korrosionstestsonde zum Einsatz
kommt, mittels eines Wasserwäschers, ohne
dass die Sonde bei der Reinigung herausgenommen werden müsste. Auch
gegen starke und schnelle Temperaturschwanken, bspw. bei einem abrupten
Stopp der Verbrennungsanlage, in der die Testsonde betrieben wird,
sind die Isolierringe aus Si3N4 resistent.At the insulating rings 6 . 8th and 10 are ceramic rings made of Si 3 N 4 according to the invention. The use of ceramic rings of Si 3 N 4 . has the advantage that this material in addition to its chemical and thermal resistance also has a low thermal expansion coefficient (compared, for example. With other ceramics such as Al 2 O 3 ) has. This reduces the thermal stresses between the insulating rings 6 . 8th and 12 and the measuring electrodes 5 . 7 . 9 considerably and contributes to a better tightness of the probe head 16 at. In addition, Si 3 N 4 is characterized by a high thermal shock resistance, a very good electrical insulation and a high tensile and compressive strength. The high thermal shock resistance of Si 3 N 4 insulating rings also allows the boiler to be cleaned using the corrosion test probe by means of a water scrubber without having to remove the probe during cleaning. Even against strong and rapid temperature fluctuations, for example. In an abrupt stop of the incinerator in which the test probe is operated, the insulating rings of Si 3 N 4 are resistant.
Die
Arbeitselektrode 11 die Gegenelektrode 7 und die
Referenzelektrode 9 werden in der aus dem Stand der Technik
bekannten 3-Elektroden-Schaltung über elektrische Leitungen,
welche im Inneren des Sondenkopfs 16 und der Trägerlanze 15 verlaufen,
mit einem Korrosionsmeter kontaktiert. Die Kalibrierelektrode 5 dient
zur Erfassung der absoluten Massenkorrosionsrate. Hierfür wird die
Masse der Kalibrierelektrode 5 vor und nach einer längeren Messperiode
von typischerweise einigen Monaten erfasst. Aus dem Massenunterschied,
der durch die Korrosion des Materials der Kalibrierelektrode hervorgerufen
wird, kann die absolute Korrosionsrate ermittelt werden und damit
eine Kalibrierung der elektrochemischen Messung erfolgen.The working electrode 11 the counter electrode 7 and the reference electrode 9 be in the known from the prior art 3-electrode circuit via electrical lines, which in the interior of the probe head 16 and the carrier lance 15 run, contacted with a corrosion meter. The calibration electrode 5 serves to record the absolute mass corrosion rate. For this purpose, the mass of the calibration electrode 5 recorded before and after a longer measurement period of typically a few months. From the mass difference, which is caused by the corrosion of the material of the calibration, the absolute corrosion rate can be determined and thus carried out a calibration of the electrochemical measurement.
Der
in 2 gezeigte Sondenkopf 16 umfasst ferner
an seinem hinteren, der Trägerlanze 15 zugewandten
Ende optional einen Abstandhalter 2 und ein Übergangsstück 3,
welche beide aus einer korrosionsbeständigen Nickelbasislegierung
(bspw. Inconel®)
oder aus einer Keramik wie Al2O3 oder Si3N4 sind. Zwischen
dem Übergangsstück 3 und
der sich daran anschließenden
ersten Elektrode (Kalibrierelektrode 5) ist ein weiterer
Isolierring 4, der bevorzugt ebenfalls aus Si3N4 besteht, angeordnet. Die Reihenfolge der
Elektroden 5, 7, 9 und 11 kann
gegenüber
dem hier zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel auch anders
angeordnet sein. Am vorderen Ende wird der Sondenkopf 16 durch
einen becher-, scheiben- oder
kappenförmigen
Hut 14 abgeschlossen. Zwischen dem Hut 14 und
der sich daran anschließenden
vordersten Elektrode (Arbeitselektrode 11) ist ein weiterer
Isolierring 12 angeordnet, der bevorzugt ebenfalls aus
Si3N4 besteht, um
die Messelektrode 11 vom Hut 14 elektrisch zu
isolieren. Am hinteren Ende des Sondenkopfs 16, welches
der Trägerlanze 15 zugewandt
ist, ist der Sondenkopf 16 durch eine Endplatte 1 abgeschlossen.
Der hohlzylindrische Sondenkopf 16 ist damit an seinem
vorderen Ende durch den Hut 14 und an seinem hinteren Ende durch
die Endplatte 1 stirnseitig verschlossen. In der Endplatte 1 sind
Durchgangsbohrungen 18, 19 vorgesehen, durch welche
die Kühlleitungen
der Luftkühlung
sowie die elektrischen Leitungen für die Kontaktierung der Elektroden
aus dem Inneren der Trägerlanze 15 in
den Sondenkopf 16 geführt
werden.The in 2 shown probe head 16 further comprises at its rear, the carrier lance 15 facing end optionally a spacer 2 and a transition piece 3 which are both made of a corrosion-resistant nickel-based alloy (for example Inconel® ) or of a ceramic such as Al 2 O 3 or Si 3 N 4 . Between the transition piece 3 and the adjoining first electrode (calibration electrode 5 ) is another insulating ring 4 , which preferably also consists of Si 3 N 4 , arranged. The order of the electrodes 5 . 7 . 9 and 11 may also be arranged differently from the exemplary embodiment illustrated here. At the front end is the probe head 16 through a cup, disc or cap shaped hat 14 completed. Between the hat 14 and the adjoining foremost electrode (working electrode 11 ) is another insulating ring 12 arranged, which preferably also consists of Si 3 N 4 , to the measuring electrode 11 from the hat 14 electrically isolate. At the far end of the probe head 16 which the carrier lance 15 is facing, is the probe head 16 through an end plate 1 completed. The hollow cylindrical probe head 16 is thus at its front end by the hat 14 and at its rear end by the end plate 1 closed at the front. In the end plate 1 are through holes 18 . 19 provided, through which the cooling lines of the air cooling and the electrical lines for contacting the electrodes from the interior of the support lance 15 in the probe head 16 be guided.
Um
die gewünschte
Dichtigkeit des Sondenkopfs 15 zu erzielen, welche erforderlich
ist, um den Eintritt der korrosiven Abgase in das Innere des Sondenkopfs 16 zu
verhindern, ist in dem Sondenkopf 16 eine Zugeinrichtung
vorgesehen. Diese Zugeinrichtung setzt die Elektroden 5, 7, 9 und 11 sowie
den Abstandhalter 2, das Übergangsstück 3 und die Isolierringe 4, 6, 8, 10 und 12 unter
eine Zugspannung und drückt
diese an ihren jeweiligen Stirnflächen so eng aneinander, dass
kein Gasdurchtritt möglich
ist. Die Zugeinrichtung wird bei dem hier zeichnerisch dargestellten
Ausführungsbeispiel
gebildet durch eine Zugplatte, welche von der Endplatte 1 am
hinteren Ende des Sondenkopfs 16 gebildet wird, den Hut 14 am vorderen
Ende und eine Zugstange 13, welche zwischen der Endplatte 1 und
dem Hut 14 zur Erzeugung der Zugspannung verspannt wird.
Die Zugstange 13 weist an ihrem vorderen Ende ein Außengewinde
auf. Die Zugstange 13 kann auch als Gewindestange ausgebildet
sein. An ihrem vorderen Ende ist die Zugstange 13 mit einer
im Zentrum des Huts 14 als Sackbohrung eingebrachten Gewindebohrung 17 verschraubt.
An ihrem hinteren Ende ist die Zugstange 13 durch eine
Bohrung 17' in
der Endplatte 1 durchgeführt und über eine Mutter unter Spannung verschraubt.
Die Zugstange 13 ist so dimensioniert, dass sie bei möglichst
fester Verschraubung an der Endplatte 1 eine ausreichend
hohe Zugspannung auf die dazwischen angeordneten Teile, also die
Elektroden, die Isolierringe, den Abstandhalter und (wenn vorhanden)
das Übergangsstück, erzeugt.
Die Zugstange 13 wird mit einem Drehmoment von mehr als 10
Nm, bevorzugt von etwa 50 Nm zwischen dem Hut 14 und der
Endplatte 1 verschraubt. Die sich ergebende Zugspannung
liegt im Bereich von 1,5–3,3 GPa..
Bei höheren
Zugspannungen besteht die Gefahr, dass die Elektroden oder die Isolierringe
beschädigt
werden. Bevorzugt weist die Zugstange 13 einen Durchmesser
von wenigstens 6 mm, bevorzugt von 8 mm auf, um die erforderliche
Zugspannung ohne Bruch der Zugstange 13 erzeugen zu können. Stirnseitig
ist in der Zugstange an ihrem hinteren Ende eine Gewindebohrung
vorgesehen, in welche eine weitere, hier zeichnerisch nicht dargestellte
Zugstange eingeschraubt wird. Die weitere Zugstange ist dünner als
die Zugstange 13 und verläuft im Innern der Trägerlanze 15 bis
zu deren Ende. Dort ist sie über
eine Befestigungsmutter verspannt.To the desired tightness of the probe head 15 which is required to prevent the entry of corrosive gases into the interior of the probe head 16 to prevent is in the probe head 16 provided a towing device. This drawbar sets the electrodes 5 . 7 . 9 and 11 as well as the spacer 2 , the transition piece 3 and the insulating rings 4 . 6 . 8th . 10 and 12 under a tensile stress and pushes them at their respective end faces so close together that no gas passage is possible. The traction device is formed in the embodiment shown here in the drawing by a tension plate, which of the end plate 1 at the back of the probe head 16 is formed, the hat 14 at the front end and a drawbar 13 which is between the end plate 1 and the hat 14 is clamped to generate the tensile stress. The drawbar 13 has an external thread at its front end. The drawbar 13 can also be designed as a threaded rod. At its front end is the drawbar 13 with one in the center of the hat 14 as a blind hole introduced threaded hole 17 screwed. At its rear end is the drawbar 13 through a hole 17 ' in the end plate 1 performed and bolted on a nut under tension. The drawbar 13 is dimensioned so that they are as tight as possible screwed to the end plate 1 a sufficiently high tensile stress the interposed parts, so the electrodes, the insulating rings, the spacer and (if present) the transition piece generated. The drawbar 13 is with a torque of more than 10 Nm, preferably about 50 Nm between the hat 14 and the end plate 1 screwed. The resulting tensile stress is in the range of 1.5-3.3 GPa. At higher tensile stresses there is a risk that the electrodes or the insulating rings will be damaged. Preferably, the drawbar 13 a diameter of at least 6 mm, preferably 8 mm, to the required tensile stress without breaking the tie rod 13 to be able to produce. The end face a threaded hole is provided in the drawbar at its rear end, in which a further, not graphically drawn drawbar is screwed. The other drawbar is thinner than the drawbar 13 and runs inside the carrier lance 15 until the end. There she is braced over a fastening nut.
Die
Verspannung der Elektroden und der Isolierringe in dem Sondenkopf 16 reicht
jedoch wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen bei
sehr hohen Messtemperaturen von weit mehr als 400°C häufig nicht
aus, um die erforderliche Dichtigkeit zu gewährleisten. Sowohl die unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungen der Elektroden gegenüber den Isolierringen als auch
der Außenseite
des Sondenkopfs gegenüber
der längs
der Mittelachse im Inneren der Sonde verlaufenden Zugstange 13 führen zu
thermischen und thermomechanischen Spannungen. Im Inneren des Sondenkopfs
herrscht unter Messbedingungen eine niedrigere Temperatur als am
Außenumfang,
was zu thermischen Verspannungen führt. Dies führt bei Messtemperaturen von über 400°C (bspw.
bei 700°C)
häufig
zu einer Beschädigung
der Isolierringe. Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Elektrodenmaterialien (Stahl) und der Isoliermaterialien (Keramik)
der Isolierteile führen
unter den hohen Umgebungstemperaturen während der In-situ-Messungen zu
hohen Zugspannungen, welche Risse in den Materialien, insbesondere
der Isolierringe, und dadurch undichte Stellen im Sondenkopf erzeugen
können.The tension of the electrodes and the insulating rings in the probe head 16 However, due to the different thermal expansions at very high measurement temperatures of much more than 400 ° C is often insufficient to ensure the required tightness. Both the different thermal expansions of the electrodes relative to the insulating rings and the outside of the probe head with respect to the pull rod extending along the central axis in the interior of the probe 13 lead to thermal and thermomechanical stresses. Inside the probe head, a lower temperature prevails under measuring conditions than at the outer circumference, which leads to thermal stresses. At measuring temperatures of more than 400 ° C. (for example at 700 ° C.), this frequently leads to damage to the insulating rings. The different coefficients of thermal expansion of the electrode materials (steel) and the insulating materials (ceramics) of the insulating parts lead to high tensile stresses under the high ambient temperatures during the in-situ measurements, which cause cracks in the materials, in particular the insulating rings, and thus leaks in the probe head can.
Zum
Ausgleich dieser thermischen bzw. thermomechanischen Spannungen
ist daher in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
vorgesehen, die Endplatte 1 als Scheibe 1a auszugestalten
und mit Schlitzen 30, 31, 32 zu versehen,
welche sich in Querrichtung der Scheibe 1a erstrecken. In 5 ist
die Scheibe 1a, welche die Endplatte 1 bildet
und zwischen 5 und 15 mm dick ist, in einer perspektivischen Ansicht
gezeigt. Wie aus 5 ersichtlich, erstrecken sich
die Schlitze 30, 31, 32 radial nach außen und
sie sind radialsymmetrisch angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind insgesamt sechs Schlitze in Form von zwei Schlitztripel, nämlich ein
erstes Schlitztripel mit längeren Schlitzen 30, 31, 32 und
ein zweites Schlitztripel mit kürzeren
Schlitzen 30', 31', 32' vorgesehen,
welche jeweils abwechselnd auf der kreisrunden Scheibe 1a radial
in 60°-Abständen angeordnet
sind. In der Scheibe 1a sind ferner die Durchgangsbohrungen 18, 19 zur
Durchführung
der elektrischen Leitungen und der Kühlleitungen sowie eine zentrale
Bohrung 17' zum
Durchführen
der Zugstange 13 vorgesehen. Die Schlitze 30, 31, 32 bzw. 30, 31', 32' erstrecken sich
jeweils zwischen der zentralen Bohrung 17' und einer Durchgangsbohrung 18 oder 19.
Die Anzahl und radiale Anordnung der Schlitze kann auch anders als
in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel gewählt werden,
wobei aus Gründen
einer symmetrischen Spannungsverteilung bevorzugt eine radialsymmetrische
Anordnung der Schlitze auf der Scheibe 1a gewählt wird.
Die Schlitze in der Scheibe 1a, welche bevorzugt aus Edelstahl
oder Federstahl ist, verleihen der Scheibe 1a eine Elastizität (ähnlich einer
Blattfeder) und führen
damit zu einem Ausgleich der thermischen Spannungen in der Endplatte 1.
Vergleichsversuche haben gezeigt, dass die Schlitze in der Lage
sind, thermisch bedingte Längenänderungen
in der Größenordnung
von 10–100 μm auszugleichen.
Die Schlitze in der Endplatte 1 führen damit zu einer verbesserten
Dichtigkeit des Sondenkopfs 16.To compensate for these thermal or thermomechanical stresses is therefore provided in a preferred embodiment of the invention, the end plate 1 as a disc 1a to design and with slots 30 . 31 . 32 to be provided, which is in the transverse direction of the disc 1a extend. In 5 is the disc 1a which the end plate 1 and is between 5 and 15 mm thick, shown in a perspective view. How out 5 As can be seen, the slots extend 30 . 31 . 32 radially outward and they are arranged radially symmetrically. In the illustrated embodiment, a total of six slots in the form of two Schlitztripel, namely a first Schlitztripel with longer slots 30 . 31 . 32 and a second slot triple with shorter slots 30 ' . 31 ' . 32 ' provided, which in turn alternately on the circular disc 1a are arranged radially at 60 ° intervals. In the disk 1a are also the through holes 18 . 19 for the passage of the electrical lines and the cooling lines and a central bore 17 ' for performing the drawbar 13 intended. The slots 30 . 31 . 32 respectively. 30 . 31 ' . 32 ' each extend between the central bore 17 ' and a through hole 18 or 19 , The number and radial arrangement of the slots can also be chosen differently than in the embodiment shown here, wherein for reasons of symmetrical stress distribution preferably a radially symmetrical arrangement of the slots on the disc 1a is selected. The slits in the disk 1a , which is preferably made of stainless steel or spring steel, give the disc 1a an elasticity (similar to a leaf spring) and thus lead to a compensation of the thermal stresses in the end plate 1 , Comparative tests have shown that the slots are able to compensate for thermally induced changes in length of the order of 10-100 microns. The slits in the end plate 1 lead to an improved tightness of the probe head 16 ,
Zum
Ausgleich der thermischen bzw. thermomechanischen Spannungen kann
die Endplatte 1 alternativ auch durch mehrere in Längsrichtung
der Testsonde hintereinander angeordnete und aneinander anliegende
Scheiben 1a, 1b, 1c gebildet werden. Bei
dem in 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist die Endplatte 1 durch drei gleichförmige Scheiben 1a, 1b, 1c zusammengesetzt,
welche jeweils wie die in 5 gezeigte Scheibe 1a gestaltet
sind. Die drei Scheiben 1a, 1b, 1c sind
bevorzugt aus Federstahl und in Längsrichtung der Testsonde hintereinander
angeordnet und über
die Zugstange 13 verspannt. Sie werden aufgrund der Verspannung
durch die Zugstange 13 an ihren Scheibenflächen mit
der Zugspannung gegeneinander gedrückt. Die Scheiben weisen jeweils
eine Dicke von 2–4
mm und bevorzugt von ca. 3 mm auf. In jeder der drei Scheiben sind
jeweils die Durchgangsbohrungen 18, 19 zur Durchführung der
elektrischen Leitungen und der Kühlleitungen
sowie eine zentrale Bohrung 17' zum Durchführen der Zugstange 13 vorgesehen.
Die drei Scheiben 1a, 1b, 1c sind so
hintereinander angeordnet, dass die Bohrungen 17', 18 und 19 jeweils
fluchten, so dass darin die Leitungen und die Zugstange 13 durchgeführt werden können. Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 4 wurde das Distanzstück 3 und der zusätzliche
Isolierring 4 weg gelassen.To compensate for the thermal or thermo-mechanical stresses, the end plate 1 Alternatively, by several in the longitudinal direction of the test probe successively arranged and abutting slices 1a . 1b . 1c be formed. At the in 4 shown preferred embodiment of the invention is the end plate 1 through three uniform discs 1a . 1b . 1c composed, each one like the one in 5 shown disc 1a are designed. The three discs 1a . 1b . 1c are preferably made of spring steel and arranged in the longitudinal direction of the test probe one behind the other and over the tie rod 13 braced. They are due to the tension through the drawbar 13 pressed against each other at their disc surfaces with the tension. The discs each have a thickness of 2-4 mm and preferably of about 3 mm. In each of the three discs are each the through holes 18 . 19 for the passage of the electrical lines and the cooling lines and a central bore 17 ' for performing the drawbar 13 intended. The three discs 1a . 1b . 1c are arranged one behind the other so that the holes 17 ' . 18 and 19 each aligned, so that in the lines and the drawbar 13 can be performed. In the embodiment of the 4 became the spacer 3 and the additional insulating ring 4 left away.
Die
hinsichtlich der thermischen Widerstandsfähigkeit besten Ergebnisse konnten
mit Testsonden erzielt werden, bei denen drei jeweils mit Querschlitzen 30, 31, 32 versehene
Scheiben 1a, 1b, 1c zur Bildung der Endplatte 1 des
Sondenkopfs 16 verwendet worden sind. Vergleichsversuche
haben ergeben, dass solche Testsonden Temperaturen von ca. 700°C über einen
längeren
Zeitraum stand halten können,
ohne dass nennenswerte Undichtigkeiten im Sondenkopf 16 auftreten.
Daraus ergibt sich, dass die erfindungsgemäß zur Reduzierung der thermischen
und thermomechanischen Verspannungen im Sondenkopf 16 vorgeschlagenen
Maßnahmen
zur Optimierung der Dichtigkeit des Sondenkopfs auch miteinander
kombiniert werden können.The best results in terms of thermal resistance could be achieved with test probes, three each with transverse slots 30 . 31 . 32 provided slices 1a . 1b . 1c to form the end plate 1 of the probe head 16 have been used. Comparative experiments have shown that such test probes can withstand temperatures of about 700 ° C for a long time without significant leaks in the probe head 16 occur. It follows that the invention to reduce the thermal and thermo-mechanical stresses in the probe head 16 proposed measures to optimize the tightness of the probe head can also be combined.
Gegenüber den
aus dem Stand der Technik bekannten Korrosionstestsonden weist die
erfindungsgemäße Sonde
darüber
hinaus den Vorteil auf, dass der Sondenkopf 16 von der
Trägerlanze 15 getrennt
und von dieser abnehmbar ist. Durch die Ausbildung des von der Trägerlanze 15 abnehmbaren Sondenkopfs 16 als
Wechselkopf ist ein schneller und einfacher Austausch der Elektroden
möglich. Durch
die ausschließlich
im Sondenkopf 16 angeordnete Zugeinrichtung kann ferner
eine ausreichend hohe Zugspannung erzeugt werden, um die Ringteile des
Sondenkopfs 16, also insbesondere die Elektroden und die
Isolierringe sowie den Abstandhalter, so gegeneinander zu verspannen
und deren Dichtflächen
so eng aneinander zu drücken,
dass kein Gas mehr in das Innere des Sondenkopfs 16 eindringen kann.
Die Anordnung der Zugeinrichtung ausschließlich innerhalb des Sondenkopfs 16 bewirkt
eine thermische Entkopplung der Teile der Zugeinrichtung gegenüber der
Trägerlanze 15.
Dadurch kann der für die
Dichtigkeit nachteilige Effekt der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
der verwendeten Materialien weiter minimiert werden.Compared with the corrosion test probes known from the prior art, the probe according to the invention moreover has the advantage that the probe head 16 from the carrier lance 15 separated and removable from this. By the training of the carrier lance 15 removable probe head 16 as a replaceable head a quick and easy replacement of the electrodes is possible. By exclusively in the probe head 16 Furthermore, a sufficiently high tensile stress can be generated around the ring parts of the probe head 16 , So in particular the electrodes and the insulating rings and the spacer, so to brace against each other and their sealing surfaces so close together to press that no more gas into the interior of the probe head 16 can penetrate. The arrangement of the traction device exclusively within the probe head 16 causes a thermal decoupling of the parts of the pulling device relative to the carrier lance 15 , As a result, the effect of the different coefficients of expansion of the materials used, which is disadvantageous for the tightness, can be further minimized.