DE102017131188A1 - Korrosionsschutz und Korrosionsschutzüberwachung - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und ein System zum Korrosionsschutz und zur Korrosionsschutzüberwachung eines leitfähigen Objekts (O) beschrieben. Das Objekt (O) weist auf einer Objektoberfläche (OF) zumindest eine Schichtanordnung (10) auf, die zumindest eine der Objektoberfläche (OF) zugewandte erste Isolierschicht (11) aus elektrisch isolierendem Material, eine Leiterschicht (13, 13'), welche sich auf der von der Objektoberfläche (OF) abgewandten Seite der ersten Isolierschicht (11) befindet, und eine zweite Isolierschicht (12) aus elektrisch isolierendem Material aufweist, welche sich auf der von der ersten Isolierschicht (11) abgewandten Seite der Leiterschicht (13, 13') befindet. Es wird eine Spannung (U, U) zwischen der Objektoberfläche (OF) und der Leiterschicht (13, 13') angelegt und ein Auftreten eines Stroms (I, I, 13, 14) zwischen der Objektoberfläche (OF) und der Leiterschicht (13, 13') geprüft. Bei einem Auftreten eines solchen Stroms (I, I, 13, 14) wird auf Basis zumindest eines Messsignals, welches einen entlang eines Bereichs der Leiterschicht (13, 13') fließenden Strom (I, I, I, I) und/oder eine über einen Bereich der Leiterschicht (13, 13') abfallende Spannung repräsentiert, eine räumliche Lage einer Durchbruchstelle (D) der ersten Schutzschicht (11) zwischen der Objektoberfläche (OF) und der Leiterschicht (13, 13') ermittelt. Weiterhin werden eine Objektanordnung (100) umfassend ein vor Korrosion zu schützendes Objekt (O) und ein entsprechendes Korrosionsschutz- und -überwachungssystem (1) sowie ein hierfür geeignetes Leiterschicht-Beschichtungsmaterial und ein Isolierschicht-Beschichtungsmaterial beschrieben.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrosionsschutz und zur Korrosionsschutzüberwachung eines leitfähigen Objekts, bei dem auf einer zu schützenden Objektoberfläche des Objekts zumindest eine Schichtanordnung aufgebracht wird, wobei diese Schichtanordnung zumindest eine der Objektoberfläche zugewandte erste Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material, eine Leiterschicht, welche sich auf der von der Objektoberfläche abgewandten Seite der ersten Isolierschicht befindet, und eine zweite Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material, welche sich auf der von der ersten Isolierschicht abgewandten Seite der Leiterschicht befindet, aufweist und wobei zwischen der Objektoberfläche bzw. dem Objekt und der Leiterschicht zumindest zeitweise eine Spannung angelegt wird und zumindest zeitweise ein Auftreten eines Stroms zwischen der Objektoberfläche und der Leiterschicht geprüft wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Korrosionsschutz- und -überwachungssystem für ein leitfähiges Objekt, welches zumindest die zuvor genannte Schichtanordnung sowie eine Steuer- und Kontrolleinrichtung aufweist, um eine entsprechende Spannung zwischen der Objektoberfläche und der Leiterschicht anzulegen und ein Auftreten eines Stroms zwischen der Objektoberfläche und der Leiterschicht zu prüfen. Zudem betrifft die Erfindung eine Objektanordnung mit einem solchen Korrosionsschutz- und -überwachungssystem. Im Übrigen betrifft die Erfindung ein für dieses Verfahren bzw. System geeignetes Leiterschicht-Beschichtungsmaterial sowie ein Isolierschicht-Beschichtungsmaterial.
• Um leitfähige, üblicherweise metallische, Objekte vor Korrosion zu schützen, sind verschiedene Verfahren bekannt. In den meisten Fällen wird die Oberfläche des zu schützenden Objekts mit Hilfe von Beschichtungen geschützt. In vielen Fällen werden hierzu mehrere Schichten übereinander, auch aus unterschiedlichen Materialien, aufgetragen. Die Beschichtung kann beispielsweise in Form von Lackierungen, Anstrichen oder dergleichen erfolgen. Für bestimmte Bereiche kommt auch das Auftragen bzw. Aufspritzen von dickeren zähflüssigen Medien und/oder Ölen in Frage, wie beispielsweise beim Unterbodenschutz oder bei Hohlraumversiegelungen von Kraftfahrzeugen. Weitere Arten von Beschichtungen können durch eine galvanische Oberflächenbehandlung wie beispielsweise Verzinkung oder dergleichen erzeugt werden. Bei all diesen „passiven“ Korrosionsschutzverfahren durch „einfache“ Beschichtungen wird das angreifende Medium, beispielsweise Wasser bzw. Feuchtigkeit und/oder Salz, durch die Beschichtung von einem direkten Kontakt mit der Werkstoffoberfläche, häufig Stahl oder ein anderes korrosionsanfälliges Metall, ferngehalten. Ein Problem hierbei ist, dass schon kleine lokale Beschädigungen in der Beschichtung dazu führen, dass das angreifende Medium mit der Objektoberfläche in Kontakt kommt, dort zur Korrosion führt und sich bereits dadurch die Beschädigung der Beschichtung relativ schnell ausbreitet. Dies führt dann oft nicht nur dazu, dass die Beschichtung erneuert werden muss, sondern in manchen Fällen auch zu sehr aufwändigen Restaurierungsarbeiten am Objekt selber, das in großen Bereichen durch die Korrosion zerstört sein kann. Insbesondere wenn sich solche Schäden unbemerkt großflächig ausbreiten, ist oftmals eine Instandsetzung der Beschichtung nur sinnvoll, wenn sie komplett entfernt und neu aufgebracht wird, d. h. das Objekt einer kompletten Restaurierung und Neubeschichtung unterzogen wird.
• Um den Korrosionsschutz zu verbessern, wird bereits seit Jahrzehnten an manchen Objekten auch ein sogenannter „kathodischer Korrosionsschutz“ eingesetzt. Bei einem „aktiven“ kathodischen Korrosionsschutz wird dafür gesorgt, dass bei einer Verletzung der Schutzbeschichtung lokal ein Strom fließt, welcher der Korrosion entgegenwirken kann. Hierzu wird neben der eigentlichen Schutzbeschichtung aus isolierendem bzw. nicht-leitfähigem Material eine Elektrodenanordnung bzw. Elektrodenstruktur aus elektrisch leitendem Material aufgebracht, beispielsweise in Form von Drähten, Gitternetzen oder dergleichen. Mit Hilfe einer Spannungsquelle wird eine Potentialdifferenz zwischen dem zu schützenden Objekt, also der Objektoberfläche, und der Elektrode angelegt, wobei der negative Pol (Minuspol) am Objekt und der positive Pol an der Elektrodenstruktur anliegen. Befindet sich auf der Oberfläche des Objekts dann ein Elektrolyt, beispielsweise feuchter Staub, Salzwasser, Süßwasser, Schneematsch oder feuchtes Erdreich und dergleichen, so wird an einer schadhaften Stelle, an der der Elektrolyt normalerweise zu einer Korrosion der Objektoberfläche führen könnte, von der Elektrodenstruktur zur Oberfläche über den Elektrolyten eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt, wodurch ein kleiner Gleichstrom von der Elektrodenstruktur über den Elektrolyten in die Metalloberfläche fließt. Dieser wirkt dem Abwandern positiver Metallionen von der Metalloberfläche entgegen und verhindert oder reduziert damit zumindest stark die Korrosion, d. h. die Auflösung des Metalluntergrunds. Im Idealfall führt dies dazu, dass sich die Beschichtung durch den kathodischen Schutzstrom quasi selbst heilt. Der Verlust der passiven intakten Beschichtung wird durch den aktiven Korrosionsschutz lokal kompensiert. Die notwendigen Ströme sind meist gering, da in der Regel die Beschädigung einer Beschichtung nur lokal erfolgt. Der kathodische Korrosionsschutz wirkt dabei immer dann, wenn die Schutzschicht beschädigt ist und ein Elektrolyt die Schadstelle befeuchtet. Ist das Objekt bzw. die beschichtete Oberfläche trocken, z. B. durch ein Austrocknen der Schadstelle in warmen Sommermonaten, fließt auch kein Strom. Dies ist auch nicht erforderlich, da dann keine Korrosionsprozesse ablaufen können.
• Ein solches System lässt sich an vielen korrosionsgefährdeten Objekten einsetzen, insbesondere an großen Stahlkonstruktionen, z. B. an Brücken oder anderen Bauwerken, aber auch an Fahrzeugen, beispielsweise an Kfz, wie dies in der WO 87/00558 A1 beschrieben wird. Ganz besonders interessant sind solche Systeme für Objekte, die mit Salzwasser in Kontakt kommen, wie beispielsweise Schiffe, Bauwerke in Hafenanlagen und/oder Offshore-Plattformen. Hier ist in besonderer Weise der Bereich anfällig, der beispielsweise durch Tidenhub oder Wellengang nur zeitweise mit dem Salzwasser in Berührung kommt und zudem auch noch besonderen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, die zur Beschädigung der Oberfläche führen könnten.
• Auch wenn dieser aktive Korrosionsschutz sehr hilfreich ist, um ein Ausbreiten der Korrosion an Schadstellen der Schutzbeschichtung zu verzögern bzw. zu verhindern, verhindert dies nicht die Beschädigung der Schutzschicht an sich. Im Übrigen kann es auch ohne Korrosion dazu kommen, dass sich die Beschädigung der Schutzschicht dennoch ausbreitet, da ja an der betreffenden Stelle grundsätzlich ein Angriffspunkt besteht, an dem sich die Beschichtung weiter von der Objektoberfläche lösen könnte, beispielsweise ein Lack abblättern kann etc. Dies gilt gerade für die Einsatzbereiche in sehr aggressiven Umgebungen wie dem genannten wechselnden Kontakt mit Salzwasser, da ja auch die mechanische Belastung auf die Vergrößerung der Schadstelle wirken kann. Insofern wäre es auch beim Einsatz eines „aktiven“ Korrosionsschutzes sinnvoll, rechtzeitig mit verhältnismäßig geringem Aufwand die Schutzschicht wieder instand zu setzen, um so eine möglichst hohe Langlebigkeit der Objekte zu erreichen. Bei einigen Systemen, wie beispielsweise bei dem in der genannten WO 87/00558 A1 genannten System, gibt es zwar eine Betriebsanzeigevorrichtung in Form einer Kontrollleuchte, die anzeigt, dass ein Schutzstrom fließt. Damit wird jedoch lediglich angezeigt, dass das System funktioniert und dass prinzipiell eine Beschädigung vorhanden ist. Eine lokal beschränkte Reparatur der Schutzschicht ist jedoch nur möglich, wenn der Schadensort bekannt ist. In den meisten Fällen führt dies letztlich dazu, dass mit einer Schadensbeseitigung so lange gewartet wird, bis irgendwann die Beschichtung des gesamten Objekts, beispielsweise die Unterbodenbeschichtung insgesamt, komplett erneuert werden muss. Dies ist insbesondere bei größeren Objekten ungünstig, da dort eine vollständige Schichterneuerung meist sehr aufwändig und teuer ist.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zum Korrosionsschutz und zur Korrosionsschutzüberwachung anzugeben, welches dieses Problem adressiert und die Möglichkeit bietet, Defektstellen in der Schutzschicht des passiven Korrosionsschutzes schneller zu finden.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Korrosionsschutz- und -überwachungssystem gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens muss, wie bereits oben beschrieben, auf der zu schützenden Objektoberfläche, beispielsweise der Metalloberfläche, des Objekts, z. B. eines Werkstücks, Fahrzeugs, Bauwerks etc. oder Teils davon, zumindest eine Schichtanordnung aufgebracht sein.
• Diese weist zumindest eine der Objektoberfläche zugewandte (also beispielsweise auf der Objektoberfläche direkt oder indirekt, d. h. mit weiteren Grundierungsschichten darunter, angeordnete) erste Isolierschicht aus elektrisch isolierendem bzw. nicht-leitfähigem Material auf. Diese erste Isolierschicht wird im Folgenden auch als Basis- oder Grundschicht bezeichnet. Sie bildet quasi eine erste, innere Schutzschicht für die Objektoberfläche auch gegen die korrosive Einwirkung der Umgebung.
• Weiterhin weist die Schichtanordnung eine Leiterschicht auf, die sich auf der von der Objektoberfläche abgewandten Seite der ersten Isolierschicht befindet. Diese Leiterschicht ist also durch die erste Isolierschicht von der Objektoberfläche elektrisch, d. h. galvanisch, getrennt. Während die erste Isolierschicht im Allgemeinen im Wesentlichen vollflächig deckend ist, kann diese Leiterschicht optional auch strukturiert sein, d. h. sie kann auch nur bereichsweise auf der ersten Isolierschicht angeordnet sein. Eine mögliche bevorzugte Struktur kann beispielsweise, wie später erläutert, eine Art schlingenförmiger Leiter oder dergleichen sein. Diese Leiterschicht kann, wie später noch erläutert wird, mit unterschiedlichen Verfahren auf die erste Isolierschicht aufgebracht sein.
• Schließlich umfasst die Schichtanordnung zumindest noch eine zweite Isolierschicht aus elektrisch isolierendem bzw. nicht-leitfähigem Material, welche sich auf der von der ersten Isolierschicht abgewandten Seite der Leiterschicht befindet. Auch diese zweite Isolierschicht ist vorzugsweise im Wesentlichen vollflächig deckend und bildet somit eine zweite, äußere Schutzschicht. Diese zweite Isolierschicht wird daher im Folgenden auch als Deckschicht bezeichnet. Wie die erste Isolierschicht bzw. Basisschicht kann auch diese Deckschicht aus einem beliebigen isolierenden Beschichtungsmaterial gefertigt sein, vorzugsweise in Form eines Lacks oder dergleichen.
• Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zudem zumindest zeitweise eine Spannung zwischen der Objektoberfläche und der Leiterschicht angelegt. Außerdem wird zumindest zweitweise ein Auftreten eines Stroms zwischen der Objektoberfläche und der Leiterschicht geprüft, d. h. es wird beispielsweise gemessen, ob ein Stromfluss stattfindet, nämlich des kathodischen Schutzstroms, der im Falle eines Beschichtungsdefekts auftreten soll. Das Auftreten eines Stroms zwischen der Objektoberfläche und der Leiterschicht kann dabei z. B. auch über den Spannungsabfall registriert werden.
• Erfindungsgemäß wird bei einem Auftreten eines solchen Stroms auf Basis zumindest eines Messsignals, welches einen entlang eines Bereichs der Leiterschicht fließenden Strom und/oder eine über einen Bereich der Leiterschicht abfallende Spannung repräsentiert, eine räumliche Lage einer Durchbruchstelle (im Folgenden auch als Defektstelle oder Leck bezeichnet) der ersten Schutzschicht zwischen der Objektoberfläche und der Leiterschicht ermittelt. Zur Gewinnung des Messsignals kann, wie später noch erläutert wird, direkt ein Strom oder eine Spannung zwischen einer Kontaktstelle an der Leiterschicht und der Objektoberfläche bzw. dem Objekt (z. B. dort auch an einer Kontaktstelle) gemessen werden oder es können induktiv, kapazitiv oder in sonstiger Weise geeignete Signale gewonnen werden. Dieses Messsignal kann wie später noch erläutert wird, auch eine Feldstärke und/oder Stromdichte sein.
• Unter einer Ermittlung einer räumliche Lage einer Durchbruchstelle (im Folgenden auch als Lokalisierung oder Verortung bezeichnet) wird hierbei verstanden, dass in irgendeiner Weise eine Ortsinformation gewonnen wird, in welchem Bereich sich diese Durchbruchstelle (mit hoher Wahrscheinlichkeit) befindet, mit der also eine räumliche Eingrenzung des Lecks bzw. Leckbereichs an der Objektoberfläche möglich ist. Auch wenn es dabei bevorzugt ist, den Ort der Durchbruchstelle möglichst genau zu lokalisieren, ist es aber auch schon von Vorteil und liegt im Rahmen der Erfindung, wenn mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine gröbere räumliche Lokalisierung erfolgt, d. h. dass die Ortsinformationen einen bestimmten Teilbereich des Objekts, z. B. einen Teilbereich bezogen auf eine zusammenhängende Leiterschicht, angeben, in dem sich mit entsprechend hoher Wahrscheinlichkeit die Durchbruchstelle befindet. So ist z. B. eine Genauigkeit der Lokalisierung von einem Meter zumeist ausreichend, so dass vorzugsweise bei einer Lokalisierung zumindest eine Eingrenzung auf einen Bereich innerhalb von 1 m² erfolgt.
• Die ermittelte Ortsinformation kann dann in geeigneter Weise ausgegeben und/oder angezeigt werden und/oder für spätere Ausgaben bzw. Anzeigen und/oder Protokollierungszwecke gespeichert werden.
• Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann also nicht nur zusätzlich zum passiven Korrosionsschutz durch den aktiven, kathodischen Korrosionsschutz bei einer lokalen Beschädigung der Beschichtung der Korrosionsschutz aufrechterhalten werden, sondern es kann zudem der Ort der lokalen Beschädigung signalisiert werden und so rechtzeitig für eine lokal begrenzte Reparatur gesorgt werden. Dadurch kann auf besonders effiziente Weise der die Lebensdauer des Objekts verlängernde Korrosionsschutz intakt gehalten werden. Eine derartige bedarfsgerechte Instandhaltung bietet nicht nur einen erheblich verbesserten Schutz, sondern auch große Einsparpotenziale, von der Reduktion des Lackverbrauchs über den verringerten Anfall an Strahlmittel zur Entfernung der Beschichtung bis hin zu geringerem Materialabtrag des Objekts.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann an Objekten genutzt werden, welche bereits eine geeignete mehrlagige Schichtanordnung aufweisen, da sie z. B. schon durch einen kathodischen Schutzstrom geschützt werden sollen. Ebenso kann aber im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Objektoberfläche zunächst eine solche Schichtanordnung aufgebracht werden.
• Ein erfindungsgemäßes Korrosionsschutz- und -überwachungssystem für ein leitfähiges Objekt umfasst dementsprechend zumindest eine auf einer zu schützenden Objektoberfläche des Objekts aufzubringende oder bereits aufgebrachte mehrlagige Schichtanordnung. Diese weist zumindest eine - im bestimmungsgemäß aufgebrachten Zustand auf dem Objekt - der Objektoberfläche zugewandte erste Isolierschicht bzw. Schutzschicht aus elektrisch isolierendem Material sowie eine - optional strukturierte - Leiterschicht, welche sich auf der von der Objektoberfläche abgewandten Seite der ersten Isolierschicht befindet, und eine zweite Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material auf, welche sich auf der von der ersten Isolierschicht abgewandten Seite der Leiterschicht befindet.
• Zudem umfasst das erfindungsgemäße Korrosionsschutz- und -überwachungssystem eine Steuer- und Kontrolleinrichtung, welche ausgebildet ist, um zumindest zeitweise eine Spannung zwischen der zu schützenden Objektoberfläche und der Leiterschicht anzulegen und zumindest zeitweise ein Auftreten eines Stroms zwischen der Objektoberfläche und der Leiterschicht zu prüfen. Diese Steuer- und Kontrolleinrichtung ist erfindungsgemäß zudem so ausgebildet, um bei einem Auftreten eines solchen Stroms auf Basis zumindest eines Messsignals, welches einen entlang eines Bereichs der Leiterschicht fließenden Strom und/oder eine über einen Bereich der Leiterschicht abfallende Spannung repräsentiert, eine räumliche Lage einer Durchbruchstelle der ersten Schutzschicht zwischen der Objektoberfläche und der Leiterschicht zu ermitteln.
• Die Steuer- und Kontrolleinrichtung kann dabei auch mehrere Teilvorrichtungen bzw. Einheiten umfassen, wie beispielsweise eine oder mehrere Spannungsquelle(n), Steuer- bzw. Kontrolleinheit(en) und ggf. zusätzliche Schalteinrichtung(en), um beispielsweise in definierter Weise gesteuert Strom über ganz bestimmte Kontaktstellen am Objekt und/oder der Leiterschicht fließen zu lassen oder einen Stromfluss zu unterbrechen. Hierfür werden später noch Beispiele gegeben. Die Steuer- und Kontrolleinrichtung weist bevorzugt auch geeignete Mittel auf, um in der zuvor erwähnten Weise die Ortsinformationen auszugeben bzw. anzuzeigen und/oder für eine spätere Ausgabe und/oder Anzeige und/oder Protokollierungszwecke zu speichern.
• Eine erfindungsgemäße Objektanordnung umfasst zumindest ein vor Korrosion zu schützendes Objekt sowie ein Korrosionsschutz- und -überwachungssystem, wobei die Schichtanordnung des Korrosionsschutz- und -überwachungssystems auf der Objektoberfläche des zu schützenden Objekts angebracht und mit der Steuer- und Kontrolleinrichtung verbunden ist.
• Grundsätzlich kann mehreren Objekten gemeinsam ein Korrosionsschutz- und -überwachungssystem zugewiesen sein, wobei dann auf den Objekten jeweils entsprechende Schichtanordnungen aufgebracht sind, welche an eine gemeinsame Steuer- und Kontrolleinrichtung gekoppelt sind, die entsprechend Ausgänge bzw. Anschlüsse für die verschiedenen Schichtanordnungen der unterschiedlichen Objekte aufweist. Ebenso könnten aber auch unterschiedliche Objekte, auf denen jeweils eine entsprechende Schichtanordnung aufgebracht ist, eigenen Steuer- und Kontrolleinrichtungen zugeordnet sein, die dann beispielsweise mit einer gemeinsamen Zentrale zur Überwachung der verschiedenen Steuer- und Kontrolleinrichtungen gekoppelt sind.
• Die Erfindung umfasst weiterhin ein Leiterschicht-Beschichtungsmaterial, vorzugsweise einen Leiterschicht-Lack, welches zumindest die folgenden Komponenten umfasst:
1. (i) zumindest eine leitfähige Komponente;
2. (ii) optional zumindest ein Lösemittel;
3. (iii) optional zumindest ein Bindemittel;
4. (iv) optional zumindest ein Dispergieradditiv.
• Weiterhin umfasst die Erfindung ein Isolierschicht-Beschichtungsmaterial, vorzugsweise einen Isolierschichtlack, welches zumindest die folgenden Komponenten umfasst:
1. (i) eine Substanz, welche ausgewählt ist aus einem isolierenden Material;
2. (ii) optional zumindest ein Lösemittel;
3. (iii) optional zumindest ein Bindemittel;
4. (iv) optional zumindest ein Farbpigment;
5. (v) optional zumindest ein Dispergieradditiv;
6. (vi) optional zumindest ein Rheologieadditiv.
• Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele für solche Leiterschicht-Beschichtungsmaterialien bzw. Isolierschicht-Beschichtungsmaterialien werden später noch gegeben. Das Leiterschicht-Beschichtungsmaterial und/oder das Isolierschicht-Beschichtungsmaterial dienen bevorzugt zur Verwendung in dem genannten Verfahren bzw. dem erfindungsgemäßen Korrosionsschutz- und -überwachungssystem.
• Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen bzw. Beschreibungsteilen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
• Erfindungsgemäß soll eine Gewinnung einer Lokalisierungsinformation bzw. Ortsinformation über eine räumliche Lage der Durchbruchstelle auf Basis eines Messsignals erfolgen, welches einen entlang eines Bereichs der Leiterschicht fließenden Strom und/oder eine über einen Bereich der Leiterschicht abfallende Spannung repräsentiert. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten.
• Bevorzugt wird bei Auftreten eines Stroms, d. h. wenn zunächst festgestellt wird, dass überhaupt ein Strom auftritt und somit eine Durchbruchstelle detektiert wird, dafür gesorgt, dass eine definierte Spannung zwischen der Objektoberfläche und der Leiterschicht gehalten wird. Die Steuer- und Kontrolleinrichtung kann die Spannung also auf einen möglichst definierten Wert steuern bzw. regeln. So kann ein ausreichender kathodischer Schutzstrom zur Verfügung gestellt werden. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine relativ geringe Gleichspannung, um eine Elektrolysebildung bzw. Knallgasbildung zu vermeiden, bevorzugt um eine Spannung von maximal 1,23 Volt, besonders bevorzugt ca. 1 Volt. Wie später noch erläutert wird, kann es bei bestimmten Ausführungsbeispielen von Vorteil sein, wenn auch eine Wechselspannung für den Zweck der Lokalisierung der Durchbruchstelle angelegt wird. In diesem Fall kann diese definierte Gleichspannung eine Mindest- oder Basisspannung bilden, die dann mit einer definierten Wechselspannung überlagert werden kann.
• Besonders bevorzugt wird die räumliche Lage der Durchbruchstelle auf Basis einer Strom- und/oder Spannungsverteilung ermittelt.
• Vorzugsweise kann hierzu die Positionsermittlung auf Basis der Verhältnisse von Strömen und/oder Spannungen zwischen der Objektoberfläche und verschiedenen, räumlich voneinander beabstandeten Kontaktstellen der Leiterschicht erfolgen. Anhand der Ströme, die über verschiedene, räumlich getrennte Kontaktstellen der Leiterschicht zur Objektoberfläche fließen, können besonders gut Messsignale gewonnen werden (bzw. die Strommesswerte können als entsprechende Messsignale genutzt werden), um jeweils ein Maß für die entlang verschiedener Bereiche der Leiterschicht fließenden Ströme bzw. abfallenden Spannungen, also eine Strom- und/oder Spannungsverteilung, zu erhalten.
• Die Nutzung von zumindest zwei räumlich voneinander beabstandeten, getrennten Kontaktstellen an der, gegebenenfalls strukturierten, Leiterschicht erlaubt also eine besonders einfache Ermittlung einer räumlichen Lage der Durchbruchstelle, zumindest beispielsweise eine Eingrenzung auf einen bestimmten Bereich zwischen den beiden Kontaktstellen an der Leiterschicht, wie dies später noch an Beispielen erläutert wird. Vorzugsweise ist die Leiterfläche so ausgebildet, dass der Flächenwiderstand über die Fläche weitgehend konstant ist, d. h. sich räumlich nicht oder zumindest nur sehr gering unterscheidet.
• Bei den Kontaktstellen kann es sich z. B. um Kontaktflächen, spezielle Kontaktelemente bzw. -elektroden, Steckverbinder o. Ä. handeln, die am Objekt bzw. an der Leiterschicht für einen solchen Kontakt mit der Spannungsquelle angeordnet sind. Ein Beispiel hierfür wären Kontaktfähnchen, an denen Klemmen befestigt werden, die über geeignete Leitungen mit der Spannungsquelle verbunden sind.
• Am Objekt kann es ausreichen und gegebenenfalls vorteilhaft sein, nur eine Kontaktstelle zu nutzen, um einen definierten Weg für die Ortsmessung bzw. die Ortsinformationsgewinnung zur Verfügung zu stellen. Bevorzugt kann aber das Objekt (über eine definierte Kontaktstelle oder an einer Vielzahl von Kontaktstellen) auch auf Massepotential liegen und der „Minuspol“ der Spannungsquelle der Steuer- und Kontrolleinrichtung wird ebenfalls durch das Massepotential gebildet. Dann ist keine zusätzliche Verbindung des Objekts mit dem Minuspol erforderlich.
• Bevorzugt kann nicht nur ein einzelner Strom an einer einzelnen Kontaktstelle sondern zusätzlich oder alternativ auch zumindest ein Summenstrom einer Gruppe von Kontaktstellen (d. h. die Summe der Einzelströme an den Kontaktstellen der Gruppe) der Leiterschicht ermittelt und für die Auswertung herangezogen werden, sofern an der Leiterschicht mehr als zwei Kontaktstellen genutzt werden. Es können auch Summenströme mehrerer unterschiedlicher Gruppen herangezogen werden, wobei eine Kontaktstelle auch zu mehreren Gruppen gehören kann.
• Bei Kenntnis der Ströme bzw. Spannungen, insbesondere der Strom- und/oder Spannungsverteilung, zwischen dem Objekt bzw. der Objektoberfläche und den verschiedenen Kontaktstellen bzw. Kontaktstellengruppen sowie gegebenenfalls unter Nutzung von weiteren Informationen bzw. Kenntnis von weiteren Systemparametern, z. B. die elektrischen Eigenschaften des Beschichtungssystems bzw. der Schichtanordnung, wie spezifischer Flächenwiderstand, Kapazität etc., lassen sich so die gewünschten Lokalisierungsinformationen gewinnen. Die Genauigkeit kann dabei von dem konkreten Systemaufbau und der Genauigkeit der Systemparameter abhängig sein.
• Die Steuer- und Kontrolleinrichtung kann hierzu wie erwähnt auch zusätzliche Schalteinrichtungen aufweisen, um beispielsweise in definierter Weise gesteuert Strom über bestimmte Kontaktstellen am Objekt und/oder der Leiterschicht fließen zu lassen oder einen Stromfluss an bestimmten Kontaktstellen zu unterbrechen. Beispielsweise könnten in den Fällen, wenn wegen des besseren Stromflusses für den kathodischen Korrosionsschutz auch das leitfähige Objekt mehr als eine Kontaktstelle bzw. Verbindung zur Spannungsquelle aufweist, zum Zweck der Lokalisierung alle elektrischen Verbindungen bis auf die zu einer definierten Kontaktstelle über Schalteinrichtungen unterbrochen werden, um so eine bessere Lokalisierung durchzuführen. Ebenso können Schalteinrichtungen dazu genutzt werden, um Kontaktstellen zu verbinden.
• Bei einer besonders einfachen Ausgestaltung werden ein Strom zwischen einer ersten Kontaktstelle von zumindest zwei Kontaktstellen an der Leiterschicht und der Objektoberfläche sowie ein Strom zwischen einer zweiten Kontaktstelle der zumindest zwei Kontaktstellen an der Leiterschicht und der Objektoberfläche gemessen. Darauf basierend erfolgt dann eine Detektion der räumlichen Lage der Durchbruchstelle. Dies ist besonders einfach, wenn die Leiterschicht in geeigneter Weise strukturiert ist, beispielsweise bei einer bevorzugten Variante zumindest eine schlingenförmig angeordnete Leiterbahn umfasst bzw. eine Mäanderstruktur aufweist. In diesem Fall reichen zwei Kontaktstellen an den beiden Enden bzw. Endbereichen der schlingenförmig angeordneten Leiterbahn aus, um festzustellen, an welchem Ort entlang der Leiterbahn die Durchbruchstelle (in etwa) angeordnet sein muss. Ist der Verlauf der Leiterbahn auf der Objektoberfläche bekannt, beispielsweise auf einem Plan hinterlegt, kann so ziemlich genau der Ort der Durchbruchstelle auf dem Objekt angegeben werden und es könnten entsprechend lokale Reparaturarbeiten durchgeführt werden.
• Eine Strommessung kann jeweils bevorzugt mittels eines Strommesswiderstands (Shunts) erfolgen, wobei üblicherweise mittels eines Differenzverstärkers über dem Strommesswiderstand die Spannung abgegriffen wird, welche ein Maß für den Strom ist. Der Ausgangswert kann bevorzugt (beispielsweise in einem geeigneten Analog-/DigitalWandler oder über einen Spannungs-/Frequenzwandler) digitalisiert werden, so dass die weitere Verarbeitung der Messwerte mit Hilfe einer geeigneten Rechnereinrichtung durchgeführt werden kann. Dies macht es besonders einfach, die erforderlichen Rechnungen zur Ermittlung der Lokalisierungsinformationen durchzuführen und insbesondere auch beliebige Summenströme beliebiger Gruppen von Kontaktstellen sowie Verhältnisse von Strömen und/oder Spannungen betreffend bestimmte Kontaktstellen oder Kontaktstellengruppen zu ermitteln und in den Berechnungen zu verwenden.
• Je nach Aufbau können verschiedene Ströme und/oder Spannungen gleichzeitig gemessen bzw. erfasst und zur Ermittlung der räumlichen Lage der Durchbruchstelle verwendet werden, oder es werden verschiedene Ströme und/oder Spannungen zeitlich sequenziell gemessen. Zeitlich sequenziell heißt, dass auch die Ströme und/oder Spannungen mehrfach hintereinander zeitlich wiederkehrend abgefragt werden können, vorzugsweise zyklisch wiederkehrend. Beispielsweise könnten gruppenweise nacheinander die Ströme von verschiedenen Kontaktstellen der Leiterschicht abgefragt werden, wobei auch Summenströme verschiedener Gruppen nacheinander erfasst werden können. Eine solche Messung und ggf. auch Weiterübermittlung und/oder Verarbeitung der verschiedenen Messdaten in einem solchen zeitlichen Multiplexverfahren hat den Vorteil, dass der Elektronikaufwand reduziert wird, weil über eine Umschaltung mit nur einer Stromsensorelektronik gemessen werden kann.
• Wie bereits oben erwähnt, hängt die Genauigkeit der Lokalisierung der räumlichen Lage in der Regel vom jeweiligen Aufbau des Gesamtsystems ab, beispielsweise wie groß das zu schützende Objekt ist, wie die Objektoberfläche geformt ist, wie viele und an welchen Stellen die Kontaktstellen angebracht sind, in welcher Form die Leiterschicht ausgebildet ist (strukturiert oder nicht und wenn ja, in welcher Form die Struktur aufgebaut ist).
• Wünschenswert ist eine möglichst genaue Lokalisierung, allerdings reicht in einigen Anwendungsfällen auch eine Lokalisierung auf bestimmte Bereiche aus, beispielsweise bei einer sehr komplexen und großen Brückenstruktur eine Lokalisierung auf eine Seite eines Brückenpfeilers etc. oder einen Teilbereich auf dieser Seite.
• Je genauer die Lokalisierung erfolgen muss, umso größer sind die Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Leiterschicht und den Systemaufwand. Um diesen Aufwand gering zu halten und im Falle des Auftretens einer Defektstelle dennoch eine möglichst genaue Lokalisierung zu erlauben, kann bei einer bevorzugten Variante eine Ermittlung, d. h. eine Detektion der räumlichen Lage bzw. Verortung der Durchbruchstelle auch stufenweise erfolgen. In einer ersten Stufe können dabei Informationen (Lokalisierungsinformationen) darüber ermittelt werden, ob die Durchbruchstelle in einem bestimmten ersten räumlichen Bereich, z. B. an einem Träger eines größeren Objekts, liegt. In einem weiteren Schritt kann dann eine genauere Verortung der Durchbruchstelle innerhalb des ersten räumlichen Bereichs erfolgen. Dabei kann das Verfahren auch in mehr als zwei Stufen weitergeführt und so die Defektstelle auf einen immer engeren Bereich eingegrenzt werden.
• Besonders bevorzugt kann hierzu in zumindest einer Stufe eine Detektion der räumlichen Lage der Durchbruchstelle unter Nutzung zumindest eines mobilen bzw. mobil anbringbaren Messsensors erfolgen. Unter „mobilen“ bzw. „mobil anbringbaren“ Messsensor ist hierbei ein Messsensor zu verstehen, der einfach an oder in einem kurzen Abstand oberhalb der Deckschicht z. B. ohne Fixierung (beispielsweise von Hand) über die Deckschicht geführt werden oder z. B. dort vorübergehend, beispielsweise über Saugnäpfe, Klemmelemente etc., lösbar stationär positioniert werden kann. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um induktiv und/oder kapazitiv arbeitende Messelektroden. Prinzipiell könnten aber auch Magnetfeldsensoren eingesetzt werden.
• Die Verwendung von mobilen bzw. mobil anbringbaren Messsensoren hat den Vorteil, dass die Anzahl der Messsensoren am Objekt gegebenenfalls erheblich reduziert werden kann, da ja für eine genauere Lokalisierung die mobil anbringbaren bzw. mobilen Messsensoren eingesetzt werden können, die immer nur dann genutzt werden müssen, wenn innerhalb eines Bereichs eine feinere Lokalisierung gewünscht wird. Diese mobil anbringbaren bzw. mobilen Messsensoren könnten grundsätzlich auch an die Steuer- und/oder Kontrolleinrichtung angeschlossen sein. Es kann hierbei aber auch ein mobiles Messgerät genutzt werden, welches völlig autark von einer z. B. fest installierten Steuer- und Kontrolleinrichtung arbeitet. Ein solches mobiles Messgerät kann aber auch wiederum datentechnisch mit der Steuer- und Kontrolleinrichtung gekoppelt sein, ggf. auch über eine weitere übergeordnete Steuer- bzw. Kontrollzentrale.
• Ganz besonders bevorzugt reicht ein einziger mobiler Messsensor aus, der frei über die Deckschicht geführt wird.
• Um bei einem frei über die Deckschicht geführten mobilen Messsensor während der Messung einen möglichst konstanten Abstand zur Leiterfläche einzuhalten, weist der mobiler Messsensor vorzugsweise Gleitelemente auf, mit der der mobiler Messsensor auf der Deckschicht angelegt werden kann und darauf leicht gleitend verschoben werden kann.
• Die Defektlokalisierung kann also insbesondere auch ausschließlich mit einem mobilen (kapazitiven) Feldstärkesensor erfolgen, ohne - wie bei den obigen Ausführungsbeispielen detaillierter ausgeführt - die Ströme in bzw. an den Kontaktierungsstellen (direkt) zu messen. Hierzu kann das Minimum der Feldstärke (vorzugsweise eines Wechselfeldes) gemessen. An der Defektstelle ist die Feldstärke minimal (wegen des hier erzeugten Kurzschlusses gegen Masse). Ebenso kann die Defektlokalisierung kann auch ausschließlich mit einem mobilen Stromdichtesensor erfolgen, ohne die Ströme in den Kontaktierungsstellen zu messen. Hierzu wird über lokale maximale Stromdichten die Defektstelle gesucht.
• Beispielsweise kann mit einem Magnetometer, einem Handgerät mit Magnetfeldsensor, einfach die höchste Stromdichte und damit auch das größte lokale Magnetfeld an der Oberfläche gesucht werden. Es ist davon auszugehen, dass dies an der Durchbruchstelle auftritt. Besonders vorteilhaft kann das lokale Magnetfeld hierzu mit zwei oder drei orthogonal zueinander angeordneten Hall-Sensoren gemessen werden, um die zwei oder drei Raumebenen des Magnetfelds zu erfassen.
• Insbesondere beim Einsatz von mobil anbringbaren bzw. mobilen anbringbaren Messsensoren, aber auch bei fest angebrachten Messsensoren, kann vorteilhaft zur Detektion der räumlichen Lage der Durchbruchstelle, bevorzugt nur zeitweise, ein Wechselspannungssignal zwischen der Objektoberfläche und der Leiterschicht angelegt werden.
• Wird ein Wechselspannungssignal angelegt, kann mit einer einfachen Spulenanordnung als induktiver Messsensor, vorzugsweise aus zwei oder drei orthogonal zueinander angeordneten Spulen, für zwei bzw. drei Raumebenen des Magnetfelds ein dem Stromdichtewechsel proportionales Signal gemessen werden und hiermit eine Lokalisierung erfolgen. Dabei ist das Stromdichtewechselsignal beispielsweise deutlich höher bzw. kann deutlich höher sein als bei der einfachen Messung des Magnetfelds eines Gleichstroms. Zudem ist bei einem solchen Verfahren anders als bei einer Verwendung von Magnetfeldsensoren, beispielsweise Hall-Sensoren, keine Fremdmagnetfeldkompensation erforderlich.
• In Verbindung mit einem Wechselspannungssignal kann auch eine kapazitive Messung durchgeführt werden. An der Defektstelle ist davon auszugehen, dass dort die elektrische Feldstärke am geringsten ist. Entsprechend kann ein Minimum der elektrischen Feldstärke detektiert werden. Als Sensor kann hierzu beispielsweise eine mit einer oder mehreren Elektrodenflächen versehene flächige Sensoranordnung genutzt werden, die z. B. auf einer Elektronikplatine angeordnet ist und die mit der Leitschicht der Schichtanordnung am Objekt als Gegenelektrode und der Isolierschicht, d. h. der isolierenden Deckschicht, und ggf. einer darüber liegenden Luftschicht eine Kapazität bildet.
• Vorzugsweise wird dieses Wechselspannungssignal einer Gleichspannung zur Erzeugung des kathodischen Schutzstroms überlagert.
• Eine Lokalisierung einer Defektstelle unter Nutzung eines Wechselspannungssignals bzw. eines Wechselstroms funktioniert auch dann, wenn an der Leiterstruktur nur eine einzige Kontaktstelle vorhanden ist, über die die Spannung zwischen der Leiterschicht und der Objektoberfläche angelegt wird, und kann somit insbesondere auch gut an Objekten genutzt werden, welche bereits ein System für kathodischen Korrosionsschutz aufweisen und an denen eine Nachrüstung in der erfindungsgemäßen Weise gewünscht wird, ohne dass weitere Kontaktstellen angebracht werden müssen.
• Neben der Lokalisierung des Defekts ist es prinzipiell im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch möglich, das Ausmaß des Defekts zu ermitteln, d. h. wie stark der Schaden ist. Hierzu kann vorzugsweise auf Basis eines/einer zwischen Objektoberfläche und der Leiterschicht gemessenen Stroms und/oder Spannung das Defektausmaß der Durchbruchstelle der ersten Schutzschicht zwischen der Objektoberfläche und der Leiterschicht zumindest näherungsweise detektiert werden. Besonders bevorzugt erfolgt dies durch eine Stromsummenbildung über alle Kontaktstellen, d. h. es wird ermittelt, wie viel Strom insgesamt zwischen der Objektoberfläche und der Leiterschicht fließt.
• Sowohl die ermittelten Ortsinformationen bzw. die hierfür benötigten Werte und/oder das Defektausmaß bzw. die hierfür benötigten Werte können auch bevorzugt in ein Frequenzsignal kodiert werden und so an entferntere bzw. übergeordnete Rechnereinheiten übermittelt werden. Ein solches Frequenzsignal kann dann vom Auswerterechner in einfacher Weise abgezählt werden, um dann an die gewünschten Informationen zu kommen und hiermit die weitere Ermittlung der gewünschten Werte durchzuführen bzw. die bereits übermittelten Werte weiterzuverarbeiten.
• Bei dem erfindungsgemäßen Leiterschicht-Beschichtungsmaterial, vorzugsweise dem Leiterschicht-Lack oder dergleichen, umfasst die leitfähige Komponente bevorzugt eines oder eine Kombination der folgenden Materialien:
• - kohlenstoffhaltige Materialien, bevorzugt Graphit und/oder Graphen und/oder Ruß (Carbon black = Pigmentruß, Kohlenschwarz, Industrieruß) und/oder Carbo-Nanotubes;
• - metallhaltige Materialien und/oder leitfähige Pigmente, bevorzugt Silberpartikel, Gold-Nanopartikel, Platin-Nanopartikel, Silber-Nanopartikel, silberbeschichtete Glasflakes, silberchrombeschichtete Glasflakes, Titandioxid-Nanopartikel, Kupfer-Nanopartikel;
• - Polymere, bevorzugt organische leitfähige Polymere und/oder Polymermischungen, insbesondere PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylendioxythiophen) Polystyrene Sulfonate, Polyanilin, Polypyrrol.
• Eine Nutzung von Carbo-Nanotubes ist ganz besonders bevorzugt.
• Das Leiterschicht-Beschichtungsmaterial kann z. B. als Leiterschicht-Lack aufgebracht, beispielsweise gespritzt oder aufgedruckt werden. Je nach Art des Leiterschicht-Beschichtungsmaterials kann es auch nachträglich aufgedampft werden, z. B. in einem physical-vapour-deposition-Verfahren oder Sol-Gel-Verfahren.
• Ein Bindemittel des Leiterschicht-Beschichtungsmaterials kann vorzugsweise zumindest ein Polymer umfassen.
• Ein Dispergieradditiv des Leiterschicht-Beschichtungsmaterials kann vorzugsweise Polymere mit pigmentaffinen Seitenketten umfassen.
• Bei dem erfindungsgemäßen Isolierschicht-Beschichtungsmaterial, vorzugsweise Isolierschicht-Lack oder dergleichen, umfasst das isolierende Material bevorzugt ein Polymer, insbesondere aus Epoxidharz, Polyurethan o. Ä.
• Auch ein Bindemittel des Isolierschicht-Beschichtungsmaterials kann vorzugsweise zumindest ein Polymer umfassen.
• Bei der ersten Isolierschicht kann es sich auch um eine Folie oder Ähnliches handeln. Eine solche Basisfolie kann z. B. mittels einer Haftklebeschicht oder dergleichen auf die Objektoberfläche aufgezogen werden.
• Ebenso kann es sich bei der zweiten Isolierschicht um eine Folie oder Ähnliches handeln. Prinzipiell wäre es auch möglich, dass sowohl die Basisschicht als auch die Deckschicht als Folie ausgebildet sind.
• Sind beispielsweise die Basisschicht als Basisfolie und/oder die Deckschicht als Deckfolie ausgebildet, so kann z. B. die Leiterschicht auch auf eine dieser Folien aufgedruckt sein.
• Grundsätzlich könnten Basisschicht und Deckschicht auch mit der dazwischenliegenden Leiterschicht als kompletter Verbund einer Schichtanordnung zur Verfügung gestellt werden, indem z. B. die beiden Folien, Basisfolie und Deckfolie, mit dazwischenliegender Leiterschicht zusammenlaminiert sind oder indem die Deckschicht ebenfalls über die auf die Basisfolie aufgebrachte Leiterschicht aufgebracht wird, beispielsweise aufgedruckt wird oder umgekehrt die Basisschicht auf die auf der Deckfolie aufgebrachte Leiterschicht aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt, wird. Grundsätzlich sind hierbei alle Kombinationsmöglichkeiten denkbar.
• Werden beispielsweise Folien eingesetzt, so können auch diese selbstverständlich noch weitere Schichten aufweisen bzw. wiederum selber als Laminate oder dergleichen hergestellt sein, insbesondere beispielsweise Klebeschichten aufweisen, um die betreffende Folie auf der Objektoberfläche bzw. einer anderen Folie haftend zu verbinden.
• Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen schematisch:
• 1 ein Schnitt durch ein vor Korrosion zu schützendes Objekt mit einer unbeschädigten Schichtanordnung mit zwei Isolierschichten und einer dazwischenliegenden Leiterschicht sowie einer angelegten Spannung für einen kathodischen Korrosionsschutz,
• 2 das Objekt wie in 1, jedoch jetzt mit einer beschädigten Schichtanordnung zur Erläuterung der Wirkung des kathodischen Korrosionsschutzes,
• 3 eine Objektanordnung mit einem vor Korrosion zu schützenden Objekt und einem erfindungsgemäßen Korrosionsschutz- und -überwachungssystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
• 4 ein erfindungsgemäßes Korrosionsschutz- und -überwachungssystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer Draufsicht auf eine strukturierte Leiterfläche,
• 5 eine Draufsicht auf eine modifizierte strukturierte Leiterfläche für ein erfindungsgemäßes Korrosionsschutz- und -überwachungssystem ähnlich 4,
• 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßes Korrosionsschutz- und -überwachungssystems mit einer Draufsicht auf eine Leiterfläche mit vier Kontaktstellen,
• 7 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Korrosionsschutz und zur Korrosionsschutzüberwachung.
• Anhand der 1 und 2 wird zunächst das Prinzip eines „aktiven“ kathodischen Korrosionsschutzes eines Objekts O dargestellt.
• Wie aus den Figuren zu erkennen ist, ist das zu schützende Objekt O mit einer Schichtanordnung 10 beschichtet, welche aus mehreren Schichten 11, 12, 13 besteht. Zunächst ist auf die Oberfläche OF des Objekts O eine erste Isolierschicht 11 aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebracht. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Lack handeln. Direkt darüber, d. h. auf der vom Objekt O abgewandten Seite der ersten Isolierschicht 11, ist eine Leiterschicht 13 aufgebracht. Diese Leiterschicht 13 ist dann nach außen hin, d. h. auf der von der ersten Isolierschicht 11 abgewandten Seite, mit einer zweiten Isolierschicht 12 aus elektrisch isolierendem Material abgedeckt. Die Leiterschicht 13 ist somit zum einen durch die erste Isolierschicht 11 von dem leitfähigen Objekt O bzw. der Objektoberfläche OF galvanisch getrennt und zum anderen auch gegenüber der Umgebung durch die äußerste zweite Isolierschicht 12. Wie bereits eingangs erwähnt, können einige oder alle der Schichten auch als Folien ausgebildet sein. Insbesondere kann es sich bei der Schichtanordnung 10 auch um einen Folienverbund aus mehreren Folien und/oder auf Folien aufgebrachten, insbesondere aufgedruckten, Schichten handeln.
• Weiterhin kann die Schichtanordnung 10 auch noch weitere Schichten aufweisen, beispielsweise Klebeschichten oder noch weitere Schutzschichten oder Dekorschichten auf der äußeren Seite der zweiten Isolierschicht. Durch diese Schichtanordnung 10 ist die Oberfläche OF des Objekts O bereits passiv sehr gut gegen Korrosion geschützt, solange die Schichtanordnung 10 oder zumindest eine Schicht der Schichtanordnung 10 unbeschädigt ist. Je nach Beanspruchung des Objekts O bzw. nach einer gewissen Zeit wird es in vielen Fällen zu einer lokalen Beschädigung einer solchen Schichtanordnung 10 kommen, wodurch dann der passive Korrosionsschutz nicht mehr hält. Aus diesem Grunde ist, wie dies in den 1 und 2 zu sehen ist, mittels einer Spannungsquelle eine Gleichspannung U₀ zwischen dem Objekt O und somit der Objektoberfläche OF und der Leiterschicht 13 angelegt, so dass das elektrische Potential der Leiterschicht 13 gegenüber der Objektoberfläche OF um die Spannung U₀ erhöht ist. Hierbei kann es sich um eine relativ geringe Spannung handeln, beispielsweise um 1 V.
• Der Effekt dieser Schichtanordnung 10 und der angelegten Spannung U₀ wird in 2 deutlich. Kommt es zu einer lokalen Beschädigung der Schichtanordnung 10, so dass sie bis auf die Objektoberfläche OF von einem äußeren Medium M, z. B. einem Elektrolyt wie Salzwasser, Nebel, Streusalz etc., durchdrungen werden kann, d. h. dass alle drei Schichten 11, 12, 13 beschädigt sind, so wird auch die Leiterschicht 13 durch das Medium M mit der Objektoberfläche OF lokal elektrisch verbunden und es kommt über das Medium M zu einem Stromfluss I_K von der als Anode wirkenden Leiterschicht 13 (da diese ja mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden ist) und dem die Kathode bildenden Objekt O bzw. der Objektoberfläche OF. Dieser geringe Stromfluss I_K sorgt dafür, dass genau an der Stelle, an der die Beschädigung aufgetreten ist, d. h. an der Defektstelle D, eine Auflösung der (in der Regel metallischen) Objektoberfläche OF verhindert oder zumindest auf ein unkritisches Maß reduziert wird, da der metallische Untergrund kathodisch polarisiert wird.
• Die Beschichtung mit der gezeigten Schichtanordnung 10 und der angelegten Spannung U₀ heilt sich folglich zunächst einmal quasi selbst und der Korrosionsschutz wird aufrechterhalten, da der Verlust der intakten Beschichtung durch den aktiven Korrosionsschutz kompensiert wird. Dennoch ist es nicht unwahrscheinlich, dass sich nach und nach auch die Beschädigung der Schichten 11, 12, 13 ausweitet, so dass irgendwann eine Reparatur der Schichtanordnung 10 erforderlich ist. Wird nämlich die Defektstelle D zu groß, reicht irgendwann die Wirkung des kathodischen Korrosionsschutzes nicht mehr aus.
• Um solche Reparaturen möglichst effektiv durchführen zu können, wäre es wünschenswert, den Ort der Defektstelle D möglichst einfach zu lokalisieren oder zumindest auf einen bestimmten Bereich begrenzen zu können und vorzugsweise auch das Ausmaß der Defektstelle D bestimmen zu können, so dass nur dann und nur dort eine Reparatur des Schichtaufbaus 10 vorgenommen wird, wo es notwendig ist, es andererseits aber auch nicht zu einer Ausbreitung von Defektstellen kommen kann, die dann doch zu einer Korrosion am Objekt O führen könnten.
• 3 zeigt hierzu (in ähnlicher Darstellungsweise wie in den 1 und 2) ein Objekt O mit einer solchen Schichtanordnung 10 im Rahmen eines erfindungsgemäßen Korrosionsschutz- und -überwachungssystems 1, welches dies erlauben würde.
• Auch hier ist auf die Objektoberfläche OF zunächst eine Isolierschicht 11 der Schichtanordnung 10 aufgetragen, darüber dann eine Leiterschicht 13 und darauf wiederum eine Isolierschicht 12 als äußere Deckschicht. Die Leiterschicht 13 ist so ausgebildet, dass der Flächenwiderstand über die Fläche weitgehend konstant ist, d. h. sich räumlich nicht oder zumindest nur sehr gering unterscheidet.
• Ebenso wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel mittels einer Gleichspannungsquelle 25 zwischen dem Metallobjekt O und der Leiterschicht 13 eine Gleichspannung U₀ angelegt, wobei die Plusseite wieder an der Leiterschicht 13 angelegt wird, so dass diese als Anode wirkt, und das Metallobjekt O bzw. die Objektoberfläche OF als Kathode, falls es bei einer Defektstelle zu einer leitenden Verbindung zwischen Leiterschicht 13 und Objektoberfläche OF kommen sollte.
• Zusätzlich weist das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Korrosionsschutz- und -überwachungssystems 1 gemäß 3 auch noch eine Wechselspannungsquelle 26 in Reihenschaltung mit der Gleichspannungsquelle 25 auf, mit der der Gleichspannung U₀ eine Wechselspannung U_~ überlagert wird. Der Vorteil einer solchen Überlagerung einer Wechselspannung U_~ wird später noch anhand der 6 und 7 näher erläutert.
• In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die negative Seite bzw. die Masse der Gleichspannungsquelle 25 direkt mit einer Kontaktstelle K_O am Objekt O verbunden. Ebenso kann die Verbindung des Minuspols der Spannungsquelle 25 mit dem Objekt O auch über Masse verlaufen, d. h. sowohl das Objekt O liegt auf Masse und die Masse bildet auch den „Minuspol“ der Gleichspannungsquelle 25. Insofern ist die Kontaktstelle K_O am Objekt O willkürlich. Auch ist es unerheblich, in welcher Reihenfolge die Gleichspannungsquelle 25 und die Wechselspannungsquelle 26 hintereinandergeschaltet sind.
• Sowohl die Gleichspannungsquelle 25 als auch die Wechselspannungsquelle 26 werden hier mit geeigneten Steuersignalen SG, SW von einer Steuerschnittstelle 23 einer Steuer- und Kontrolleinrichtung 20 angesteuert. Dabei wird die Gleichspannungsquelle 25 so angesteuert, dass eine definierte Spannung gehalten wird, beispielsweise von 1 bis 1,23 V, so dass der kathodische Schutzstrom auch sicher aufrechterhalten wird und nicht zu hoch und nicht zu niedrig ist.
• Die positive Spannung wird hier an zwei voneinander räumlich getrennten Kontaktstellen K₁ , K₂ an die Leiterschicht 13 angelegt und es wird über geeignete Messeinrichtungen M₁ , M₂ jeweils der Strom gemessen, welcher vom positiven Pol der Spannungsquelle 25 zu den Kontaktstellen K₁ , K₂ verläuft. Dies kann beispielsweise mittels geeigneter Shunt-Widerstände und diesen zugeordneten Differenzverstärkern erfolgen sowie ggf. nachgeschalteten Analog-Digital-Wandlern, so dass zunächst der Strom über dem Shunt-Widerstand als Spannungswert abgegriffen wird, der dann wiederum digitalisiert wird. Der digitale Ausgangswert ist dann ein Messwert, welcher proportional zum Strom I₁ , I₂ ist, welcher vom positiven Pol der Spannungsquelle 25 zur jeweiligen Kontaktstelle K₁ , K₂ fließt, sobald es zu einer Defektstelle kommt.
• Diese Messwerte oder Messsignale MI₁ , MI₂ werden einer Berechnungseinheit 21 der Steuer- und Kontrolleinrichtung 20 zugeführt. In dieser Berechnungseinheit 21 kann zunächst detektiert werden, ob überhaupt ein Strom fließt. Solange die Schichtanordnung 10 unbeschädigt ist, ist dies normalerweise nicht der Fall. Kommt es zu einer Defektstelle D, so wird, wie zuvor anhand der 1 und 2 erläutert, ein Strom zwischen der Leiterschicht 13 und der Oberfläche OF des Objekts O fließen, d. h. der kathodische Schutzstrom tritt auf.
• Dabei hängt es von dem Ort der Defektstelle D innerhalb der Leiterschicht 13 relativ zu den beiden Kontaktstellen K₁ , K₂ ab, wie groß der Strom I₁ , I₂ an den jeweiligen Kontaktstellen K₁ , K₂ ist. Dies liegt daran, da die Leiterschicht 13 einen, räumlich möglichst konstanten, bestimmten spezifischen Widerstand aufweist und, je entfernter die Defektstelle D von der Kontaktstelle K₁ , K₂ ist, der durch die Leiterschicht 13 gebildete Widerstand umso größer ist. Die Höhe der beiden Ströme I₁ , I₂ bildet somit einen Hinweis auf den Ort der Defektstelle D innerhalb der Leiterschicht in Bezug zu den Kontaktstellen K₁ , K₂ . Die Summe der beiden Ströme I₁ , I₂ , also der Gesamtstrom, der zwischen der Anode, welche durch die Leiterschicht 13 gebildet wird, und der Kathode, d. h. dem Objekt O, fließt, ist ein Maß für das Ausmaß der Defektstelle D.
• Die in der Berechnungseinheit 21 ermittelten Informationen über das Ausmaß der Defektstelle D und Ortsinformationen, wo sich diese Defektstelle D befindet oder zumindest in welchem Bereich sich diese Defektstelle D befinden könnte, können dann beispielsweise über eine Ausgabeeinheit 22 der Steuer- und Kontrolleinrichtung 20 ausgegeben werden, beispielsweise in einem Datenspeicher zur Protokollierung hinterlegt werden oder an eine zentrale Überwachungseinheit bzw. Wartungspersonal übermittelt werden etc.
• Beispiele hierfür sowie ein besonders einfaches Ausführungsbeispiel für eine Lokalisierung der Defektstelle D werden im Folgenden anhand von 4 gegeben.
• Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 wird mit nur zwei Kontaktstellen K₁ , K₂ gearbeitet, die wiederum mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle 25 verbunden sind, um eine Gleichspannung U₀ zwischen der hier schematisch von oben dargestellten Leiterschicht 13' und dem Objekt (in 4 nicht gezeigt) anzulegen. Wie erläutert, kann das Objekt ebenso wie der Minuspol der Spannungsquelle 25 mit Masse verbunden sein. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist keine Wechselspannungsquelle zusätzlich dargestellt. Es ist aber möglich, auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine Wechselspannungsquelle vorzusehen, wenn dies gewünscht ist.
• Über geeignete Messeinrichtungen M₁ , M₂ werden auch hier - wie in der im Zusammenhang mit 3 beschriebenen Weise - die Ströme I₁ , I₂ an den Kontaktstellen K₁ , K₂ gemessen, die auftreten, wenn es zu einer Defektstelle D in der Schichtanordnung kommt. Entsprechende Messwerte bzw. Messsignale MI₁ , MI₂ werden wieder an eine Berechnungseinheit 21 der Steuer- und Kontrolleinrichtung 20 übergeben, die wiederum aus der Summe der Ströme I₁ , I₂ das Defektausmaß bestimmen kann und auf Basis der Einzelströme I₁ , I₂ auf den Ort der Defektstelle D schließen kann.
• Um die Lokalisierung der Defektstelle D möglichst einfach zu machen, ist hier keine durchgehende, sondern eine mäanderförmig strukturierte Leiterschicht 13' aufgebracht, welche eine Art schlingenförmig angeordnete Leiterbahn 14 umfasst, die von der ersten Kontaktstelle K₁ zur zweiten Kontaktstelle K₂ führt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 4 wird dies erreicht, indem die Leiterschicht auf die Oberfläche gleichmäßig und vollflächig aufgebracht ist, bis auf jeweils von gegenüberliegenden Seiten in die Oberfläche hineinragende, parallel laufende Schlitze 15. Zwischen den Schlitzen 15 verläuft dann die Leiterbahn 14 mit einer definierten Streifenbreite b. Eine solche Strukturierung kann beispielsweise durch Abkleben der Schlitze 15 auf der Basisschicht, d. h. der ersten isolierenden Schicht 11, erfolgen. Nach dem gleichmäßigen Aufbringen der elektrischen Leiterschicht 13' können dann die Streifen mit dem darauf aufgebrachten Leitlack wieder entfernt werden, so dass die mäanderförmige Struktur gebildet wird.
• Mit dieser mäanderförmig strukturierten Leiterfläche kann besonders vorteilhaft mit nur zwei Messeinrichtungen M₁ , M₂ , jeweils einer am Anfang und einer am Ende der mäanderförmigen Leiterbahnstruktur 13', die Position der Defektstelle D in der Korrosionsschutzschicht wie folgt ermittelt werden.
• Der aufgrund der Gleichspannung U₀ auftretende Gesamtstrom, der über die Defektstelle D abfließt, teilt sich über die Kontaktstellen K₁ , K₂ auf und fließt jeweils über die Teilstrecken von der jeweiligen Kontaktstelle K₁ , K₂ zur Defektstelle D durch die mäanderförmige Struktur 13'. Dabei gilt prinzipiell: $${\text{U}}_0={\text{I}}_1\cdot {\text{R}}_1={\text{I}}_2\cdot {\text{R}}_2$$

  

  R₁ und R₂ sind dabei die Widerstände der beiden Teilstrecken von den Kontaktstellen K₁ , K₂ bis zur Defektstelle D. Da näherungsweise davon ausgegangen werden kann, dass ein konstanter Flächenwiderstand über die Leiterbahn vorliegt, sind die Widerstände R₁ , R₂ proportional zu den Längen a₁ , a₂ der beiden Teilstrecken: $$\text{k}\cdot {\text{U}}_0\mathrm{=}{\text{I}}_1\cdot {\text{a}}_1\mathrm{=}{\text{I}}_2\cdot {\text{a}}_2$$

  

  k ist dabei eine Proportionalitätskonstante, die für die weitere Berechnung unerheblich ist. Somit gilt weiter: $${\text{a}}_1={\text{a}}_2\cdot \frac{{\text{I}}_{\text{2}}}{{\text{I}}_{\text{1}}}$$

  
• Die Ströme I₁ , I₂ in den beiden Anschlussleitungen verhalten sich also umgekehrt proportional zu den Längen a₁ , a₂ der Teilstücke der mäanderförmigen Leiterbahn jeweils von den Kontaktstellen K₁ , K₂ zur Defektstelle D. Mit der Gesamtlänge L = n · a der Leiterbahn zwischen den Kontaktstellen K₁ , K₂ , wobei n die Anzahl der Mäander und a die Streifenlänge der elektrisch leitenden Bahnen ist, folgt für die Position der Defektstelle D: $${\text{a}}_{\text{1}}=\frac{\text{L}}{\left(1+\frac{{\text{I}}_{\text{1}}}{{\text{I}}_{\text{2}}}\right)}$$

  
• Bei dieser einfachen Berechnung wird davon ausgegangen, dass die Widerstände von der Spannungsquelle zu den Kontaktstellen K₁ , K₂ vernachlässigbar klein sind, d. h. dass es hier keine Leitungswiderstände gibt oder diese durch entsprechende Maßnahmen ausgeglichen werden.
• Um möglichst einfach gleiche Wege und damit Leitungswiderstände zur Verfügung zu stellen und beide Anschlüsse, wenn möglich, über einen Stecker mit zwei Kontaktbahnen kontaktieren zu können, kann auch das Ende der Leiterbahn in die Nähe des Anfangs zurückgeführt werden. Ein Beispiel hierfür ist in 5 dargestellt. Hier liegen die Kontaktstellen K₁ , K₂ der mäanderförmigen Leiterstruktur 13' unmittelbar nebeneinander.
• Wie diese Beispiele zeigen, kann auf einfache Weise mit Hilfe von zwei Kontaktstellen K₁ , K₂ und einer geeigneten Strukturierung der Leiterfläche 13' der Ort der Defektstelle D relativ gut bestimmt werden. Ist beispielsweise ein Plan über die Lage der Kontaktstellen K₁ , K₂ bzw. der Strukturierung bekannt, so kann die Suche mit Hilfe der erhaltenen Informationen über den Abstand der Defektstelle D von einer der Kontaktstellen K₁ , K₂ auch händisch erfolgen. Vorzugsweise erfolgt dies aber rein rechnerisch, beispielsweise an einem virtuellen Modell des Objekts, und es kann dann komfortabel eine geeignete Ausgabe des virtuellen Modells, beispielsweise auf einem Bildschirm oder einem Ausdruck, erfolgen, in der die Kontaktstelle am Modell markiert ist.
• An dem Beispiel von 4 ist auch schematisch dargestellt, wie eine Ausgabe und/oder Überwachung und/oder Steuerung der Steuer- und Kontrolleinrichtung 20 aus der Ferne erfolgen könnte. So ist die Steuer- und Kontrolleinrichtung 20 hier mit einer Schnittstelle zum Internet WEB versehen (Internet der Dinge), weiterhin gibt es eine serielle Schnittstelle RS232 für den direkten Anschluss eines Rechners, ebenso gibt es für eine drahtlose Kommunikation zu einem Rechner oder Smartphone eine WLAN-Schnittstellen sowie eine BLE-Schnittstelle (Bluetooth Low Energy).
• Die gesamte Elektronik, beispielsweise die Steuer- und Kontrolleinrichtung, kann auch bevorzugt als Einplatinencomputer mit einem Cape (eine aufgesteckte Messelektronikplatine mit der erforderlichen Analogelektronik) realisiert sein. Dieser Einplatinencomputer kann, wie zuvor erwähnt, die Messdatenübertragung und Präsentation im Internet der Dinge übernehmen. Weiterhin kann er als Webserver für das Monitoring und die Parametrisierung des Sensorsystems dienen. Vorteilhaft kann dies über eine bidirektionale Verbindung zwischen Client und Server, z. B. Websocket Protocol, erfolgen. Es könnte aber auch ein übliches Hypertext Transfer Protocol (http) eingesetzt werden, in diesem Fall würde der Client den Server über Polling abfragen, um so die Informationen von dem Einplatinencomputer vor Ort am Objekt an eine zentrale Steuereinheit zu liefern.
• Beispielsweise können so die Kontrollinformationen einer bezüglich des Korrosionszustandes zu schützenden und zu überwachenden Brücke an eine zentrale Steuereinheit einer Straßenmeisterei oder dergleichen übermittelt werden.
• Entsprechende Schnittstellen und Vorgehensweisen bzw. technische Realisierungen, wie sie im Vorhergehenden für die Steuer- und Kontrolleinrichtung 20 im Zusammenhang mit 4 erläutert wurden, können ebenso bei den anderen Ausführungsbeispielen genutzt werden, auch wenn sie dort nicht explizit dargestellt sind.
• Anhand von 6 wird jetzt grob vereinfacht erläutert, wie eine entsprechende Lokalisierung einer Defektstelle D auf einer unstrukturierten Leiterfläche 13 erfolgen könnte.
• Hierzu ist die Spannungsquelle, welche hier wieder eine Gleichspannungsquelle 25 und eine in Serie geschaltete Wechselspannungsquelle 26 umfasst, über hier z. B. vier Kontaktstellen K₁ , K₂ , K₃ , K₄ mit der Leiterfläche 13 verbunden. Dementsprechend gibt es auch hier vier separate Strom-Messeinrichtungen M₁ , M₂ , M₃ , M₄ , um die Ströme I₁ , I₂ , I₃ , I₄ , die jeweils im Falle eines Defekts über die Kontaktstellen K₁ , K₂ , K₃ , K₄ vom positiven Pol der Gleichspannungsquelle 25 aus durch die Defektstelle D zur Objektoberfläche OF laufen, separat messen zu können. Diese Messeinrichtungen M₁ , M₂ , M₃ , M₄ können wieder in der gleichen Weise wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen aufgebaut sein. Sie liefern die Messwerte MI₁ , MI₂ , MI₃ , MI₄ wieder an eine Berechnungseinheit 21 der Steuer- und Kontrolleinrichtung 20. Wie in den zuvor genannten Ausführungsbeispielen weist diese auch eine Ausgabeeinheit 22 auf, um die ermittelten Werte bzw. die daraus gewonnenen Werte über das Ausmaß und die Position der Defektstelle D ausgeben und/oder speichern bzw. versenden zu können. Über eine Steuerschnittstelle 23 können wiederum die Gleichspannungsquelle 25 und die Wechselspannungsquelle 26 angesteuert werden.
• Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist prinzipiell der Strom I₁ , I₂ , I₃ , I₄ , der über eine Kontaktstelle K₁ , K₂ , K₃ , K₄ fließt, abhängig von dem Widerstand zwischen der Kontaktstelle K₁ , K₂ , K₃ , K₄ und der jeweiligen Defektstelle D. Analog zu dem Vorgehen gemäß 4 kann also auch hier aus dem Verhältnis der Ströme I₁ , I₂ , I₃ , I₄ die Defektstelle D lokalisiert werden.
• Beispielsweise könnte aus der Summe der Gruppe der beiden Ströme I₂ , I₃ an den beiden linken Kontaktstellen K₂ , K₃ einerseits und der Summe der Gruppe der beiden Ströme I₁ , I₄ an den rechten Kontaktstellen K₁ , K₄ andererseits die horizontale Lage der Defektstelle D in 6 eingegrenzt werden.
• Mit der Summe der Gruppe der Ströme I₁ , I₂ an den beiden oberen Kontaktstellen K₁ , K₂ und der Summe der Gruppe der Ströme I₄ , I₃ an den beiden unteren Kontaktstellen K₄ , K₃ lässt sich wiederum die vertikale Position der Defektstelle D eingrenzen.
• Durch Inhomogenitäten der elektrischen Strömungsfelder und unter Umständen Toleranzen in der Homogenität der elektrischen Leiterschicht kann die Genauigkeit der Defektpositionsermittlung begrenzt sein. Grundsätzlich kann auf diese Weise aber zumindest zunächst ein Defektbereich DB festgestellt werden, in dem sich mit höchster Wahrscheinlichkeit die Defektstelle D befindet.
• Um dann eine genauere Defektlokalisation zu erlauben, kann in einer weiteren Stufe eine genauere Suche erfolgen, wobei die Lokalisierung dann auf den bereits in der ersten Stufe ermittelten Defektbereich DB beschränkt werden kann.
• Hierzu könnte dann beispielsweise ein Handgerät mit einem Magnetfeldsensor, beispielsweise mit zwei oder drei orthogonal angeordneten Hall-Sensoren, verwendet werden, um das Magnetfeld zu bestimmen. Die höchste Stromdichte und damit auch das größte lokale Magnetfeld sollte an der Defektstelle D auftreten.
• Bei einer bevorzugten Variante wird für die Suche, insbesondere für die Weitersuche in einer nächsten Stufe, nachdem bereits ein Defektbereich DB eingegrenzt wurde, dem Gleichspannungssignal U₀ mittels der Wechselspannungsquelle 26 ein Wechselspannungssignal U_~ überlagert. In diesem Fall können auch mobile Sensoren 30 in Form von induktiven Sensoren oder kapazitiv arbeitenden Sensoren eingesetzt werden, welche in der Lage sind, ein Maß bzw. Messsignal für die (lokale) Stärke des Wechselstroms in der Leiterschicht 13 unter der äußersten Deckschicht 12 zu ermitteln.
• Dabei kann die Suche wiederum mit einem mobilen oder mehreren solcher mobil anbringbaren bzw. mobilen Sensoren 30 erfolgen, die ihre Ergebnisse bzw. die Wechselstromdichtemesswerte (Messsignale), z. B. über flexible Kabel, an ein mobiles Gerät 31 weiterleiten.
• Anschließend können die mobilen Sensoren 30 versetzt werden, um das Gebiet noch weiter einzugrenzen, bis schließlich die Defektstelle D ausreichend genau lokalisiert worden ist.
• Die Prozessschritte bzw. Verfahrensschritte in einem solchen mehrstufigen Ablauf wird noch einmal anhand von 7 erläutert.
• In einem ersten Schritt PA wird zunächst eine Gleichspannung angelegt. In einem Schritt PB wird dann der Stromfluss über die Kontaktstellen gemessen und im Schritt PC ausgewertet, in welchem Defektbereich DB sich die Defektstelle D befinden könnte.
• In einem weiteren Schritt PD wird dann mittels der Wechselspannungsquelle 26 eine Wechselspannung angelegt, wobei diese Wechselspannung der Gleichspannung überlagert wird, so dass nach wie vor der kathodische Schutzstrom aufrechterhalten bleibt. In einem Schritt PE wird dann mit den mobilen Sensoren 30 der Wechselstrom detektiert, um so den Defektbereich DB weiter einzugrenzen bzw. die Defektstelle D möglichst genau zu lokalisieren.
• Der Vorteil der Nutzung eines überlagerten Wechselspannungssignals besteht darin, dass dann mit einer einfachen Spulenanordnung, beispielsweise einer aus zwei oder drei orthogonalen Spulen aufgebauten Messanordnung, ein dem Stromdichtewechsel proportionales Signal gemessen werden kann. Bei einer kapazitiven Messung wird dagegen berücksichtigt, dass an der Defektstelle die elektrische Feldstärke am geringsten ist. Entsprechend wird hier ein Minimum der elektrischen Feldstärke detektiert.
• Beispiele möglicher Einsatzgebiete der Erfindung sind, wie bereits erwähnt, der Automobilbau oder beliebige Stahlkonstruktionen wie beispielsweise Brücken oder dergleichen. Insbesondere die Zerstörung von Schutzschichten z. B. durch Steinschläge stellt ein potentiell vielversprechendes Einsatzgebiet dar. So unterliegen Automobile und Brücken einer ständigen Nutzung, aber auch regelmäßigen Inspektionen. Unkritische Schadstellen brauchen dann nicht ausgebessert zu werden, sofern mittels des erfindungsgemäßen Korrosionsschutz- und -überwachungssystems (durch Auswertung des Gesamtstroms) festgestellt wird, dass das Ausmaß der Defektstelle nicht besonders groß ist. Werden dagegen kritische Schadstellen identifiziert, können sie einfacher ausgebessert werden, da sie einfach zu lokalisieren sind. Ganz besondere Vorteile bietet ein solches Korrosionsschutz- und -überwachungssystem in Wasserwechselzonen, bei denen zum einen eine stark korrosive Umgebung gegeben ist und zum anderen auch eine ständige mechanische Belastung wie beispielsweise im Bereich von Spundwänden oder Offshore-Landungsplattformen.
• Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren und Systemen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
• Bezugszeichenliste

1

Korrosionsschutz- und -überwachungssystem

10

Schichtanordnung

11

erste Isolierschicht

12

zweite Isolierschicht

13

Leiterschicht

13'

strukturierte Leiterschicht

14

Leiterbahn

15

Schlitze

20

Steuer- und Kontrolleinrichtung

21

Berechnungseinheit

22

Ausgabeeinheit

23

Steuerschnittstelle

25

Gleichspannungsquelle

26

Wechselspannungsquelle

30

mobiler Sensor

31

mobiles Gerät

a

Streifenlänge

a₁, a₂

Längen der Teilstrecken

b

Streifen breite

D

Defektstelle

DB

Defektbereich

I_K

Stromfluss

I₁, I₂, 13, I₄

Strom

K_O

Kontaktstelle

K₁, K₂, K₃, K₄

Kontaktstellen

M

Medium

M₁, M₂, M₃, M₄

Messeinrichtungen

MI₁, MI₂, MI₃, MI₄

Messwerte / Messignale

O

Objekt

OF

Oberfläche

SG

Steuersignal

SG

Steuersignal

U₀

Gleichspannung

U_~

Wechselspannung

PA, PB, PC, PD, PE

Prozessschritte

WEB

Schnittstelle

RS232

serielle Schnittstelle

WLAN

Schnittstelle

BLE

Schnittstelle

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 8700558 A1 [0004, 0005]

Claims (15)

1. Verfahren zum Korrosionsschutz und zur Korrosionsschutzüberwachung eines leitfähigen Objekts (O), welches auf einer Objektoberfläche (OF) zumindest eine Schichtanordnung (10) aufweist, die zumindest - eine der Objektoberfläche (OF) zugewandte erste Isolierschicht (11) aus elektrisch isolierendem Material, - eine, optional strukturierte, Leiterschicht (13, 13'), welche sich auf der von der Objektoberfläche (OF) abgewandten Seite der ersten Isolierschicht (11) befindet, und - eine zweite Isolierschicht (12) aus elektrisch isolierendem Material, welche sich auf der von der ersten Isolierschicht (11) abgewandten Seite der Leiterschicht (13, 13') befindet, umfasst, wobei - zumindest zeitweise eine Spannung (U_O, U_~) zwischen der Objektoberfläche (OF) und der Leiterschicht (13, 13') angelegt wird und - zumindest zeitweise ein Auftreten eines Stroms (I₁, I₂, I₃, I₄) zwischen der Objektoberfläche (OF) und der Leiterschicht (13, 13') geprüft wird, und wobei bei einem Auftreten eines solchen Stroms (I₁, I₂, I₃, I₄), auf Basis zumindest eines Messsignals, welches einen entlang eines Bereichs der Leiterschicht (13, 13') fließenden Strom (I₁, I₂, I₃, I₄) und/oder eine über einen Bereich der Leiterschicht (13, 13') abfallende Spannung repräsentiert, eine räumliche Lage einer Durchbruchstelle (D) der ersten Schutzschicht (11) zwischen der Objektoberfläche (OF) und der Leiterschicht (13, 13') ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei Auftreten eines Stroms (I₁, I₂, I₃, 14) zwischen der Objektoberfläche (OF) und der Leiterschicht (13, 13') eine definierte Spannung (U_O) zwischen der Objektoberfläche (OF) und der Leiterschicht (13, 13') gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die räumliche Lage der Durchbruchstelle (D) auf Basis einer Strom- und/oder Spannungsverteilung, vorzugsweise auf Basis der Verhältnisse von Strömen (I₁, I₂, I₃, I₄) und/oder Spannungen zwischen der Objektoberfläche (OF) und verschiedenen Kontaktstellen (K_1, K₂, K₃, K₄) der Leiterschicht, besonders bevorzugt von Summenströmen von verschiedenen Gruppen (G₁, G₂, G₃, G₄) von Kontaktstellen (K₁, K₂, K₃, K₄) der Leiterschicht (13, 13'), ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei verschiedene Ströme (I₁, I₂, I₃, 14) und/oder Spannungen zeitlich sequenziell gemessen werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ermittlung der räumlichen Lage der Durchbruchstelle (D) stufenweise erfolgt, wobei in einer ersten Stufe Informationen darüber ermittelt werden, ob die Durchbruchstelle in einem ersten räumlichen Bereich liegt, und in zumindest einer weiteren Stufe eine genauere Verortung der Durchbruchstelle in dem ersten räumlichen Bereich erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ermittlung der räumlichen Lage der Durchbruchstelle (D) unter Nutzung zumindest eines mobilen bzw. mobil anbringbaren Messsensors erfolgt, vorzugsweise zumindest einer induktiv und/oder kapazitiv arbeitenden Messelektrode (M₁, M₂, M₃, M₄).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung der räumlichen Lage der Durchbruchstelle (D) ein Wechselspannungssignal (IL) zwischen der Objektoberfläche (OF) und der Leiterschicht (13, 13') angelegt wird, vorzugsweise einer Gleichspannung (U_O) überlagert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf Basis eines/einer zwischen Objektoberfläche (OF) und der Leiterschicht (13, 13') gemessenen Stroms (I₁, I₂, I₃, I₄), vorzugsweise durch eine Stromsummenbildung, und/oder Spannung ein Defektausmaß der Durchbruchstelle (D) der ersten Schutzschicht (11) zwischen der Objektoberfläche (OF) und der Leiterschicht (13, 13') detektiert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem ersten Schritt zunächst auf die Objektoberfläche (OF) eine Schichtanordnung (10) aufgebracht wird, die zumindest - eine der Objektoberfläche (OF) zugewandte erste Isolierschicht (11) aus elektrisch isolierendem Material, - eine, optional strukturierte, Leiterschicht (13, 13'), welche sich auf der von der Objektoberfläche (OF) abgewandten Seite der ersten Isolierschicht (11) befindet, und - eine zweite Isolierschicht (12) aus elektrisch isolierendem Material, welche sich auf der von der ersten Isolierschicht (11) abgewandten Seite der Leiterschicht (13, 13') befindet, aufweist.
10. Korrosionsschutz- und -überwachungssystem (1) für ein leitfähiges Objekt (O), welches Korrosionsschutz- und -überwachungssystem (1) zumindest folgende Komponenten umfasst: - eine auf einer Objektoberfläche (OF) des Objekts (O) aufzubringende oder aufgebrachte Schichtanordnung (10), welche zumindest - eine der Objektoberfläche (OF) zugewandte erste Isolierschicht (11) aus elektrisch isolierendem Material, - eine, optional strukturierte, Leiterschicht (13, 13'), welche sich auf der von der Objektoberfläche (OF) abgewandten Seite der ersten Isolierschicht (11) befindet, und - eine zweite Isolierschicht (12) aus elektrisch isolierendem Material, welche sich auf der von der ersten Isolierschicht (11) abgewandten Seite der Leiterschicht (13, 13') befindet, aufweist, - eine Steuer- und Kontrolleinrichtung (20), welche ausgebildet ist, um zumindest zeitweise eine Spannung (U_O, U_~) zwischen der Objektoberfläche (OF) und der Leiterschicht (13, 13') anzulegen und um zumindest zeitweise ein Auftreten eines Stroms (I₁, I₂, I₃, I₄) zu detektieren, wobei die Steuer- und Kontrolleinrichtung (20), dazu ausgebildet ist, um bei einem Auftreten eines solchen Stroms (I₁, I₂, I₃, I₄), auf Basis zumindest eines Messsignals, welches einen entlang eines Bereichs der Leiterschicht (13, 13') fließenden Strom (I₁, I₂, I₃, I₄) und/oder eine über einen Bereich der Leiterschicht (13, 13') abfallende Spannung repräsentiert, eine räumliche Lage einer Durchbruchstelle (D) der ersten Schutzschicht (11) zwischen der Objektoberfläche (OF) und der Leiterschicht (13, 13') zu ermitteln.
11. Korrosionsschutz- und -überwachungssystem nach Anspruch 10, wobei die Leiterschicht (13') zumindest eine schlingenförmig angeordnete Leiterbahn (14) umfasst.
12. Objektanordnung (100) umfassend zumindest ein vor Korrosion zu schützendes Objekt (O) und ein Korrosionsschutz- und -überwachungssystem (1) nach Anspruch 10 oder 11.
13. Leiterschicht-Beschichtungsmaterial, vorzugsweise Leiterschicht-Lack, insbesondere für eine Leiterschicht (13, 13') zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder mit einem Korrosionsschutz- und -überwachungssystem (1) nach Anspruch 10 oder 11, welcher zumindest folgende Komponenten umfasst: (i) zumindest eine leitfähige Komponente, wobei die leitfähige Komponente vorzugsweise Carbon-Nanotubes umfasst; (ii) optional zumindest ein Lösemittel; (iii) optional zumindest ein Bindemittel; (iv) optional zumindest ein Dispergieradditiv.
14. Isolierschicht-Beschichtungsmaterial, vorzugsweise Isolierschicht-Lack, insbesondere für eine erste Isolierschicht (11) und/oder zweite Isolierschicht (12) zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder mit einem Korrosionsschutz- und -überwachungssystem (1) nach Anspruch 10 oder 11, welcher zumindest folgende Komponenten umfasst: (i) Substanz, welche ausgewählt ist aus einem isolierenden Material, bevorzugt aus einem Polymer; (ii) optional zumindest ein Lösemittel; (iii) optional zumindest ein Bindemittel; (iv) optional zumindest ein Farbpigment; (v) optional zumindest ein Dispergieradditiv; (vi) optional zumindest ein Rheologieadditiv.
15. Verwendung eines Leiterschicht-Beschichtungsmaterials nach Anspruch 13 und/oder eines Isolierschicht-Beschichtungsmaterials nach Anspruch 14 in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder in einem Korrosionsschutz- und -überwachungssystem (1) nach Anspruch 10 oder 11.

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