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Die Erfindung betrifft ein Schutzsystem für Rohrleitungen sowie die Verwendung eines solchen Schutzsystems zum Schutz einer Rohrleitung.
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Verlegte Rohrleitungen sind im Laufe ihrer Einsatzzeit bzw. Lebensdauer verschiedenen Umwelteinflüssen ausgesetzt, die eine Korrosion der Rohrleitung zur Folge haben können. Insbesondere im Fall von erdverlegten metallischen Rohrleitungen sind daher Schutzmaßnahmen notwendig, um das Ausmaß der Korrosion zu verringern oder zu vermeiden, dass Korrosion entsteht.
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Derartige Rohrleitungen werden daher üblicherweise mit einer Umhüllung aus einem Isoliermaterial versehen. Problematisch dabei ist, dass die Umhüllung beschädigt werden kann, beispielsweise beim Verlegen der Rohrleitung und/oder bei notwendigen Montage- bzw. Wartungsarbeiten. In diesem Fall wird an der Beschädigungsstelle der Umhüllung, auch als Fehlstelle bezeichnet, ein besonders hoher lokaler Korrosionsstrom erzeugt, der zu einer schnellen Korrosion der Rohrleitung führt.
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Um dies zu verhindern, ist es bekannt, ein kathodisches Korrosionsschutzsystem (auch als „KKS-System“ bezeichnet) vorzusehen. Das Korrosionsschutzsystem beaufschlagt die zu schützende Rohrleitung mit einem negativen Gleichstrompotential (DC-Potential), indem die Rohrleitung mit einem Gleichrichter des kathodischen Korrosionsschutzsystems elektrisch leitend verbunden wird, der wiederum mit einer in der Nähe der Rohrleitung angeordneten Anode elektrisch verbunden ist. Dies führt dazu, dass zwischen der Anode und der Rohrleitung, speziell der Fehlstelle der Rohrleitung, ein sogenannter KKS-Schutzstrom fließen kann, der dem Korrosionsstrom entgegenwirkt und auf diese Weise verhindert, dass eine Korrosion auftritt. Mit anderen Worten wird ein kathodisches Schutzpotential vom kathodischen Korrosionsschutzsystem erzeugt.
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Um sicherzustellen, dass der angedachte kathodische Korrosionsschutz zuverlässig arbeitet, muss das KKS-System überwacht und regelmäßig bewertet werden. Bewertungskriterien sind beispielsweise der Wert des unbeeinflussten Rohrleitungspotentials, welches mittels Spannungsmessung zwischen der Rohrleitung und einer Bezugselektrode, üblicherweise eine Cu/CuSO4-Elektrode, bestimmt werden kann. Dieses Potential wird auch als „IR-freies Potential“ bezeichnet. Gemäß DIN EN 12954 soll das IR-freie Potential kleiner oder gleich einem Mindestschutzpotential von etwa -850 mV sein.
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Problematisch bei dieser Messung ist, dass das zwischen der Bezugselektrode des Spannungsmesssystems und der Rohrleitung gemessene Potential durch verschiedene Einflüsse verfälscht werden kann, wobei die Summe aller dieser Einflüsse auch als „IR-Abfall“ bezeichnet wird. Die relevanten Einflüsse auf die Spannungsmessung können auf Ströme der Schutzstromanlage selbst, in der Nähe befindliche fremde Schutzstromanlagen, Ausgleichsströme, Elementströme, Ströme aus gleichstrombetriebenen Industrie- und Bahnanlagen und/oder Erdströme zurückgehen.
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Praktisch kann die Messung zwischen Bezugselektrode und Rohrleitung jedoch lediglich die Summe aus IR-freien Potential und IR-Abfall bestimmen. Es ist daher grundsätzlich vorgesehen, zum IR-Abfall beitragende Störquellen möglichst vollständig zu eliminieren. Aus diesem Grund ist es bekannt, den Gleichrichter des kathodischen Korrosionsschutzsystems zur Messung des IR-freien Potentials für einige Sekunden, beispielsweise etwa 3 Sekunden, von der Rohrleitung zu trennen. Das dabei gemessene Potential wird auch Ausschaltpotential genannt. Diese Vorgehensweise ist unter dem Begriff „Ausschalttechnik“ bekannt. Solange keine weiteren Störquellen vorhanden sind, ist das Ausschaltpotential gleich dem IR-freien Potential.
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Zusätzlich zum zuvor beschriebenen Korrosionsmechanismus sind weitere nachteilige Effekte auf Rohrleitungen zu berücksichtigen. Insbesondere erdverlegte Rohrleitungen werden häufig in der Nähe von Hochspannungstrassen verlegt. Dies hat zur Folge, dass das elektromagnetische Feld der Hochspannungsleitungen derartiger Hochspannungstrassen in der Rohrleitung eine Wechselspannung induziert, deren Höhe unter anderem von der relativen Lage der Rohrleitung zur jeweiligen Hochspannungsleitung abhängt. Überschreitet diese induzierte Wechselspannung gewisse Grenzwerte, beispielsweise eine effektive Wechselspannung von 60 V, so ist es notwendig, Maßnahmen zur Reduzierung der Wechselspannung zu ergreifen, da es sonst beispielsweise zu Wechselstromkorrosion oder gefährlich hohen Berührungsspannungen kommen kann.
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Zu diesem Zweck sind sogenannte Abgrenzeinheiten bekannt, die eine auftretende Wechselspannung gegen einen Erder ableiten, zugleich jedoch das vom kathodischen Korrosionsschutzsystem erzeugte Gleichstrompotential nicht negativ beeinflussen. Dazu weisen gängige Abgrenzeinheiten einen Kondensator auf, der für Wechselspannungen leitend ist, für Gleichspannungen jedoch hochohmig wirkt. Je größer die Kapazität des Kondensators ist, umso geringer ist der Wechselstromwiderstand, sodass die Ableitung von auftretenden Wechselströmen verbessert wird.
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Jedoch stellt sich bei einer solchen Kombination aus Abgrenzeinheit und kathodischem Korrosionsschutzsystem das Problem, dass die Messung des IR-freien Potentials durch die Abgrenzeinheit verfälscht wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass durch die hohe Kapazität der Abgrenzeinheit, notwendig für eine möglichst gute Ableitung von Wechselströmen, auch dann noch ein Strom zur Rohleitung fließt, nachdem der Gleichrichter des kathodischen Korrosionsschutzsystems für die Spannungsmessung getrennt wurde, da der geladene Kondensator der Abgrenzeinheit als DC-Spannungsquelle wirkt. Mit anderen Worten wird ein Streustrom erzeugt, der bis zur vollständigen Entladung des Kondensators der Abgrenzeinheit anhält.
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Um dieses Problem zu umgehen, ist es bekannt, die Abgrenzeinheit zum gleichen Zeitpunkt wie den Gleichrichter des kathodischen Korrosionsschutzsystems von der Rohrleitung zu trennen, sodass keine Ausgleichsströme mehr fließen können. Dies hat jedoch zur Folge, dass die auf der Rohrleitung erzeugte Wechselspannung für die Dauer der Messung nicht mehr begrenzt wird, was zu gefährlich hohen Berührungsspannungen in der Rohrleitung führen kann und somit die Arbeit und Handhabung der Rohrleitung erschwert.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Schutzsystem für Rohrleitungen bereitzustellen, das sowohl eine Ableitung von Wechselspannungen sicherstellt, als auch zugleich eine möglichst genaue Messung des kathodischen Schutzpotentials gestattet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Schutzsystem für Rohrleitungen, mit einem kathodischen Korrosionsschutzsystem, das einen Gleichrichter sowie ein mit dem Gleichrichter elektrisch leitend verbundenes Korrosionsschutzschaltelement umfasst, wobei das kathodische Korrosionsschutzsystem dazu eingerichtet ist, zwischen einem Korrosionsschutzmodus und einem Messmodus zu schalten, wobei im Messmodus der Gleichrichter nicht zugeschaltet ist. Das Schutzsystem verfügt zudem über eine Abgrenzeinheit, die einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator sowie ein Kondensatorschaltelement umfasst. Das Kondensatorschaltelement ist in einer ersten Schaltstellung mit dem ersten Kondensator elektrisch leitend verbunden, wenn das kathodische Korrosionsschutzsystem im Korrosionsschutzmodus ist. In einer zweiten Schaltstellung ist das Kondensatorschaltelement mit dem zweiten Kondensator elektrisch leitend verbunden, wenn das kathodische Korrosionsschutzsystem im Messmodus ist.
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Erfindungsgemäß sind somit in der Abgrenzeinheit mehrere Kondensatoren vorgesehen, zwischen denen in Abhängigkeit des aktuellen Betriebsmodus des kathodischen Korrosionsschutzsystems hin und her geschaltet wird. Auf diese Weise wird zu jedem Zeitpunkt sichergestellt, dass die zu schützende Rohrleitung mit einem der Kondensatoren, also dem ersten Kondensator oder dem zweiten Kondensator, der Abgrenzeinheit verbunden und somit gegen etwaige Wechselspannungen gesichert ist.
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Der jeweils nicht mit dem Kondensatorschaltelement elektrisch leitend verbundene Kondensator der Abgrenzeinheit kann zudem keine störenden Ausgleichsströme verursachen, da er sich nicht mehr in einem geschlossenen Stromkreis mit der Rohrleitung befindet.
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Zugleich können der erste Kondensator und der zweite Kondensator auf unterschiedliche Potentiale geladen sein, um Ausgleichsströme im Messmodus des kathodischen Korrosionsschutzsystems zu eliminieren oder wenigstens zu minimieren.
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Auf diese Weise wird eine zuverlässige Messung des kathodischen Schutzpotentials ermöglicht, welches durch das kathodische Korrosionsschutzsystem erzeugt wird, wobei gleichzeitig zu jedem Zeitpunkt eine in der zu schützenden Rohrleitung vorhandene Wechselspannung über die Abgrenzeinheit begrenzt wird.
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Dieses Prinzip wird im Kontrast zur bekannten „Ausschalttechnik“ von kathodischen Korrosionsschutzsystemen als „Umschalttechnik“ bezeichnet.
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Der erste Kondensator wird auch als „Hauptkondensator“ und der zweite Kondensator als „Messkondensator“ bezeichnet.
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Der Hauptkondensator und der Messkondensator können unterschiedlich ausgelegt sein.
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Insbesondere kann der Hauptkondensator, der in Einbauposition den Großteil der Einsatzzeit der Abgrenzeinheit mit der zu schützenden Rohrleitung verbunden ist, ein Kondensator mit höheren Leistungsmerkmalen sein, als der Messkondensator, der in Einbauposition lediglich im Messmodus des kathodischen Korrosionsschutzsystems zugeschaltet ist, also für vergleichsweise kurze Zeiten. Auf diese Weise können die Gesamtkosten sowie der benötigte Bauraum des erfindungsgemäßen Schutzsystems optimiert werden.
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Die Rohrleitung ist eine elektrisch leitfähige Rohrleitung und insbesondere erdverlegt, also in der Erde verlegt, sodass das Erdreich ein Medium darstellt, entlang dem Ströme fließen. Neben Erde können aber grundsätzlich auch andere Medien die elektrisch leitfähige Rohrleitung umgeben, weswegen allgemein von einer elektrisch leitfähigen Rohrleitung die Rede sein kann, die in einem Medium verlegt ist, nämlich einem Medium, entlang dem Ströme fließen.
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Der Ausdruck „elektrisch leitend verbunden“ bedeutet hier und im Folgenden, dass eine Verbindung vorliegt, über die ein elektrischer Strom fließt.
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Die Rohrleitung ist insbesondere eine metallische Rohrleitung mit einer Umhüllung aus einem Isoliermaterial. Derartige Rohrleitungen weisen eine hohe mechanische Stabilität und Belastbarkeit auf, deren Lebensdauer durch die Umhüllung optimiert ist. Zugleich stellt das erfindungsgemäße Schutzsystem auch bei etwaigen Beschädigungen der Umhüllung einen zuverlässigen Korrosionsschutz zur Verfügung.
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Die Zusammensetzungen der metallischen Rohrleitung und des Isoliermaterials sind nicht weiter eingeschränkt, sodass alle im Stand der Technik bekannten Materialien zum Einsatz kommen können.
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Beispielsweise ist die metallische Rohrleitung aus Stahl oder Kupfer.
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Um die Dauer des Schaltvorgangs zwischen der ersten Schaltstellung und der zweiten Schaltstellung des Kondensatorschaltelements zu reduzieren, kann das Kondensatorschaltelement ein Leistungshalbleiterschalter sein. Auf diese Weise wird noch besser erreicht, dass die auf der Rohrleitung möglicherweise vorhandene Wechselspannung unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts bleibt, selbst während des Schaltvorgangs.
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Um die Genauigkeit der Messung des kathodischen Schutzpotenzials weiter zu verbessern, kann das Schutzsystem dazu eingerichtet sein, in einer Trainingsphase des Schutzsystems den ersten Kondensator auf ein Einschaltpotential zu laden und den zweiten Kondensator auf ein Ausschaltpotential zu laden, wobei das Einschaltpotential dem Potential der zu schützenden Rohrleitung im Korrosionsschutzmodus und das Ausschaltpotential des zweiten Kondensators dem Potential der zu schützenden Rohrleitung Messmodus entspricht.
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Das Potential der zu schützen Rohrleitung im Korrosionsschutzmodus des kathodischen Korrosionsschutzsystems hängt vom Schutzpotential ab, welches vom kathodischen Korrosionsschutzsystem erzeugt wird. Mit anderen Worten wird in der Trainingsphase der erste Kondensator basierend auf dem kathodischen Schutzpotential und dem kathodischen Schutzstrom des kathodischen Korrosionsschutzsystems über einen über die Rohrleitung fließenden Ladestrom auf das Einschaltpotential geladen. Das Potential der zu schützenden Rohrleitung im Messmodus ist hingegen nicht vom kathodischen Schutzpotential beeinflusst, da im Messmodus die zu schützende Rohrleitung nicht mehr mit dem Gleichrichter des kathodischen Korrosionsschutzelements elektrisch leitend verbunden ist.
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Nach Abschluss der Trainingsphase sind somit der erste Kondensator und der zweite Kondensator auf die im jeweiligen Modus des kathodischen Korrosionsschutzsystems zu erwartenden Potentiale der zu schützenden Rohrleitung geladen, sodass in jeder Schaltstellung des Kondensatorschaltelements sichergestellt ist, dass keinerlei Ausgleichsströme durch die Abgrenzeinheit zu erwarten sind, welche die Messung des kathodischen Schutzpotentials beeinflussen könnten, abgesehen von unvermeidbaren Schwankungen.
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Das Einschaltpotential ist insbesondere negativer als das Ausschaltpotential. Dementsprechend kann der zweite Kondensator in Bezug auf seine Leistungsmerkmale einfacher ausgelegt sein als der erste Kondensator, insbesondere hinsichtlich der maximalen Kapazität, wodurch die Kosten und der benötigte Bauraum des gesamten erfindungsgemäßen Schutzsystems minimiert werden können.
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Der erste Kondensator und/oder der zweite Kondensator kann bzw. können eine Kapazität im Bereich von 0,1 bis 1,0 F aufweisen. Bei einer geringeren Kapazität als 0,1 F kann die Fähigkeit der Kondensatoren zum Ableiten von Wechselströmen ungenügend sein, während die Kosten und der Platzbedarf bei einer Kapazität von mehr als 1,0 F übermäßig zunehmen.
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Die Abgrenzeinheit verfügt insbesondere über einen Erder, der mit dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator elektrisch leitend verbunden ist.
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Mit anderen Worten wird lediglich ein gemeinsamer Erder verwendet, der ein Ableiten von Wechselströmen ermöglicht. Auf diese Weise werden die Komplexität und die Kosten des Schutzsystems weiter reduziert.
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In einer Variante ist parallel zum zweiten Kondensator eine Begrenzungsdiode geschaltet.
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Die Begrenzungsdiode dient dazu, das Potential, auf das der zweite Kondensator im Einsatz des Schutzsystems geladen wird, insbesondere das Ausschaltpotential, auf einen durch die Wahl der Diode vorgegebenen Grenzwert zu begrenzen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die zu schützende Rohrleitung einen derart hohen Ausbreitungswiderstand aufweist, dass trotz Umschalten auf den zweiten Kondensator im Messmodus eine Angleichung des Potentials des zweiten Kondensators auf das Potential der zu schützenden Rohrleitung derart lange dauert, dass die Messung des kathodischen Schutzpotentials weiterhin beeinträchtigt werden könnte.
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Zudem kann der zweite Kondensator in dieser Variante so gewählt sein, dass dessen maximale Spannungsfestigkeit lediglich geringfügig über dem durch die Diode vorgegebenen Grenzwert liegt, selbst wenn die zu schützende Rohrleitung im Messmodus ein höheres Potential aufweisen würde.
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Der durch die Wahl der Diode vorgegebene Grenzwert liegt beispielsweise im Bereich von 0,5 bis zu 0,7 V.
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Durchläuft in dieser Variante das Schutzsystem die zuvor beschriebene Trainingsphase, ist unter dem Ausdruck, dass das Ausschaltpotential des zweiten Kondensators dem Potential der zu schützenden Rohrleitung im Messmodus entspricht, gemeint, dass das Ausschaltpotential des zweiten Kondensators dem Potential der zu schützenden Rohrleitung im Messmodus in dem Umfang entspricht, den die Begrenzungsdiode zulässt.
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Um die Schaltvorgänge des Korrosionsschutzschaltelements und des Kondensatorschaltelements noch besser zu synchronisieren, kann das kathodische Korrosionsschutzsystem und die Abgrenzeinheit über Schaltsteuerelemente verfügen, die zeitsynchronisiert sind.
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Das Schaltsteuerelement des kathodischen Korrosionsschutzsystems ist dazu eingerichtet, das Korrosionsschutzschaltelement zu steuern und somit den Wechsel des kathodischen Korrosionsschutzsystems zwischen dem Korrosionsschutzmodus und dem Messmodus auszulösen.
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Das Schaltsteuerelement der Abgrenzeinheit ist dazu eingerichtet, das Kondensatorschaltelement zu steuern und somit den Wechsel zwischen erster Schaltstellung und zweiter Schaltstellung zu bewirken.
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Mit anderen Worten wird über das Schaltsteuerelement die Latenz zwischen den Schaltvorgängen minimiert.
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Die Zeitsynchronisation kann unter Beachtung der räumlichen Distanz zwischen dem kathodischen Korrosionsschutzsystem und der Abgrenzeinheit erfolgen. Zu diesem Zweck kann sowohl das kathodische Korrosionsschutzsystem als auch die Abgrenzeinheit über ein jeweils zugeordnetes GPS-Modul bzw. allgemein ein jeweils zugeordnetes GNSS-Modul verfügen, welches eine Ortung des kathodischen Korrosionsschutzsystems bzw. der Abgrenzeinheit ermöglicht.
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Die Schaltsteuerelemente können zudem jeweils über ein Kommunikationsmodul zum Datenaustausch verfügen, wobei die Schaltsteuerelemente mittels der jeweiligen Kommunikationsmodule zum Datenaustausch untereinander eingerichtet sind.
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Die Schaltsteuerelemente können ferner dazu eingerichtet sein, mittels der Kommunikationsmodule Daten an einer Leitstelle zu senden und/oder von diesen zu empfangen, beispielsweise Diagnosedaten, Protokolldaten und/oder Steuersignale.
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Der Datenaustausch kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen, beispielsweise über Ethernet, eine WLAN-Verbindung und/oder eine Mobilfunkverbindung.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch die Verwendung des Schutzsystems wie zuvor beschrieben zum Schutz einer Rohrleitung, wobei das Korrosionsschutzschaltelement und das Kondensatorschaltelement mit der Rohrleitung elektrisch leitend verbunden werden.
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Die zuvor beschriebenen Merkmale und Eigenschaften des Schutzsystems für Rohrleitungen gelten entsprechend für die Verwendung des Schutzsystems zum Schutz einer Rohrleitung und umgekehrt.
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Die Rohrleitung ist insbesondere erdverlegt und beispielsweise eine Pipeline, insbesondere eine Gas-Pipeline.
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Weitere Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen verdeutlicht, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden sollen, sowie den Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schutzsystems für Rohrleitungen in einem ersten Betriebsmodus,
- - 2 das Schutzsystem aus 1 in einem zweiten Betriebsmodus,
- - 3 das Schutzsystem aus 1 in einem ersten Schritt einer Trainingsphase,
- - 4 das Schutzsystem aus 1 in einem zweiten Schritt einer Trainingsphase,
- - 5 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schutzsystems für Rohrleitungen im zweiten Betriebsmodus, und
- - 6 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schutzsystems für Rohrleitungen im ersten Betriebsmodus.
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1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Schutzsystem 10 für eine Rohrleitung 12.
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Die Rohrleitung 12 ist eine metallische Rohrleitung aus Edelstahl mit einer Umhüllung 14 aus einem Isoliermaterial.
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Es versteht sich, dass die Rohrleitung 12 auch aus anderen Materialien bestehen kann, insbesondere anderen Metallen, wie im Stand der Technik bekannt.
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Die Rohrleitung 12 ist beispielsweise erdverlegt, das heißt in der Erde unter der Erdoberfläche (nicht dargestellt) verlegt und steht somit mit dem umgebenden Erdreich in Kontakt.
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Die Umhüllung 14 weist in der gezeigten Ausführungsform eine Fehlstelle 16 auf, das heißt eine Beschädigung auf. An der Fehlstelle 16 steht die metallene Oberfläche der Rohrleitung 12 in direktem Kontakt mit dem umgebenden Erdreich, sodass die Rohrleitung 12 an dieser Stelle eine erhöhte Korrosionsneigung aufweist.
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Zudem ist die Rohrleitung 12 in der Nähe einer (nicht dargestellten) Hochspannungstrasse angeordnet, welche eine Wechselspannung in der Rohrleitung 12 hervorruft.
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Das Schutzsystem 10 verfügt über ein kathodisches Korrosionsschutzsystem 18 und eine Abgrenzeinheit 20, deren Funktionen im Folgenden noch näher beschrieben werden wird.
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Das Korrosionsschutzsystem 18 umfasst einen Gleichrichter 22, ein Korrosionsschutzschaltelement 24, welches in 1 die Rohrleitung 12 elektrisch leitend mit dem Gleichrichter 22 verbindet, sowie eine mit dem Gleichrichter 22 elektrisch leitend verbundene Anode 26.
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Der Gleichrichter 22 ist mit einer (nicht dargestellten) Spannungsquelle verbunden, die den Gleichrichter 22 mit Energie versorgt.
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Die Abgrenzeinheit 20 verfügt über einen ersten Kondensator 28, auch als „Hauptkondensator“ bezeichnet, und einen zweiten Kondensator 30, auch als „Messkondensator“ bezeichnet.
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Der erste Kondensator 28 und/oder der zweite Kondensator 30 weisen bzw. weist eine Kapazität im Bereich von 0,1 bis 1,0 F auf, wobei insbesondere die Kapazität des ersten Kondensators 28 höher ist als die Kapazität des zweiten Kondensators 30.
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Zudem verfügt die Abgrenzeinheit 20 über ein Kondensatorschaltelement 32, das mit der Rohrleitung 12 elektrisch leitend verbunden ist.
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In 1 ist das Kondensatorschaltelement 32 in einer ersten Schaltstellung dargestellt, in welcher das Kondensatorschaltelement 32 mit dem ersten Kondensator 28 elektrisch leitend verbunden ist.
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Die Abgrenzeinheit 20 umfasst zudem einen Erder 34,.
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Der Erder 34 ist sowohl mit dem ersten Kondensator 28 als auch mit dem zweiten Kondensator 30 elektrisch leitend verbunden.
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Die Rohrleitung 12 ist ferner mit einem Spannungsmesssystem 36 elektrisch leitend verbunden.
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Das Spannungsmesssystem 36 umfasst einen Spannungsmesser 38 sowie eine Bezugselektrode 40.
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Das Spannungsmesssystem 36 kann Bestandteil des erfindungsgemäßen Schutzsystems 10 sein oder ein separates Bauteil bilden. Grundlegend ist es auch denkbar, dass das Spannungsmesssystem 36 in das kathodische Korrosionsschutzsystem 18 oder die Abgrenzeinheit 20 integriert ist.
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1 stellt das erfindungsgemäße Schutzsystem 10 in einem ersten Betriebsmodus dar, in welchem das Korrosionsschutzschaltelement 24 elektrisch leitend mit dem Gleichrichter 22 verbunden ist, also das kathodische Korrosionsschutzsystem 18 sich in einem sogenannten „Korrosionsschutzmodus“ befindet, und das Kondensatorschaltelement 32 sich in einer ersten Schaltstellung befindet, in welcher das Kondensatorschaltelement 32 elektrisch leitend mit dem ersten Kondensator 28 verbunden ist.
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2 stellt das erfindungsgemäße Schutzsystem 10 in einem zweiten Betriebsmodus dar, in welchem das Korrosionsschutzschaltelement 24 nicht mit dem Gleichrichter 22 verbunden ist, also das kathodische Korrosionsschutzsystem 18 sich in einem sogenannten „Messmodus“ befindet, und das Kondensatorschaltelement 32 sich in einer zweiten Schaltstellung befindet, in welcher das Kondensatorschaltelement 32 elektrisch leitend mit dem zweiten Kondensator 30 verbunden ist.
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Das Korrosionsschutzschaltelement 24 und das Kondensatorschaltelement 32 sind miteinander synchronisiert bzw. gekoppelt, wie durch die Strichlinie 42 in 1 und 2 angedeutet. Beispielsweise sind das Korrosionsschutzschaltelement 24 und das Kondensatorschaltelement 32 als Wechselschalter ausgebildet. Das bedeutet, dass sich das Kondensatorschaltelement 32 in der ersten Schaltstellung befindet, wenn das Korrosionsschutzschaltelement 24 den Gleichrichter 22 elektrisch leitend mit der Rohrleitung 12 verbindet und sich das Kondensatorschaltelement 32 in der zweiten Schaltstellung befindet, wenn das Korrosionsschutzschaltelement 24 den Gleichrichter 22 nicht zuschaltet, das heißt nicht mit der Rohrleitung 12 verbindet.
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Bevorzugt sind das Korrosionsschutzschaltelement 24 und das Kondensatorschaltelement 32 jedoch getrennte Schalter, die miteinander synchronisiert bzw. gekoppelt sind.
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Das Kondensatorschaltelement 32 ist insbesondere ein Leistungshalbleiterschalter, um eine möglichst kurze Schaltzeit zu erzielen.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Schutzsystems 10 näher beschrieben, das heißt die Verwendung des Schutzsystems 10 zum Schutz der Rohrleitung 12 bzw. ein Verfahren zum Schützen der Rohrleitung 12.
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Zunächst werden das kathodische Korrosionsschutzsystem 18 und die Abgrenzeinheit 20 an die zu schützende Rohrleitung 12 angeschlossen, indem das Korrosionsschutzschaltelement 24 und das Kondensatorschaltelement 32 elektrisch leitend mit der Rohrleitung 12 verbunden werden.
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Die Rohrleitung 12 ist im Laufe ihrer Einsatzzeit bzw. Lebensdauer verschiedenen Einflüssen ausgesetzt, die zu einer Korrosion und somit zu einer Beschädigung der Rohrleitung 12 führen können. Insbesondere an der Fehlstelle 16, an welcher die Umhüllung 14 beschädigt ist und die metallene Oberfläche der Rohrleitung 12 in direktem Kontakt mit dem umgebenden Erdreich kommt, besteht eine hohe Korrosionsneigung, sodass es zu einem sogenannten Korrosionsstrom kommt.
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Um diesem Korrosionsstrom entgegenzuwirken, wird im Korrosionsschutzmodus des kathodischen Korrosionsschutzsystems 18 von diesem ein kathodisches Schutzpotential erzeugt, welches einen Schutzstrom zwischen der Anode 26 und der Rohrleitung 12 zur Folge hat, der in 1 mit einem gepunkteten Pfeil 44 angedeutet ist.
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Solange das kathodische Schutzpotential ausreichend hoch ist, beispielsweise ein Mindestschutzpotential von -850 mV oder weniger erzeugt, wird eine Korrosion der Rohrleitung 12 an der Fehlstelle 16 zuverlässig verhindert.
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Wie in 1 zu erkennen, ist das Kondensatorschaltelement 32 im Korrosionsschutzmodus des kathodischen Korrosionsschutzsystems 18 mit dem ersten Kondensator 28 verbunden.
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Auf diese Weise werden in der Rohrleitung 12 induzierte Wechselspannungen, beispielsweise aufgrund der nahegelegenen (nicht dargestellten) Hochstromtrasse, über den ersten Kondensator 28 zum Erder 34 hin abgeleitet, und so die effektive Wechselspannung auf der Rohrleitung 12 reduziert.
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Dadurch, dass zugleich das kathodische Korrosionsschutzsystem 18 einen Schutzstrom erzeugt, fließt im ersten Betriebsmodus des Schutzsystems 10, in welchem das Kondensatorschaltelements 32 in seiner ersten Schaltstellung vorliegt, zudem ein Ladestrom von der Rohrleitung 12 zum ersten Kondensator 28, wie durch einen gepunkteten Pfeil 46 in 1 angedeutet ist, bis sich der erste Kondensator 28 auf das gleiche Potential wie die Rohrleitung 12 aufgeladen hat.
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Zudem stellt sich zwischen dem Erder 34 und der Rohrleitung 12 ein Einschaltpotential ein, welches durch einen Doppelpfeil 48 in 1 angedeutet ist.
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Um sicherzustellen, dass das Mindestschutzpotential gewährleistet ist, also das kathodische Schutzpotential ausreichend hoch ist, um eine Korrosion der Rohrleitung 12 zu verhindern, wird das Potential der zu schützenden Rohrleitung 12 mittels des Spannungsmesssystems 36 gemessen.
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Insbesondere wird in regelmäßigen Abständen die Messung des Potentials der zu schützenden Rohrleitung 12 mittels des Spannungsmesssystems 36 wiederholt.
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In 1 ist über einen Doppelpfeil 50 angedeutet, dass das Spannungsmesssystem 36 lediglich das jeweils vorhandene Potential zwischen der Rohrleitung 12, insbesondere an der relevanten Fehlstelle 16, und der Bezugselektrode 40 bestimmen kann.
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Dieser Wert ist jedoch durch das kathodische Schutzpotential des kathodischen Korrosionsschutzsystems 18 und etwaige weitere Fehlerquellen wie in der Nähe befindliche fremde Schutzstromanlagen, Ausgleichsströme, Elementströme, Ströme aus gleichstrombetriebenen Industrie- und Bahnanlagen und/oder Erdströme beeinflusst.
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Um trotzdem eine zuverlässige Messung des Potentials der zu schützenden Rohrleitung 12 zu ermöglichen, wird die Messung durch das Spannungsmesssystem 36 als Messungspaar vorgenommen, wobei das Messungspaar eine erste Messung umfasst, die mit zugeschaltetem Gleichrichter 22 erfolgt, also während das kathodische Korrosionsschutzsystem 18 im Korrosionsschutzmodus ist (wie in 1 dargestellt) und eine zweite Messung umfasst, die mit nicht zugeschaltetem Gleichrichter 22 erfolgt, also während das kathodische Korrosionsschutzsystem 18 im Messmodus ist (wie in 2 dargestellt).
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Das tatsächliche Potential der zu schützenden Rohrleitung 12 wird dann beispielsweise als Differenz zwischen erster Messung und zweiter Messung ermittelt, wobei die jeweiligen Vorzeichen des gemessenen Spannungswertes entsprechend bei der Differenzbildung berücksichtigt werden.
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Wenn davon ausgegangen werden kann, dass keine weiteren Störquellen vorhanden sind, dann kann alternativ zum Bestimmen des kathodischen Schutzpotentials auch lediglich eine einzelne Messung mit nicht zugeschaltetem Gleichrichter 22 erfolgen, analog zur zweiten Messung.
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Um zu verhindern, dass die zweite Messung dadurch verfälscht wird, dass sich der erste Kondensator 28, der zuvor aufgrund des Ladestroms im ersten Betriebsmodus des Schutzsystems 10 aufgeladen wurde, entlädt, also um zu verhindern, dass ein Gleichstrom zwischen der Bezugselektrode 34 und der Rohrleitung 12 erzeugt wird, geht, synchron zum Wechsel des kathodischen Korrosionsschutzsystems 18 in den Messmodus, das Kondensatorschaltelement 32 in die zweite Schaltstellung über, in der nicht mehr der erste Kondensator 28, sondern der zweite Kondensator 30 elektrisch leitend mit der Rohrleitung 12 verbunden ist (vgl. 2).
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Somit fließt nur solange ein Ladestrom zwischen der Rohrleitung 12 und dem zweiten Kondensator 30 (angedeutet durch einen gepunkteten Pfeil 52 in 2), bis der zweite Kondensator 30 auf das Potential der Rohrleitung 12 mit deaktiviertem kathodischen Korrosionsschutzsystem 18 geladen ist.
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Dadurch stellt sich zwischen dem Erder 34 und der Rohrleitung 12 ein Ausschaltpotential ein, welches durch einen Doppelpfeil 54 in 1 angedeutet ist.
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Das Ausschaltpotential ist in der Regel positiver als das Einschaltpotential bzw. das Einschaltpotential ist in der Regel negativer als das Ausschaltpotential, sodass sich das Ausschaltpotential sehr schnell einstellt und danach keine durch das Schutzsystem 10 bedingte Beeinflussung der Spannungsmessung des Spannungsmesssystems 36 mehr zu befürchten ist.
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Zugleich bleibt zu jedem Zeitpunkt einer der Kondensatoren der Abgrenzeinheit 20, also der erste Kondensator 28 oder der zweite Kondensator 30, mit der Rohrleitung 12 verbunden, um etwaige in der Rohrleitung 12 induzierte Wechselspannungen zum Erder 34 abzuleiten und somit zu begrenzen.
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Um die Einflüsse der Ladeströme zum ersten Kondensator 28 und zum zweiten Kondensator 30 auf die Spannungsmessung noch weiter zu minimieren, ist das Schutzsystem 10 insbesondere dazu eingerichtet, eine Trainingsphase zu durchlaufen, welche in den 3 und 4 schematisch dargestellt ist.
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In einem ersten Schritt der Trainingsphase, der in 3 dargestellt ist, wird der erste Kondensator 30 auf das Einschaltpotential geladen, welches dem Potential der zu schützenden Rohrleitung 12 im Korrosionsschutzmodus des kathodischen Korrosionsschutzsystems 18 entspricht, wie durch die Schraffur in 3 angedeutet.
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Mit anderen Worten fließt kein Ladestrom (vgl. gepunkteter Pfeil 46 in 3) mehr, sobald der erste Kondensator 28 das Einschaltpotential erreicht hat.
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In einem zweiten Schritt der Trainingsphase, der in 4 dargestellt ist, schaltet das kathodische Korrosionsschutzsystem 18 in den Messmodus, wodurch das Kondensatorschaltelement 32 in die zweite Schaltstellung übergeht und den zweiten Kondensator 30 elektrisch leitend mit der Rohrleitung 12 verbindet.
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Somit wird der zweite Kondensator 30 auf das Ausschaltpotential geladen, welches dem Potential der Rohrleitung 12 entspricht, wenn das kathodische Korrosionsschutzsystem 18 im Messmodus ist.
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Wie durch die Schraffur in 4 angedeutet, ist das Einschaltpotential in der gezeigten Ausführungsform größer als das Ausschaltpotential.
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Während des zweiten Schritts der Trainingsphase bleibt der erste Kondensator 28 auf das Einschaltpotential geladen, da er nicht in einem geschlossenen Stromkreis elektrisch leitend verbunden ist. Wenn nun das Kondensatorschaltelement 32 wieder in die erste Schaltstellung übergeht, bleibt der zweite Kondensator auf 30 auf das Ausschaltpotential geladen, da dann der zweite Kondensator 30 nicht mehr in einem geschlossenen Stromkreis elektrisch leitend verbunden ist.
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Somit weisen der erste Kondensator 28 und der zweite Kondensator 30 am Ende der Trainingsphase genau die Potentiale auf, die für die Rohrleitung 12 zu erwarten sind, wenn sich das kathodische Korrosionsschutzsystem 18 im Korrosionsschutzmodus bzw. im Messmodus befindet.
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Daher sind nun keinerlei, auch keine kurzzeitigen, Ausgleichsströme mehr zu erwarten, wenn für die Bestimmung des kathodischen Schutzpotentials zwischen dem Korrosionsschutzmodus und dem Messmodus des kathodischen Korrosionsschutzsystems 18 hin und her geschaltet wird, abgesehen von unvermeidbaren Schwankungen, sodass eine noch zuverlässigere Bestimmung ermöglicht wird, während zugleich jederzeit eine Absicherung der Rohrleitung 12 gegen ungewollt hohe Wechselspannungen gewährleistet ist.
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In 5 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schutzsystems 10 dargestellt.
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Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden lediglich auf Unterschiede eingegangen wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
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In der zweiten Ausführungsform ist parallel zum zweiten Kondensator 30, und zwischen Kondensatorschaltelement 32 und zweitem Kondensator 30, eine Begrenzungsdiode 56 geschaltet.
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Die Begrenzungsdiode 56 dient dazu, das Aufladen des zweiten Kondensators 30 auf einen durch die Begrenzungsdiode vorgegebenen Maximalwert zu beschränken, beispielsweise auf ein Potential im Bereich von 0,5 bis 0,7 V.
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Auf diese Weise wird das gewünschte Potential des zweiten Kondensators 30 noch schneller erreicht, sodass im zweiten Betriebsmodus des Schutzsystems 10 bereits nach sehr kurzer Zeit keinerlei Ausgleichströme (angedeutet durch einen gepunkteten Pfeil 58 in 5) mehr fließen.
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In 6 ist eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schutzsystems 10 dargestellt.
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Die dritte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden lediglich auf Unterschiede eingegangen wird. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
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In der dritten Ausführungsform verfügen sowohl das kathodische Korrosionsschutzelement 18 als auch die Abgrenzeinheit 20 über ein Schaltsteuerelement 60 bzw. 62.
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Das Schaltsteuerelement 60 ist dazu eingerichtet, das Korrosionsschutzschaltelement 24 zu steuern und somit den Wechsel des kathodischen Korrosionsschutzsystems 18 zwischen dem Korrosionsschutzmodus und dem Messmodus auszulösen.
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Das Schaltsteuerelement 62 ist dazu eingerichtet, das Kondensatorschaltelement 32 zu steuern und somit den Wechsel zwischen erster Schaltstellung und zweiter Schaltstellung zu bewirken.
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Mit anderen Worten wird über die Schaltsteuerelemente 60 und 62 der jeweilige Betriebsmodus der Schutzanlage 10 festgelegt.
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Die Schaltsteuerelemente 60 und 62 sind zeitsynchronisiert. Das bedeutet, dass die Schaltsteuerelemente 60 und 62 dafür sorgen, dass die Schaltvorgänge von Korrosionsschutzschaltelement 24 und Kondensatorschaltelement 32 eine möglichst geringe Latenz zueinander aufweisen.
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Um die Latenz weiter zu verringern, verfügen die Schaltsteuerelemente 60 und 62 über GNSS-Module 64 bzw. 66, die eine Ortung des kathodischen Korrosionsschutzsystems 18 bzw. der Abgrenzeinheit 20 ermöglichen, sodass die räumliche Distanz zwischen dem kathodischen Korrosionsschutzsystems 18 und der Abgrenzeinheit 20 im Schaltvorgang, das heißt beim Wechsel des Betriebsmodus des Schutzsystems 10, berücksichtigt werden kann.
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Zudem verfügen die Schaltsteuerelemente 60 und 62 über Kommunikationsmodule 68 bzw. 70, die einen Datenaustausch zwischen den Schaltsteuerelementen 60 und 62 ermöglichen, beispielsweise mittels einer Ethernet-, WLAN- und/oder Mobilfunkverbindung.
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Es versteht sich, dass derartige Schaltsteuerelemente 60 und 62 auch in der zweiten Ausführungsform zum Einsatz kommen können.
