DE2453627B2 - Kathodische Korrosionsschutzschaltung ohne Fremdstrom für eine erdverlegte Einrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kathodische Korrosionsschutzschaltung ohne Fremdstrom für eine erdverlegte Einrichtung, die über das sie umgebende Erdreich elektrisch mit einer erdverlegten, galvanischen Anode, einem niedrigohmigen Erdungsmetall oder einer entsprechenden Legierung verbunden ist

Im allgemeinen sind erdverlegte Einrichtungen, wie beispielsweise in der Erde verlegte Gas- oder Wasserleitungen, der Korrosion durch die elektrolytische Wirkung von in einer Richtung wirkenden elektrischen Strömen im Erdreich ausgesetzt Diese Ströme können auf galvanischen Kopplungen in dem Erdreich, auf Schienenrückleitungen in Straßenbahnsystemen und elektrifizierten Eisenbahnen oder auf einer Vielzahl anderer Gründe beruhen. Ferner können die erdverlegten Einrichtungen auch einer Korrosion durch die elektrolytische Wirkung von elektrischen Strömen ausgesetzt sein, welche von den Anoden zu den Kathoden von Mikro- oder Makrozellen fließen, welche sich aufgrund der örtlichen Unterschiede in den erdverlegten Einrichtungen und der Umgebungsverhältnisse bilden. Das am weitesten verbreitete Verfahren zum Schutz von erdverlegten Einrichtungen vor elektrolytischer Korrosion ist der kathodische Schutz. Beispielsweise wird eine galvanische Anode aus Metall, wie beispielsweise Magnesium, welches ein höheres Potential als die erdverlegte Einrichtung aufweist oder niedri^ohmiges

ίο Erdungsmetall oder eine entsprechende Legierung aufweist, das bzw. die in der Leitfähigkeit der galvanischen Anode äquivalent ist in der Nähe der erdverlegten Einrichtung in der Erde verlegt und ist elektrisch so angeschlossen, daß der Korrosionsschutz strom von der galvanischen Anode oder dem niedrigoh migen Erdungsmetall oder einer entsprechenden Legierung über die korrodierende Umgebung zu der Oberfläche der erdverlegten Einrichtung fließen kann. Bei einem anderen kathodischen Schutzverfahren ist eine äußere Stromquelle zwischen eine erdverlegte Einrichtung und eine Hilfs- bzw. Zusatzelektrode geschaltet so daß ein ausreichender Gleichstrom in die gesamte Oberfläche der Einrichtung eintreten kann. In dem sogenannten »Entladungssystem« wird der Si rom verwendet, welcher von den Schienen der elektrifizierten Eisenbahnen oder der Straßenbahnsysteme austritt Die Stelle oder die Stellen an der erdverlegten Einrichtung, deren Potential höher ist als das der Schienen oder Gleise, sind elektrisch mit den Gleisen verbunden, so daß die Ströme von der erdverlegten Einrichtung in dac .sie umgebende Erdreich fließen.

Beispielsweise sind in »Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes« von v. Baeckmann u. W. Schwenk (1971) Fremdstrom-Schutzanlagen, bei welchen zum

Ji kathodischen Korrosionsschutz der kathodische Schutzstrom fast immer aus netzgespeisten Gleichrichtern bezogen wird, beschrieben. Auch die DD-PS 52 871 betrifft eine Schaltungsanordnung zur Aufrechterhaltung des Schutzpotentials für den kathodischen oder anodischen Korrosionsschutz, bei welcher ebenfalls in der Schutzschaltung Frerndstrom verwendet wird.

Im Hinblick auf die Überlegungen und Gesichtspunkte bezüglich des Einbaus und der Instandhaltung, der Wartung einschließlich der Kosten sowie der Sicherheit sind die kathodischen Schutzverfahren vorteilhaft da sie beinahe bei allen Umgebungsbedingungen bzw. -Verhältnissen angewendet werden können, nach dem Einbau sind sie beinahe wartungsfrei, wodurch sich eine beträchtliche Verringerung der Wartungskosten ergibt Auch ist die absolute Größe des fließenden Stroms verhältnismäßig klein, so daß sich keine Schwierigkeiten aufgrund von gegenseitiger Beeinflußung ergeben, und die Steuerung des Potentials der erdverlegten Einrichtung bezüglich dem des sie umgebenden Erdreichs verhältnismäßig leicht und genau vorgenommen werden kann. Wegen der nachstehend noch angeführten Gründe können jedoch die vorbeschriebenen, kathodischen Schutzverfahren unter bestimmten Umgebungsbedingungen bzw. -Verhältnissen nicht angewendet werden.

Insbesondere bei dem ersten der vorbeschriebenen drei Verfahren liegt, selbst wenn eine galvanische Anode aus Magnesiummetall verwendet wird, der Potentialunterschied zwischen der erdverlegten Ein richtung und der galvanischen Anode in der Größenord nung von 0,6 bis 0,7 V (meistens bei 1,0 V), so dall dies sehr häufig dazu führt, daß der Potentialunterschied durch die Streuströme unwirksam gemacht bzw.

aufgehoben wird. Infolgedessen fließt auch kein wirksamer Korrosionsschutzstrom und in einigen Fällen fließt ein Strom in Sperrichtung, der sich bei der Korrosion der erdverlegten Einrichtung ergibt. Ferner muß (1) jede galvanische Anode einen ständigen Korrosionsschutzstrom in der Größenordnung von 10 bis 40 mA (vorzugsweise von 20 bis 30 mA unabhängig von den unterschiedlichen, korrodierenden Umgebungsverhältnissen) schaffen und (2) wird in einigen Fällen, jedoch nicht immer, eine Gegenspannung in der Größenordnung von maximal einigen zehn Volt infolge der Streuütröme in der Erde angelegt, so daß kein sicherer und wirksamer kathodischer Schutz erhalten werden kann, wenn nicht der KorrosionEschutzstrom fließt, selbst wenn die maximale Gegenspannung is angelegt ist

Man könnte zu diesem Zweck im Handel erhältliche Halbleiterdioden verwenden. Wie jedoch aus deren Spannungs-Strom-Kenniinien eindeutig zu ersehen ist, können sie, wenn die Gegenspannung an ihnen angelegt ist. wirksam den Strom in Spenichtung, d.h. den KorroEionsstrom verhindern; sie können jedr>ch keinen ausreichenden und gleichförmigen Stromfluß in Durchlaßrichtung, d. h. keinen Korrosionsschutzstrom, schaffen. Der Grund hierfür liegt darin, daß mit einer herkömmlichen p-n-Diode der wirksame Korrosionsschutzstrom (ein Strom in Durchlaßrichtung) nur fließt, wenn eine Durchlaßspannung in der Größenordnung von 035 bis 0,7 V angelegt ist, wenn aber die Durchlaßspannung in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 V liegt, fließt beinahe kein Strom in Durchlaßrichtung. Somit können die herkömmlichen p-n-Dioden nicht verwendet werden, wenn die effektive elektromotoriiche Kraft oder der effektive Potenti&lunterschied zwischen der galvanischen Anode und der zu schützenden, erdverlegten Einrichtung unter ganz speziellen Umgebungsbedingungen bzw. -Verhältnissen, welche im voraus sehr schwierig zu ermitteln sind, unerwartet klein ist

Aufgabe der Erfindung ist eine kathodische Schutzschaltung, welche einen ausreichend wirksamen und sicheren Korrosionsschutzstrom schaffen kann, selbst wenn die elektromotorische Kraft zwischen einer zu schützenden, erdverlegten Einrichtung und einer galvanischen Elektrode oder einem niedrigohmigen Erdungsmetall bzw. einer entsprechenden L 'gierung verhältnismäßig klein ist Ferner soll gemäß der Erfindung eine kathodische Schutzschaltung geschaffen werden, mit welcher sicher ein Strom in Sperrichtung verhindert werden kann, welcher eine Korrosion einer erdverleg- w ten Einrichtung zur Folge hat.

Gegenstand der Erfindung ist eine kathodische Korrosionsschutzschaltung ohne Fremdstrom für eine erdverlegte Einrichtung, die über das sie umgebende Erdreich elektrisch mit einer erdverlegten, galvanischen Anode, einem niedrigohmigen Erdungsmetall oder einer entsprechenden Legierung verbunden ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Gleichrichter zwischen die erdverlegte Einrichtung und die galvaniεche Anode, das niedrigohmige Erdungsmetall oder eine entsprechende Legierung geschaltet ist, der einen Korrosionsschutzstrom durchläßt, während er einen Strom in Gegenrichtung verhindert

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung liefert eine wirtschaftliche, kathodische Schutzschaltung, welche sehr einfach einzubauen, in Stand zu halten bzw. zu warten und auszubessern bzw.

in Stand zu setzen ist

Zum kathodischer Schutz einer erdvertegtsn Einrichtung dient somit eine Korrosionsschutzschaltung, welche einen nach Art einer Diode geschalteten Transistor oder eine Schottky-Diode aufweist, welche zwischen eine zu schützende, erdverlegte Einrichtung und eine galvanische Anode u. ä. geschaltet ist so daß, selbst wenn der Potentialunterschied zwischen ihnen verhältnismäßig niedrig ist der wirksame Durchlaßoder Korrosionsschutzstrom fließen kann, während der Strom in Sperrichtung sicher verhindert ist welcher eine Korrosion der erdverlegten Einrichtung zur Folge hätte.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer kathodischen Schutzschaltung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung, in welcher die Spannungs-Strom-Kennlinie eines Gleichrichters gemäß der Erfindung im Vergleich zu der einer herkömmlichen Halbleiterdiode dargestellt ist und

F i g. 3 ein Schaltbild eines nach Art einer Diode geschalteten Transistors gemäß der Erfindung.

in Fig. 1 ist eine zu schützende, erdverlegte Einrichtung 1, beispielsweise eine Gas- oder Wasserleitung, elektrisch mit einer galvanischen Anode oder einem niedrigohmigen Erdungsmetall bzw. einer Legierung 2 verbunden, deren bzw. dessen Potential größer ist als das der zu schützenden, erdveriegien Einrichtung 1, hierbei ist die Anode beispielsweise aus Magnesiummetall hergestellt und ist ebenfalls in einem entsprechenden Abstand von der zu schützenden, erdverlegten Einrichtung 1 in der Erde verlegt, so daß infolge des galvanischen Spannungsunterschieds zwischen der erdverlegten Einrichtung 1 und der erdverlegten, galvanischen Elektrode oder dem niedrigohmigen Erdungsmetall bzw. der Legierung 2, was nachstehend der Kürze halber als »die galvaniscne Anode« bezeichnet wird, der Korrosionsschutzstrom über eine geschlossene Schaltung fließen kann, welche aus der galvanischen Anode 2, des sie umgebenden Erdreichs 4 und der zu schützenden, erdverlegten Einrichtung 1 besteht, das heißt, der Korrosionsschutzstrom fließt von der galvanischen Anode 2, dem sie umgebenden Erdreich 4, der erdverlegten Einrichtung 1 und dem diese umgebenden Erdreich 4 zurück zu der galvjmischen Anode 2.

Gemäß der Erfindung ist ein Gleichrichter zwischen die erdverlegte Einrichtung 1 und die galvanische Anode 2 geschalte', so daß, selbst wenn die elektromotorische Kraft zwischen diesen Einrichtungen in i>r Größenordnung von 0,1 V liegt, ein wirksamer Korros^;ont ,chutzstrom in der Größenordnung von 10 bis 40 mA fließen kann. Der Gleichrichter 3 kann ein Transistor oder eine Schottky-Diode sein, welche wie in Fig.2 (A) dargestellt ist, eine derartige Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist, daß (a) der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung klein ist, (b) der Strom //. in Durchlaßrichtung steil bzw. stark ansteigt, und (c) der Korrosions- oder der Strom Ir in Sperrichtung wirksam blockiert ist. Um einen Vergleich zu ermöglichen, ist ferner in Fig. 2 bei (B) die Strom-Spannungskennlinie einer herkömmlichen Halbleiterdiode dargestellt. Mit Vf ist die Spannung in Durchlaßrichtung und mit V«die Spannung in Sperrichtung bezeichnet, die an die Diode angelegt wurden.

Anhand von Fig. 3 wird die Diodenschaltung des

Transistor-Gleichrichters gemäß der Erfindung beschrieben. Die Basis- und Kollektorelektroden eines Transistors 5 sind miteinander verbunden, wobei ein Kathodenanschluß 6 und ein Anodenanschluß 7 vorgesehen und dargestellt sind.

Im Vorstehenden ist ein Transistor beschrieben, dessen Basis- und Kollektorelektroden miteinander verbunden sind; selbstverständlich kann dieselbe Wirkung erzielt werden, wenn die Basis- und Emitterelekllroden miteinander verbunden sind.

Gemäß der Erfindung ist der beschriebene Gleichrichter 3 zwischen die erdverlegte Einrichtung 1 und die galvanische Anode 2 geschaltet, so daß, selbst wenn der galvanische Potentialunterschied /wischen ihnen, welcher in Durchlaßrichtung als Vorspannung an den Gleichrichter 3 angelegt ist, 0,1 bis 0,2 V klein ist. ein Strom in Durchlaßrichtung oder ein Korrosionsschutzstrom in der Größenordnung von 20 mA bis 30 mA 'neuen ¹KdHiI. Aiii uicsc Weise kanu der wirksame Korrosionsschutzstrom mit Sicherheit erhalten werden, so daß ein einwandfreies (100%-iges) Betriebsverhalten der galvanischen Anode 2 gewährleistet werden kann. Darüber hinaus kann, selbst wenn die Spannung in Sperrichtung in der Größenordnung von 50 V liegt, der Strom in Sperrichtung wirksam auf 0,5 bis 0.6 mA begrenzt werden, welcher damit in der Größenordnung des Kriechstromes liegt. Aus der vorstehenden Beschreibung ist somit zu ersehen, daß ein sehr sicherer und wirksamer Schutz der erdverlegten Einrichtung 1 gegen Korrosion geschaffen werden kann.

Wie oben ausgeführt, kann die Schottky-Diode, in welcher ein Halbleiter des n- oder p-Leitfähigkeitstyps in Anlage bzw. Berührung mit einem Metall gebracht ist anstelle des Transistors verwendet werden. Wenn die Durchlaßspannung an die Schottky-Diode angelegt wird, dann fließen die freien Metallelektroden an der Grenzschicht zwischen dem Metall und dem Halbleitermaterial als Minoritätsträger in den Halbleiterbereich, werden dort gespeichert und diffundieren dann, so daß sie die Majoritätsträger werden. In einer Schottky-Diode mit einem Material mit einer η-Leitfähigkeit und einem Metall neigt der Strom dazu, von dem Metall zu dem Halbleitermaterial zu fließen. Infolgedessen muß ein Metall, dessen Austrittsarbeit so niedrig wie möglich ist, gewählt werden, um den Unterschied in der Affinität des Halbleitermaterials und der Austrittsarbeit des Metalls so klein wie möglich zu machen, Infolgedessen kann die Grenzschicht für die Vorspannung in Durchlaßrichtung so vermindert werden, daß ein Gleichrichter 3 mit einem erheblich verbesserten Kennlinienanstie«: für den Strom in Durchlaßrichtung geschaffen werden kann. Wenn andererseits ein Material des p-Leitfähigkeitstyps verwendet wird, neigt der Strom dazu, von dem Halbleitermaterial zu dem Metall zu fließen, so daß, um den Unterschied zwischen der Affinität des Halbleitermaterials und der Austrittsarbeit des Metalls so klein wie möglich zu machen, ein Metall mit einer Austrittsarbeit, welche so hoch wie nur möglich ist, gewählt werden muß. Infolgedessen kann die Grenzschicht für die Vorspannung in Durchlaßrichtung verstärkt bzw. stärker ausgebildet werden, so daß ebenfalls ein Gleichrichter 3 mit einem erheblich verbesserten Kennlinienanstieg für einen Strom in Durchlaßrichtung geschaffen werden kann.

Wie oben bereits ausgeführt, ist das wichtigste ^r> Merkmal der Erfindung darin zu sehen, daß statt einer herkömmlichen p-n-Diode, mit welcher wirksam ein Strom in Sperrichtung verhindert werden kann, welche aber einen derart schlechten Kennlinienanstieg für einen Strom in Durchlaßrichtung aufweist, daß der Strom in Durchlaßrichtung beinahe nicht fließt, wenn die Vorspannung in Durchlaßrichtung 0,1 bis 0,2 V klein ist, der Gleichrichter 3 verwendet wird, bei welchem der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung, welcher erforderlich ist, damit ein Strom in Durchlaßrichtung, d. h. der Korrosionsschutzstrom fließt, sehr klein ist; das heißt, der Gleichrichter weist einen ausgezeichneten Kennlinienanstieg für den Strom in Durchlaßrichtung auf und mit ihm wird sehr wirksam ein Strom in Sperrichtung verhindert, weicher eine Korrosion der erdveriegten

-'<> Einrichtung 1 zur Folge hat. Selbst wenn der Potentialunterschied zwischen der erdverlegten Einrichtung 1 und der galvanischen Anode 2 kleiner als das effektive Potential in der Größenordnung von 0.6 bis 0,7 V ist. welches ausreicht, damit ein wirksamer

r> Korrosionsschutzstrom in der Größenordnung von 10 bis 4OmA fließen kann und wenn der Potentialunterschied infolge von äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Kri: J.Ströme von den Schienenriickleitungen in elektrifizierten Eisenbahnstrecken, wobei die Ströme

in aufgrund der Umweltbedingungen bzw. -Verhältnissen im voraus nicht genau geschätzt werden können, in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 V liegt, kann trotzdem ein Strom in Durchlaßrichtung in der Größenordnung von 20 bis 30 mA sicher gewährleistet werden, d. h. ein Strom in Durchlaßrichtung, der sicher und wirksam die Korrosion der erdverlegten Einrichtung 1 verhindern kann. Mit anderen Worten unabhängig davon, ob die vorbeschriebenen Einflüsse nur eine kurze Zeit oder ständig andauern, der wirksame Korrosionsschutzstrom

•in kann dauernd und immer fließen. Darüber hinaus kann der Strom in Sperrichtung bzw. der Korrosionsstrom wirksam und sicher verhindert werden.

Der Gleichrichter 3 gemäß der Erfindung ist ein äußerst kleines Einzelelement, welches aus der Dioden-Übergangszone eines Transistors oder einer Schottky-Diode besteht, so daß es sehr preiswert ist, eine lange Lebensdauer aufweist und im Gegensatz zu den herkömmlichen Gleichrichtern mit Relaisschaltungen sehr zuverlässig im Betrieb ist. Darüber hinaus können

μ die Gleichrichter 3 gemäß der Erfindung entlang einer langen Rohrleitung oder entlang eines Kabels ozw. Drahtseils sehr leicht eingebaut werden, und auch die Wartung sowie die Instandsetzung lassen sich dadurch sehr viel einfacher durchführen. Insbesondere entspricht die Lebensdauer der Gleichrichter 3 der der galvanischen Anode aus Magnesiummetall, so daß die Wartungskosten ebenfalls beträchtlich verringert werden können. Infolgedessen sind die Gleichrichter gemäß der Erfindung sowohl unter technischen, industriellen als auch wirtschaftlichen Gesichtspunkten sehr vorteilhaft

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kathodische Korrosionsschutzschaltung ohne Fremdstrom für eine erdverlegte Einrichtung, die über das sie umgebende Erdreich elektrisch mit einer erdverelgten, galvanischen Anode, einem niedrigohmigen Erdungsmetall oder einer entsprechenden Legierung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichrichter (3) zwischen die erdverlegte Einrichtung (1) und die galvanische Anode (2), das niedrigohmige Erdungsmetall oder eine entsprechende Legierung geschaltet ist, der einen Korrosionsschutzstrom durchläßt, während er einen Strom in Gegenrichtung verhindert.

2. Kathodische Korrosionsschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter (3) durch einen in Diodenschaltung geschalteten Transistor (S) gebildet wird, bei welchem die Diodenschaltung durch die verhältnismäßig niedrige EMK für den Korrosionsschutzstrom in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.

3. Kathodische Korrosionsschutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter und die Basis des Transistors an einen gemeinsamen Ausgang verbunden sind, so daß ein Element mit zwei Ausgängen, dem gemeinsamen Ausgang als einem Ausgang und dem Kollektor als anderem Ausgang, gebildet wird.

4. Kathodische Korrosionsschutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor u.d die Basis des Transistors (S) an einem gemeinsamen Ausgang (6) "-rbunden sind, so daß ein Element mit zwei Ausgängen (6, 7) dem gemeinsamen Ausgang (ö) ah einem Ausgang und dem Emitter (7) als anderem Ausgang, gebildet wird

5. Kathodische Korrosionsschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter (3) eine Schottkydiode ist

6. Kathodische Korrosionsschutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter (3) so ausgebildet ist, daß er einen Korrosionsschutzstrcai von 10 bis 4OmA schon bei einer EMK von 0,1 V durchläßt