DE3222757C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestim­ mung der Korrosionsgeschwindigkeit eines auf eine Flüssig­ keit Wärme übertragenden Körpers.

Herkömmliche Techniken zum Messen einer Korrosion umfassen entweder nicht-wärmeübertragende Verfahren, z. B. solche mit streifen- oder kreisförmigen Probestücken bzw. solche, die auf Änderungen im Widerstand eines dünnen Metallbandes oder -drahtes ansprechen, oder wärmeübertragende Verfahren unter Verwendung von entweder Einzel- oder Mehrfachröhren-Prüfele­ menten. Für nicht-wärmeübertragende Verfahren existieren kei­ ne absoluten oder wahren Bedingungen, während für wärmeüber­ tragende Verfahren die tatsächliche Geschwindigkeitswirkung und/oder die tatsächlichen Oberflächentemperaturen selten identisch sind, geschweige denn genaue Gewichtsmessungen er­ geben.

In den USA-Patentanmeldungen Nr. 2 02 351 und 2 02 352 (der Anmelderin) sind Verfahren und Vorrichtungen zur Untersuchung von Flüssigkeiten auf Ablagerungskenndaten offenbart. Das Verschmutzen oder Ablagern ist eine äußerst komplexe Erschei­ nung. Von einem grundsätzlichen Gesichtspunkt aus kann das als kombiniertes Kraft-, Wärme- und Massenübergangsproblem bezeichnet werden. In vielen Fällen ist eine chemische Reak­ tionskinetik beteiligt, wie auch Löslichkeitscharakteristika von Salzen in Wasser und die Korrosionstechnologie eine Rolle spielen. Es wurde festgestellt, daß, wenn die Ablagerungs­ tendenz eines Kühlwassers genau vorhergesagt werden kann, bevor eine Anlage konzipiert und gebaut wird, beträchtliche Kapitalersparnisse durch genauere technische Daten für Wär­ metauscher erzielt werden können.

Bei dem obigen Verfahren bzw. der obigen Vorrichtung wird eine Wärmeübertragungs-Prüfanordnung vorgesehen, die ein Heizglied für eine gesteuerte Wärmezufuhr und Thermoelemen­ te zur Messung der Wandtemperatur des Heizgliedes umfaßt, um die Möglichkeit für Bestimmungen von Ablagerungen bei verschiedenen Durchflußmengen mit der gleichzeitigen über­ wachung und Aufzeichnung dieser zusammen mit Daten, wie Korrosion, pH-Wert, Leitfähigkeit und ähnlichen Angaben, zu bieten. Das Messen einer Korrosion wird durch einen Korrela­ tor bewirkt, indem ein Stromfluß durch eine elektrisch lei­ tende Flüssigkeit gegen einen Spannungsabfall gemessen wird.

Andere Verfahren zur Bestimmung einer Korrosion umfassen ein­ mal die Messung einer Lochtiefe gegen die Zeit und zum ande­ ren die visuelle Auswertung des Prozentsatzes der korrodier­ ten Fläche.

Bisher angewendete Verfahren zur Auswertung bzw. Bestimmung einer Korrosion messen jedoch nicht tatsächlich die Korrosion oder Korrosionsgeschwindigkeit unter gesteuerten Bedingungen von sowhol dem Wasserfilm-Wärmeübertragungskoeffizienten als einer Funktion eines von der Geschwindigkeit hervorgerufenen Schereffekts wie auch der Oberflächentemperatur als einer Funktion genau geregelten Wärmeflusses.

Zum einschlägigen Stand der Technik ist eine Vorrichtung zum Prüfen des Korrosionswiderstandes eines Probekörpers gegen­ über einer Flüssigkeit bekannt (US-PS 36 27 493), wobei ein Prüfkörper mittels einer Sonde in einem Flüssigkeitsstrom gehalten und die Temperatur des Prüfkörpers gemessen wird.

Die Temperatur des Prüfkörpers wird geregelt, indem durch die Sonde ein diese Temperatur bestimmender Wärmeträger, z. B. Dampf, umgewälzt wird, wodurch am Prüfkörper mit Bezug auf die korrosive Flüssigkeit, der dieser ausgesetzt ist, Mehr­ phasen- oder Phasenänderungszustände dieser Flüssigkeit si­ muliert werden können. Die US-PS 30 14 789 offenbart, daß es bei Vorrichtungen zur Messung der Korrosivität einer Um­ gebung bekannt ist, ein korrosionsempfindliches Prüfelement einem korrosiven Einfluß auszusetzen und dieses später außer­ halb der korrosiven Umgebung zu wiegen, um so das Ausmaß der Korrosion am Prüfelement zu ermitteln. Die US-PS 27 63 534 offenbart ein Korrosionsprüfelement, das in eine von einer Flüssigkeit durchströmte Leitung eingesetzt wird und derart ausgestaltet ist, daß, wenn der Schaft des Prüfelements durchkorrodiert ist, dieser Vorgang festgestellt und somit ein Rückschluß auf die Korrosion des Leitungsmaterials ge­ zogen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Korrosionsgeschwindigkeit eines auf eine Flüssigkeit Wärme übertragenden Körpers zu schaffen, die für eine in-situ-Mseeung der Korrosionsgeschwindigkeit eines Metallkörpers bei geregelter Wärmezufuhr und geregelten Tem­ peraturbedingungen sowie Flüssigkeitsströmungsmengen mit Hil­ fe eines Gewichtsverlusts des Metallkörpers geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, die eine metallische Röhre mit einem in einem wärme­ leitenden Material eingebetteten Heizelement für eine gere­ gelte Wäremabgabe und mit einem Thermoelement für die Messung der Wandtemperatur der Röhre hat, wobei eine metallische Prüfhülse um einen vorbestimmten Abschnitt der Röhre herum angeordnet ist. Diese Vorrichtung wird innerhalb eines Sy­ stems mit Leitungen und Ventilen derart angeordnet, daß sie mit einer Flüssigkeit strömungsseitig in Verbindung ist, um die Korrosionsgeschwindigkeit aus dem Gewichtsverlust der metallischen Prüfhülse bei geregelten Bedingungen für eine vorgegebenen Zeitspanne zu bestimmen.

Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht der Vorrichtung gemäß der Erfin­ dung;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittansicht wie in Fig. 2 für eine abgewan­ delte Ausführungsform;

Fig. 4 ein Rohrleitungssystem, in das die erfindungsgemäße Vorrichtung eingegliedert ist.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Prüfelement 10, das eine Korro­ sionsprüfanordnung 12 umfaßt, welche koaxial in einem Rohr­ leitungsabschnitt 14 eines Rohrleitungssystems, das von der korrosiven Flüssigkeit durchströmt wird, angeordnet ist und einen ringförmigen Strömungskanal 16 bildet. Die Anordnung 12 enthält ein zylinderförmiges Heizglied 18, an dem ein zylin­ derförmiges, hülsen- oder muffenartiges Korrosionsprüfglied 20 (im folgenden "Prüfhülse" genannt) angebracht ist. Das Innere des Heizgliedes 18 ist mit einem in einer Isoliermas­ se 24, z. B. Magnesiumoxyd, eingebetteten, hochohmigen Heiz­ element 22 versehen, und wenigstens ein im Heizglied 18 ein­ gebettetes Thermoelement 26 dient dazu, die Wandtemperatur zu erfassen.

Der Rohrleitungsabschnitt 14 besteht vorzugsweise aus einem durchsichtigen Material, z. B. Glas, um eine visuelle Beobach­ tung der Flüssigkeitsströmung wie auch jeglicher Bildung von Belägen (Ablagerungen, Kesselstein od. dgl.) rund um die Ober­ fläche des Heizgliedes 18 zu ermöglichen. Das Heizglied 18 ist aus metallischem Material gebildet, z. B. aus rostfreiem Stahl, Kupfer, Titan, aus weichem, unlegiertem Stahl, aus Admiralitätslegierung od. dgl., was beispielsweise vom Rohr­ material des der Auswertung unterliegenden Wärmetauschers oder von der durch Strömen durch das Prüfelement 10 zu unter­ suchenden Flüssigkeit abhängt, oder es besteht aus dem glei­ chen Metallwerkstoff wie derjenige der Anlage, durch die die korrosive Flüssigkeit strömt. Im allgemeinen kommt für eine normale Kühlwasseranwendung rostfreier Stahl zum Einsatz, während Admiralitätslegierung für die Anwendungsfälle bei See- und Brackwasser benutzt wird.

Die zylinderförmige Prüfhülse 20 wird aus dem gleichen Mate­ rial wie das Heizglied 18 gebildet, um das eigentliche, wirk­ same Material der Wärmeübertragungseinheit zu verdoppeln und um auch den korrodierenden Effekt von verschiedenartigen Me­ tallen auszuschalten. Die Prüfhülse 20 weist eine minimale Dicke auf, um den Wärmeübertragungswiderstand herabzusetzten, jedoch eine hohe Korrosion vom Typ des Lochfraßes zuzulassen, und zwar beträgt die Dicke wenigstens etwa 0,762 mm. Um die Wirkung einer Wirbelströmung an der Oberfläche der Prüfhülse 20 auf ein Minimum herabzusetzen, wird ein angeströmter Ober­ flächenbereich 28 der Prüfhülse 20 maschinell zu einer Vor­ derkante 30 mit einer Dicke von weniger als etwa 0,381 mm abgearbeitet.

Die Prüfhülse 20 wird beispielsweise durch Punktschweißungen 32 aus Silberlot in bevorzugter Weise am Heizglied 18 der­ art angebracht, daß ihre Hinterkante 34 mit dem Endteil der Isoliermasse 24 übereinstimmt, um jegliche Wasserfilmstauung an der Seite des Thermoelements zu minimieren. Wie Fig. 3 zeigt, kann die Prüfhülse 20 am Heizglied 18 auch durch O- Ringe 36 aus federndem Material, die in im Heizglied 18 aus­ gebildeten Nuten 38 angeordnet sind, festgehalten werden. Um für eine Nachbildung gleicher Oberflächentemperaturen zu sorgen, ist die Prüfhülse 20 eng auf das Heizglied 18 ge­ setzt, z. B. mit Preßsitz, so daß zwischen diesen Teilen ein inniger Kontakt besteht und jeglicher Wärmeübertra­ gungswiderstand aufgrund von Lufteinwirkung auf ein Mini­ mum herabgesetzt wird.

Die Korrosionsgeschwindigkeit wird durch den Gewichtsver­ lust an der Prüfhülse 20 beurteilt, wie er während der Strömung der Flüssigkeit durch das Prüfelement 10 bei ge­ regelten Durchflußmengen und geregelter Wärmeabgabe vom Heizglied 18 pro Zeiteinheit in Erscheinung tritt.

Das Prüfelement 10 ist innerhalb eines Rohrleitungssystems 40 (Fig. 4) angeordnet, das Durchflußmeßgeräte 42 und 44, ein Rotameter 46 und ein Durchflußstrom-Regelventil 48 auf­ weist. Das Rohrleitungssystem 40 hat eine Einlaßleitung 50, die mit den Durchflußmessern 42, 44 durch Leitungen 52 und 54, die durch Ventile 56 bzw. 58 regelbar sind, in paralle­ ler Strömungsverbindung steht. Strömungsseitig sind die Lei­ tungen 52, 54 über die Leitung 60 unter Regelung durch ein Absperrventil 62 mit dem einen Ende des Rotameters 46 ver­ bunden, während dessen anderes Ende über die Leitungen 64, 66 mit dem Einlaßende des Prüfelements 10 strömungsseitig verbunden ist. Über ein Umgehungsventil 70 und eine Leitung 68 steht die Leitung 54 strömungsseitig mit der Leitung 66 in Verbindung.

Das Auslaßende des Prüfelements 10 ist über die Leitungen 72 und 74 unter Regelung durch ein Absperrventil 76 an das Durchflußregelventil 48, das über die Leitung 80 mit dem Auslaß 78 verbunden ist, strömungsseitig angeschlossen. Des weiteren besteht eine strömungsseitige Verbindung zwischen der Leitung 72 und der Leitung 80 über die Leitung 82, die durch ein Umgehungsventil 84 geregelt wird. Die Leitung 80 ist mit einer Durchflußzelle 86, die eine Mehrzahl von (nicht gezeigten) Sonden zur Messung weiterer Parameter der Flüssigkeit enthält, versehen.

Die Durchflußmesser 42, 44 sind vorzugsweise von der Ventu­ ri-Bauart, wobei jedes Meßgerät eine unterschiedliche Aus­ legungsleistung an Strömungsmengen hat, und sie sind elek­ trisch über Kabel 93 bzw. 94 und Wandler 88 an eine Diffe­ rentialmeßdose 90 angeschlossen, die den Druckabfall an den Durchflußmessern 42, 44 erfaßt. Das Rohrleitungssystem 40 ist mit einem Thermoelement 96, um die Wassereintrittstem­ peratur im großen und ganzen zu überwachen, und mit einer Hochtemperatur-Abschaltung 98 versehen.

Um einen ausreichend großen Bereich von Strömungsgeschwindig­ keiten zu bieten, kann eine Mehrzahl von Prüfelementen 10 mit unterschiedlichem Durchmesser für einen Austauscheinbau in das Rohrleitungssystem 40 verwendet werden. Das Durch­ fluß-Regelventil 48 ist vorzugsweise von einer Bauart mit konstantem Durchfluß, wobei ein (nicht gezeigter) Innendruck­ ausgleicher dazu dient, eine Strömung mit dem vorgegebenen Wert sicherzustellen. Das Rotameter 46 ermöglicht eine visu­ elle Überwachung und kann durch eine (nicht gezeigte) Diffe­ rentialdruckmeßdose elektronisch gesteuert werden.

Das Rohrleitungssystem 40 ist in eine (nicht gezeigte) über­ wachungs- und Aufzeichnungsanordnung integriert oder mit einer solchen zusammengeschaltet und auf einer Tragkonstruktion zur Anordnung in einem mobilen Transportbehälter, wie einem Lastwagen, Kfz-Anhänger od. dgl., montiert, um es leicht von Ort zu Ort zur Prüfung einer durch eine Anlage, z. B. einen Wärmetauscher, Reaktor od. dlg., fließenden Flüssigkeit transportieren zu können.

Im Betrieb wird die das Rohrleitungssystem, das auf einer ge­ eigneten Tragkonstruktion angebracht und in einem in sich ab­ geschlossenen, umgebenden Behälter untergebracht ist, ent­ haltende Überwachungs- und Aufzeichnungsanordnung nahe einer Betriebs- oder Prozeßanlage, z. B. einem Wärmetauscher, bei dem eine u. a. auf ihre korrodierende Wirkung zu untersuchen­ de Flüssigkeit zur Anwendung kommt, in Stellung gebracht, um die Korrosionsgeschwindigkeit mit Bezug auf eine wärmeüber­ tragende Fläche zu bestimmen. Ein Prüfelement 10 mit einem Heizglied 18 und einer Prüfhülse 20 aus gleichem Material wie die Rohrteile der Prozeßanlage wird innerhalb des Rohrlei­ tungssystems 40 angeordnet, wobei die Prüfhülse 20 vor ihrem Anbringen am Heizglied 18 einer Wägung unterworfen wird. Nach dem Positionieren läßt man die Flüssigkeit durch den Ringka­ nal 16 des Prüfmoduls 10 strömen. Dem Heizelement 22 des Heizgliedes 18 wird Energie zugeführt, und die Wandtempera­ tur des Heizgliedes 18 wird, um deren Temperatur zu erhal­ ten, überwacht. Gleichzeitig wird durch das Thermoelement 96 zusammen mit der Kontrolle der Fließgeschwindgkeit die Tem­ peratur der strömenden Flüssigkeitsmenge überwacht. Durch das Regelventil 48 mit konstantem Durchfluß wird die Wasser­ geschwindigkeit geregelt, und es erfolgt durch das Rotame­ ter 46 gleichzeitig eine die elektronische Überwachung durch die Differentialdruckmeßdose 90, die den Druckabfall entwe­ der am Durchflußmesser 42 oder 44 erfaßt, begleitende visuel­ le Überwachung.

Nach einer vorbestimmten Zeitspanne, beispielsweise von sie­ ben bis dreißig Tagen, wobei die Minimalspanne zwei bis drei Tage beträgt, wird die Flüssigkeitsströmung durch das Prüf­ element 10 unterbrochen und dieses Element 10 vom Rohrlei­ tungssystem 40 entfernt. Die Prüfhülse 20 wird vom Heizglied 18 abgenommen und gewogen, um eine Berechnung des Gewichts­ verlusts zu ermöglichen, der in die folgende Gleichung zur Bestimmung der Korrosionsgeschwindigkeit (CR) eingeht:

worin ist:
W₁ = Gewichtsverlust in g,
A = Flächenbereich der Prüfhülse in cm · 2,540,
d = Dichte des Metalls in g/cm³,
t = Prüfzeit in Tagen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Korrosionsgeschwindigkeit eines auf eine Flüssigkeit Wärme übertragenden Körpers, gekennzeichnet durch eine innerhalb eines Abschnitts (14) eines von der korrosiven Flüssigkeit durchflossenen Rohr­ leitungssystems (40) eingesetzte, von der Flüssigkeit um­ strömte und Wärme übertragende Anordnung (12), die ein zy­ linderförmiges Heizglied (18) mit einem Heizelement (22) umfaßt, und durch eine gewichtsmäßig vorbestimmte Prüfhül­ se (20) aus dem Metall, dessen Korrosionsgeschwindigkeit der Bestimmung unterliegt, die rund um das zylinderförmi­ ge Heizglied (18) im Preßsitz aufgebracht ist und deren Gewichtsverlust nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne ermittelt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß die Prüfhülse (20) und das zylinderförmige Heizglied (18) aus dem gleichem Metall gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Prüfhülse (20) eine Dicke von wenigstens etwa 0,0762 cm hat.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Prüfhülse (20) mit einer konisch gestalteten vorderen Anströmfläche (28) versehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkante (30) der konischen Anströmfläche (28) eine Dicke von wenigstens 0,0254 cm hat.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hinterkante (34) der Prüfhülse (20) mit einem stromabwärtigen Endabschnit des Heizgliedes (18) zusammenfällt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Prüfhülse (20) mit dem zylinderför­ migen Heizglied (18) verlötet oder verschweißt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das zylinderförmige Heizglied (18) mit in Umfangsrichtung umlaufenden, zueinander einen Abstand, der geringfügig größer als die Länge der Prüfhülse (20) ist, aufweisenden Nuten (38) versehen ist und daß in den Nuten je ein O-Ring (36) aus federndem Material angeord­ net ist, der die Prüfhülse auf dem zylinderförmigen Heiz­ glied festhält.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem zylinderförmigen Heizglied (18) ein die elektrische Energiezufuhr zum Heizelement (22) überwachendes und steuerndes Thermoelement (26) angeord­ net ist.