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Diese
Erfindung betrifft ein Prüf-
und Auswertungsverfahren, sowie entsprechende Vorrichtungen und Instrumente,
unter Verwendung von Stahlsonden und für den kathodischen Schutz unterirdischer
Rohrleitungen.
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Es
ist bekannt, dass die Beurteilung der Adäquanz eines kathodischen Schutzsystems
für unterirdische
Rohrleitungen durch Messung des Potenzials und des Stroms einer
Stahlsonde erfolgt, welche tief im Boden in Rohrleitungsnähe angeordnet
und dadurch den selben Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist. Eine gesättigte Kupfer/Kupfersulfat-Referenzelektrode
(KSE) ist ebenfalls in unmittelbarer Nähe zur Stahlsonde installiert.
Dabei ist die Stahlsonde, die einen Beschichtungsdefekt simuliert,
elektrisch mit der Rohrleitung verbunden. Das „Aus"-Potenzial ohne ohmschen Spannungsabfall
wird bezüglich
einer Kupfersulfatelektrode (KSE) gemessen, indem die Verbindung
zwischen der Stahlsonde und einer Rohrleitung unterbrochen wird.
In der letzten Zeit wird dieses als „Sofort-Aus"-Verfahren bezeichnete
Verfahren in breitem Umfang zur Beurteilung kathodischer Schutzbedingungen
eingesetzt. Derartige Verfahren sind in der GB-A-2025056A und in
der EP-A-0 494 012 A1 offenbart.
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Die
Zeichnungen, auf die später
im Text noch eingegangen wird, und insbesondere 10 zeigen
eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Messung des Rohr-Erde-Potenzials mit
einer Sonde. In 10 bezeichnen jeweils die Bezugsziffern 1 eine
Rohrleitung, 2 eine Stahlsonde, 3 eine KSE, 4 ein
Amperemeter in Reihenschaltung 5 zwischen einer Rohrleitung
und einer Stahlsonde, 6 einen Ein/Aus-Schalter, 7 ein
Voltmeter in Reihenschaltung 8 zwischen der Stahlsonde 2 und
einer KSE 3, 9 eine Gleichstromquelle für den kathodischen
Schutz, 10 eine Anode, 11 eine Opferanode und 12 ein
Aufzeichnungsgerät.
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Bei
dem oben genannten System wird die Adäquanz des kathodischen Schutzes
durch Messung des „Ein"-Potenzials (d.h.
des Potenzials zwischen Rohrleitung und Erde), des „Aus"-Potenzials sowie
der Stromdichte beurteilt. Das „Ein"-Potential und die Stromdichte werden
vor Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen der Stahlsonde
und einer Rohrleitung gleichzeitig ermittelt. Das „Aus"-Potential wird nach
Unterbrechung der Verbindung der Stahlsonde mit der Rohrleitung
in Intervallen von 0,6 bis 1,0 Sekunden alle 10 bis 20 Sekunden
unter Verwendung eines Ein/Aus-Schalters 6 gemessen. Zeitliche
Schwankungen von „Ein"-Potenzial, „Aus"-Potenzial und Stromdichte
werden mit einem Aufzeichnungsgerät 12 aufgezeichnet.
Ein Beispiel der Ausgabedaten einer Feldstudie ist in 11 dargestellt.
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Es
treten bei dem oben genannten Verfahren jedoch auch einige nachfolgend
beschriebene Nachteile auf:
- a) durch Verwendung
eines Aufzeichnungsgeräts
mit Tiefpassfilter werden nicht die ursprünglichen Wellenformen der „Ein"- und „Aus"-Potenziale und die
Sondenströme
erhalten.
- b) "Aus"-Potenziale, Gleichstrom-
und Wechselstromdichten der Sonde sind zur Beurteilung der Adäquanz des
kathodischen Schutzes unabdingbar. Beim herkömmlichen Verfahren findet jedoch
nach Unterbrechung der Verbindung zwischen der Stahlsonde und einem
Rohr keine genaue Erfassung des „Aus"-Potenzials
der Stahlsonde statt, wenn ein erhebliches Problem bezüglich der
Depolarisation festgestellt wird. Außerdem lässt sich keine effektive Frequenz
in der Wechselstromdichte der Sonde erhalten.
- c) Es ist keine Datenberechnung möglich, wenn die zeitlich gemittelten
Werte benötigt
werden, beispielsweise weil die digitalen „Ein"-„Aus"-Potenziale sowie Gleichstrom- und Wechselstromdichten
der Sonde im System nicht erfasst werden.
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Zur Überwindung
der oben genannten Problempunkte (a) bis (c) schlägt die japanische
Patentanmeldung
JP 8-345313 ein
Auswertungsverfahren für
den kathodischen Schutz unterirdischer Rohrleitungen mittels einer
Stahlsonde und einer tief im Boden in Rohrleitungsnähe installierten
KSE durch numerische Analyse von „Ein"- und „Aus"-Potenzialen und
mittels eines Computers erfassten Sondenströmen vor. Die Stahlsonde ist dabei
elektrisch mit einer Rohrleitung verbunden. Es wird zunächst eine
Frequenzanalyse der gesammelten Daten durchgeführt, dann werden die Pegel
der „Ein"- und „Aus"-Potenziale, sowie
die Sondenströme
bei effektiven Frequenzen beurteilt.
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In
neuester Zeit verlaufen unterirdische Rohrleitungen meist parallel
zu Stromleitungen oder Zuggleisen. Dabei entsteht ein starkes Magnetfeld
zwischen einer Rohrleitung und Masse, und es kann insbesondere bei
einer gut beschichteten Rohrleitung eine erhebliche Spannung induziert
werden. Das oben genannte Patent enthält bezüglich Wechselstromkorrosion
keine direkten Angaben.
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Andererseits
ist es gegenwärtig
so, dass die unterirdische Umgebung von Rohrleitungen zunehmend aggressiver
wird und sich immer mehr Gelegenheiten für Wechselstromkorrosion bieten.
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Gemäss der Erfindung
wird ein Verfahren zur Verfügung
gestellt, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist.
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Diese
Erfindung stellt auch ein Prüfsystem
zur Verfügung,
wie es in Anspruch 5 definiert ist.
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Die
vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Gegenmaßnahme für die Wechselstromkorrosion
bereitstellt, der zufolge die Stahlsonde und eine KSE in der Nähe der kathodisch
geschützten
Rohrleitung unterirdisch installiert werden und das Potenzial zwischen
der Stahlsonde und einer KSE sowie zwischen der Stahlsonde und der
Rohrleitung gemessen wird, und ferner der Wert eines Wechselstroms
zwischen der Stahlsonde und der Rohrleitung synchron zu dieser zeitlichen
Wahl der Messung gemessen wird und aus diesen Werten sowohl der
Gleichstromkorrosionspegel als auch der Wechselstromkorrosionspegel
ermittelt werden.
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Die
Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter
beschrieben und erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Diagramm einer einzelnen Prüfstation
dieser Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung der Messzeit von „Ein"-Potenzial, „Aus"-Potenzial und Sondenstrom;
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3 ein
Erläuterungsdiagramm
der Anzeige und der Berechnung von „Ein"- und „Aus"-Potenzialen;
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4 das
Verhalten von Potenzial und Strom;
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5 eine
erläuternde
Ansicht einer ursprünglichen
Wellenform eines „Ein"-Potenzials;
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6 das
Verhalten von „Ein"-Potenzial und Frequenzspektrum;
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7 ein
Beispiel eines Sondenstroms;
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8 ein
Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäss dieser Erfindung;
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9 eine
erläuternde
Zeichnung des Messverfahrens dieser Erfindung;
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10 ein
erläuterndes
Diagramm einer bekannten kathodischen Schutzanordnung; und
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11 ein
erläuterndes
Diagramm der aus 10 erhaltenen Daten des kathodischen
Schutzes.
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In
den Zeichnungen zeigt 1 eine kathodische Schutzeinheit
gemäss
dieser Erfindung, wobei 1 eine Rohrleitung bezeichnet, 2 eine
Stahlsonde, 3 eine gesättigte
Kupfer/Kupfersulfatelektrode (KSE), 4 ein in die Verbindungsleitung 5 zwischen
der Rohrleitung 1 und der Sonde 2 zwischengeschaltetes
Amperemeter, 6 einen EIN/AUS-Schalter und 7 ein
in die Verbindungsleitung zwischen der Sonde 2 und der
Referenzelektrode 3 zwischengeschaltetes Voltmeter. Aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
wurde eine Gleichstromquelle für
den kathodischen Schutz, eine Anode und eine Opferanode aus der
Darstellung weggelassen. In 1 bezeichnet die
Bezugsziffer 13 einen kathodischen Schutzmonitor mit einer
in diesem Monitor 13 als Aufzeichnungsmittel (85 MB) 14 für die Datenaufzeichnung
integrierten IC-Karte, in der die „Ein"- und „Aus"-Potenziale und den Sondenstrom speichert
werden. Die IC-Karte 14 ist zur Analyse der erhaltenen
Daten mit einem Computer 15 verbunden.
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Als
nächstes
erfolgt die Datenerfassung und die Analyse der numerischen Daten
unter Verwendung des Computers 15, was nunmehr erläutert wird.
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Messung und
Analyse der Daten des kathodischen Schutzes
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Wie 2 zeigt,
erfolgt die Messung für
die Daten stets in etwa zu dem Zeitpunkt, an dem die Sonde 2 aus
dem „EIN"- in den „AUS"-Zustand übergegangen
ist. Im allgemeinen ist die „EIN"-Zeit weitaus länger als die „AUS"-Zeit, und grundsätzlich ist
hier ein Zyklus auf 10 Sekunden eingestellt, wovon 8,5 Sekunden
auf die „EIN"-Zeit und 1,5 Sekunden
auf die „AUS"-Zeit entfallen.
Ist beispielsweise die Messzeit größer oder gleich 2 Minuten,
dann bedeutet dies, dass 1 Zyklus wiederholt wurde. Grundsätzlich ist
die Zeit vor der „AUS"-Zeit und die Zeit
nach der „AUS"-Zeit auf 1 Sekunde
eingestellt. Alle 0,1 ms findet eine Abtastung des Bereichs innerhalb
der Zeit vor dem „AUS" und der Zeit nach
dem „AUS" statt, um die Werte
von „Ein"-Potenzial, „Aus"-Potenzial und Sondenstrom möglichst
genau zu messen und zu erfassen. Daher wird die Datenmenge für „Ein"-Potenzial, „Aus"-Potenzial und Sondenstrom
angesichts von bis zu 120000 aufgezeichneten Datenwerte ziemlich
umfangreich.
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1) Anzeige des „Ein"-Potenzials
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Innerhalb
des Zeitbereichs vor dem voreingestellten „AUS" wird das „Ein"-Potenzial zum Messinstrument hin angezeigt
und berechnet (Maximalwert, Minimalwert und gemittelter Wert). Empirisch
gesehen ist der Bereich zwischen 0,3 Sekunden vor dem „AUS" und 0,2 Sekunden
optimal zur Anzeige und Berechnung des „Ein"-Potenzials (siehe 3).
Da der Zeitbereich dieser 0,1 Sekunde alle 0,1 ms pro Zyklus abgetastet
wird, beträgt
somit die Gesamtzahl der Abtastungen 1000, und es sollen der Maximalwert,
der Minimalwert und der gemittelte Wert in den 1000 Daten angezeigt
werden.
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2) Anzeige des „Aus"-Potenzials
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Innerhalb
des Zeitbereichs nach dem voreingestellten „AUS" soll das „AUS"-Potenzial an das Messinstrument angezeigt
und berechnet werden. Theoretisch ist das „Aus"-Potenzial das Sondenpotenzial abzüglich der
ohmschen Spannung ir (hauptsächlich
des Schutzstrom- und Erdwiderstands) unmittelbar nach dem „AUS", da jedoch empirisch
gesehen ein anormales Stromsignal in vielen Fällen unmittelbar nach dem „AUS" eingeht, soll die
Auswertung zwischen dem Zeitbereich von 0,2 Sekunden bis 0,3 Sekunden
nach dem „AUS" erfolgen. Dies wird
identisch zur Berechnung des „Ein"-Potenzials, wodurch
Maximalwert, Minimalwert und gemittelter Wert aus 1000 Daten in
einem Zyklus angezeigt werden sollen.
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3) Sondenstromanzeige
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Da
der Sondenstrom im „EIN"-Status ausgewertet
werden soll, wird dies identisch zur Messung des „Ein"-Potenzials.
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Die
Anzeigen der „Ein"- und „Aus"-Potenziale und des
Sondenstroms können
fakultativ eingestellt werden, solange der Bereich innerhalb der
Zeit vor dem „AUS" und der Zeit nach
dem „AUS" liegt.
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Software und
Ausgabe
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Die
Messbedingungen können
beispielsweise wie folgt eingestellt werden, da es sich um Standardwerte
handelt:
„EIN"-Zeit: | 8,5
Sekunden |
„AUS"-Zeit: | 1,5
Sekunden |
1 Zyklus: | 10
Sekunden |
Messzeit: | 120
Sekunden |
Zeit
vor dem „AUS": | 1
Sekunde |
Zeit
nach dem „AUS": | 1
Sekunde |
Messbereich
für die
Anzeige des „Ein"-Potenzials: | 0,3
bis 0,2 s vor dem „AUS" |
Messbereich
für die
Anzeige des „AUS"-Potenzials: | 0,2
bis 0,3 s nach dem „AUS" |
Datenabtastintervall: | 0,1
ms |
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Da
die Zeit vor dem „AUS" und die Zeit nach
dem „AUS" identisch sind,
können
dann zwölf
Zyklen als Ausgabe erfasst werden, wie die Ausführungsform von 4 zeigt,
wobei die „AUS"-Zeit zwischen der
Sonde 2 und der Rohrleitung 1 das Ziel ist. Der
Grund dafür,
dass jeder Zyklus diskontinuierlich ist, besteht darin, dass die
kontinuierliche Messung eigentlich gerade durchgeführt wird.
Maximalwert, Minimalwert und gemittelter Wert von „Ein"-/"Aus"-Potenzialen und
Sondenstrom innerhalb dieses voreingestellten Bereichs sind in 4 rechts
dargestellt.
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Das
Abtastintervall ist aus den nachstehenden zwei Gründen auf
0,1 ms eingestellt:
- 1) Durch Erfassung der
ursprünglichen
Wellenformen von „Ein"-Potenzial und Sondenstrom,
wenn die Stahlsonde elektrisch mit einer Rohrleitung verbunden ist,
lässt sich
die Ursache einer Schwankung in der Frequenzanalyse festlegen, und überdies
erfolgt eine Auswertung der Adäquanz
des kathodischen Schutzes durch Analyse der ursprünglichen
Wellenformen von „Ein"-Potenzialen und
Sondenströmen. 5 zeigt
eine erläuternde
Darstellung der ursprünglichen
Wellenform des „Ein"-Potentials, während 6 eine Spektrumsanalyse des „Ein"-Potenzials mittels
FFT (der schnellen Fouriertransformation) zeigt. Effektiv bleibt
nur die 50 Hz Komponente der Stromleitungsfrequenz, die die Induktanz
von Stromübertragungsleitungen
angibt. Was sich auf die Korrosion bezieht ist der niederfrequente
Bestandteil aus dem Sondenstrom, der gleichzeitig mit dem „Ein"-Potenzial erfasst
wird.
Bei der vorliegenden Erfindung basiert der für die FFT
verwendete Filter auf der in 0,1 ms erfassten ursprünglichen
Wellenform, berechnet den gemittelten Wert für jeden Bestandteil von 25
Hz, 50 Hz, 100 Hz, 200 Hz und 500 Hz und zeigt diesen an. 7 zeigt
diese Ausführungsformen.
- 2) Das „Aus"-Potenzial der Sonde
muss auf der Grundlage der Analyse der ursprünglichen Potentialwellenform
bestimmt werden. Aus diesem Grund ist die Datenabtastzeit 0,1 ms
erforderlich.
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Wurde
der Standard im Vergleich zu den folgenden kathodischen Schutzkriterien
als Ergebnis der Analyse des numerischen Werts nicht erfüllt, dann
sollten Vorkehrungen zum Senken der Wechselstromspannung getroffen
werden, indem die Wechselstromspannung der Rohrleitung verringert
wird und die unterirdische Substanz mit der Rohrleitung verbunden
wird. Es ist wahrscheinlich, dass die elektromagnetische Induktionsspannung
in der Rohrleitung erzeugt wird, und es wird möglicherweise eine Wechselstromkorrosion
induziert.
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Kriterien für den kathodischen
Schutz unter Verwendung des „Sofort-Aus"-Verfahrens mit Stahlsonden
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- 1. Unter Bedingungen ohne induzierte Wechselstromspannung:
a)
mindestens –1,0
V KSE „Aus"-Potenzial, oder
b)
mindestens 0,010 mA/cm2 Gleichstromdichte
des Sondenstroms.
- 2. Unter Bedingungen mit induzierter Wechselstromspannung:
Kriterien
für kathodische
Schutzbedingungen bei induzierter Wechselstromspannung wurden noch
nicht ermittelt. Das heißt,
das Verhältnis
zwischen „Aus"-Potenzial, Gleichstrom-Kathodenstromdichte
der Sonde und Wechselstromdichte der Sonde ist nicht hinreichend
bekannt, um eine Wechselstromkorrosion zu verhindern. Es ist jedoch
nachgewiesen worden, dass sich bei einer Wechselstromdichte der
Sonde unter 5 mA/cm2 die Korrosionsrate
auf unter 3,17 × 1013 m/s (0, 010 mm/y) verringert. Aufgrund
dieser Situation werden die vorläufigen
Kriterien für
den kathodischen Schutz angegeben; d.h. Punkt (1) oben und unter
einem Wert von 5 mA/cm2 gemittelter Wechselstromdichte
der Sonde.
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Die
vorliegende Erfindung zielt auf die Beurteilung der Adäquanz des
kathodischen Schutzes durch Auswertung von Gleichstromkomponenten
(„Ein"-Potenzial, „Aus"-Potenzial und Gleichstromdichte
der Sonde) zusammen mit der Wechselstromdichte der Sonde ab.
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Dieses
Verfahren wird auf der Grundlage von 8 dargelegt.
In 8 bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine
Rohrleitung, 2 eine Stahlsonde, 3 eine KSE, 6 einen
EIN/AUS-Schalter, 16 eine Schutzschaltung, 17 einen
Bandpassfilter, 18 einen Tiefpassfilter, 19 einen
Verstärker, 20 eine
Messschaltung, 20a einen Messabschnitt für „EIN"-Strom (der Effektivwert
im Bereich 50 Hz bis 60 Hz), 20b einen Messabschnitt für „EIN"-Strom (der Filter
ist stets „EIN"), 20c einen
Messabschnitt für „AUS"-Potenzial (der Filter
ist stets „AUS"), 20d einen Messabschnitt
für „EIN"-Potenzial (der Filter
ist stets „EIN"), 21 einen
Datenverarbeitungsabschnitt, 22 einen Aufzeichnungsabschnitt, 23 eine
LCD-Anzeige, 24 einen Steuerabschnitt (Tastatur) und 25 eine
Stromquelle.
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Bei
dieser Instrumentenanordnung werden nach der Unterbrechung der Verbindung
zwischen der Stahlsonde und einer Rohrleitung Potenzialdaten zur
Abtastzeit von 0,1 ms ohne Tief- und Bandpassfilter gesammelt. Der
Grund für
die Durchführung
der aufgeführten
Vorgänge
besteht darin, dass (1) die Potenzialschwankungen der Stahlsonde 2 induziert
sind (es wird angenommen, dass der Grund für eine Potenzialschwankung
darin besteht, dass sich die Stahlsonde 2 in einem sehr
starken elektromagnetischen Feld befindet), obwohl der Pegel der
Wechselstrominduktionsspannung selbst nach dem „AUS" unter einem darüber befindlichen Hochspannungsstromdraht
niedrig ist, und (2) ein Bedarf für eine Erfassung der ursprünglichen
Wellenform besteht, da es das Depolarisationsphänomen der Stahlsonde 2 nach
dem „AUS" gibt (das Phänomen, bei
dem sich die Stahlsonde 2 in höherer Richtung verschiebt).
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9 zeigt
eine erläuternde
Darstellung des Messverfahrens zur Schätzung des Wechselstromkorrosionspegels
mit einer Stahlsonde, die mittels eines EIN/AUS-Schalters 6 in
einem Zyklus von 8,5 Sekunden Ein und 0,5 Sekunden Aus geschaltet
wird, wobei dieser Zyklus über
120 Sekunden hinweg wiederholt wird.
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Während dieses Übergangsstadiums
zwischen EIN und AUS werden Maximalwert, Minimalwert und gemittelter
Wert des „Ein"-Potenzials der Sonde
und des Gleichstroms der Sonde gemessen, wobei der Tiefpassfilter 18 (kritische
Frequenz von 50 Hz) „EIN" ist, und überdies
der Strom-Effektivwert
(rms) des Sondenwechselstroms 50/60 Hz bei eingeschaltetem Bandpassfilter 17 gemessen
werden soll, und ferner das Sonden-„Aus"-Potenzial (der Mittelwert von 0,1 ms
Abtastdaten) bei ausgeschaltetem Filter gemessen werden soll.
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Das
Symbol „A" in 9 ist
die Maximal-, Minimal- und Mittelwertmessung (der Sondenstrom-Effektivwert
von „Ein"-Potenzial, Gleichstrom
50/60 Hz), und Symbol „B" bezeichnet den Mittelwert
von 0,1 ms Abtastdaten, deren Anfang und Ende im Steuerabschnitt 24 frei
einstellbar sind.
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Besagtes
wurde über
15 Minuten hinweg 90 Zyklen lang sowohl für „A" als auch für „B" in einer Prüfstation gemessen.
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Zur
Information: durch die Zeitwahl von 8,5 Sekunden für die „EIN"-Zeit und 1,5 Sekunden
für die „AUS"-Zeit soll eine Störung des
Einflusses von elektrischem Eisenbetrieb gegen die Rohrleitung 1 vermieden werden (laut
des bisherigen Studienergebnisses auf dem Gebiet). Im Fall von darüberbefindlichen
Stromübertragungsleitungen
kommt der „Ein"- und „Aus"-Zeit aufgrund wiederholbarer
Phänomene
keine erhebliche Bedeutung zu.
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Wie
oben beschrieben ermöglicht
die vorliegende Erfindung einem Ingenieur die Auswertung der Wirkung
einer induzierten Wechselstromspannung auf eine Rohrleitung, die
parallel zu einer Stromleitung oder zu Zuggleisen verläuft. Dadurch
lässt sich
die Unversehrtheit der Rohrleitung für den kathodischen Schutz sicherstellen.