FI119150B - Menetelmä sähkökemiallisen korroosioneston toteuttamiseksi muuttuvissa olosuhteissa - Google Patents

Description

119150

Menetelmä sähkökemiallisen korroosioneston toteuttamiseksi muuttuvissa olosuhteissa Förfarande för att förverkliga ett elektrokemiskt S korrosionsskydd i föränderliga förhällanden

Keksinnön kohteena on menetelmä sähkökemiallisen korroosioneston toteuttamiseksi 10 muuttuvissa olosuhteissa, jossa menetelmässä (a) sijoitetaan ainakin yksi anturilaite kontaktiin suojattavassa kohteessa olevan elektrolyytin kanssa siten, että anturilaite on sähköisesti eristetty suojattavasta kohteesta, ja 15 (b) mitataan mainitulla anturilaitteella mainitun elektrolyytin sähkökemiallisia ominai suuksia tai korroosioreaktioiden nopeuteen vaikuttavia ominaisuuksia aikavälein, joka on pienempi kuin elektrolyytin korroosiomielessä merkittävään muuttumiseen kuluva aika.

20 Menetelmää voidaan käyttää sekä katodisten että anodisten korroosionestojen toteuttamisessa.

• · · • · · • · · * * 1 Sähkökemiallinen korroosionesto tarkoittaa menetelmää, jossa suojattavan metallipin- ' nan sähkökemiallista pintapotentiaalia muutetaan eli polarisoidaan edulliseen suuntaan ]#>1 25 tuomalla pinnalle sähkövirtaa. Sähkövirta voi olla peräisin joko suojattavaan kohtee-• 1 1 ;.. seen galvaanisesti liitetyistä epäjalommista eli uhrautuvista elektrodeista tai sitten ui- * · · • · · ’ koisesta tasavirtalähteestä erillisen elektrodin kautta syötettynä.

· • · · • · · Sähkökemiallista pintapotentiaalia mitataan suojattavan pinnan läheisyyteen asetetulla • · ”·[ 30 ja pinnasta galvaanisesti eristetyllä vertailuelektrodilla. Vertailuelektrodeja tunnetaan • · · *,,; 1 monia tyyppejä ja niiden käyttökelpoisuus riippuu vallitsevan elektrolyytin kemialli- • · • · • « · • · • · • · · · 2 119150 sista ja fysikaalisista ominaisuuksista. Käyttökelpoisen vertailuelektrodin ominaisuutena on käyttöolosuhteissa suhteellisen vakiona pysyvä ominaispotentiaali.

Sähkökemiallisen suojauksen kannalta edullinen polarisaatiosuunta voi olla joko pyr-5 kimys optimaalisen tiiviin oksidikerroksen potentiaalialueelle tai vaihtoehtoisesti pyrkiminen suojattavan metallin immuunialueelle ts. potentiaalialueelle, jossa metalliatomi on termodynaamisesti stabiili eikä näin ollen syövy.

10 Yleisimmin tunnetuissa tilanteissa, kuten esimerkiksi hiiliteräksen suojaus maaperässä tai merivedessä, suojauspotentiaalit ovat hyvin tiedossa ja vakioita. Suhteellisen stabiileissa korroosio-olosuhteissa optimaalinen suojauspotentiaali voidaan määrittää käyttäen tunnettuja korroosiotutkimusmenetelmiä, kuten polarisaatiokäyrän määrittämistä, potentiostaattisia painohäviötestejä tai oksidikerroksen resistanssimittauksia.

15

Uhrautuvia anodeita käyttämällä suojatun kohteen potentiaaliin pystyy vaikuttamaan vain anodien määrääjä sijaintia muuttelemalla. Potentiostaattisissa, ulkoisella virtalähteellä toteutetuissa suojauksissa mitataan kohteen potentiaalia ja pyritään pitämään se mahdollisimman lähellä ennalta valittua tavoitepotentiaalia muuttamalla automaatti-20 sesti virtalähteen syöttämää virtaa.

• · · e · ·

Potentiostaattinen korroosionestomenetelmä on hyvin tunnettu ja sen eri sovellustapoja • · t#t.. on kuvattu esimerkiksi patenteissa US-4,528,460 ja US-4,713,158. Julkaisun • · US-4,713,158 mukaisessa korroosionestomenetelmässä potentiaalin sallitaan liikkua • · .·: ·, 25 ennalta määrättyjen rajojen sisällä.

• · · * 1 · • · · i « 1

Prosesseissa, joissa olosuhteet muuttuvat selvästi ajan funktiona, ei potentiostaattista ; 1; ; menetelmää voi soveltaa ilman riskiä. Mikäli tietyt korroosioreaktioihin vaikuttavat • · * 1": kemialliset tai fysikaaliset muuttujat, kuten esim. pH, aggressiivisten ionien pitoisuus ··1 :·[·, 30 tai lämpötila muuttuvat merkittävästi, voidaan joutua tilanteeseen, jossa koko proses- • · .1··, siajan kattavaa optimaalista suojauspotentiaalia ei ole olemassa.

• · · • · • · • I1 5 3 119150

Lisäksi potentiostaattinen menetelmä ei toimi parhaalla mahdollisella tavalla ympäristössä, jossa suojaus ei perustu absoluuttiseen potentiaaliarvoon, vaan esimerkiksi toteutuneeseen polarisaatioon.

Erityisesti niiden metallien osalta, joilla korroosionkesto perustuu suojaavan oksidiker-roksen syntymiseen, ympäristötekijät vaikuttavat voimakkaasti suojauspotentiaaliin. Lisäksi korroosionkestonsa rajoilla olevan metallin suojauspotentiaalin optimialue on yleensä hyvin pieni, joten virhemarginaalia ei juuri ole.

10

Kaikissa kehittyneissä potentiostaattisissa korroosionestojäijestelmissä on mahdollisuus suojauspotentiaalin vapaaseen määrittämiseen, mutta se vaatii aina käyttäjän aktiivisen osallistumisen muutoksen määrittäjänä ja toimeenpanijana. Mikäli muutokset ovat nopeita, suojauksen hallinta sitoo liikaa työaikaa ja on siksi lähes mahdotonta.

15 Mikäli muutoksia on epäsäännöllisesti ja harvoin, riski niiden havainnoinnin laimin lyömiseen kasvaa. Lisäksi tehtaiden käyttöhenkilökunnalla ei yleensä ole riittävää ammattitaitoa tehdä tarvittavia mittauksia ja johtopäätöksiä muutostarpeesta.

Olosuhteita, joita on vaikea tai mahdoton hallita konventionaalisella potentiostaattisel-20 la korroosionestolla, ovat lähes kaikki kemian teollisuuden eräprosessit. Eräprosesseis- • · · *. ί ·' sa olosuhdemuutokset voivat olla aikariippuvaisia tai sitten muutoksen laukaisee jokin prosessisuure, kuten lämpötila tai kemikaalisyötön alku. Jatkuvissa prosesseissa on- ··»·· ] gelmia tuottavia epäjatkuvuuskohtia ovat esimerkiksi tuotannon lajinvaihdot. Niissä muutoksen laukaisijana on raaka-ainelähteen vaihtuminen. Potentiostaattisella mene- * » i *.. 25 telmällä on vaikea hallita myös betoniterästen katodista suojausta, jossa suojauskritee- • · · • · · rinä yleisesti käytetään absoluuttisen potentiaaliarvon sijasta aikaansaadun potentiaa- . . limuutoksen suuruutta.

• · · * · « • · * 1 · • · • ·

Korroosiotutkimusmenetelmät tarjoavat kyllä mahdollisuuden seurata korroosioag- * · » 1..I1 30 gressiivisuuden kehittymistä myös siten, että optimaalista suojauspotentiaalia voidaan • · * * I 1 määrittää pienin aikavälein. Tutkimukset ovat kuitenkin olleet tyypillisesti hetkellisiä, • · • · • ·· 4 119150 potentiostaattisen suojauksen määrittelyyn liittyviä tehtäviä, jotka on suoritettu laboratoriossa prosessista otetulla näytteellä. Monitorointityyppinen, jatkuva ja suoraan prosessiympäristössä suoritettava korroosiotutkimus on huomattavan harvinaista ja tähän asti sille ei ole ollut tarvettakaan, koska stabiilissa ympäristössä rajallinen näytteenot-5 tomäärä riittää ympäristön hahmottamiseen. Lukuisia korroosioreaktioihin vaikuttavia prosessisuureita pystytään kuitenkin jo mittaamaan reaaliaikaisesti.

Tekniikan nykyisestä tasosta on siis todettava se, että vaikka pitkälle kehitetty poten-tiostaattinen korroosionestojäijestelmä toimii erinomaisesti stabiileissa olosuhteissa, 10 ei muuttuviin olosuhteisiin ole olemassa automaattisesti muutoksiin sopeutuvaa menetelmää ja laitteistoa.

Keksinnön päämääränä on aikaansaada menetelmä, jossa korroosionesto sopeuttaa toimintansa muuttuviin korroosio-olosuhteisiin automaattisesti ilman viivettä. Eräänä kek-1S sinnön yksityiskohtaisempana päämääränä on aikaansaada menetelmä, joka voi käyttää hyväkseen sekä prosessisuureiden mittaustietoa että itse generoimaansa korroosiomit-taustietoa ja muuttaa ulkoisella virtalähteellä toteutetun korroosioneston virran- tai jän-nitteensyöttöä siten, että kulloisiinkin olosuhteisiin optimaalinen suojauspotentiaali saavutetaan. Keksinnön eräänä laajempana tavoitteena on myös pystyä hyödyntämään 20 prosessista mitattua ja korroosion lähtökohdista käsiteltyä tietoa suoraan tai välillisesti • · · '··*' prosessin ohjaukseen siten, että prosessin korroosioaggressiivisuus vähenee.

« · aaa * · ·»»··

A A

. Keksinnön päämäärä saavutetaan menetelmällä, joka on tunnettu siitä, että menetel- • a · · · • a ... mässä • a · 4 « · 25

• A A AAA

(c) johdetaan mainitun anturilaitteen mittaustulokset mittaus- ja tiedonkäsittely-. *. ·. yksikköön, j a määritellään mainittujen mittaustulosten perusteella optimipotentiaali, ja

• A A

• A

• A A

A A

• A

• A A

.. *. (d) muutetaan korroosioneston virtalähteen syöttämää virtaa tai jännitettä siten, että A fi f

• A

'.. I 30 mainittu optimipotentiaali saavutetaan.

A A

A A

• A A A

A A A k

• «A A

A

A A A A A A A

5 119150

Keksinnön mukaisessa menetelmässä on oivallettu soveltaa yleisesti tunnettuja sähkökemiallisia ja muita korroosioreaktioiden nopeuteen vaikuttavien suureiden mittausmenetelmiä ulkoisen virtalähteen avulla suoritettavan korroosioneston optimipotenti-aalin määritykseen siten, että optimipotentiaali määritellään käytön aikana jatkuvasti 5 uudelleen ja siten voidaan automaattisesti sopeutua muuttuviin korroosio-olosuhteisiin. Tällöin voidaan puhua potentiodynaamisesta korroosionestosta. Tapauksessa, jossa prosessisekvenssit toistuvat korroosio-olosuhteiltaan samanlaisina, voidaan optimipo-tentiaalin määrittelyssä hyödyntää aiemmin tehtyjen mittausten tietoja.

10 Keksinnön mukaisessa menetelmässä korroosioneston ohjausjäqestelmä määrittää uu delleen ja muuttaa korroosioneston optimipotentiaalia korroosio-olosuhteiden muuttuessa. Optimipotentiaalit määritellään edullisesti sähkökemiallisilla korroosiotutkimus-menetelmillä, kuten esimerkiksi polarisaatiokäyrän ajo, lineaarinen polarisaatioresis-tanssi tai CER (Contact Electric Resistance). Betoniterästen suojauksessa optimipoten-15 tiaalin uudelleenmäärittelyssä käytetään edullisesti depolarisaatiotestiä, jossa mitataan terästen toteutunut polarisaatio katkaisemalla suojavirta määrätyksi ajaksi ja mittaamalla depolarisaatio, josta sähkökentän ja elektrolyytin ominaisvastuksen aiheuttama jännitehäviö (IR-pudotus) on eliminoitu. Tämän keksinnön mukainen optimipotentiaa-lin määrittäminen ei ole rajattu edellä mainittuihin menetelmiin, vaan kaikkia sähkö-20 kemiallisia korroosionopeusmittauksia voidaan hyödyntää keksinnön mukaisessa tar- :. I.: koituksessa. Tapauksissa, joissa korroosio-olosuhteilla on selvä korrelaatio tiettyyn tai * * 1: tiettyihin yksiselitteisesti mitattaviin prosessimuuttujiin, kuten esim. pH, lämpötila tai | jonkin elektrolyyttikomponentin konsentraatio, voidaan mainitun prosessimuuttujan I,/ mittausta käyttää ohjaamaan optimipotentiaalin muuttumista. Keksinnön mukainen au-• · ;1/ 25 temaattinen, käytönaikainen korroosioneston optimipotentiaalin muuttaminen ei siten • · t * välttämättä edellytä käytönaikaisia sähkökemiallisia korroosiomittauksia.

* · • · · • · ·

Optimipotentiaalien käytönaikaista määrittelyä varten suojattavaan kohteeseen asenne- Φ m ]·1 taan ainakin yksi anturi, edullisesti useita antureita siten, että anturit tulevat kontaktiin • ·1· · ;' 30 suojattavassa kohteessa vallitsevan elektrolyytin kanssa. Anturit ovat sähköisesti eris- • · ·;·' tettyjä suojattavasta kohteesta ja ne on suunniteltu siten, että ne kestävät elektrolyytin « · • · • ·1 · 6 119150 kemialliset ja fysikaaliset olosuhteet. Mittauselektroniikka ja tietojenkäsittely-yksikkö voi sijaita anturilaitteen yhteydessä tai useamman anturilaitteen tapauksessa keskitetysti siten, että yksi tietojenkäsittely-yksikkö käyttää useampaa anturilaitetta.

5 Optimipotentiaalin määrittäminen voi tapahtua tietyin, valittavissa olevin aikavälein ajastetusti tai määrittäminen voidaan laukaista tietyn, korroosio-oloihin tunnetusti vaikuttavan prosessisuureen muuttuessa. Tapauksessa, jossa prosessisekvenssit toistuvat korroosio-olosuhteiltaan samanlaisina, voidaan hyödyntää aiemmin määriteltyjä opti-mipotentiaaliarvoja. Mainitut optimipotentiaaliarvot voidaan määritellä myös jaksot-10 täisellä korroosiotutkimuksella prosessissa tai laboratoriossa.

Keksinnön mukainen menetelmä soveltuu kaikkien ulkopuolisella virtalähteellä toteutettujen korroosionestojen ohjaamiseen, edullisimmin silloin kun korroosio-olosuhteet suojattavan kohteen ympäristössä ovat merkittävästi vaihtelevia.

15

Keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisien piirustuksien kuvioissa esitettyyn keksinnön erääseen edulliseen suoritusmuotoon, johon keksintöä ei kuitenkaan ole tarkoitus yksinomaan rajoittaa.

. 20 Kuvio 1 esittää graafisesti esimerkkejä polarisaatiokäyristä muuttuvissa olosuhteissa, • · · • · · ....: jolloin muuttuvina prosessisuureina ovat pH ja Cl'-pitoisuus.

• · ....: Kuvio 2 esittää keksinnön mukaisessa menetelmässä käytetyn mittausj ärj estelmän • 1·2· erästä edullista suoritusmuotoa kaaviomaisena kuviona.

• 25

Kuviosta 1 havaitaan, kuinka polarisaatiokäyrät muuttuvat prosessiolosuhteiden muut-tuessa. Ajanhetkellä 0 pH ja Cl'-pitoisuus ovat kuviossa 1 merkityllä tasolla. Ajanhet- »· t ϊ,,,ί kellä tj Cl'-pitoisuus laskee, ajanhetkellä Xi pH laskee, ajanhetkellä t3 Cl‘-pitoisuus ko- • 1·‘. hoaa ja ajanhetkellä U Cl"-pitoisuus jälleen laskee. Ajanhetkestä t2 alkaen pH säilyy • i :3: 30 vakiona.

»»· · 2 • « 3 • ·« * • 1 7 119150

Kuviosta 1 havaitaan, että aikavälillä 0 - ti optimipotentiaalin B arvo on kuvion 1 vasemman reunan osoittamalla tasolla. Vastaavasti polarisaatiokäyrän kohta A osoittaa kohtaa, jossa esiintyy maksimi syöpymisnopeus, ts. virta IcorT on maksimissaan. Potentiaalin ylittäessä polarisaatiokäyrällä kohdan C, metalli altistuu pistekorroosiolle. Ku-5 viosta 1 havaitaan, kuinka polarisaatiokäyrät muuttuvat siten, että optimipotentiaali B, maksimisyöpymisnopeutta kuvaava kohta A ja pistekorroosion alkamista kuvaava kohta C muuttuvat prosessiolosuhteiden pH, Cl' muuttuessa. Kuviosta 1 havaitaan myös, että esimerkiksi aikavälillä t2-ta käyttökelpoinen optimipotentiaali aiheuttaa pis-tekorroosiota aikavälillä t3-t4 olosuhteiden muututtua.

10

Kuviossa 2 keksinnön mukaista mittausjärjestelmää on merkitty yleisesti viitenumerolla 10. Mittausjärjestelmä 10 käsittää tasavirtalähteen 12, virransyöttöelektrodin 13, mittausanturin 14 ja mittaus* ja tiedonkäsittely-yksikön 17. Suojattavaa kohdetta, joka on tässä suoritusmuodossa prosessinestettä 15 sisältävä säiliö, on merkitty viitenume-15 rolla 11. Kuvion 2 mukaisessa suoritusmuodossa mittausjärjestelmä 10 käsittää lisäksi mittausanturin 16, joka voi mitata mitä tahansa prosessisuuretta tai prosessisuureita, kuten esim. pH, lämpötila T, konsentraatio C, jne. Mittausanturi 16 siis mittaa proses-sinesteen 15 kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia.

. 20 Keksinnön mukaisessa menetelmässä anturilaite 14 sijoitetaan kontaktiin suojattavassa « · » • · · **\ kohteessa 11 olevan elektrolyytin 15 kanssa siten, että anturilaite 14 on sähköisesti • *· eristetty prosessilaitteista. Anturilaitteella 14 mitataan elektrolyytin sähkökemiallisia • « iMt. ominaisuuksia tai korroosioreaktioiden nopeuteen vaikuttavia ominaisuuksia aikavä-• » .···. lein, joka on pienempi kuin elektrolyytin korroosiomielessä merkittävään muuttumi- • · · . * j *. 25 seen kuluva aika. Anturilaitteen 14 mittaustulokset johdetaan mittaus- ja tiedonkäsitte- • t · e ly-yksikköön 17 ja mittaustulosten perusteella määritellään optimipotentiaali B. Mitta-us-ja tiedonkäsittely-yksikkö 17 antaa ohjaussignaalin virtalähteelle 12 ja virtalähteen • · : * *' · syöttämää virtaa tai j ännitettä muutetaan siten, että optimipotentiaali B saavutetaan.

··· ·· · • * · • · .···, 30 Mittaus-ja tiedonkäsittely-yksikköön 17 johdetaan tarvittaessa lisäksi mittausanturin • * «·· .. * 16 mittaustulokset.

• · « • « 8 119150

Keksintö mahdollistaa sähkökemiallisen korroosioneston tavoitepotentiaalin muuttamisen automaattisesti muuttuvien korroosio-olosuhteiden tai suojauskriteerien täyttämisen niin vaatiessa. Keksinnön mukaista menetelmää voidaan käyttää sekä katodisten 5 että anodisten korroosionestojen toteuttamisessa. Keksintö mahdollistaa myös sen, että pystytään hyödyntämään prosessissa mitattua ja korroosion lähtökohdista käsiteltyä tietoa suoraan tai välillisesti prosessin ohjaukseen siten, että prosessin korroosioag-gressiivisuus vähenee.

10 Kuviossa 2 esitetty suoritusmuoto kuvaa katodista suojausta. Mikäli kuvion 2 mukaisessa suoritusmuodossa +napa ja -napa vaihdetaan keskenään, on kysymyksessä ano-dinen suojaus.

Edellä on esitetty ainoastaan eräs keksinnön edullinen suoritusmuotoja alan ammatti-1S miehelle on selvää, että siihen voidaan tehdä lukuisia modifikaatioita oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

• « · • · · ·»· f···· • « • · • · ·#· • · · • * · * ··♦ • · · • · · « • · • » · f * · • * ' ·«· • · • * ··# ·· · • · ft • · • · ft·· « · • · ··# * « · • · • »· ft ·

Claims (10)

119150

1. Menetelmä sähkökemiallisen korroosioneston toteuttamiseksi muuttuvissa olosuhteissa, jossa menetelmässä 5 (a) sijoitetaan ainakin yksi anturilaite (14) kontaktiin suojattavassa kohteessa (11) olevan elektrolyytin (15) kanssa siten, että anturilaite on sähköisesti eristetty suojattavasta kohteesta, ja 10 (b) mitataan mainitulla anturilaitteella (14) mainitun elektrolyytin sähkökemiallisia ominaisuuksia tai korroosioreaktioiden nopeuteen vaikuttavia ominaisuuksia aikavälein, joka on pienempi kuin elektrolyytin korroosiomielessä merkittävään muuttumiseen kuluva aika, tunnettu siitä, että menetelmässä 15 (c) johdetaan mainitun anturilaitteen (14) mittaustulokset mittaus- ja tiedonkäsittely- yksikköön (17), ja määritellään mainittujen mittaustulosten perusteella optimipotenti-aali (B), ja (d) muutetaan korroosioneston virtalähteen (12) syöttämää virtaa tai jännitettä siten, 20 että mainittu optimipotentiaali (B) saavutetaan. * · · • · · • » ·

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että samanpituisin jak- *:1· soin toistuvassa prosessissa mitataan prosessin sekvenssien kestoajat ja ajastetaan op- ***** timipotentiaalin (B) määritys mainitun sekvenssin mukaisesti. *·« V 1 25 ··* • · * V

* 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että eripituisin jaksoin toistuvassa prosessissa määritetään muutokseen vaikuttava prosessisuure ja laukaistaan # · « *|‘·' optimipotentiaalin (B) määritys mainitun prosessisuureen muutoksesta. • · e ·«» J V. 30

4. Jonkin patenttivaatimuksien 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että optimi- t · ·*". potentiaali (B) määritetään käyttämällä hyväksi aikaisemmin tehtyjen mittausten talle- ··· • « tettua tietoa. * ·* * 10 119150

5 Jonkin patenttivaatimuksien 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että optimi-potentiaalit (B) määritetään polarisaatiokäyrien avulla.

6. Jonkin patenttivaatimuksien 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että optimi- potentiaalit (B) määritetään lineaarisen polarisaatioresistanssin avulla.

7. Jonkin patenttivaatimuksien 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että optimi-potentiaalit (B) määritetään kontaktisähkövastuksen oksidikerroksen ohmisen resis- 10 tanssin avulla.

8. Jonkin patenttivaatimuksien 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että optimi-potentiaalit (B) määritetään sähkökemiallisien korroosionopeusmittauksien avulla.

9. Jonkin patenttivaatimuksien 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että optimi- potentiaalit (B) määritetään betoniterästen suojauskriteerien täyttymistä mittaavien menetelmien avulla.

10. Jonkin patenttivaatimuksien 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin 20 yhden prosessimuuttujan, joka on valittu ainakin ryhmästä pH, lämpötila T, konsent-i j': raatio C, mittausta käytetään ohjaamaan optimipotentiaalin (B) muuttumista. • · • S • · • n* • · ♦ * · · ··« • un • n · • » · • * · • · » • · ··« • · • e *·« «» · • · · • · • * ·*« • · • · n·· 1 ♦ « • ·· * • · 119150