Der Begriff Korrosion beschreibt laut DIN EN ISO 8044 die physikochemische Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung, die zu einer Veränderung der Eigenschaften des Metalls führt und die zu erheblichen Beeinträchtigungen der Funktion des Metalls, der Umgebung oder des technischen Systems, von dem dieser einen Teil bilden, führen kann. Diese Wechselwirkung ist oft elektrochemischer Natur. Die Norm definiert ebenfalls 37 verschiedene Korrosionsarten.

Wann tritt Korrosion auf?
Aufgrund der vielfältigen Formen von Korrosion ist im nachfolgenden nur der Mechanismus des Rostens beschrieben.
Auf einer Eisenoberfläche (grau) liegt ein Wassertropfen (blau), umgeben von Luft (weiß), siehe Schemazeichnung. Gemäß der elektrochemischen Spannungsreihe diffundieren positiv geladene Eisenatome in die wässrige Umgebung, die Elektronen verbleiben im Metall und laden es negativ auf (Siehe (1) in der Schemazeichnung):

(A)

Zunächst könnte man annehmen, das Eisen reagiere mit dem Wasserstoff des Wassers gemäß (Wasserstoffkorrosion):

Dissoziation des Wassers in Protonen

Die negative Aufladung des Metalls und die Grenzschicht aus positiv geladenen Eisenionen verhindert aber eine schnelle Umsetzung mit Protonen. Ist Sauerstoff vorhanden, kann er den Transport der Elektronen übernehmen. Im Diagramm diffundiert Sauerstoff von außen in den Wassertropfen. Der Konzentrationsunterschied im Wassertropfen erzeugt eine Potentialdifferenz zwischen (2) und (3). Der anodische Bereich (2) und kathodische Bereich (3) bilden mit dem Wasser als Elektrolyten eine galvanische Zelle, die aufgrund des Kurzschlusses zwischen (2) und (3) als Korrosions- oder Lokalelement bezeichnet wird. Bei (3) reagieren die Elektronen mit Wasser und Sauerstoff zu Hydroxid-Ionen:

(B)

Die Hydroxid-Ionen bilden mit den Eisenionen Eisen(II)-hydroxid (4). Unter Beteiligung von Sauerstoff und Wasser fällt schwerlösliches Eisen(III)-oxid-hydroxid aus, das sich auf der Eisenoberfläche bei (5) ablagert (Sauerstoffkorrosion).

Vereinfacht lautet die Summengleichung aus (A) und (B):

Wenn Eisen mit einem anderen Metall in Berührung kommt, entsteht an der Kontaktstelle ebenfalls ein Lokalelement, das zur Korrosion des unedleren Metalls führt.

Schemazeichnung Korrosion

Warum ist die Korrosionsüberwachung ein zunehmend immer häufiger diskutiertes Thema?
Anlagen werden heute weit effizienter betrieben, als in der Vergangenheit. Dabei werden die Ressourcen der Anlage teilweise bis zur Auslegungsgrenze belastet. Stillstandszeiten sind optimiert, so daß für ausführliche manuelle Inspektionen der Rohrleitungen und Apparate nur wenig Zeit zur Verfügung steht. Gleichzeitig nimmt die Anzahl der Personen stetig ab, die über so langjährige Praxiserfahrungen verfügen, um zuverlässige Aussagen über Korrosionsprobleme machen zu können. Häufigere Wechsel der produzierten Substanzen oder Umstellungen der Anlagenfahrweise erschweren eine zuverlässige Aussage über Korrosionsvorgänge. Durch Korrosion hervorgerufene Anlagenausfälle führen zu Produktionsausfällen, hohen Reparaturkosten und u.U. auch zu umweltrelevanten Störungen.

Welche Verfahren zur Korrosionsmessung sind bekannt?
Zur Korrosionsmessung werden heute eine Reihe von Verfahren eingesetzt. Man unterscheidet zwischen den direkten Verfahren und den indirekten Verfahren. Bei den indirekten Verfahren werden Hilfsparameter gemessen die einen Einfluß auf den Korrosionsvorgang haben. Hierzu zählen z.B. chemische Analysedaten wie:

• pH-Messung
• Gelöstsauerstoffmessung
• Metallionenkonzentration
• mikrobiologische Untersuchung

Wie wird Korrosion üblicherweise gemessen?
Stand der Technik sind so genannte Masseverlustmessungen von Prüfkörpern (Kupons) und Widerstandsmessungen. An Stellen, an denen Korrosion vermutet wird, werden Kupons in den Prozeß eingebracht. Diese Kupons werden vor und nach der Messung gewogen. Aus dem gemessenen Masseverlust wird die Korrosion (Summe aus linearer Korrosion und lokaler Korrosion) bestimmt. Da diese Prüfkörper über Wochen und Monate im Prozeß verbleiben müssen um meßbare Masseverluste zu erzeugen, wird lediglich ein Mittelwert der Korrosion bestimmt. Die Zuordnung von Korrosion zum momentanen Betriebszustand der Anlage ist nicht möglich. Die Bestimmung der lokalen Korrosion erfordert eine Mikroskopische Untersuchung des Prüfkörpers durch fachlich sehr qualifiziertes Personal. Eine gewissenhafte Reinigung des Kupons vor der Verwiegung ist obligatorisch. Sowohl das Einbringen als auch das Entfernen der Prüflinge sowie die Wägung und Mikroskopische Messung sind arbeitsaufwendig. Die ermittelten Werte müssen elektronisch erfaßt und aufgezeichnet werden. Diese Erfassung erfolgt in der Regel unabhängig von der Erfassung der Prozeßdaten (wie Druck, Temperatur, pH-Wert etc.).

Prüfkörper für Masseverlustmessung

Bei der Widerstandsmessung werden Sonden in den Prozeß eingebracht, bei denen das meßsensitives Element ein Draht ist, der aus dem gleichen Material ist aus dem auch die zu überwachende Apparatur bzw. Rohrleitung besteht. Der durch Korrosion hervorgerufene Materialabtrag führt zu einem geringeren Drahtquerschnitt und damit zu einem höheren elektrischen Widerstand. Dieser Widerstand wird gemessen und so auf die Korrosionsrate geschlossen. Das Meßprinzip setzt eine hochgenaue und langzeitstabile Widerstandsmessung voraus. Signifikante Ergebnisse ergeben sich erst nach einer gewissen Verweilzeit unter korrosiven Bedingungen, da erst dann ein entsprechender Materialabtrag eintritt. Das Meßelement ist üblicherweise recht filigran gestaltet und damit recht empfindlich gegenüber Druckstößen und hohen Strömungsgeschwindigkeiten.

Neben diesen Meßverfahren steht mit der Messung des linearen Polarisationswiderstandes ein echtes online-Meßverfahren zur Verfügung. Dieses Verfahren, bei dem eine Meßelektrode mit 2 Sonden in den Prozeß eingebracht wird erlaubt jedoch keine Aussage zur lokalen Korrosion, die für ca. 70% aller Korrosionsschäden verantwortlich gemacht wird.

Darüber hinaus sind Meßprinzipien basierend auf Ultraschallwanddickenmessungen und Schallanalysen entwickelt worden.

Allen geschilderten Meßverfahren gemein ist, daß sie entweder nur eine Korrosionsart messen können, personalintensive sind oder/und nur Aussagen zum Mittelwert der aufgetretenen Korrosion über Wochen oder Monate machen können.

Was ist SmartCet?
SmartCet ist ein Korrosionsüberwachungsgerät in Form eines Industrietransmitters zur Echtzeit-Korrosionsüberwachung in industrieller Umgebung.

Wie funktioniert SmartCet?
Eine 3-Sonden-Meßelektrode wird in den Prozeß an der Stelle eingebracht, die auf Korrosion überwacht werden soll. Da die Sonden dieser Meßelektrode aus dem selben Material wie die auf Korrosion zu überwachende Rohrleitung gefertigt ist, wird an den Sonden ebenfalls Korrosion auftreten. SmartCet mißt die bei der Korrosion auftretenden elektrischen Signale und wertet diese aus.

SmartCet mißt also nicht die Korrosion an der Behälterwand oder der Rohrinnenwand selbst, sondern die Korrosion an der Meßelektrode des Geräts. Da diese Elektrode dem selbem Medium wie die Rohr- oder Behälterwand ausgesetzt ist - bei gleichen Prozeßbedingungen wie Druck und Temperatur – wird an ihr eine weitestgehend identische Korrosion auftreten. Diese Korrosion wird vom SmartCet gemessen und ausgewertet.

Welches Meßprinzip wird im SmartCet eingesetzt?
SmartCet verwendet 3 Methoden zur Korrosionsmessung:

• LPR (linearer Polarisationswiderstand)
  Der (Polarisations-)Widerstand, d.h. das Verhältnis aus Strom und Spannung der korrodierenden Sonde, ist in einem kleinen Bereich linear (vergleichbar mit U=R*I bzw. U/I=R). Der Polarisationswiderstand ist umgekehrt proportional zum Korrosionsprozeß. D.h. je geringer der Polarisationswiderstand, desto stärker ist die Korrosion.
  Das Meßsystem besteht aus drei Elektroden: Arbeitselektrode (AE), Zählelektrode (ZE) und Referenzelektrode (RE). An der Arbeitselektrode wird eine DC-Spannung angelegt, deren Spannung sinusförmig variiert wird. Der Strom zwischen Zähl- und Arbeitselektrode wird gemessen. Der Polarisationswiderstand ergibt sich aus dem Verhältnis von Spannung und Strom. Dieser Polarisationswiderstand ist kein echter Widerstand im herkömmlichen Sinn, kann jedoch dank der LPR-Technologie als solcher betrachtet werden. Die Stern-Geary-Konstante dient als (der B­Wert) als Proportionalitätskonstante. Bei einem unbekannten System wird in der Praxis eine „Grundeinstellung“ für den B­Wert von 25 bis 30 mV gewählt, da der B­Wert systemabhängig ist.

  >>> mittels LPR wird die allgemeine Korrosion berechnet.

• HDA (harmonischen Verzerrungsanalyse)
  SmartCET berechnet den „echten“ B­Wert mit einer harmonischen Verzerrungsanalyse (HDA). Anstelle der bei der LPR-Berechnung verwendeten Grundeinstellung für den B­Wert erlaubt nun der tatsächliche, berechnete B­Wert eine genauere Bestimmung der Korrosionsrate. Wie funktioniert diese Technik?
  • a) An die Arbeitselektrode wird eine Wechselspannung mit sehr niedriger Frequenz (10 mHz) angelegt.
  • b) Der Strom wird bei 10, 20 und 30 mHz (Harmonische) analysiert.
  • c) Der B­Wert wird aus der Antwort bei den einzelnen Harmonischen berechnet.

  >>> Durch Bestimmung des „echten“

• ECN (elektrochemische Rauschmessung)
  Korrosion ist ein elektrochemischer Prozeß, bei dem elektrische Potentiale entstehen. Der zeitliche Verlauf dieser Potentiale wird im SmartCet ausgewertet und zur Berechnung der lokalen Korrosion/Pitting herangezogen.

  Die Lochkorrosionsrate ist ein Maß für die Gesamtstabilität des Korrosionsprozesses. Bestimmt wird diese Rate durch eine Messung des Eigenrauschens des Stroms der Arbeitselektrode und einen Vergleich dieses Meßwerts mit dem Strom der allgemeinen Korrosion, der aus der LPR-Messung erhalten wurde (Berechnung der allgemeinen Korrosionsrate).

  Allgemeine Korrosionsprozesse weisen in der Regel nur ein geringes Eigenrauschen auf, das Verhältnis zum Strom der allgemeinen Korrosion liegt typischerweise bei ≤1% (Lochkorrosionsrate ≤0,01). Mit dem Einsetzen von Instabilität (Beginn des Lochfraßes), führt das lokal begrenzte Auftreten von Korrosion zu einem höheren Rauschanteil des Stroms, verglichen mit dem allgemeinen Korrosionsstrom. Dabei kann die Lochkorrosionsrate einen Wert von 1 erreichen. Die Lochkorrosionsrate kann als Wahrscheinlichkeit betrachtet werden, daß der Korrosionsmechanismus lokal begrenzt ist.

  >>> mittels ECN wird die lokale Korrosion berechnet (Pitting)

Was mißt SmartCet?
SmartCet mißt bzw. berechnet sowohl die lineare oder allgemeine Korrosion in mm/Jahr als auch die lokale Korrosion oder Pitting. Da Pitting das Auftreten von kleinen und größeren, tiefen und weniger tiefen kraterförmigen Korrosionsbereichen ist, kann naturgemäß keine leicht durchschaubare Einheit angegeben werden. Aus diesem Grund wird mit dem Pittingfaktor eine dimensionslose Zahl berechnet, die eine einfache Aussage zur Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Pitting zuläßt. Zusätzlich wertet der SmartCet den Korrosionsmechanismus-Indikator (KMI) aus. Dieser Wert ist ein qualitativer Index für das Vorhandensein einer Oberflächenschicht. Eine solche Oberflächenschicht kann z. B. ein organischer Belag oder aber ein Sulfidschicht sein.

Wie/Wo wird SmartCet installiert?
Die 3-Sonden-Meßelektrode wird an der Stelle im Prozeß montiert, wo mit hoher Wahrscheinlichkeit mit Korrosion zu rechnen ist. Zweckmäßig sind z. B. die Meßpunkte, bei denen bisher mit den s.g. Kupons Korrosion überwacht wurde.

Was ist das Neue an SmartCet?

• Kombination von 3 bewährten Meßprinzipien zur Korrosionsmessung in einem System
• neuartige Algorithmus (Super LPR) berechnet aus den 3 Meßwerten lokale Korrosion (Pitting) und allgemeine Korrosion
• gleichzeitige Messung und Ausgabe der lokalen Korrosion (Pitting) und lokaler Korrsion (in mm/Jahr) aus einem Gerät und mit einer Meßelektrode
• Einsatz im rauhen Betriebsumfeld möglich da robustes Gehäuse
• einfache Einbindung in bestehende Infrastruktur durch die Verwendung der 4..20 mA 2-Draht-Technologie und Hart®-Kommunikation
• Einsatz im Ex-Bereich möglich

Bei welchen Prozessen kann SmartCet eingesetzt werden?
Das im SmartCet verwendete Meßprinzip benötigt eine gewisse elektrische Leitfähigkeit das die Elektrode umströmenden Mediums. Prozesse bei denen Medien eingesetzt werden, die elektrisch nicht leitfähig sind, lassen sich mit dem SmartCet in der Regel nicht auf Korrosion überwachen. Bei Einsatz von Standard-Meßelektroden beträgt die Sondenoberfläche ca. 5 cm2. Ab einer Leitfähigkeit von 100 µS hat die Leitfähigkeit des Mediums keinen negativen Einfluß mehr auf die Meßergebnisse der Korrosionsmessung. Im Bereich 10...100 µS ergeben sich im Regelfall akzeptable Meßergebnisse. Eine Vergrößerung der Sondenoberfläche führt bei kleinen Leitfähigkeiten zu stabileren, belastbareren Ergebnissen.

Wie können die Meßwerte des SmartCet ausgewertet werden?
SmartCet gibt die gemessenen Werte über das Standardkommunikationsprotokoll „Hart®“ aus. Die Kommunikation erfolgt über die 4..20 mA-Stromschleife des SmartCet-Transmitters. Wird der SmartCet nicht in ein Prozeßdatenauswertesysteme bzw. PLS eingebunden, steht mit FieldCet ein PC-Programm zur Verfügung, das die Meßwerte grafisch darstellt und die Konfiguration des Transmitters erlaubt.

Was sind die Vorteile von SmartCet im Vergleich zu anderen Lösungen?
SmartCet ist zusammen mit der verwendeten Meßelektrode ein Echtzeit-Korrosionssystem zur Inline-Messung direkt im Prozeß. Im Gegensatz zu anderen Systemen liefert dieses Meßsystem direkt nach Inbetriebnahme zuverlässige Angaben zur momentan auftretenden Korrosion. Durch die Kombination von drei Meßverfahren werden gleichzeitig sowohl Meßwerte zur linearen Korrosion als auch zur lokalen Korrosion (Pitting) berechnet und ausgegeben.

Ist SmartCet im rauen Betriebseinsatz einsetzbar?
SmartCet ist ein industrietauglicher Korrosionsmeßumformer im kompakten Metall-Transmittergehäuse. SmartCet ist in der Schutzart IP66 ausgeführt. Der Einsatz im Ex-Bereich, Zone 1 ist möglich – das Gerät ist entsprechend zertifiziert.

Wie wird SmartCet in neue/bestehende Prozeßdatenauswertesysteme bzw. PLS eingebunden?
SmartCet ist ein kommunikationsfähiger 2-Draht-Meßumformer, der seine Meßwerte über das weitverbreitete Hart®-Protokoll an praktisch alle üblichen Prozeßdatenauswertesysteme bzw. PLS weitergeben kann. Für Systeme, die noch keine Hart®-Kommunikation erlauben sind am Markt Umsetzer auf Strom-Signale (4...20mA) verfügbar. In jedem Fall ist ein Umsetzer zu wählen, der eine ausreichende (mind. 500V) galvanische Trennung zwischen Prozeß und Prozeßdatenauswertung sicherstellt. Hierdurch wird sichergestellt, daß auch im Fehlerfall in der Anlage oder im Prozeßdatenauswertesysteme bzw. PLS keine Spannungsverschleppung stattfinden kann.

Wie kann SmartCet eingesetzt werden, wenn kein Prozeßdatenauswertesysteme bzw. PLS vorhanden ist?
Honeywell bietet Komplettlösungen bestehend aus PC-Softwarepakete, Interface-Module zusammen mit Standard- oder Industrie-PC-Hardware an, die eine komfortable und preisgünstige Anzeige, Auswertung und Archivierung der von einem oder mehreren SmartCet-Korrosionstransmittern gemessenen Korrosionsmeßwerte erlaubt. Anstelle von PC-Hardware kann auch auf die bewährten Honeywell-Grafikschreiber als prozeßnahe Visualisierung und Archivierung zurückgegriffen werden.