Transcript Habilitacja wyklad o monitorowaniu

Katedra Elektrochemii, Korozji
i Inżynierii Materiałowej
Wydział Chemiczny
Gdańsk University of Technology
Monitorowanie korozji
w instalacjach wody spożywczej
Juliusz Orlikowski
Monitorowanie korozji




Konieczność oceny odporności
korozyjnej nowych tworzyw.
Weryfikacja użyteczności stosowanych
rozwiązań zabezpieczeń
przeciwkorozyjnych.
Ustalenie form zagrożenia w warunkach
eksploatacji.
Wskazanie (lub ustalenie) mechanizmu
danego zjawiska korozyjnego.
Formy korozji w układach
wodnych






Korozja równomierna
Korozja lokalna
Korozja podosadowa
Korozja selektywna
Korozja międzykrystaliczna
Pękanie korozyjne
Korozja ogólna
Korozja podosadowa
Korozja selektywna
Grafit
Rura żeliwna
Rok budowy rurociągu - 1897
Korozja lokalna
Pękanie korozyjne
Klasyczne metody oceny
agresywności korozyjnej wody

Badania analityczne wody:
• badania pH
• badania przewodnictwa
• Badania zawartości jonów: Ca+2, Fe+3,
Cl- zasadowość ogólna, zawartość tlenu

Wyznaczanie indeksów agresywności
korozyjne wody
Indeksy agresywności korozyjnej
wody

Indeks Langeliera:
LSI  pH  pH S



gdzie: LSI – indeks Langerier’a, pH –
odczyn kwasowości badanej wody,
pHS - odczyn kwasowości wody po
nasyceniu węglanem wapnia
LSI > 0 – woda nieagresywna
LSI < 0 – woda agresywna
Indeksy agresywności wody




Indeks Stabilności Ryznara (RSI)
Indeks Stiff-Davis (ISD) –
analizowane są inne jony
Indeks Puckorius’a (PSI) –
właściwości buforowe oraz wpływ
powstających osadów
Indeks Larson-Skold’a (ILS) –
badania empiryczne (korozja stali
węglowej na terenie wielkich jezior
USA)
Wady indeksów korozyjności


Wpływ bioorganizmów
Wpływ oddziaływania powstających
związków chemicznych na siebie




Związki kompleksujących jony
Związki jonowe i niejonowe
Związki inhibitujące i akcelerujące korozję
Wpływ rozpuszczonych gazów
Pomiar bezpośredni szybkości
korozji







Metoda polaryzacji liniowej
Metoda rezystometryczna
Pomiar grawimetryczny
Pomiar temperatury
Pomiar szumu elektrochemicznego
Pomiar analizy harmonicznej
Pomiar spektroskopii impedancyjnej
Pomiar rezystometryczny


Metoda polega na umieszczeniu w
środowisku korozyjnym sondy
korozymetrycznej wyposażonej w
czujnik wykonany z metalu będącego
przedmiotem badań
Szybkość korozji obliczana jest na
podstawie pomiarów rezystancji
elektrycznej, a nie ubytków masy
Czujnik rezystometryczny
Pomiary rezystometryczne




Pozwala na wykonywanie pomiarów średniej
szybkości korozji w funkcji czasu
Im dłuższy czas pomiaru tym większa
dokładność
Długotrwały pomiar niszczy elementy
czujnika
Konieczność doboru czujnika pod kątem
spodziewanej szybkości korozji wraz z
oceną czasu eksploatacji czujnika
Pomiary rezystometryczne
0.30
Szybkość korozji [mm/rok]
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
20
40
60
80
Czas [dni]
100
120
140
160
Pomiary rezystometryczne






Prostota i łatwość wykonania pomiaru
Możliwość uzyskania wyniku w krótkim czasie
Możliwość stosowania czujnika w szerokiej
gamie środowisk korozyjnych, w tym
nieprzewodzących prądu elektrycznego (gazy
lub pary)
Wiele sond korozyjnych rozmieszczonych w
instalacji przemysłowych może być
obsługiwana jednym przyrządem
Konieczność wykonywania co najmniej dwóch
pomiarów w pewnym okresie czasu
Sondy są jednorazowe i nie nadają się do
regeneracji
Pomiar polaryzacji liniowej



Pomiar polega na wykonywaniu
badań elektrochemicznych
Dokonuje się polaryzacji elektrody
czujnika średnio o wartość potencjału
równej 10mV
W wyniku pomiaru uzyskuje się
wartość prądu na podstawie której z
prawa Faraday’a można wyznaczyć
ubytek korozyjny materiału
Czujnik polaryzacyjny
Czujnik polaryzacyjny pozwala na
wykonywanie dodatkowych pomiarów:





pomiar grawimetryczny (elektrody
czujnika można demontować)
pomiar potencjału
pomiar prądu galwanicznego
pomiar szumu elektrochemicznego
analiza harmoniczna
Pomiar polaryzacji liniowej
Pozwala na wyznaczenie chwilowej
szybkości korozji
0.30
0.25
Szybkość korozji [mm/rok]

?
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
20
40
60
80
Czas [dni]
100
120
140
160
Pomiar polaryzacji liniowej





Nieniszczący charakter pomiarów
Możliwość pomiarów b. małych szybkości korozji
nieuchwytnych metodami klasycznymi
Krótki czas pomiarów (najczęściej kilka minut)
Stosowalność metody do środowisk
elektrolitycznych (uwaga na przepływy burzliwe),
Trudności stosowania w przypadku układów
korozyjnych wykazujących: silny dryft potencjału
korozyjnego, oscylacje, szumy elektrochemiczne,
nieodwracalność polaryzacji anodowej i
katodowej (silna histereza)
Pomiar szumu
elektrochemicznego

•
•
•
Technika bezinwazyjna, pasywna (nie wprowadzająca
zaburzenia do układu korozyjnego) - rejestracja i
analiza sygnałów elektrycznych generowanych przez
korodujący materiał
Umożliwia określenie szybkości korozji jak również
ocenę rodzaju zaatakowania.
Możliwe jest osiągnięcie dużej dokładności, pomiary
liniowego ubytku materiału na poziomie 1m.
Specyficzne wymogi techniki związane z rejestracją
sygnałów o bardzo niskich natężeniach oraz małych
częstotliwościach (długie czasy pomiaru).
Źródła szumu
elektrochemicznego



Ruch nośników ładunku elektrycznego: szum,
którego gęstość widmowa mocy (PSD) pozostaje
stała w szerokim zakresie częstotliwości (wymiana
ładunków między nośnikami; szumy termiczne).
Procesy zachodzące na powierzchniach elektrod
(zwłaszcza na ich niejednorodnościach). Generują
szumy o częstotliwościach zwykle poniżej 1 Hz.
PSD tego typu fluktuacji zazwyczaj zależy od
częstotliwości. Zjawiska powyższe mają charakter
stochastyczny i są ściśle związane z molekularną
budową materii.
Powolne zmiany fizyczne i chemiczne zachodzące w
układzie elektrochemicznym (głównie w otoczeniu
powierzchni
elektrod)
przyczyniają
się
do
powstawania
dryftu potencjału elektrodowego i
prądu – obserwowanych jako ich powolne zmiany.
Konfiguracja układu pomiarowego
Sonda pomiarowa
Pomiar fluktuacji
potencjału pomiędzy
dwoma zwartymi
elektrodami roboczymi i
elektrodą odniesienia.
Pomiar prądu zwarcia pomiędzy
dwoma jednakowymi elektrodami.
Uniwersalne sondy trójelektrodowe na których mogą
być prowadzone pomiary różnymi technikami
(impedancja, polaryzacja liniowa)
Analiza statystyczna
Parametry
statystyczne
przebiegów
szumowych
umożliwiają określenie szybkości korozji. Uznaną miarą jest
rezystancja szumowa, wielkość odwrotnie proporcjonalna
do szybkości korozji.
Odchylenie standardowe
szumu potencjałowego
E
Rn 
I
Odchylenie standardowe
szumu prądowego
Analiza widmowa
Rsn  lim
f 0
PSDU ( f )
 lim Z  f 
PSDI ( f ) f 0
Korozja lokalna
(realizacja procesu niestacjonarnego)
Rejestr szumu prądowego
odpowiadający korozji stali
stopowej
0H18N9
w
środowisku 0,6 M FeCl3 (A).
Widma
fourierowskie
dla
fragmentów sygnału (B i C)
Wykorzystanie analizy
niestacjonarnej
Wżerowanie metastabilne a
lokalne spektrogramy STFT...
Fragment przebiegu prądowego
szumu elektrochemicznego (stal
0H18N1T w 0,5 M roztworze chlorku żelaza (III).)
Spektrogram STFT powyższego
przebiegu. (Fs=50 Hz, okno typu
Hanninga, 128 punktów)
Analiza harmoniczna



Wykorzystanie nieliniowego
charakteru procesów
elektrochemicznych.
Pobudzenie z wykorzystaniem jednej
lub dwóch (intermodulacja) sinusoid
potencjałowych.
Odpowiedź prądowa w postaci
zbioru sinusoid prądowych
Sygnał pobudzający
Odpowiedź prądowa
Struktura intermodulacyjna
Możliwości



Układy kontrolowane aktywacyjnie
Układy kontrolowane dyfuzyjnie
Układy aktywno-pasywne
Automatyczny system
monitorowania korozji
Czujniki
Komputer
przemysłowy:
analiza danych
System sterowania
i kondycjonowania
sygnału
Centralna sterownia:
szybkość korozji
Transfer danych:
•Sieć komputerowa
•Modem
•Sieć bezprzewodowa:
GSM (GPRS), SMS
System sterowania
i kondycjonowania danych
Komputerowy system pomiarowy
Komunikacja bezprzewodowa
Przemysłowy komputer
pomiarowy
Pliki pomiarowe
Terminal GPRS
telefonia komórkowa
Serwer www, ftp
Dostęp do danych
poprzez www, wap
Transmisja FTP
Instalacja ciepłej wody – basen pływacki
Wpływ dodatków bakteriobójczych na szybkość korozji
Wyniki pomiaru szybkości korozji
0,10
0,09
0,08
Vcor [mm/rok]
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,00
2004-04-14
12:00
2004-04-14
19:12
2004-04-15
02:24
2004-04-15
09:36
2004-04-15
16:48
2004-04-16
00:00
2004-04-16
07:12
Time
Wyraźny cykl dobowy ----- przyczyny ???
Analiza szybkości przepływu wody na proces korozji
0.15
Vc [mm/year]
0.12
0.09
0.06
0.03
0
00:00
04:48
09:36
14:24
19:12
00:00
Time [h]
Wyniki pomiarów szybkości korozji wykonanych za pomocą automatycznego
systemu monitorowania korozji, kolorem czarnym zaznaczono typowy
przebieg dobowy, krzywa purpurowa – operacja termicznego usuwania
bakterii Legionella
Geotermia Podhalańska S.A.
Dobór materiałów konstrukcyjnych na nowe
instalacje
Automatyczny system
monitorowania – sieć wodociągowa
miasta Gdańsk
Analiza skuteczności działania
inhibitorów korozji
bez inhibitora
Analiza zasięgu działania inhibitora
korozji
Wnioski :
•Wykorzystanie automatycznego systemu monitorowania korozji
umożliwia wykonywanie ciągłych pomiarów szybkości korozji.
•Z racji zastosowania prostych rozwiązań system charakteryzuje się
dużą uniwersalnością (możliwość stosowania różnych czujników) oraz
bardzo niską ceną
•System bezprzewodowego systemu komunikacji umożliwia zdalne
wykonywanie pomiarów i ciągłą ocenę szybkości korozji, ponadto
możliwe jest sterowanie pracą systemu i ocena jego stanu.
•System zapewnia obok pomiaru chwilowych szybkości korozji pomiar
temperatury, pomiar zawartości tlenu, pomiar stężenia jonów
chlorkowych, pomiar pH wody.
• Konstrukcja czujników korozyjnych umożliwia ocenę ubytków
wagowych elektrod (pomiar grawimetryczny) oraz wizualną ocenę
charakteru uszkodzeń korozyjnych.