Korozymetria – monitoring szybkości korozji

Biorąc pod uwagę pewien stopień ryzyka i niepewności związany ze stosowaniem potencjałowego kryterium ochrony katodowej (trudności z prawidłową interpretacją wyników pomiarów potencjału, szczególnie przy oddziaływaniach zewnętrznych, np. prądów błądzących, trudności z oceną rozkładu potencjału na powierzchni konstrukcji, uzależnienie kryterium od lokalnych warunków i inne), w przypadku eksploatacji konstrukcji podziemnych o szczególnym znaczeniu celowe jest rozszerzenie systemu oceny skuteczności ochrony przeciwkorozyjnej konstrukcji o pomiary szybkości korozji w warunkach polaryzacji katodowej. Ponieważ ochrona katodowa przeciwdziałając procesom korozyjnym szybkość tę obniża do zera lub minimalnych wartości, istota pomiaru sprowadza się więc do kontroli czy korozja w miarę upływu czasu postępuje czy nie. System taki umożliwia wychwycenie nieprawidłowości działania instalacji ochronnych i dokonywanie korekty parametrów ich pracy w celu utrzymania skuteczności ochrony na założonym, odpowiednio wysokim poziomie. Jego realizacja wymaga od służb serwisowych dysponowania dokładnymi i precyzyjnymi metodami pomiaru bardzo niskich szybkości korozji i to w warunkach polaryzacji katodowej. Niewiele dostępnych dzisiaj technik pomiarowych może sprostać tym wymaganiom. Jednak niezaprzeczalną cechą takiego podejścia jest to, że uzyskiwane rezultaty są obiektywne, zależą wyłącznie od aparatury pomiarowej, a nie od poziomu wiedzy i przygotowania czy wykształcenia personelu wykonującego pomiary.

Zalety takiego podejścia znalazły swój wyraz w sformułowaniu kryteriów ochrony katodowej w Normie Europejskiej PN-EN 12954:2002, gdzie wyraźnie wskazano, że zadowalającym stopniem ochrony katodowej konstrukcji podziemnych i podwodnych jest ograniczenie ich szybkości korozji do wartości mniejszej niż 0,01 mm/rok. Nie jest wykluczone, że w niedalekiej przyszłości każdy użytkownik instalacji ochrony katodowej konstrukcji o ważnym znaczeniu strategicznym, mającej wpływ na bezpieczeństwo publiczne lub ochronę środowiska, będzie zobligowany oprócz wykonania typowych pomiarów potencjału zabezpieczanej konstrukcji (wykonywanych obecnie) do wykazania, iż osiągnięty stopień polaryzacji konstrukcji jest rzeczywiście wystarczający do obniżenia szybkości korozji poniżej dopuszczalnego poziomu.

W ochronie katodowej mogą być obecnie wykorzystywane dwie techniki monitoringu szybkości korozji (korozymetrii):

  • korozymetria kuponowa,

  • korozymetria rezystancyjna.

Inne, bardziej nowoczesne techniki elektrochemiczne, jak np. spektroskopia impedancyjna lub analiza harmoniczna czy techniki szumowe – znajdują się jeszcze w fazie badań i nie są jeszcze stosowane rutynowo do kontroli szybkości korozji konstrukcji polaryzowanych.

Zasada monitorowania skuteczności ochrony katodowej polega na ekspozycji w środowisku korozyjnym (ziemi, wodzie) próbki (elektrody) stalowej połączonej elektrycznie z chronioną katodowo konstrukcją (umieszczonej możliwie blisko chronionej katodowo powierzchni), a następnie po ustalonym czasie określenie ubytków masy tej próbki. W celu uzyskania miarodajnych wyników powinny być spełnione określone warunki:

  • próbki powinny być wykonane z tego samego lub zbliżonego materiału, co zabezpieczana przed korozją konstrukcja,

  • sposób wykończenia powierzchni próbki powinien odpowiadać monitorowanej konstrukcji,

  • próbka powinna być spolaryzowana do takiej samej wartości potencjału, jak chroniona katodowo konstrukcja,

  • umieszczenie próbki powinno w jak najmniejszym stopniu zmieniać warunki polaryzacji katodowej konstrukcji (pobór prądu, rozkład prądu i potencjału na powierzchni chronionej),

  • cała powierzchnia próbki eksponowana na wpływy środowiska powinna być spolaryzowana możliwie równomiernie; ogranicza to kształt próbek do prostych geometrycznie, najczęściej płaskich powierzchni.

Spełnienie powyższych warunków nie powinno napotykać większych trudności w przypadku monitorowania skuteczności ochrony katodowej stalowych rurociągów umieszczonych w gruncie. Zakres zastosowania czujników szybkości korozji na rurociągu, zarówno kuponowych jak i rezystancyjnych musi być jednak starannie dobrany. Wytypowane czujniki należy umieszczać przynajmniej w miejscach najbardziej zbliżonych i oddalonych od punktów drenażu instalacji ochrony katodowej, jak również w miejscach kolizji z innymi konstrukcjami podziemnymi, które mogłyby wpływać na obniżenie skuteczności ochrony.

Korozymetria kuponowa (grawimetryczna)
Monitorowanie szybkości korozji techniką korozymetrii kuponowej polega na ekspozycji w środowisku korozyjnym odpowiednich próbek metalowych, kuponów – które poddaje się okresowo ważeniu w celu określenia ubytków masy. Metoda ta jest w odniesieniu do badań przemysłowych znormalizowana. Znając dokładnie wielkość ubytku metalu (pożądana dokładność 0,1 mg), pole powierzchni próbki i czas ekspozycji (do 1%), można określić ilościowo szybkość korozji w jednostkach wagowych, np. g/m2h lub przy założeniu korozji równomiernej w mm/rok. Jeżeli kupon zwarty jest elektrycznie z konstrukcją chronioną katodowo, można określać w ten sposób skuteczność ochrony.
Prawidłowo wykonane i zamontowane kupony korozyjne dają prawie 100 %-ową pewność odnośnie kontrolowanej szybkości korozji i stosowane są na ogół jako punkt odniesienia dla innych technik monitorowania korozji.
Biorąc pod uwagę uciążliwości związane z koniecznością każdorazowego wykopywania kuponów w celu ustalenia ubytku masy, stosuje się je w praktyce stosunkowo rzadko, a szczególnie w sytuacjach wymagających całkowitej pewności co do uzyskiwanych wyników.

.

Korozymetria rezystancyjna

Monitorowanie korozji z wykorzystaniem pomiarów rezystancji elektrycznej stanowi jedną z najszerzej stosowanych metod określania szybkości korozji metali bez potrzeby usuwania próbek ze środowiska korozyjnego. Metoda ta jest dobrze udokumentowana i znormalizowana. Technika ta jest podobna do grawimetrycznej, z tym, że zamiast ważenia próbek w celu określenia ubytków korozyjnych, oblicza się je na podstawie wyznaczonych przyrostów rezystancji elektrycznej. W przeciwieństwie do metody wagowej, pomiary rezystancji można prowadzić dowolnie często, co praktycznie zapewnia możliwość monitorowania korozji w sposób ciągły.

Rezystancja korodującej próbki (elementu pomiarowego czujnika) jest wyrażona wzorem:

              R = r x L / S

gdzie:
R – mierzona rezystancja elektryczna czujnika,
r – rezystywność metalu – wartość stała dla określonego czujnika,
L – długość elementu pomiarowego – wartość niezmienna,
S – pole przekroju poprzecznego – wartość zależna od stopnia korozji.

W wyniku procesu korozji następuje stopniowe zmniejszanie przekroju próbki, natomiast jej długość pozostaje nie zmieniona. Zgodnie z podaną wyżej zależnością, powoduje to wzrost rezystancji próbki w miarę upływu czasu ekspozycji. Śledzenie wielkości zmian rezystancji w czasie umożliwia wnioskowanie o szybkości korozji.
Technika ta nadaje się zarówno do monitorowania korozji konstrukcji swobodnie korodujących, a więc niechronionych przed korozją, jak również polaryzowanych katodowo lub anodowo, a więc w warunkach ochrony elektrochemicznej.
Należy zwrócić uwagę, że pojedynczy pomiar rezystancji czujnika nie określa jednoznacznie szybkości korozji. Jedynie z różnicy dwóch kolejnych odczytów można określić ubytek metalu i przeliczyć go na średnią szybkość korozji w danym okresie.
W celu kompensacji wpływu temperatury na rezystancję korodującej próbki metalowej, mierzy się stosunek rezystancji próbki eksponowanej na wpływy środowiska do rezystancji umieszczonej w obudowie czujnika tzw. próbki odniesienia, która pozostaje w tej samej temperaturze, ale nie ulega korozji (jest dokładnie odizolowana od środowiska korozyjnego).
Mierzone zmiany rezystancji są bardzo małe, rzędu 10-5 – 10-4 Ohma i wymagają stosowania czułych metod pomiarowych, zważywszy że rezystancja kabli zazwyczaj jest powyżej 100 miliOhmów. Najczęściej stosuje się metody mostkowe z wykorzystaniem prądu zmiennego.
Metoda korozymetrii rezystancyjnej jako jedna z nielicznych pozwala oceniać ilościowo skuteczność ochrony elektrochemicznej.
Do zalet korozymetrii rezystancyjnej przemawiających na rzecz włączenia jej do systemów monitoringu ochrony katodowej należą:

  • wysoka czułość metody pozwalająca na kontrolę szybkości korozji stali w warunkach ochrony katodowej,

  • małe wymiary czujników rezystancyjnych i związana z tym łatwość ich instalacji na obiekcie chronionym,

  • prostota, krótki czas i łatwość wykonywania pomiarów, zwłaszcza przy stosowaniu korozymetrów najnowszej generacji sterowanych mikroprocesorowo,

  • możliwość stosowania metody w szerokiej gamie środowisk korozyjnych, a więc gruntów i wód o różnym przewodnictwie i korozyjności, w tym również nieprzewodzących prądu elektrycznego, np. suchym piasku,

  • możliwość obsługiwania wielu sond korozyjnych rozmieszczonych na gazociągu jednym przyrządem,

  • łatwa osiągalność aparatury pomiarowej oraz szeroki wybór czujników ze stali węglowej o różnej czułości i żywotności,

  • możliwość prowadzenia pomiarów w systemie telemetrycznym (istnieją gotowe systemy komputerowego monitorowania korozji wyposażone w czujniki rezystancyjne z przekazywaniem danych drogą radiową lub przewodową).

Spośród wad i ograniczeń metody korozymetrii rezystancyjnej należy wymienić:

  • ograniczenie stosowalności metody do przypadków korozji równomiernej; korozja lokalna czujników pomiarowych prowadzi do zafałszowania wyników pomiarów,

  • jednorazowość i stosunkowo wysoki koszt sond pomiarowych, które po zużyciu nie nadają się do regeneracji.



Biblioteka