Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Monitorování koroze v průmyslových provozech dosud bylo vždy záležitostí korozního inženýra − vyškoleného specialisty s hlubokými znalostmi a značnými zkušenostmi ohledně nauky o materiálech a chemie. K metodám hodnocení koroze, používaným těmito techniky, patřila především analýza obětovaných vzorků (tělísek) umístěných v potrubí. Vzorky se přesně zvážily před jejich vystavením působení provozních médií a následně se analyzoval úbytek kovu nebo jiné poškození. To byl základ pro stanovení plošné a lokální rychlosti koroze v celém procesu. Čím více tělísek bylo v potrubí umístěno a na čím více místech, tím více se získalo údajů pro analýzu, a tudíž tím přesnější byl přehled o korozi v zařízení.
V průběhu let se vyvíjely nástroje pro hodnocení koroze, které měly pomáhat korozním inženýrům vykonávat jejich práci efektivněji. Přestože zmíněné nástroje poskytovaly korozním expertům kvalitní údaje k vyhodnocení koroze, informace z nich dokázal získat zase jen specialista, ne operátor zařízení nebo automatizační inženýr. Teprve moderní snímače koroze dokážou monitorovat korozní proces a lze je snadno začlenit do standardní architektury řídicího systému.
CorrTran™ je první dvouvodičový snímač od společnosti Pepperl+Fuchs s výstupem 4 až 20 mA, který vyhodnocuje buď celkovou, nebo lokální (důlkovou) korozi přímo v provozu. Cílem bylo přenést posuzování koroze z laboratorních podmínek do každodenního řízení procesů.
Základem měření koroze je metoda Smart CET. Tu mohou zákazníci společnosti Pepperl+Fuchs používat k monitorování korozních dějů v reálném čase už delší dobu, ale CorrTran je první snímač používající tuto metodu v provozní praxi. CorrTran má všechny rysy běžných moderních provozních snímačů: jednoduchou obsluhu, dvouvodičové zapojení s výstupem 4 až 20 mA a možnost využít protokol HART.
Mechanismus koroze
Na povrchu kovů nebo jejich slitin nastávají při ponoření do elektricky vodivé kapaliny elektrochemické procesy nazývané korozní děje. Následující příklad ukazuje jednoduchou reakci železa, které se rozpouští v kyselém roztoku:
Fe → Fe2+ + 2e−
2H+ + 2e− → H2
Z povrchu kovu, např. korodujícího potrubí nebo nádrže, z místa tvořícího anodu, se do okolního roztoku, tj. kapaliny způsobující korozi, uvolňují železnaté ionty (Fe2+) a na povrchu kovu vzniká přebytek elektronů. Přebytečné elektrony se pohybují ke katodě, a tím vzniká korozní proud Icorr. Přebytečné elektrony jsou „spotřebovávány“ oxidačními činidly v korozním prostředí. Za běžných podmínek místa, která tvoří anodu a katodu, neustále mění svou polohu a vyskytují se po celém vodivém povrchu kovu. Toto náhodné rozmístění způsobuje, že přímo měřit korozní proud není možné. Proto se do korozního roztoku umísťuje elektrická sonda, skládající se z trojice měřicích elektrod ze stejného kovu. Mezi elektrodami se udržují malé rozdíly potenciálů a měří se výsledný proud, jehož velikost je ovlivněna i probíhajícími korozními ději. Jestliže elektrody korodují vysokou rychlostí, ionty kovu (v tomto příkladu železnaté) snadno přecházejí do roztoku a rozdíl potenciálů na elektrodách způsobí vznik velkého proudu, který je úměrný Icorr. Opačně, jestliže elektrody korodují pomalu a rychlost přecházení iontů do roztoku je malá, rozdíl potenciálů na elektrodách způsobí vznik jen malého proudu. S použitím složitých algoritmů a analýzy dat interpretuje CorrTran tuto informaci o korozi a předává ji inženýrům závodu v podobě běžného analogového signálu 4 až 20 mA.
Princip činnosti
Použitím patentovaných algoritmů a postupů analýzy dat, implementovaných v CorrTran, lze přesně měřit rychlost celkové koroze i lokální korozi (pitting). Ke zlepšení účinnosti metody měření lineárního polarizačního odporu, běžně akceptované v průmyslu k měření rychlosti koroze, je použita analýza harmonických zkreslení. K dalšímu zlepšení měření je možné do snímače uložit specifickou hodnotu podle Sterna a Gearyho (konstantu B), která závisí na materiálech potrubí a protékajícím médiu. V průběhu měřicího cyklu měří CorrTran elektrochemický šum, který v kombinaci s údaji o rychlosti koroze poskytuje údaj o velikosti důlkové koroze. Po dokončení každého cyklu měření se vypočítá příslušná rychlost koroze nebo hodnota charakterizující pitting a odešle se do řídicího systému v podobě signálu 4 až 20 mA. Podívejme se nyní na celý proces měření podrobněji.
Metoda měření lineárního polarizačního odporu (LPR) je již dlouho průmyslovým standardem pro sledování celkové koroze. Je založena na Sternově-Gearově zákonu, který dává do korelace vybuzený potenciál a měřený korozní proud a počítá z něj hodnotu polarizačního odporu. Tento odpor se potom používá ke stanovení rychlosti celkové koroze. Protože je nesmírně důležité použít u této metody správnou hodnotu konstanty B, kterou ale není snadné přesně stanovit, je metoda LPR sama o sobě považována za nespolehlivou. Analýza harmonických zkreslení (HDA) je založena na rozvinuté metodě LPR. Při použití nízkofrekvenčního sinusového signálu superponovaného k měřenému proudu je možné na základě harmonické analýzy výstupních signálů vypočítat odpor korozního roztoku. Pomocí polarizačního odporu a odporu roztoku lze rychlost celkové koroze stanovit mnohem spolehlivěji a přesněji.
Měření elektrochemického šumu (ECN) umožňuje vypočítat rychlost lokální koroze. Měří se spontánní kolísání, které nastává na rozhraní korodujícího kovu a roztoku. Takto měřit je možné pouze snímači vybavenými sondami se třemi elektrodami − tím lze zodpovědět otázku, kterou by si pozorní čtenáři jistě položili, totiž proč má snímač tři elektrody.
Specifikace snímače CorrTran
Standardní sondy používané ke zjišťování koroze u CorrTran se skládají ze tří elektrod: dvě jsou určeny k měření a jedna je referenční. Pro zajištění přesného měření musí být elektrody vyrobeny ze stejného materiálu, z jakého je sledované potrubí nebo nádrž. Obětované elektrody jsou napájeny slabým napětím a jsou umístěny přímo v proudu korozního média. Měřením proudu po dobu sedmi minut se získají údaje, které se analyzují, a tím je zjištěn přesný stav koroze.
K dispozici jsou elektrody z různých materiálů: uhlíkové konstrukční oceli (1018), korozivzdorných ocelí (304, 316), hastelloye, monelu, hliníkových slitin (1100, 2024), titanu (GR2) atd. K dispozici jsou také různé typy mechanických provedení sond s různými délkami, určené pro přímé uchycení ke snímači nebo k měření na vzdáleném místě. Základní sonda se dodává se standardním připojením závitem 3/4" NPT s tlakovou odolností až 10 MPa. Teplota provozního média může činit až +260 ºC a snímač může pracovat při teplotě okolního prostředí −40 až +70 ºC. Jediným nutným požadavkem pro získání přesného výsledku měření koroze je obsah min. 1 % vody v médiu v potrubí nebo nádrži.
Díky robustní konstrukci a krytí, které vyhovuje použití v průmyslovém prostředí, je CorrTran připraven pro instalaci do každé průmyslové technologie, od sběru a čištění odpadních vod, přes chemickou výrobu až po ropné rafinerie. Je-li prostředí klasifikováno jako prostředí bez nebezpečí výbuchu, je možné snímač jednoduše připojit k analogovému vstupu řídicího systému (DCS nebo PLC). V principu není problém ani v prostředí s nebezpečím výbuchu, protože do snímače se přivádí tak malé množství energie, že k iniciaci výbuchu nestačí; pouze výstupní signál 4 až 20 mA musí být zapojen v souladu s principy ATEX. K dosažení jiskrové bezpečnosti je postačující umístit mezi kartu I/O a snímač izolační bariéru, např. KFD2-STC4-Ex1 od Pepperl+Fuchs.
Obr. 1. Schéma procesu koroze
Obr. 2. Snímač koroze CorrTran™ v kompaktní verzi
Přednosti snímače CorrTran:
- přesouvá monitorování koroze z laboratoře do provozu,
- snižuje riziko poruchy zařízení,
- minimalizuje neplánované prostoje,
- snižuje náklady na celkovou údržbu a správu systému,
- lze jej snadno integrovat do existujícího systému,
- umožňuje optimalizovat využití zařízení,
- snadné připojení, instalace a obsluha,
- vhodný pro nové i již existující zařízení,
- vhodný pro vodné roztoky (min. obsah vody 1 %) a páru,
- atest ATEX 1 G E Ex ia II C T4,
- k dispozici je ve verzích standardní, nezápalné (Div2) a s jiskrovou bezpečností,
- snadná konfigurace pomocí HART nebo PACTware™.