DE3884447T2 - In-situ-Überwachung der Korrosionsrate von polarisierten oder unpolarisierten Metallen. - Google Patents

In-situ-Überwachung der Korrosionsrate von polarisierten oder unpolarisierten Metallen.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dauernden Messung der Korrosionsgeschwindigkeit in einem metallischen Bauteil, das in einen Elektrolyten eingetaucht ist und damit mit diesem in Kontakt steht, bei dem an das korrodierende metallische Bauteil eine Störung mittels einer Sinusspannung mit mäßiger Amplitude und einer Grundfrequenz f angelegt wird.
  • Das am 14.4.87 offengelegte U.S.-Patent Nr. 4 658 365 beschreibt die Messung von Korrosionsgeschwindigkeiten von kathodengeschützten Systemen. Bei dieser Anmeldung werden Verfahren zur Erweiterung dieser Analyse für die Berechnung der Korrosionsgeschwindigkeiten bei jedem angelegten Potential (kathodisch oder anodisch) bzw. bei freiem Korrosionspotential beschrieben. Eine Anzahl bekannter Meßtechniken für elektrochemische Impedanz werden in Electrochemical Corrosion Testing ASTM, Special Technical Publication, 727, Philadelphia, PA, US, 1981 auf den Seiten 110-149 von D.D. MacDonald et al. erläutert und verglichen.
  • Elektrochemische in-situ-Techniken wurden bereits erfolgreich bei der Messung der Korrosionsgeschwindigkeiten von frei korrodierenden Metallen angewendet. Die Analyse des Ansprechens einer Elektrode auf Sinusspannungsstörungen mit kleiner Amplitude (< 10 mV) bildet die Grundlage einer gut eingeführten Technik, die unter Wechselstrom-Impedanzspektroskopie bekannt ist. In Korrosionsstudien wird eine Störung mit kleiner Amplitude über das freie Korrosionspotential gelegt, und die Impedanz ( = / wobei eine komplexe Variable angibt, V die Spannung und I der Strom ist) wird bei niedriger Spannung auf einen reellen Wert extrapoliert, um einen "Korrosionswiderstand" Rcorr zu definieren, der für eine bestimmte Elektroden/Elektrolyten- Kombination charakteristisch ist. Die Stern-Geary-Relation kann zur Berechnung des Korrosionsstromes, Icorr wie folgt verwendet werden:
  • Icorr = &beta;a&beta;c/2,303 Rcorr (&beta;a + &beta;c) (1)
  • wobei &beta;a und &beta;c jeweils die Tafel-Koeffizienten für anodische und kathodische Teilreaktionen darstellen.
  • Die zur Gleichung 1 führende Ableitung geht davon aus, daß die korrodierende Elektrode linear auf die aufgezwungenen elektrischen Störungen anspricht; das heißt, eine Verdoppelung der störungsverursachenden Spannungsamplitude führt zu einem verdoppelten Ansprechstrom (aber einer unveränderten Impedanz). Da physikalische Variable in allen physikalisch durchführbaren Systemen eine finite erste Ableitung aufweisen müssen, ist es immer möglich, lineare Zustände durch Anlegen einer Störung mit begrenzender kleiner Amplitude zu erreichen. Die Nichtlinearität der Relation Strom/Spannung in korrodierenden Systemen verhindert den Einsatz der herkömmlichen Wechselstrom-Impedanzspektroskopie entweder bei Gleichstrompotentialen, die mehr als einige Millivolt des freien Korrosionspotentials betragen oder durch Einsatz einer anderen als einer begrenzend kleinen Störung. Der Grund dafür ist, daß in einem nichtlinearen System die elektrische Störung, die dem System mit einer Frequenz f aufgezwungen wird, zusätzlich zu einer Gleichstromkomponente zu einem Ansprechen bei &sub2;f, &sub3;f, &sub4;f usw. führt. Weder die Grundreaktion (&sub0;f) noch das gesamte Ansprechen der Kraft
  • können analysiert werden, um einzig und allein den Korrosionswiderstand zu bestimmen. Die Verwendung der Gleichung 1 zur Bestimmung der Korrosionsgeschwindigkeiten setzt voraus, daß der Ausdruck B = &beta;a&beta;c/(&beta;a + &beta;c) bekannt ist. In reellen Systemen kann B ohne große Spannungsstörungen, welche die in Frage kommende Oberfläche modifizieren können, schwer zu bestimmen sein. Selbst wenn ein Wert von B durch einen zweiten Versuch bestimmt wird, kann dieser Wert im Verlauf eines Experiments schwanken. Die Werte von Rcorr können daher nur dazu benutzt werden, eine qualitative Angabe für die Korrosionsgeschwindigkeit zu liefern.
  • Es gibt eine Anzahl ziemlich gleicher Situationen, in denen das Potential des untersuchten Metalls wesentlich mehr als einige Millivolt des freien Korrosionspotentials beträgt; in diesen Situationen ist die Stern-Geary-Relation (Gleichung 1) ungültig, wie vorher erläutert. Beispielsweise führen die bekannten Korrosions-Kontrolltechniken für kathodischen Schutz und anodischen Schutz typischerweise zu einer einige hundert Millivolt des freien Korrosionspotentials betragenden Verschiebung im Potential des Metalls. In ähnlicher Weise können große Verschiebungen im Potential herbeigeführt werden, wenn ein Metall galvanisch mit einem anderen, unähnlichen Metall gekoppelt wird. Daher wäre eine Technik zur Überwachung der Korrosionsgeschwindigkeiten bei jedem Potential ohne eine dabei erforderliche getrennte Messung von &beta;a und &beta;c äußerst nützlich und könnte in großem Umfang eingesetzt werden.
  • FR-A-2 527 772 beschreibt ein Verfahren zur augenblicklichen Messung der Korrosionsgeschwindigkeit durch die Messung der Relation zwischen kleinen Störungen &Delta; v des Potentials von Metall-Lösung und den Schwankungen &Delta; i, die in die Dichte des zwischen dem Metall und der Lösung fließenden Stroms induziert werden. Der widerstandsfähige Teil der Impedanz wird für die höchste Frequenz gemessen, bei der der ansprechende Teil der Impedanz ein Minimum innerhalb des Bandes von 10 bis 2000 Hz durchläuft. Das Verfahren geht jedoch davon aus, daß das Verhältnis von komplexer Spannung zu komplexem Strom vom Störungspegel unabhängig ist.
  • Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, ein elektrochemisches Verfahren für die genauere Überwachung der Korrosionsgeschwindigkeit einer Struktur bereitzustellen, das in einer größeren Bandbreite von Konditionen eingesetzt werden kann als die vorhandenen Verfahren.
  • Die Korrosionsgeschwindigkeit kann durch periodische Gewichtsverlust-Messungen der korrodierenden Metalle bestimmt werden. Dies ist ein zeitaufwendiger Vorgang und die Ergebnisse können nur dann interpretiert werden, wenn die Fließ- und Umgebungsbedingungen konstant bleiben.
  • Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, ein verbessertes, automatisiertes Verfahren zur Bestimmung der Korrosionsgeschwindigkeit eines Metalls bereitzustellen.
  • Vorgenanntes und andere Ziele werden mittels einer Technik zur elektrochemischen Messung des Korrosionsstroms (der Korrosionsgeschwindigkeit) erreicht.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur dauernden Messung der Korrosionsgeschwindigkeit in einem metallischen Bauteil, das in einen Elektrolyten eingetaucht ist und damit mit diesem in Kontakt steht, bei dem an das korrodierende metallische Bauteil eine Störung mittels einer Sinusspannung mit mäßiger Amplitude und einer Grundfrequenz f angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der harmonische Ansprechstrom, der bei jeder von mehreren Frequenzen, die Vielfache oder Harmonische der angelegten Grundfrequenz f sind, analysiert wird, wobei der harmonische Ansprechstrom elektrochemische, zur Berechnung der Korrosionsgeschwindigkeit erforderliche Parameter enthält, die eine Funktion der Frequenzharmonischen sind, die als Reaktion auf die Sinusspannungsstörung ohne Gleichspannungsschwankung des Potentials auftreten, daß das Ansprechen des Gleichrichtungsstroms auf das Vorhandensein der Sinusspannungsstörung mit mäßiger Amplitude bei der Frequenz f gemessen und die freie Korrosionsstromdichte, das freie Korrosionspotential und die Tafel- Koeffizienten berechnet werden, wobei die Tafel-Koeffizienten ein Maß für die exponentielle Abhängigkeit der Korrosionsgeschwindigkeit des Materials sind. Die zur Berechnung der Korrosionsgeschwindigkeit erforderlichen elektrochemischen Parameter sind im harmonischen Ansprechstrom auf eine an das korrodierende metallische Bauteil angelegte Sinusspannungsstörung mit mäßiger Amplitude enthalten. Der harmonische Ansprechstrom wird bei den Frequenzen &sub1;f, &sub2;f, &sub3;f, &sub4;f, &sub5;f und der Gleichrichtungsstroms-Ansprechstrom bei Gleichstrom auf das Vorhandensein einer Spannungsstörung von 20-50 mV Wechselstrom bei einer Frequenz f analysiert. Die freie Korrosionsstromdichte, das freie Korrosionspotential und die Tafel- Koeffizienten werden berechnet. Der Tafel-Koeffizient oder die Tafel-Flanke ist ein Maß für die exponentielle Abhängigkeit der Korrosionsgeschwindigkeit in einem Material. Aus diesen Daten wird der Zersetzungsstrom berechnet, der wiederum zeitlich integriert wird, um einen kumulativen Masseverlust zu erzeugen.
  • Es wird davon ausgegangen, daß das hier offengelegte Verfahren ein leistungsstarkes Hilfsmittel in der Forschung darstellen kann, das dem Forscher eine rasche Auswertung der Auswirkungen von Veränderungen hinsichtlich des Prüfpotentials oder des Stroms, der Fließbedingungen oder der Wasserchemie ermöglicht. Die Anwendung der Ergebnisse dieser Technik könnte des weiteren zur Überwachung der Korrosionsgeschwindigkeit jeder Struktur verwendet werden.
  • Diese Erfindung kann am besten anhand der folgenden Figuren erklärt werden, wobei:
  • Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung ist, die zur Bereitstellung der erforderlichen Parameterinformationen zur Ausarbeitung der in Frage kommenden Daten verwendet wird;
  • Fig. 2 ein Diagramm des Potentiostaten aus Fig. 1 ist, der dazu verwendet wird, eine Potentialstörung mit minimaler harmonischer Verzerrung auf zuzwingen;
  • Fig. 3 ein System zum Testen der Meßgenauigkeit dieser Erfindung zeigt;
  • Fig. 4 eine in großem Maßstab gehaltene Ansicht der in Fig. 3 gezeigten Prüfstückmontage ist;
  • Fig. 5 ein Prüfstück für herkömmliche Masseverlust-Messung zeigt;
  • Fig. 6 ein alternatives System zum Testen der Meßgenauigkeit dieser Erfindung darstellt;
  • Fig. 7 eine Detailansicht der in Fig. 6 gezeigten Prüfstückmontage ist;
  • Fig. 8 eine Sonde zeigt, die zur Messung der Korrosionsgeschwindigkeiten in einem System von praktischer Bedeutung verwendet werden kann;
  • Fig. 9 und 10 die Ergebnisse der vorher beschriebenen Versuche darstellen.
  • Nachstehend wird eine vereinfachte theoretische Grundlage für die Analyse der harmonischen Ansprechungen zur Veranschlagung der Korrosionsgeschwindigkeiten beschrieben. Die erforderlichen Messungen werden unter Verwendung der mikrocomputer-gesteuerten, in Fig. 1 dargestellten Ausrüstung vorgenommen.
  • Ausgehend von der Annahme, daß sowohl der anodische als auch der kathodische Korrosionsvorgang mit der Butler-Volmer- Gleichung beschrieben werden können, und daß das freie Korrosionspotential ausreichend weit von den reversiblen potentialen der beiden Teilvorgänge entfernt ist, dann wird, wenn die gemessene Elektrode polarisiert wird, der entsprechende faradische Strom (die Korrosionsgeschwindigkeit) wiedergegeben durch
  • wobei
  • &eta; = Vangelegt Vfc (3)
  • wobei Ifc der Strom bei freiem Korrosionspotential ist, Vangelegt dem angelegten Potential entspricht und Vfc das freie Korrosionspotential ist.
  • Die beiden Exponentialausdrücke können mit Hilfe der Taylorschen Reihe erweitert werden:
  • also
  • a) Messungen bei freiem Korrosionspotential
  • Wenn die Elektrode durch eine sinusförmige Störung über dem freien Korrosionspotential polarisiert ist, dann ist
  • &eta; = v sin (wt) (7)
  • (w steht für den griechischen Buchstaben Omega)
  • Setzt man die Gleichungen 7, 8 und 9 in die Gleichung 6 ein, dann ergibt sich daraus der harmonische Ausdruck für den faradischen Strom:
  • Für kleine Werte von v (ohne Berücksichtigung von Kräften > 3)
  • zur Definition der Funktion
  • Anmerkung: Die Gleichungen 4-12 wurden von Naixin, J.L. Dawson, G.E. Thompson und G.C. Wood aus "Determination of Instantaneous Corrosion Rates by Harmonic Analysis," Journal of Chinese Society of Corrosion and Protection, Band 4, Seite 178 (1984) übernommen.
  • Für die erwarteten Frequenzgänge bei einem rein faradischen Korrosionsvorgang mit Störung des freien Korrosionspotentials können wir eine einfache Matrix aufstellen. Die Werte für hI/Ifc sollen wie folgt sein: Reelles Ansprechen Gedachtes Ansprechen Aufgrund von Harmonische Nr.
  • Aus der obigen Matrix und wiederum unter Verwendung der vorstehenden, tiefgesetzten Zahlen (hI) zur Angabe der harmonischen Anzahl können wir die Ansprechung an jeder Harmonischen vorherbestimmen als
  • &sub0;I = IfcM&sub2; (13)
  • &sub1;I* = 2IfcM&sub1; * angenommen, daß M&sub1; » M&sub2; und M&sub3;. (14)
  • &sub2;I = -IfcM&sub2; (15)
  • &sub3;I = -IfcM&sub3;/3 (16)
  • Diese stellen den Grundstrom und die erste, zweite und dritte Harmonische dar.
  • Bei gleichzeitiger Auflösung der Gleichungen 13-16 nach Ifc erhalten wir
  • Ifc = &sub1;I²/[(48)(2&sub1;I&sub3;I-&sub2;I²)]1/2 (17)
  • (den freien Korrosionsstrom) und
  • (die anodischen und kathodischen Tafel-Koeffizienten).
  • Die Gleichungen 17 und 18 ähneln in ihrer Form denjenigen, die von Naixin abgeleitet wurden.
  • b) Messungen bei anodischen oder kathodischen Potentialen
  • unter einer angelegten anodischen oder kathodischen Vorspannung
  • &eta; = V + v sin(wt) (19)
  • Setzt man Gleichung 19 in Gleichung 2 ein, erhalten wir
  • Das heißt, daß bei Bedingungen, in denen V ungleich 0 ist, die Ausdrücke in &beta;a mit und Ausdrücke in &beta;c mit multipliziert werden müssen. Die aus Gleichung 12 folgende Matrix bleibt daher richtig, die Funktion Mn muß jedoch wie folgt modifiziert werden:
  • Die Werte von hI/Ifc für einen rein faradischen Korrosionsvorgang mit sinusförmiger Störung bei jedem Potential können somit wie folgt vorherbestimmt werden: Reelles Ansprechen Gedachtes Ansprechen Aufgrund von Harmonische Nr.
  • Gleichung 21 unterscheidet sich wesentlich von Gleichung 12 in zweierlei Hinsicht. Erstens enthalten die zusätzlichen Ausdrücke für die allgemeine Lösung in Gleichung 21 eine zusätzliche Unbekannte, V, die aufgelöst werden muß, wenn der Spannungsunterschied zwischen dem Potential der Struktur und dem freien Korrosionspotential unbekannt ist. Zweitens sind die anodischen und kathodischen Tafel-Koeffizienten im allgemeinen Fall durch Faktoren modifiziert, die exponentiell von V abhängig sind (der anodischen oder kathodischen Überspannung). Wird der Pegel der kathodischen Vorspannung erhöht (V wird zunehmend negativer), verlieren die Ausdrücke, die &beta;a enthalten, immer mehr an Bedeutung. Die Werte von &beta;a, &beta;c, Ifc und V werden durch die gemessenen harmonischen Ansprechströme, die der Computer als am geeignetsten ermittelt, aus den Gleichungen 20, 21 und aus der aus Gleichung 21 folgenden Matrix erhalten. Diese Werte werden dann zur Berechnung des Korrosionsstroms zusammen mit den Gleichungen 2 und 3 eingesetzt.
  • c) Versuchsverfahren zur Implementierung der Frequenzanalyse
  • Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Hardware wurde für die Implementierung des harmonischen Verfahrens entwickelt. Fig. 1 zeigt das automatisierte Meßsystem, das für Versuchsstudien entwickelt und angewendet wurde. Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des mit Hochgeschwindigkeit arbeitenden, Niederfrequenz-Verzerrungspotentiostaten-/Verstärkersystems, das zur leichteren Messung harmonischer Ströme konzipiert und konstruiert wurde.
  • Die Fig. 3 bis 8 zeigen Einzelheiten der physikalischen Geometrien der elektrochemischen Oberflächen, auf denen bestätigende Versuchsstudien durchgeführt wurden.
  • Die benötigten Konstanten werden mit Hilfe der in Fig. 1 gezeigten Frequenzgang-Meßschaltung gemessen. Der für die Messung des harmonischen Ansprechstroms bei angelegter Spannungsstörung erforderliche Frequenzansprechanalysator 10 ist beispielsweise ein Solartron-Modell 1250 unter Selbstkontrolle von Mikrocomputer 12. Die Steuer-Software für den Mikrocomputer 12 ist im einzelnen in den Fig. 4A und 4B des U.S.-Patents Nr. 4 658 365 dargestellt. Sie ist auf dem Plattenlaufwerk 14 gespeichert, wobei die aus den Messungen gewonnenen Daten auf Laufwerk 16 oder 18 gespeichert werden. Das Ergebnis kann auch auf einem Monitor 20 angezeigt werden. Während der Computer mit der Zelle über das digitale Allstrom- Voltmeter 22 als Schnittstelle verbunden ist, werden die Ablesungen des harmonischen Stroms mittels des mit Hochgeschwindigkeit arbeitenden Niederfrequenz-Verzerrungspotentiostaten 24 vorgenommen, der im einzelnen in Fig. 2 dargestellt ist. Ein Potentiostat des gezeigten Typs ist einfach dazu konstruiert, eine Einführung anderer Harmonischer als derjenigen zu vermeiden, die durch die in der elektrochemischen Zelle 26 auftretende Korrosion erzeugt werden. Die Verbindungen zwischen dem Potentiostaten 24 und der Zelle 26 und dem Frequenzverhaltens-Analysator 10 sind in Fig. 1 schematisch angedeutet und im schematischen Diagramm des Potentiostaten (Fig. 2) zu sehen.
  • Der Potentiostat 24 selbst ist ein bekanntes Gerät, das an drei Elektroden in der untersuchten Lösung angeschlossen ist. Eine Elektrode W besteht aus dem zu untersuchenden Metall und wird auch als Arbeitselektrode bezeichnet; eine Elektrode R ist eine Referenzelektrode, deren elektrochemisches Potential zeitlich fixiert ist; und eine Elektrode C ist eine korrosionsfeste Gegenelektrode, die Strom zur Arbeitselektrode führt. Der Potentiostat 24 mißt das Potential der Arbeitselektrode W im Vergleich zur Referenzelektrode R. Ist dieses Potential nicht gleich dem gewünschten (oder "eingestellten") Potential, wird der zwischen der Gegenelektrode C und der Arbeitselektrode W fließende Strom automatisch angepaßt, so daß das gemessene Potential gleich dem eingestellten Potential ist.
  • Der Potentiostat 24 wird zur Veränderung von Potentialen zu Testzwecken verwendet. Bei dieser speziellen Analyse unter Steuerung des Mikrocomputers 12 legt der Frequenzansprechanalysator 10 eine kombinierte Wechselstrom- (bei Frequenz f) und Gleichstrom-Ausgangsspannung an den Potentiostaten 24. Eine zusätzliche Gleichstromspannung kann vom Gleichstromgenerator 25 an den Potentiostaten 24 gelegt werden. Der Potentiostat 24 hält die eingestellte Gleichstromspannung zwischen der Arbeitselektrode W und der Referenzelektrode R so nahe wie möglich ein, liefert jedoch den Wechselstrom mit Dämpfung und Phasenverschiebung, die sich mit zunehmender Frequenz erhöhen. Der Potentiostat 24 legt gleichzeitig an den Frequenzansprechanalysator 10 die zwischen der Arbeitselektrode W und der Referenzelektrode R gemessene Spannung sowie die Spannung über einen in Reihe mit der Gegenelektrode c geschalteten Widerstand, wobei diese Spannung proportional zum Strom ist. Das unter der Steuerung des Mikrocomputers 12 betriebene Allstrom- Voltmeter 22 wird zur Messung der Gleichstrom- und Wechselstrom-Amplituden der an die Arbeitselektrode angelegten Signale verwendet.
  • Die harmonischen Komponenten der an den Frequenzansprechanalysator 10 angelegten Spannungen werden mittels einer Impulsraten-Multiplikationstechnik gemessen. Der Frequenzansprechanalysator 10 umfaßt einen Zweiphasen-Schwingkreis, der mit einem Vielfachen der an das Prüfstück gelegten Frequenz arbeitet. Der Frequenzansprechanalysator 10 berechnet digital das Produkt aus der unbekannten Spannung und den synchronen Blindstrom-Ausgangsspannungen des Schwingkreises, wobei der interne Schwingkreis auf die zu untersuchende Harmonische eingestellt ist. Das Integral (gleichwertig der Summe in einem diskreten Punkt-Digitalgerät) dieser Produkte wird über eine ganzzahlige Anzahl von Zyklen berechnet, wobei normalerweise N = 1, 10, 100, 1000. Dadurch wird eine digital demodulierte phasenempfindliche Erfassung erreicht und führt zu Zahlen, die proportional zur Größe der gleichgerichteten und Blindstromkomponenten der bekannten Spannung sind. Die Gleichstrom- und Grundkomponenten der Störspannung (Elemente 3-5 der Anordnung in Fig. 3 des U.S.-Patents Nr. 4 658 365) sowie die nullte bis fünfte Harmonische der Ansprechfunktion (Elemente 6-16 der Anordnung in Fig. 3 des U.S.-Patents Nr. 4 658 365) werden sequentiell in Abhängigkeit von der Frequenz unter der Steuerung des Mikrocomputers 12 gemessen. Ein Ablaufdiagramm der erforderlichen Software ist im U.S.-Patent Nr. 4 658 365 dargestellt. Die Messungen werden an logarithmisch beabstandeten Frequenzpunkten zwischen einer gewählten Mindest- und Maximalfrequenz vorgenommen. Zur Minimierung der Einschwingvorgänge und gemäß der eingebauten Software werden alle Messungen der Harmonischen bei allen Frequenzen vorgenommen, bevor mit der nächsten fortgefahren wird. Die Kommunikation über den IEEE-Standard 488-Bus und den Mikrocomputer 12 (beispielsweise ein Standard-Mikrocomputer Apple II+) verläuft bidirektional. Der Apple II+ liefert Wechsel- und Gleichstromspannung, Frequenz, Kanal, Nummer der Harmonischen und Meßbeginn-Befehle an den Analysator 10. Der Analysator 10 sendet bei Beendigung der Messung reelle und gedachte Komponenten an den Mikrocomputer 12 zurück.
  • Um sicherzustellen, daß das System unter kinetischer Steuerung arbeitet und um lange Integrierungszeiten bei Tests relativ kurzer Dauer einsetzen zu können, wird fmin normalerweise auf 10 Hz eingestellt. Bei Beendigung des Meßzyklus werden die Daten im Speicher 18 gespeichert.
  • Die Fig. 3 bis 8 zeigen typische Arbeitselektroden- (Prüfstück-) Geometrien, die zusammen mit dem in den Fig. 1-2 gezeigten Frequenzanalyse-System verwendet werden können. Die Fig. 3 und 4 stellen den einfachsten Fall mit einer sich drehenden zylindrischen Elektrode 40 dar. Die Gegenelektrode 42 besteht aus einem Titanzylinder, der die sich drehende Arbeitselektrode 40 umgibt. Die Messungen der Potentiale werden mittels einer Lugin-Sonde 44 vorgenommen.
  • Die Arbeitselektrode 40 ist auf einer Welle 66 montiert, die an einer Dichtung 45 durch das Gehäuse führt. Das Gehäuse nimmt des weiteren einen Motor 46, einen Getriebe-Mechanismus 48 zur Anzeige der Drehung der Elektrode 40 und ein Lager 50 zum Halten der Elektrode auf. Der Potentiostat 24 wird in Kopplung zum Prüfstück mittels eines Quecksilber-Schleifrings 52 gezeigt, der sich auf der gleichen Welle wie das Prüfstück dreht, wobei eine Lagermontierung 54 verwendet wird. Ein magnetischer Aufnehmer 56 wird zur Überwachung der Drehung des Zahnradgetriebes 48 verwendet, um an 58 die Drehgeschwindigkeit der Arbeitselektrode 40 anzuzeigen. Es sollte angemerkt werden, daß die bei 60 und 62 gezeigten Enden der Arbeitselektrode 40 abgedeckt sind, so daß der Strom von der Arbeitselektrode 40 zur Gegenelektrode 42 gleichförmig durch den ringförmigen Raum fließt, wobei das Potential von der Sonde 44 überwacht wird. Dies wird als ideale Geometrie angesehen, da durch die Drehung der Elektrode die Flüssigkeit über die Elektrodenoberfläche fließt, während ein Strom gleichförmig von der Arbeitselektrode 40 zur Gegenelektrode 42 abgegeben wird. Dieser gleichformige Stromfluß ist eine Voraussetzung zur Maximierung der Genauigkeit der Messungen der Wechselstromimpedanz.
  • Fig. 4 ist eine erweiterte Darstellung dessen, was in Fig. 3 gezeigt wird, wobei die Arbeitselektrode 40, die oben und unten an der Arbeitselektrode liegenden Isolatoren 60 und 62 und die sich drehende Welle 66 genauer dargestellt sind, wobei letztere die in ständiger Drehung befindliche Arbeitselektrode trägt.
  • Fig. 5 ist ein herkömmlicheres Prüfstück einer Art, wie es typischerweise für Masseverluststudien verwendet wird und ein flaggenförmiges Prüfstück 70 umfaßt, das mittels einer Mutter und einer Schraube 72 am Ende eines elektrischen Kontaktdrahts 74 befestigt ist, der Strom zum Masseverlust-Prüfstück führt. Das Prüfstück ist schwebend gehalten, so daß die Mutter und die Schraube 72 sich innerhalb einer dünnwandigen Glasröhre 76 befinden. Das Prüfstück ist in der Röhre mittels des bei 78 gezeigten Silikongummis abgedichtet. Während diese Elektrode zur Untersuchung des Masseverlustes im klassischen Sinn gut geeignet ist, ist ihr Einsatz beim vorgeschlagenen Verfahren dadurch wesentlich schwieriger, als die Elektrode den Stromfluß mehr von einer Seite als von der anderen erfaßt und Störungen in der Gleichförmigkeit des Stroms nicht berücksichtigt, die an den Ecken des Prüfstücks 70 auftreten.
  • Fig. 6 zeigt ein System, in dem ein Satz münzenähnlicher oder runder flaggenähnlicher Arbeitselektroden 80 einer gemeinsamen Gegenelektrode 82 gegenüberliegen, die den Boden des Behälters bedeckt, durch den der korrodierende Elektrolyt vom Einlaß 84 zu einem Auslaß 86 fließt. Die hier beschriebene Anordnung stellt einen gleichförmigen Stromfluß von der Gegenelektrode 82 durch den Elektrolyten zur Oberfläche des runden flaggenförmigen Prüfstücks 80 bereit. Der Elektrolyt fließt mit einer Geschwindigkeit vom Einlaß 84 zum Auslaß 86, die eine gute Vermischung gewährleistet und damit Diffusionseffekte wirksam reduziert.
  • Fig. 7 ist eine detaillierte Darstellung, d. h. eine Explosionsdarstellung des in Fig. 6 gezeigten runden flaggenförmigen Prüfstücks dar, das von einer isolierenden Verbindung 92 umgeben ist, um den Stromfluß von den Oberflächen, die nicht gemessen werden, zu verhindern. Ein mit einem Gewinde versehener Stromleiter 94 ist bereitgestellt, der durch eine Glasröhre 96 führt, die zur Montage der Elektrode und zur Verhinderung eines unerwünschten oder nicht gemessenen Stromflusses verwendet wird.
  • Fig. 8 stellt eine Sonde dar, die zur Überwachung der Korrosion einer Oberfläche 100 in einem realen System, wie beispielsweise im Wasserbehälter eines Starkstromanlagen-Kondensators verwendet werden könnte. Eine Gegenelektrode 114 mit einer Drahtspule wird dazu benutzt, eine Wechselstrom- und/oder Gleichstrompotential-Störung auf zuzwingen. Die Potentiale werden unter Berücksichtigung einer Pseudo-Referenzelektrode 104 oder einer Lugin-Sonde 102 gemessen. Die Trennung dieser beiden Elektroden wird durch ein Isolier-Abstandsstück 108 aufrechterhalten. Eine Isoliermuffe 112 wird zur Abschirmung des Kontakts der Pseudo- Referenzelektrode vom Sondenelektrolyten eingesetzt, und eine Kunststoff-Kapillarröhre 110 wird zur Aufnahme der Lugin-Sonde verwendet. Auf diese Weise können diese Kontakte außerhalb des Wasserbehälters verbracht und mit dem Potentiostaten und der Schnittstelle in Kontakt gebracht werden, wie in Fig. 1 gezeigt.
  • Es ist anzumerken, daß die Gleichungen 7 bis 18 sich auf den Fall der freien Korrosion beziehen, wogegen die Gleichungen 19 bis 21 auf die Situation der angelegten anodischen oder kathodischen Vorspannung anzuwenden sind, was im allgemeinen eher der Fall ist. Der Unterschied liegt im Vorhandensein einer zusätzlichen Unbekannten, d. h. der überlagerten Gleichstromspannung.
  • Eine Anzahl von Versuchen wurde mit den vorher gezeigten Prüfstücken mit Meerwasser durchgeführt. Die experimentelle Verifizierung der Gültigkeit des Vorgangs der Wechselstrom- Frequenzanalyse zur Bestimmung der Korrosionsgeschwindigkeiten wurde für eine Anzahl von Materialien in verschiedenen Prüfstück-Geometrien erzielt. Zu Beginn wurden vier verschiedene Prüfstück-Geometrien untersucht: eine sich drehende zylindrische Elektrode, Fig. 3 und 4; herkömmliche flaggenförmige Masseverlust-Prüfstücke, Fig. 5; eine runde flaggenformige Prüfstück-Mehrfachzelle, Fig. 6 und 7; und eine Oberflächensonde, Fig. 8. Die Versuche wurden an Prüfstücken aus einer Kupfer-Nickel-Legierung im Verhältnis 90 : 10 und 70 : 30 und aus handelsüblichem reinem Titan durchgeführt. Zusätzlich zu den Messungen der Wechselstrom-Frequenzanalyse an der ersten, zweiten, dritten und nullten (faradische Gleichstrom- Gleichrichtung) Harmonischen wurden herkömmliche Wechselstrom- Impedanzverfahren bei kleiner Amplitude verwendet, Relationen von Gleichstrom/Gleichstromspannung (Tafel-Kurven) bestimmt und Daten zum Masseverlust erhalten.
  • Zu einem späteren Zeitpunkt wurden Versuche durchgeführt, bei denen Bedingungen herrschten, die für diejenigen im Wasserbehälter eines Kondensators repräsentativer waren. Diese Versuche wurden mit Hilfe einer Sonde durchgeführt, die Referenzelektroden und Gegenelektroden enthielt, die einer simulierten Röhre/Rohrboden-Struktur gegenüberlagen. Diese Struktur wurde innerhalb einer Durchflußschleife angeordnet, wobei natürliches Meerwasser so hindurchgepumpt wurde, daß die Geschwindigkeit in den Röhren auf Werte von 4 m s&supmin;¹ geregelt werden konnte.
  • Bei allen durchgeführten Versuchen waren drei Ziele von größter Bedeutung: die Beweisführung für die Eignung der harmonischen Impedanztechnik als quantitative Anzeigevorrichtung von Korrosionsgeschwindigkeiten durch den Vergleich berechneter Korrosionsgeschwindigkeiten mit den Ergebnissen von Masseverlust-Bestimmungen, die Beweisführung für die Eignung der Technik als qualitative Anzeigevorrichtung für Korrosion durch den Vergleich von Veränderungen in den berechneten Korrosionsgeschwindigkeiten mit Korrosionsgeschwindigkeiten, die aufgrund von Veränderungen physikalischer Variablen erwartet wurden (kathodisches Schutzpotential, Fließgeschwindigkeit, Lüftung, usw.); Bestimmung der Korrosionsmechanismen durch Überprüfung der Auswirkungen physikalischer Variabler auf den freien Korrosionsstrom und die Tafel- Koeffizienten. Beträchtliche Schwierigkeit bereitet der Vergleich der Ergebnisse des Frequenzanalyse-Vorgangs mit denjenigen des Masseverlustes, wenn das Material kathodisch geschützt ist. Die untersuchten Materialien aus einer Kupfer- Nickel-Legierung im Verhältnis 90 : 10 und 70 : 30 und aus Titan korrodieren in Meerwasser nur sehr geringfügig und korrodieren beträchtlich weniger unter einer angelegten kathodischen Vorspannung. Die Genauigkeit der Masseverlust-Bestimmungen war daher nur gering, da es in vielen Fällen äußerst schwierig war, die Art und Dicke des Korrosionsfilms des Produktes zu bestimmen. Trotzdem wurden gute Korrelationen zwischen den aus den Vergleichen zwischen den Masseverlust- und Frequenzanalyse- Verfahren erhaltenen Korrosionsgeschwindigkeiten erzielt. Derartige Vergleiche wurden für Prüfstücke mit sich drehendem Zylinder, herkömmlicher Flaggenform und runder Flaggenform bei freiem Korrosionspotential und kathodischer Vorspannung, sowie für Prüfstücke mit Oberflächensonde und runder Flaggenform unter anodischer Vorspannung durchgeführt. Innerhalb des Präzisions- und Streubereichs der Masseverlustdaten wurde eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen den beiden Techniken erzielt.
  • Zur qualitativen Anzeige der Zweckmäßigkeit des harmonischen Verfahrens wurden Studien zur Bestimmung der Auswirkung von Veränderungen in den physikalischen Variablen (hauptsächlich in bezug auf angelegten Vorspannungspegel und Fließgeschwindigkeit des Meerwassers) bei der berechneten Korrosionsgeschwindigkeit durchgeführt. Wie erwartet, wiesen stabile Korrosionsgeschwindigkeiten für alle Prüfstück-Arten eine ungefähre exponentielle Abhängigkeit von kathodischer Überspannung auf. Für die unter Einsatz der Oberflächensonde aus einer Schnittstelle einer Kupfer-Nickel-Röhre mit Legierungsverhältnis 90 : 1o/Kupfer-Nickel-Rohrboden mit Legierungsverhältnis 90 : 10 in natürlichem Meerwasser erhaltenen Daten ist die Kurve aus protokollierter Korrosionsgeschwindigkeit vs. kathodische Überspannung für kathodische Überspannungen von 0 bis 1000 mV monoton und annähernd linear.
  • Die Auswirkung der Meerwasser-Fließgeschwindigkeit auf die Korrosion von Prüfstücken aus Titan, Kupfer-Nickel-Legierung und Kohlestahl wurde nicht beobachtet, um festgehalten zu werden. Hinsichtlich der geringen Fließgeschwindigkeiten (bis zu 63 cm s&supmin;¹), die für Frequenzanalyse-Studien an Prüfstücken mit sich drehendem Zylinder, herkömmlicher Flaggenform und runder Flaggenform verwendet wurden, wurde keine Auswirkung der Geschwindigkeit auf die Korrosionsgeschwindigkeit beobachtet. Im Bereich von Fließgeschwindigkeiten bis zu 4 m s&supmin;¹, die in der Durchflußschleife erzielt wurden, wies die mittels Oberflächensonde gemessene Korrosionsgeschwindigkeit einer Kupfer- Nickel-Röhre im Legierungsverhältnis 90 : 10 jedoch eine exponentielle oder parabolische Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit des Meerwassers auf. Fig. 9 zeigt die mittels Frequenzanalyse-Verfahren berechneten Korrosionsgeschwindigkeiten für Kupfer-Nickel-Röhren im Legierungsverhältnis 90 : 10, die etwa 34 Tage lang exponiert wurden, im Vergleich zu in der Literatur dokumentierten Werten, die bei langfristiger Exponierung erzielt wurden. Angenommen, die von der Oberflächensonde abgedeckte Röhrenfläche beträgt 2,7 cm², dann besteht zwischen den beiden Datensätzen eine bemerkenswerte Korrelation. Für Daten bis zu 2 m s&supmin;¹ besteht eine fast genaue Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen des Masseverlusts und der Frequenzanalyse für eine Kupfer-Nickel-Legierung im Verhältnis 90 : 10, wobei die Grundformel lautet:
  • Masseverlust; mpy1/2 = 0,500 + 0,236U; R = 0,90
  • Harmonische; mpy1/2 = 0,497 + 0,235U; R = 0,98
  • wobei U die Fließgeschwindigkeit in m s&supmin;¹ und R der Regressionskoeffizient ist.
  • Aus einer Analyse der Veränderung der anodischen und kathodischen Tafel-Koeffizienten könnte abgeleitet werden, daß die Hauptauswirkung der Fließgeschwindigkeit die Veränderung des Mechanismus des anodischen, nicht jedoch des kathodischen Vorgangs war, wie man hätte erwarten können.
  • Die Ergebnisse aus Fig. 9 beziehen sich auf das freie Korrosionspotential. Im kathodischen Leistungsbereich ist es äußerst schwierig, im Vergleich zu herkömmlichen Techniken zur Überwachung von Korrosionsgeschwindigkeiten eine experimentelle Verifizierung zu erzielen, da die Korrosionsgeschwindigkeit niedrig ist. Statt dessen kann durch einen Vergleich des Frequenzanalyse-Verfahrens gemessenen Auswirkungen mit den erwarteten Auswirkungen physikalischer Variabler auf die Korrosionsparameter und -geschwindigkeit eine teilweise Validation erreicht werden. Zur Bestimmung der Auswirkungen auf die Korrosionsgeschwindigkeiten hinsichtlich der absoluten Zeit sowie der relativen Zeit in bezug auf die Herstellung eines kathodischen Schutzpegels wurden Versuche an allen Prüfstück- Arten durchgeführt. Um die Ergebnisse dieser Studien verstehen zu können, ist es erforderlich, die Auswirkung der Zeit auf die Korrosionsparameter zu überprüfen.
  • Wie erwartet führte die Anwendung einer angelegten kathodischen Vorspannung bei Kupfer-Nickel-Röhren im Legierungsverhältnis 70 : 30 zu einer Verringerung der gemessenen Korrosionsgeschwindigkeit. Ein abruptes Abfallen der Korrosionsgeschwindigkeit nach der Anwendung eines kathodischen Schutzes hängt mit einer Veränderung des Einschwingvorgangs in den elektrochemischen kinetischen Prozessen an der korrodierenden Oberfläche zusammen. Diese Veränderung in der Kinetik wird offenkundig durch Veränderungen der freien Korrosions- (Austausch-) Stromdichte und des kathodischen Tafel- Koeffizienten, die vermuten lassen, daß der Mechanismus des kathodischen Prozesses sich transient mit der Anwendung einer kathodischen Vorspannung ändert. Nach dem Aufbau eines kathodischen Schutzpotentials sinken die Werte von &beta;a beträchtlich und zeitmonoton ab. Diese Ergebnisse lassen vermuten, daß zusätzlich zu einer Veränderung des Einschwingvorgangs im kathodischen Prozeß (der möglicherweise mit einer Modifizierung des Oberflächenfilms verbunden ist) der Einsatz eines kathodischen Schutzes zu einer Veränderung im Mechanismus des anodischen Prozesses führt, was wiederum ein Abfallen im anodischen Tafel-Koeffizienten für Kupfer-Nickel-Röhren im Legierungsverhältnis 70 : 30 zur Folge hat. Die Auswirkung der Kombination aus einem Abfallen im anodischen Tafel- Koeffizienten und dem freien Korrosionsstrom ist ein zeitliches exponentielles Abfallen des Korrosionsstromes nach dem Aufbau eines stabilen kathodischen Schutzpegels.
  • Die Validation der harmonischen Verfahren ist möglich durch den direkten Vergleich mit Masseverlust-Ergebnissen für Metalloberflächen, an die eine anodische Vorspannung angelegt wurde. In diesem Falle ist die Geschwindigkeit des Metallverlusts genügend erhöht, um eine präzise Bestimmung der Masse des Metallverlusts zu ermöglichen. Bestätigende Studien wurden mit Prüfstücken aus Kupfer-Nickel-Legierung im Verhältnis 90 : 10 und 70 : 30 sowie aus Kohlestahl 1018 durchgeführt. Die Korrosionsgeschwindigkeiten wurden mittels der Oberflächensonde (Fig. 8) in der Durchflußschleife periodisch gemessen. Diese momentanen Korrosionsströme können zur Bestimmung des Ausmaßes der Korrosion integriert werden; typische Ergebnisse sind in Fig. 10 als Kurvendiagramm dargestellt. Ein Vergleich der integrierten Frequenzanalyse-Ergebnisse für die in Fig. 10 dargestellten Daten mit denjenigen des Masseverlusts zeigt eine im Bereich von 50% liegende Übereinstimmung für die Prüfstücke aus Kupfer- Nickel. Dieser Fehler ist wahrscheinlich auf die Unbestimmtheit in der von der harmonischen Sonde überwachten Metallfläche zurückzuführen. Das harmonische Verfahren unterschätzte die Korrosionsgeschwindigkeit der Prüfstücke aus Stahl um einen Faktor von ungefähr 2. Diese letztere Auswirkung ist dem Vorhandensein einer sehr dicken Schicht von Korrosionsprodukt zuzuschreiben, das den von der harmonischen Sonde erfaßten Korrosionsstrom störend beeinflußt.
  • Zusammenfassend dient das vorher beschriebene Verfahren zur Berechnung der Korrosionsgeschwindigkeit entweder unter Bedingungen mit freiem Korrosionsstrom oder unter Bedingungen mit angelegter anodischer oder kathodischer Vorspannung.
  • Ein Fachmann, der die Offenlegung dieser Erfindung studiert, kann Modifizierungsmöglichkeiten erkennen. Daher ist der Bereich dieser Erfindung durch die folgenden Ansprüche zu beschränken.

Claims (2)

1. Verfahren zur dauernden Messung der Korrosionsgeschwindigkeit in einem metallischen Bauteil, das in einen Elektrolyten eingetaucht ist und damit mit diesem in Kontakt steht, bei dem an das korrodierende metallische Bauteil eine Störung mittels einer Sinusspannung mit mäßiger Amplitude und einer Grundfrequenz f angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der harmonische Ansprechstrom, der bei jeder von mehreren Frequenzen, die Vielfache oder Harmonische der angelegten Grundfrequenz f sind, analysiert wird, wobei der harmonische Ansprechstrom elektrochemische, zur Berechnung der Korrosionsgeschwindigkeit erforderliche Parameter enthält, die eine Funktion der Frequenzharmonischen sind, die als Reaktion auf die Sinusspannungsstörung ohne Gleichspannungsschwankung des Potentials auftreten, daß das Ansprechen des Gleichrichtungsstroms auf das Vorhandensein der Sinusspannungsstörung mit mäßiger Amplitude bei der Frequenz f gemessen und die freie Korrosionsstromdichte, das freie Korrosionspotential und die Tafel-Koeffizienten berechnet werden, wobei die Tafel- Koeffizienten ein Maß für die exponentielle Abhängigkeit der Korrosionsgeschwindigkeit des Materials sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Messens des harmonischen Ansprechstroms eine anodische Vorspannung an das Metall angelegt wird.
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