Rost, was ist das? – Kostensenkung durch Online Korrosionsüberwachung am Beispiel von Kraftwerken

CorrTran™ MV von Pepperl+Fuchs ist der erste, 2-Draht- bzw. 4...20 mA Transmitter mit integriertem HART Protokoll, der gleichzeitig die allgemeine und die örtliche Korrosion (Lochkorrosion) in demselben Industrie-Transmittergehäuse auswertet. Die Korrosionsanalyse wird aus dem Labor in die tägliche Prozesssteuerung verlagert und ist somit ein revolutionärer Ansatz zur Korrosionsüberwachung. Diese innovative Technologie erlaubt dem Kunden, das Korrosionsverhalten in Echtzeit zu überwachen und darauf zu reagieren, bevor z. B. in Kraftwerken oder Kühlkreisläufen großer Schaden entsteht.

Was bedeutet Korrosion?

Im Alltag bezeichnet man mit dem Wort Korrosion Roststellen, z. B. am Auto oder an Kontakten, die nicht mehr schließen, da sie korrodiert sind. Oftmals bleiben Gegenstände aus Stahl blitzblank, während die Karosserie eines alten Autos fast zerfällt und unter dem Lack von dem glänzenden Metall nur noch ein brösliges, rotbraunes Metall übrig bleibt.

Korrosion entsteht

Nach DIN 50900 Teil I ist Korrosion die Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteils oder eines ganzen Systems führen kann. In den meisten Fällen ist die Reaktion elektrochemischer Natur, in einigen Fällen kann sie chemischer oder metallphysikalischer Natur sein. Diese Definition deutet darauf hin, dass sich hinter dem Begriff "Korrosion" weit mehr als das jedem bekannte Rosten verbirgt. Durch Korrosionsschäden entstehen jährlich immense Kosten in den einzelnen Industriebrachen, z. B. in Kraftwerken. Dampferzeuger werden in jedem Industriezweig eingesetzt, und fast jede Fabrik betreibt mindestens einen. Alle Dampferzeuger sind den schädigenden und vor allem kostenintensiven Auswirkungen von Korrosion ausgesetzt. Es wird geschätzt, dass jährlich Kosten in Höhe von 210 Milliarden Euro durch Korrosion entstehen! Dies schließt die Bereiche öffentliche Versorgungsunternehmen (36,5 Milliarden Euro) sowie die Papier- und Zellstoffindustrie (4,6 Milliarden Euro) ein.

Hochreines Dampferzeugerwasser

Industrie-Unternehmen erzeugen Strom für ihre eigenen Zwecke, öffentliche Versorgungsunternehmen erzeugen Strom für die Öffentlichkeit. Dabei können die einzelnen Kraftwerke alle unterschiedlich groß sein, die Anforderungen an Reinwasser sind jedoch überall gleich. Rohwasser gelangt in das Kraftwerk und wird über mehrere Filter- und Demineralisierungsstufen gereinigt. Dieser kontinuierliche Strom von gereinigtem Wasser ist das Speisewasser für den Dampferzeuger. Der Dampferzeuger erzeugt den Dampf, der die Turbinen zur Elektrizitätserzeugung antreibt. Ein Teil des Dampfes wird dazu genutzt, hochreines Speisewasser für den Dampferzeuger vorzuheizen. In einem letzten Schritt wird der Dampf als Kondensat gesammelt, mit reinem Wasser versetzt, vorgeheizt und wieder in den Kreislauf als Speisewasser für den Dampferzeuger eingebracht. Die Gesamtkonstruktion hängt von den thermodynamischen Variablen ab, die für jedes Kraftwerk charakteristisch sind. Die Stromerzeugung erfordert hohe Investitionen in die Produktionsmittel. Deshalb ist eine gründliche Instandhaltung der Anlagen von sehr großer Bedeutung für die Profitabilität, die Betriebszeit und die Arbeitssicherheit. Allerdings wirkt Reinwasser korrodierend auf Dampferzeuger und Kondensatsysteme. Darüber hinaus können auftretende Lecks im System zur Folge haben, dass unerwünschte Chemikalien in den Prozess eindringen, die das Korrosionspotenzial erhöhen. So kann zum Beispiel im Kondensator unaufbereitetes Kühlwasser in Reinwasser strömen. Luftaustritte an den Dichtungen der Turbinen und Pumpen wiederum haben zur Folge, dass Sauerstoff in das Kesselspeisewasser gelangt und dies aggressiv macht. Um derartigen Risiken vorzubeugen, werden dem Kesselspeisewasser üblicherweise Korrosionsinhibitoren zugesetzt.

Bei der Instandhaltung der Kessel- und Kondensatsysteme ist eine wirksame chemisch-physikalische Behandlung des Kesselspeisewassers unbedingt erforderlich, um den Investitionsschutz des Kraftwerkes zu gewährleisten. Eine schlechte Qualität des Kesselspeisewassers kann Probleme, wie Verzunderung, Lochfraß oder Korrosion an den Einbauten der Kessel- und Kondensatsysteme verursachen. Die Gefahr der Korrosion kann durch Verwendung verschiedener chemischer Zusatzstoffe, die dem hochreinen Kesselspeisewasser hinzugefügt werden, eingedämmt werden. Die meisten Betreiber messen die Wasserqualität mit Hilfe von Leitfähigkeitssonden und/oder pH Sonden. Diese Arten von Messverfahren können zwar das Wasser ausreichend analysieren, sie können jedoch keinen Aufschluss darüber geben, ob und wie stark die Rohrleitungen des Kondensatsystems beschädigt wurden.

Problemlösung

Mit Hilfe des vom CorrTran™ MV Transmitter in Echtzeit ausgegebenen 4…20 mA Signals kann der Betreiber die alten Korrosionsraten mit den neuen Raten vergleichen und sofort erkennen, ob sich die Wasserqualität verändert hat, ob es chemische Veränderungen oder Veränderungen der Inhibitorenleistung gegeben hat. All diese Zustände haben Auswirkungen auf die Korrosion der Rohrleitungen und können mit Hilfe des CorrTran™ MV effizient erkannt und überwacht werden.

CorrTran™ MV Elektronikeinsatz

Außerdem ist der Anlagenbetreiber in der Lage, den Austausch von korrosionsgefährdeten Geräten rechtzeitig im Rahmen einer vorausschauenden Instandhaltung vorzubereiten. Die herausragende Leistung dieses Gerätes besteht darin, dass es dem Anwender ermöglicht die allgemeine und die lokale Korrosion zu überwachen. Denn gerade die lokale Korrosion kann besonders gefährlich werden, wenn sie nicht in einem frühen Stadium entdeckt wird. Diese Korrosionsform kann ein Rohr sehr schnell durchfressen, bei frühem Eingreifen kann sie jedoch neutralisiert werden. Die Korrosion kann nun vom Anlagenbetreiber wie jede andere Prozessgröße überwacht werden.

Echtzeiterfassung der Korrosionsrate

Das Herzstück von CorrTran™ MV sind moderne, patentierte Algorithmen und Datenanalysetechniken, die die Korrosionsrate und die örtliche Korrosion (Lochkorrosion) genau messen. Zur Bestimmung der allgemeinen Korrosionsrate wird die industrieweit anerkannte Methode des linearen Polarisationswiderstands (linear polarization resistance = LPR) verwendet. Zur Optimierung wird dieses Verfahren durch harmonische Verzerrungsanalyse (harmonic distortion analysis = HDA) ergänzt. Während eines Messzyklusses führt der Korrosionssensor außerdem eine elektrochemische Rauschmessung (electrochemical noise = ECN) durch, die eine Messung der Lochkorrosion erlaubt. Am Ende jedes Messzyklus wird die entsprechende Korrosionsrate bzw. der Lochkorrosionswert berechnet und dem Anlagenpersonal in Form eines 4...20 mA Signals und/ oder über HART zur Verfügung gestellt.

Die LPR-Methode ist seit langem der Industriestandard für die allgemeine Korrosionsüberwachung und basiert auf der Stern-Geary-Beziehung. Diese Beziehung beschreibt den allgemeinen Zusammenhang zwischen dem Polarisationswiderstand und dem Korrosionsstrom. Ist der Korrosionsstrom bekannt, lässt sich daraus einfach die allgemeine Korrosionsrate errechnen. Der Polarisationswiderstand wiederum lässt sich aus dem Messstrom und dem Anregungspotenzial der Messelektroden bestimmen, solange dieses Potential hinreichend klein ist. Die HDA-Analyse erlaubt die Berechnung der allgemeinen Korrosionsrate ohne direkte Kenntnis der Tafelkonstanten (B-Wert), die elementarer Bestandteil der Stearn-Geary-Beziehung sind. Durch Anlegen einer niederfrequenten Sinusspannung an die Messelektroden und anschließender Analyse der Verzerrungen kann so die allgemeine Korrosionsrate ermittelt werden.

Im CorrTran™ MV werden beide Verfahren in optimaler Weise kombiniert, um zuverlässige und schnelle Messergebnisse zu erhalten. Dabei wird auch der B-Wert implizit ermittelt. Zur Erhöhung der Genauigkeit wird zusätzlich der Lösungswiderstand (Leitfähigkeit) gemessen und in den o. g. Verfahren berücksichtigt. Dieser Wert liefert zusätzlich hilfreiche Informationen über den Zustand der Elektroden. Schließlich ermöglicht die ECN-Methode, die Intensität der örtlichen Korrosion zu berechnen. ECN ist die Messung von spontanen Potenzial-Fluktuationen, die statistisch zufällig an der korrodierenden Schnittstelle zwischen Metall und Lösung erzeugt werden. Die statistische Analyse des Messstromes erlaubt die Bestimmung eines "Pitting-Faktors", der wiederum ein Maß für die Häufigkeit und die Intensität der örtlichen Korrosion ist.

Spezifikationen

Die Standardsonden, die CorrTran™ MV für die Korrosionserkennung verwendet, bestehen aus drei Elektroden, eine für die Induzierung eines schwachen Signals und jeweils eine für Potenzial- und Strommessung. Um eine genaue Messung zu erhalten, müssen die Elektroden aus dem gleichen Material sein wie das Rohr oder der Behälter, der überwacht wird. Die Opferelektroden werden mit einem schwachen Signal induziert und direkt in den Fluss von korrosiven Medien platziert. Diese Signale werden über einen Zeitraum von wenigen Minuten durch den Transmitter überwacht und analysiert, um ein genaues Bild der Korrosion zu erhalten.

CorrTran™ MV von Pepperl+Fuchs ermöglicht dem Wartungspersonal, vorausschauend zu agieren, bevor ein ernsthaftes Problem im Prozess auftritt, und konkrete Instandhaltungsarbeiten bzw. Reparaturen erst dann durchzuführen, wenn sie wirklich erforderlich sind. Mit CorrTran™ MV Somit wird die vorausschauende Wartung in der Anlage zur täglichen Routine in der Messwarte.