DE2241648A1

DE2241648A1 - Cathodic protection potential measuring device - comprises steel insert tube fitted with measuring cathode and reference anode

Info

Publication number: DE2241648A1
Application number: DE2241648A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Chem Dr Binder; Reinhard Dipl Phys Dr Knoedler; Alfons Koehling; Gerd Dr Sandstede
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1972-08-24
Filing date: 1972-08-24
Publication date: 1974-03-21

Abstract

The potential is determined by insertion of a measuring cell into the soil, the cell comprising two electrodes connected through the soil after insertion ino the ground. The cathode is galvanically connected with the installation to be protected and has a high hydrogen and oxygen overvoltage, whilst the other acts as reference electrode. The protection potential is determined by measurement of the voltage between the two electrodes. the soil intertion assembly comprises pref. a closed end hollow steel tube which houses the two electrodes which are connected with the soil through holes in the walls of the casing. Pref. a sintered Ni, Hg-impregnated disc measuring cell and a Cu/CuSO4 reference electrode are used. Used for determining the cathodic protection of buried pipe lines etc., and is immune to stray currents and fields.

Description

Verfahren zur Messung des Schutzpotentials kathodisch geschützter Objekte Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des Schutzpotentials erdverlegter, kathodisch geschützter Objekte, wie Rohrleitungen, Behälter der dergleichen. Procedure for measuring the protective potential of cathodically protected Objects The invention relates to a method for measuring the protective potential buried, cathodically protected objects, such as pipelines, containers and the like.

Ferner betrifft die Erfindung eine Meßzelle zur Durchführung des neuen Verfahrens.The invention also relates to a measuring cell for carrying out the new Procedure.

Beim kathodischen Korrosionsschutz erdverlegter Objekte wird das zu schützende Metall - zusätzlich zu dem üblichen Außenschutz durch Umhüllung mit bituminösen Massen oder Kunststoffen - mit Hilfe eines kathodischen Stromes derartig polarisiert, daß keine Korrosionsreaktionen ablaufen können. Eine ausführliche Zusammenfassung über Grundlagen und Anwendung des kathodischen Korrosionsschutzes befindet sich in dem "Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes" von W.v. Baeckmann und W. Schwenk, Verlag Chemie GmbH, 1971.With cathodic corrosion protection of objects buried in the ground, this becomes true protective metal - in addition to the usual external protection by covering with bituminous Masses or plastics - with the help of a cathodic current such polarized, that no corrosion reactions can take place. A detailed summary about the basics and application of cathodic corrosion protection is located in the "Handbook of Cathodic Corrosion Protection" by W.v. Baeckmann and W. Schwenk, Verlag Chemie GmbH, 1971.

Um einen ausreichenden kathodischen Schutz zu erreichen, muß ein bestimmtes Schutzpotential eingestellt werden. Bei Eisen muß dieses Potential mindestens -850 mV gegen eine Cu/CuSO4 - Bezugselektrode; betragen nach negativen Werten hin ist keine genaue Grenze anzugeben, jedoch müssen stark negative Werte wegen der schädigenden Wirkung einer Wasserstoffentwicklung vermieden werden Die Sicherheit und Zuverlässigkeit einer kathodischen Korrosionsschutzanlage hängt daher weitgehend von der Einstellgenauigkeit und damit von der Potentialmessung der galvanischen Kette Schutzobjekt/Erdboden/Bezugselektrode ab.In order to achieve adequate cathodic protection, a certain Protection potential can be set. In the case of iron, this potential must be at least -850 mV against a Cu / CuSO4 reference electrode; amount to negative values no precise limit to be given, but strongly negative values must be due to the damaging Effect of hydrogen evolution to be avoided The safety and reliability a cathodic corrosion protection system therefore largely depends on the setting accuracy and thus from the potential measurement of the galvanic chain protected object / ground / reference electrode away.

Nun ist die Potentialdifferenz zwischen einem stromdurchflossenen Rohr oder sonstigem Objekt und einer Bezugselektrode die Summe aus dem Elektrodenpotential an der Phasengrenze und einem ohmschen Spannungsabfall. Der ohmsche Spannungsabfall aUiR ist - bei homogenem Stromlinienverlauf dem spezifischen Bodenwiderstand, der Schutzstromdichte und dem Abstand der Bezugselektrode von der Phasengrenze proportional. Bei kathodischer Polarisation ist AUiR stets negativ und kann damit einen ausreichenden Sorrosionsv schutz vortäuschen, vor allem, Wenn # UiR bei ungünstigen Verhältnissen mehrere Hundert mV beträgt. FEr eine einwandfreie Überwachung und Einstellung einer kathodischen Schutz anlage ist also eine 8 UiR freie Potentialmessung erfor derlich.Now is the potential difference between a current flowing through it Pipe or other object and a reference electrode is the sum of the electrode potential at the phase boundary and an ohmic voltage drop. The ohmic one Voltage drop aUiR is - with a homogeneous streamline course, the specific soil resistance, the Protective current density and the distance between the reference electrode and the phase boundary proportional. With cathodic polarization, AUiR is always negative and can therefore provide a sufficient Pretend protection against corrosion, especially when # UiR in unfavorable conditions several hundred mV. For proper monitoring and adjustment of a cathodic protection system, an 8 UiR-free potential measurement is required.

Alle bisher bekannten Verfahren zur Ermittlung und Eliminierung des Spannungsabfalles #UiR beruhen darauf, daß dieser Spannungsabfall nach Ausschalten des Stromes m im Gegensatz zu allen anderen Polarisationsspannungen = sofort zu Null wird. Dabei müssen wegen der gegenseitigen Beeinflussung benachbarte Schutzstromanlagen synchron ein-und ausgeschaltet werden. Der Arbeitsaufwand für diese Messungen ist erheblich. Die Messungen werden fehlerhaft, wen ohmsche Spannungsabfälle vorliegen, die nicht durch die Schutzstromstärke verursacht werden, sondern beispielsweise auf benachtbarte Gleichstrombahnen, wie Straßenbahnen, zurückgehen. Um unter solchen Verhältnissen genauere Messwerte zu erhalten, muß man auf Zeiten mit ruhendem Bahnbetrieb ausweichen; dies bedeutet in der Praxis, daß nachts gemessen werden muß, Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein vergleichsweise einfach durchzuführendes Verfahren zu entwickeln, mit dem es möglich ist, die Schutzpotentiale erdverlegter Rohrleitungen oder Behälter unabhängig von dem ohmschen Spannungsabfall im Erdboden und unbeeinflußt von eventuell vorhandenen Streustömen zu messen.All previously known methods for determining and eliminating the Voltage drop #UiR is based on the fact that this voltage drop after switching off of the current m in contrast to all other polarization voltages = immediately closed Becomes zero. Because of the mutual influence, neighboring protective power systems must can be switched on and off synchronously. The workload for these measurements is considerable. The measurements will be incorrect if there are ohmic voltage drops, which are not caused by the protective current strength, but for example go back to neighboring direct current railways, such as trams. To take such In order to obtain more precise measured values under conditions, one has to work at times when the railway is inactive evade; in practice this means that measurements must be taken at night, Of the The present invention is therefore based on the object of a comparatively simple to develop a procedure to be carried out with which it is possible to reduce the protective potentials underground pipelines or containers regardless of the ohmic voltage drop to measure in the ground and unaffected by any stray currents that may be present.

Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe unter Vermeidung der oben geschilderten Schwierigkeiten und Nachteile bekannterVerfahren dadurch gelöst werden kann, daß in den Erdboden eine Meßzelle eingesteckt wird, die im wesentlichen aus zwei nach dem Einstecken mit dem Erdboden in Verbindung stehenden Elektroden besteht nämlich aus einer galvanischen mit dem zu schützenden Objekt verbundenen, eine hohe Wasserstoff- und Sauerstoffüberspannung aufweisenden Kathode und aus einer Bezugselektrode. Zur Ermittlung des Schutzpotentials wird dann die Spannung zwischen der Kathode und der Bezugselektrode gemessen.It has now been shown that this task, avoiding the above The difficulties and disadvantages of known methods outlined above can thereby be solved can that a measuring cell is plugged into the ground, which essentially consists of two electrodes that are in contact with the ground after insertion namely from a galvanic connection with the object to be protected, a high one Hydrogen and oxygen overvoltage cathode and a reference electrode. The voltage between the cathode is then used to determine the protective potential and the reference electrode.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung besitzt die Meßzelle zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens eine Kathode, die im wesentlichen aus Cadmium, Blei, Thallium, Indium oder aus Legierungen dieser Metalle besteht. Als Legierungskomponente ist dabei zum Beispiel Quecksilber sehr gut geeignet.According to an advantageous embodiment of the invention, the has Measuring cell for carrying out the aforementioned method has a cathode, which is essentially consists of cadmium, lead, thallium, indium or alloys of these metals. Mercury, for example, is very suitable as an alloy component.

Die Kathode der erfindungsgemäßen Meßzelle kann auch aus einer mit Quecksilber gefüllten, porösen, leitfähigen Matrix bestehen. The cathode of the measuring cell according to the invention can also consist of a Mercury-filled, porous, conductive matrix exist.

Durch die galvanische Verbindung der Kathode mit der zu schützenden Rohrleitung wird die Kathode quasi zu einer "Fehlstelle" der Rohrleitung An der Phasengrenze Kathode/ Erdreich stellt sich daher das durch den Schutzstrom bedingte Schutzpotential ein. Der ohmsche Spannungsabfall a UiR7 der u.a, proportional dem Abstand der Bezugselektrodezur Phasengrenze ist, wird durch den geringen Abstand der Bezugselektrode zur Kathode vernachlässigbar klein, so daß das gemessene Schutzpotential praktisch dem gesuchten 8 UiR-freien Schutzpotential entspricht. Dadurch entfallen die mit erheblichem Arbeitsaufwand verbundenen Ausschaltpotential-Messungen und werden durch einfache, leicht auszuführende Messungen ersetzt.Through the galvanic connection of the cathode with the one to be protected In the pipeline, the cathode becomes a "flaw" in the pipeline The phase boundary between the cathode and the ground is therefore the result of the protective current Protection potential. The ohmic voltage drop a UiR7 of the i.a., proportional to the The distance between the reference electrode and the phase boundary is determined by the small distance of the reference electrode to the cathode is negligibly small, so that the measured protective potential practically corresponds to the sought-after 8 UiR-free protective potential. This is not necessary the switch-off potential measurements and are replaced by simple, easy-to-perform measurements.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem gegen Streuströme unempfindlich. Da d UiR zwischen den beiden Elektroden der Meßzelle vernachlässigbar klein ist, kann sich auch eine Änderung des Schutzstromes durch Streustrombeeinflussung nicht auf die Messung auswirken.The method according to the invention is above all insensitive to stray currents. Since d UiR between the two electrodes of the measuring cell is negligibly small, A change in the protective current due to the influence of stray currents cannot change either affect the measurement.

Bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ist es also möglich, auch während des Straßenbahnbetriebes Messungen durchzufiihren Für eine einwandfreie Funktion der Meßzelle ist die Auswahl des Kathodenmaterials von entscheidender Bedeutung.When using the method according to the invention it is therefore possible measurements also during tram operation to be carried out The selection of the cathode material is essential for the measuring cell to function properly vital.

So wäre es zwar grundsätzlich möglich, eine einfache Eisenkathode zu verwenden; unter ungünstigen Umständen können sich aber schlecht leitende Deckschichten aufbauen, die das Potential verfälschen. Ein geeignetes Kathodenmaterial soll daher a) im interessierenden Potentialbereich völlig korrosionsbeständig sein, b) eine hohe Wasserstoffüberspannung und eine geringe kathodische Aktivität für die Sauerstoffreduktion haben, damit der Strom -nach Umladung der elektrochemischen Doppelschicht -zu Null wird und c) eine schnelle, reproduzierbare Potentialeinstellung zeigen, damit die Meßzeit kurz bleibt.So it would be possible in principle to use a simple iron cathode to use; However, under unfavorable circumstances, poorly conductive cover layers can form build up that falsify the potential. A suitable cathode material should therefore a) be completely corrosion-resistant in the potential range of interest, b) a high hydrogen overvoltage and low cathodic activity for oxygen reduction have so that the current - after recharging the electrochemical double layer - to zero and c) show a fast, reproducible potential setting so that the Measurement time remains short.

Unter schnell wird in diesem Zusammenhang ein Zeitraum von etwa einer Minute verstanden.In this context, fast is a period of about one Minute understood.

Im praktischen Betrieb wurde gefunden, daß Kathoden aus Cadmium, Blei, Thallium oder Indium besonders geeignet sind.In practical operation it was found that cathodes made of cadmium, lead, Thallium or indium are particularly suitable.

Uberraschenderweise erwies sich dabei als vorteilhaft, die Kathodenmaterialien zu legieren, wobei vorzugsweise Quecksilber als Legierungskomponente verwendet wird.Surprisingly, the cathode materials proved to be advantageous to alloy, preferably Mercury as an alloy component is used.

Hierdurch wird vor allem die Einstellzeit verkürzt.Above all, this shortens the setting time.

Wahrscheinlich ist dieser Effekt darauf zurückzuführen, daß die Oberfläche kleiner wird und Mikroporen völlig verschwinden. Diese Vermutung wird durch die Beobachtung gestützt, daß auch reines Quecksilber als Kathodenmaterial verwendet werden kann. Da aber flüssiges Quecksilber, zumindest bei Feldmessungen schwierig zu handhaben ist, wurde es für die Versuchsmessungen in eine poröse leitfähig Matrix aufgesaugt, die beispielsweise aus gesintertem Nickelpulver hergestellt wird.This effect is probably due to the fact that the surface becomes smaller and micropores disappear completely. This guess is supported by the Observation supported that pure mercury is also used as a cathode material can be. But since liquid mercury is difficult, at least with field measurements to handle, it was placed in a porous conductive matrix for the experimental measurements absorbed, which is made, for example, from sintered nickel powder.

Als Bezugselektrode können grundsätzlich alle bekannten Bezugselektroden eingesetzt werden. Zweckmäßigerweise wird aber die im kathodischen Korrosionsschutz gut eingeführte und bewährte Cu/CuSO4- Bezugselektrode verwendete Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der beigefügten Darstellung eines Ausführungsbeispiels hervor. Die Abbildung zeigt in schematischer Vereinfachung den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßzelle mit dem zugehörigen Potentialmeßgerät. Wie aus der Figur zu ersehen ist, besteht nach einer Ausführungsart der Erfindung eine Meßzelle aus einer Kathode 1, z.B. einer mit Quecksilber gefüllten Nickel- Sinterscheibe, einer Cu/CuSO4-Bezugselektrode 2 mit einem größflächigen Diaphragma 3. Zum Schutz vor Beschädigung sind die Elektroden, galvanisch isoliert, in ein Stahlrohr 4 eingebaut. Zur leichteren Einbringung in den Erdboden durch Drehen oder leichte Schläge erhält das Stahlschutzrohr unten eine Spitze. An den Stellen, an denen die Kathode und das Diaphragma der Bezugselektrode eingebaut sind, zeigt das Schutzrohr größere Aussparungen 5, damit ein guter Elektroden/Bodenkontakt gewährleistet ist. Zur galvanischen Verbindung mit der zu schützenden Rohrleitung ist ein Kabel 6 fest mit der Kathode 1 verbunden.In principle, all known reference electrodes can be used as reference electrodes can be used. Appropriately, however, is the cathodic corrosion protection well-established and proven Cu / CuSO4 reference electrode used Further features, Advantages and possible applications of the invention can be found in the attached illustration of an embodiment. The figure shows a schematic simplification the basic structure of a measuring cell according to the invention with the associated potential measuring device. As can be seen from the figure, there is one embodiment of the invention a measuring cell made of a cathode 1, e.g. a mercury-filled nickel Sintered disk, a Cu / CuSO4 reference electrode 2 with a large-area diaphragm 3. For protection The electrodes are galvanically isolated and installed in a steel tube 4 to prevent damage. For easier introduction into the ground by turning or light hits the protective steel tube below a point. In the places where the cathode and the diaphragm of the reference electrode is installed, the protective tube shows larger Recesses 5, so that a good electrode / ground contact is guaranteed. For galvanic Connection to the pipeline to be protected is a cable 6 fixed to the cathode 1 connected.

An den zwei Anschlußbuchsen 7, 8 wird zur Potentialmessung ein handelsübliches, hochohmiges ( > 1 Mm? ), batteriebetriebenes Potentialmeßgerät angeschlossen.At the two connection sockets 7, 8 a commercially available, high-resistance (> 1 mm?), battery-operated potential measuring device connected.

Wird diese Meßzelle nun oberhalb der zu messenden Rohrleitung etwa 50 cm tief in den Erdboden eingesteckt und über das Kabel 6 galvanisch mit der Rohrleitung verbunden, so kann nach etwa 1 min an dem Potentialmeßgerät das UiR-freie Schutzpotential der Rohrleitung abgelesen werden. Durch die robuste Ausführung der Meßzelle und die einfache Handhabung können diese Messungen auch von angelernten Arbeitskräften durchgeführt werden.If this measuring cell is now approximately above the pipeline to be measured Plugged 50 cm deep into the ground and galvanically connected to the pipeline via cable 6 connected, the UiR-free protective potential can be applied to the potential measuring device after about 1 minute can be read off the pipeline. Due to the robust design of the measuring cell and The simple handling can make these measurements even by semi-skilled workers be performed.

Schließlich sei der Vollständigkeit halber noch erwähnt, daß anstelle des Spannungsmeßgerätes selbstverständlich auch entsprechende schreibende Geräte eingesetzt werden können.Finally, for the sake of completeness, it should be mentioned that instead of of the voltmeter, of course, also corresponding writing devices can be used.

Claims

1. Procedure for measuring the protective potential of buried, cathodic protected objects, such as pipelines, containers or the like, characterized that a measuring cell is plugged into the ground, consisting essentially of two there are electrodes in contact with the ground after insertion, namely from a galvanic connection with the object to be protected, a high one Hydrogen and oxygen overvoltage having cathode (1) and from electrode (2), and that to determine the protective potential, the voltage between the cathode (1) and the reference electrode (2) is measured.

2. Measuring cell for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that the cathode (1) consists essentially of cadmium, lead, thallium, Indium or alloys of these metals.

3. Measuring cell according to claim 2, characterized in that the cathode (1) Contains mercury as an alloy component.

4. Measuring cell according to claim 2 or 3, characterized in that the Cathode (1) consists of a mercury-filled, porous, conductive matrix.

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