Ocena skuteczności ochrony katodowej podziemnych konstrukcji metalowych, ze względu na ich rozmiary (np. rurociągi), rodzaj zastosowanego pokrycia ochronnego (np. izolacja bitumiczna, powłoki z tworzyw sztucznych), różnorodność środowiska korozyjnego (np. piasek, gliny, torf) oraz możliwe różnorakie oddziaływania zewnętrzne (np. prądy błądzące, linie elektroenergetyczne WN) zawsze była uzależniona od umiejętności i wiedzy specjalisty wykonującego terenowe pomiary korozyjne. Dodatkowym utrudnieniem jest możliwość popełniania znaczących błędów przy nieumiejętnym wykonywaniu tych pomiarów, a przede wszystkim potencjału konstrukcji (ciągle zasadniczego kryterium ochrony katodowej). Jest on spowodowany istnieniem spadku napięcia IR pomiędzy konstrukcją a elektrodą odniesienia, który w sposób nierozróżnialny sumuje się z mierzoną wartością polaryzacji. Nic więc dziwnego, że w czasie rozwoju technologii ochrony katodowej zawsze poszukiwano technik pomiarowych i metod ich weryfikacji, umożliwiających wyciąganie wiarygodnych wniosków dotyczących efektywności zabezpieczenia przeciwkorozyjnego konstrukcji podziemnych.
Wśród różnych metod wyróżnić można grupę technik pomiarowych, charakteryzujących się tym, że pomiarów nie dokonuje się bezpośrednio na chronionej konstrukcji a jedynie na próbce - elektrodzie wykonanej z takiego samego lub podobnego materiału i eksponowanej w tym samym środowisku co chroniona katodowo konstrukcja podziemna, zazwyczaj w bezpośrednim sąsiedztwie jej powierzchni.

Kupony

Jednym z najstarszych sposobów oceny funkcjonowania ochrony katodowej jest stosowanie tzw. kuponów, próbek połączonych elektrycznie z chronioną katodowo powierzchnią konstrukcji. Są one przed ekspozycją dokładnie ważone i po określonym czasie przebywania w ziemi, np. po roku, są wykopywane i ponownie ważone celem określenia ubytku masy. Zazwyczaj analizuje się dwie próbki - jedną nie podłączoną i drugą podłączoną do chronionej konstrukcji. W ten sposób można jednoznacznie i w bardzo obrazowy sposób ocenić efekt działania ochrony katodowej.
Wadą tzw. korozymetrii kuponowej jest potrzeba stosowania dużej ilości próbek (po ekspozycji nie mogą być dalej używane) oraz uciążliwe prace ziemne, związane z umiejscawianiem i każdorazowym odkopywaniem kuponów. Ich zasadniczą zaletą jest natomiast to, że po ekspozycji w tych samych warunkach obu próbek chronionej i nie chronionej uzyskuje się namacalny dowód prawidłowego funkcjonowania ochrony katodowej, co jak wiadomo w wielu jeszcze przypadkach jest niezbędne w celu przekonywania do tej technologii zazwyczaj nie obznajomionych z techniką decydentów.
SPZP CORRPOL od szeregu lat produkuje typoszereg stalowych kuponów korozymetrycznych o powierzchniach eksponowanych od 1 do 100 cm² typu odpowiednio ES-1 do ES-100. Kupony przystosowane są do montażu na powierzchniach rurociągów za pomocą taśmy adhezyjnej. Wyposażone są w przewody elektryczne pozwalające na ich połączenie z konstrukcją chronioną w słupkach kontrolno-pomiarowych. Posiadają wytłoczone kody identyfikacyjne i atesty z wyznaczonymi masami początkowymi pozwalające na ich późniejszą identyfikację i ustalenie ubytków masy po ekspozycji.



Powierzchnia próbek jest przygotowana przez piaskowanie lub szlifowanie (na życzenie zamawiającego, także w inny wcześniej ustalony sposób) i odpowiednio zabezpieczona na czas magazynowania i transportu.

   

   

Przyłączone przewody do kuponów wyprowadzone na powierzchnię ziemi do zacisków w słupku kontrolno-pomiarowym pozwalają na wykorzystanie ich w tym czasie lub na stałe jako tzw. elektrod symulujących.
Uwaga: Aktualnie wykonywane są jako standardowe stalowe elektrody symulujące o powierzchniach 1 i 10 cm² oraz na specjalne życzenie elektrody o powierzchniach: 5, 8, 12, 15 i 20 cm², a także innych ustalonych indywidualnie.

Elektrody symulujące

Elektrody symulujące znalazły zastosowanie w technice pomiarowej ochrony katodowej w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku. Do chwili obecnej metodyka ich użytkowania uległa znacznym modyfikacjom. Początkowo w charakterze elektrod symulujących stosowane były małe elektrody z materiałów bardzo łatwo ulegających zjawisku polaryzacji (stale stopowe), potem elektrody stalowe o różnych powierzchniach, począwszy od miniaturowych do powierzchni decymetra kwadratowego.
Wobec stosowania coraz to lepszych pokryć izolacyjnych na konstrukcjach podziemnych, rola elektrod symulujących utrwaliła się - symulują one uszkodzenie w powłoce izolacyjnej o określonej powierzchni i odzwierciedlają procesy korozyjne zachodzące na powierzchni konstrukcji. Do zasadniczych pomiarów jakie wykonuje się z użyciem elektrod symulujących jest pomiar ich potencjału, kierunku i gęstości prądu, rezystancji względem ziemi i chronionej konstrukcji. Elektrody odniesienia współpracujące w bezpośrednim kontakcie z elektrodami symulującymi powinny posiadać specjalną konstrukcję.
Nadal bardzo często stosuje się dwie lub więcej elektrod symulujących. Służą one do porównania parametrów dla próbek polaryzowanych i nie polaryzowanych, a także do porównywania efektów polaryzacji na próbkach o różnych powierzchniach. Ostatnio, ze względu na stosowane bardzo dobrej jakości izolacje na rurociągach, wykorzystuje się najczęściej elektrody o powierzchniach 1 cm².



Elektrody symulujące o powierzchni 1 cm² wykorzystywane są do oceny szkodliwego oddziaływania na rurociągi elektroenergetycznych napowietrznych linii przesyłowych wysokiego napięcia. Na ten sposób pomiaru powołuje się nowa Norma Europejska PN-EN 12954. Z wieloletnich badań wynika, że zagrożenie dla skutecznej ochrony katodowej rurociągów pojawia się przy gęstości prądu przekraczającej 30 A/m², co w przypadku pokazanej wyżej elektrody symulującej odpowiada natężeniu prądu przemiennego 3 mA.
Elektrody symulujące na trwałe weszły do technologii ochrony katodowej. Wykonywane są w bardzo zróżnicowany sposób, najczęściej w postaci prostych geometrycznie kształtów: tarczy, pierścieni (patrz niżej) czy wałków. Umiejscawiane są także w różnych położeniach względem zarówno konstrukcji chronionej, jak również elektrody odniesienia.
Elektroda symulująca może być wykorzystywana także w charakterze czujnika korozymetrycznego, co pozwala na ilościowe śledzenie procesów elektrochemicznych na powierzchni elektrody wraz z jednoczesnym pomiarem parametrów polaryzacji elektrochemicznej (potencjału i natężenia prądu). Kształt i powierzchnia takiej elektrody musi być przystosowana do wymagań korozymetrii rezystancyjnej (patrz poniżej).

Stosowanie elektrod symulujących ma ograniczenia:
• Elektrody symulujące nie odzwierciedlają wszystkich zjawisk fizykochemicznych, jakie mają miejsce w uszkodzeniu powłoki izolacyjnej na konstrukcji. Należy zadbać przy montażu elektrod, aby najbliższe otoczenie miało możliwie takie same właściwości jak przy powierzchni chronionej konstrukcji.
• Właściwości elektrody symulującej uzależnione są od położenia elektrody względem konstrukcji, a ściślej względem uszkodzeń w powłoce izolacyjnej konstrukcji. U podstaw stosowania tej technik tkwi założenie, że elektroda symulująca tworzy razem z konstrukcją zwarte ogniwo elektrochemiczne, co powoduje, że płynący prąd elektryczny wyrównuje pomiędzy nimi potencjały.
• Stalowe elektrody symulujące nie mogą dobrze pracować w pobliżu elektrod siarczano-miedziowych, które nie posiadają specjalnej konstrukcji uniemożliwiającej dyfuzję jonów miedzi do ziemi, ponieważ wydziela się na elektrodzie miedź metaliczna.

Jednym z głównych problemów technicznych związanych z bliską lokalizacją elektrod symulujących i elektrod odniesienia siarczano-miedziowych jest dyfuzja jonów miedzi. Dlatego też konieczne jest stosowanie albo klasycznych elektrod siarczano-miedziowych, do których wszyscy użytkownicy instalacji ochrony katodowej są przyzwyczajeni, ale w specjalnym wykonaniu, albo innego rodzaju elektrod odniesienia (kalomelowych, chloro-srebrowych, cynkowych i innych), albo - ze względów oszczędnościowych - specjalnej konstrukcji obudowy elektrody symulującej, której potencjał można mierzyć z powierzchni ziemi za pomocą przenośnej elektrody siarczano-miedziowej.
Dla konstrukcji posiadających wysokiej jakości powłoki izolacyjne, np. rurociągi w powłoce 3LPE, stosowanie stalowych elektrod symulujących warunkuje wykonanie pomiarów elektrycznych na takim rurociągu. Zmierzona wartość potencjału i prądu polaryzacji na elektrodzie stalowej Jednak zasadniczym problemem w stosowaniu elektrod symulujących jest ich położenie względem elektrody odniesienia. Ma to znaczenie ze względu na omowy spadek napięcia IR. Na podstawie licznych doświadczeń ustalono, że najlepsze rezultaty uzyskuje się, jeśli elektroda symulująca jest umiejscowiona w określonym miejscu w stosunku do elektrody odniesienia, najkorzystniej bezpośrednio na korpusie tej elektrody. Opracowano takie konstrukcje, w których pomiar potencjału odbywa się praktycznie w zerowej odległości od powierzchni elektrody stalowej. Inną zaletą takiego rozwiązania jest także to, że ich montaż odbywa się wtedy zawsze jednakowo we wszystkich miejscach konstrukcji. W ten sposób zaczęto stosować tzw. sondy korozyjne (sondy pomiarowe).

Sondy korozyjne

Pojęcie "sonda korozyjna" zazwyczaj oznacza elektrodę odniesienia przeznaczoną do stałego instalowania w ziemi łącznie z jedną lub kilkoma elektrodami symulującymi umieszczonymi na jej powierzchni. Umożliwia ona:

• pomiar potencjału konstrukcji przy wyłączonym i włączonym prądzie polaryzującym,
• pomiar potencjału elektrody stalowej przy i bez połączenia z konstrukcją, czyli w sposób pośredni potencjału konstrukcji,
• pomiar różnicy potencjałów pomiędzy elektrodami stalowymi (jeśli jest ich więcej), co umożliwia określenie warunków polaryzacji - jeśli jedna z nich jest odłączona od konstrukcji, albo gdy różnią się one powierzchnią - określenie warunków polaryzacji w zależności od wielkości oczekiwanego defektu w powłoce izolacyjnej,
• pomiar prądu płynącego pomiędzy elektrodą stalową a konstrukcją (w wielu przypadkach, np. oddziaływania prądów błądzących, określa się nie tylko natężenie, ale i kierunek przepływu tego prądu),
• rezystancję pomiędzy elektrodą stalową lub elektrodami stalowymi a konstrukcją, co charakteryzuje sondę korozyjną w danym miejscu,
• jeśli elektroda symulująca posiada specjalną konstrukcję - możliwy jest także korozymetryczny pomiar wielkości ubytków jej masy, co wprost umożliwia wyciągnięcie wniosków o skuteczności ochrony katodowej.
  

SPZP CORRPOL posiada w swojej ofercie różnego rodzaju i przeznaczenia kupony korozyjne, elektrody symulujące i sondy korozyjne wraz z niezawodnymi elektrodami odniesienia oraz czujnikami korozymetrycznymi przeznaczonymi do gwarantowanej wieloletniej pracy w ziemi. Opracowane różnorodne typy i rodzaje rozwiązań konstrukcyjnych wynikają z zapotrzebowania naszych klientów.
Na podstawie zebranych doświadczeń można w ofercie SPZP CORRPOL wyróżnić:

• Kupony/elektrody symulujące typu ES o powierzchniach 1, 5, 10, 50 i 100 cm², wykonane w osłonie z taśm samoprzylepnych, przeznaczonych do bezpośredniego nalepiania na powierzchni powłoki izolacyjnej rurociągów, najkorzystniej podczas ich układania w ziemi przy jednoczesnym montażu punktów kontrolno-pomiarowych,
• Sondy korozyjne zbudowane na bazie stałej elektrody odniesienia siarczano-miedziowej i stanowiące z nią jednolitą konstrukcję, o powierzchniach stalowych 1, 5 i 10 cm², z elektrodami pojedynczymi lub podwójnymi, łącznie z kombinacjami elektrod o różnej powierzchni, np. sonda EO-110/Cu-2S1 - dwie elektrody symulujące o powierzchni 1 cm².
• Sondy korozyjne stanowiące jednocześnie czujnik korozymetryczny typ E/R-5/0,5 + EO przeznaczone do oceny skuteczności ochrony katodowej w miejscach szczególnie zagrożonych, lub takich, w których oszacowanie prawidłowości pracy systemu ochrony katodowej nie jest możliwe.

SPZP CORRPOL udziela konsultacji w zakresie posługiwania się kuponami, elektrodami symulującymi i sondami korozyjnymi przy ocenie skuteczności ochrony katodowej konstrukcji podziemnych. Służy pomocą techniczną oraz niezbędnym sprzętem umożliwiającym montaż tych podzespołów w terenie.
SPPZP CORRPOL aktywnie uczestniczy w rozwoju technologicznym tej techniki pomiarowej. Od roku 2003 wprowadzony jest nowy system pomiarowy OM-1 jako integralna część wyposażenia słupków kontrolno-pomiarowych, w których wyprowadzone są przewody od elektrod symulujących i sond korozyjnych. Do jego obsługi opracowany został i dostępny będzie w roku 2003 przyrząd MRPS-1 pozwalający na automatyczny pomiar potencjału wyłączeniowego elektrody oraz natężenia prądu miernikiem o zerowej rezystancji wewnętrznej.

System pomiarowy OM-1    NOWOŚĆ !!

Do obsługi elektrod symulujących i sond korozyjnych SPZP CORRPOL wprowadza w roku 2003 na rynek specjalny układ i metodę pomiarową, która umożliwia dokonywanie pomiaru potencjału elektrody stalowej po odłączeniu do konstrukcji oraz pomiar prądu płynącego pomiędzy elektrodą a konstrukcją bez potrzeby odłączania przewodów elektrycznych od zacisków w słupku kontrolno-pomiarowym.
Urządzenie przeznaczone jest do terenowej obsługi elektrod symulujących i sond korozyjnych w słupku kontrolno-pomiarowym. Do urządzenia podłączone są przewody elektryczne, zaś samo urządzenie, stanowiące z płytką czołową słupka kontrolno-pomiarowego integralny zespół, montowane jest na stałe w terenie w tym słupku.

System OM-1 składa się z następujących części:
• płytki czołowej dopasowanej do odpowiedniego słupka kontrolno-pomiarowego (lub innej konstrukcji nośnej), do której przymocowane są pozostałe zespoły i zaciski przewodów; na fotografii płytka czołowa do żelbetowego słupka pomiarowego SKP produkcji SPZP CORRPOL,
• zacisku na płycie czołowej i w części tylnej do podłączenia konstrukcji (rurociągu) - R,
• zacisku na płycie czołowej i w części tylnej do podłączenia przewodu do stałej elektrody odniesienia (zamontowanej oddzielnie lub stanowiącej element sondy korozyjnej) - EO,
• zacisków na płycie czołowej i w części tylnej do podłączenia przewodu (przewodów) do elektrody (elektrod) symulujących (S1, S2), przy czym jedna z elektrod jest wyróżniona jako robocza (podłączona i rozłączalna od konstrukcji) - zazwyczaj elektroda S1,
• 6-pinowego szczelnego gniazda (wykonanie militarne) umożliwiającego w słupku kontrolno-pomiarowym podłączenie specjalizowanego przyrządu pomiarowego, np. MRPS-1,
• bloku wykonawczego łączącego wszystkie elementy (umieszczony po drugiej stronie płytki).

Rozłączenie elektrody symulującej od konstrukcji może się odbywać ręcznie (także bez rozpinania przewodów) albo automatycznie z zewnętrznego urządzenia poprzez złącze sterujące, szczelnie zabezpieczone przed oddziaływaniem środowiska. Rozwiązanie takie zapewni wieloletnią bezawaryjną pracę urządzenia.
System OM-1 jest rozwojowy, ponieważ pozwala na dowolne rozwijanie metodyki (procedury) pomiarowej z zastosowaniem dwóch stalowych elektrod symulujących. W szczególności możliwe jest zautomatyzowanie tego procesu, a także wykonywanie go zdalnie. Prace w tym kierunku są kontynuowane w SPZP CORRPOL i należy mieć nadzieję, że wkrótce przyczynią się do bardziej wiarygodnej oceny skutecznośći funkcjonowania systemów ochrony katodowej konstrukcji podziemnych.

Przyrząd pomiarowy MRPS-1      NOWOŚĆ !!

Wprowadzenie systemu OM-1 w terenie pociąga za sobą konieczność wykonania urządzeń, które wykorzystują jego możliwości, przede wszystkim zdolność do zdalnego rozłączania połączenia elektrycznego pomiędzy elektrodą symulującą a chronioną katodowo konstrukcją. Jest zrozumiałe, że prowadzenie w warunkach terenowych jakichkolwiek pomiarów wymagających okresowego włączania i wyłączania różnego rodzaju obwodów elektrycznych, a następnie wykonywaniu w sposób zsynchronizowany odpowiednich odczytów - było i będzie zawsze kłopotliwe, przede wszystkim ze względu na zmienność badanych parametrów.
Miernik rzeczywistych parametrów sondy pomiarowej MPSP-1 jest pierwszą próbą stworzenia wygodnego narzędzia, które pozwoli na zmierzenie z oczekiwaną dokładnością wartości potencjału wyłączeniowego na symulującej elektrodzie stalowej, a także określenie rzeczywistej wielkości natężenia prądu płynącego pomiędzy próbką a chronioną konstrukcją.
Przy pomiarach małych natężeń prądu w układach galwanicznych (takim jaki występuje pomiędzy próbką a konstrukcją) zawsze pojawiają się problemy z pomiarem małych natężeń prądu, ponieważ rezystancja wewnętrzna przyrządu (miliamperomierza, mikroamperomierza) jest rzędu rezystancji wewnętrznej badanego ogniwa. Często stosowane boczniki pomiarowe nie spełniają swojego zadania, ponieważ odkładające się na nich spadki napięcia są na granicy czułości przyrządów terenowych. Zwykłe amperomierze są także zawodne.
Przy stosunkowo małych powierzchniach próbek stalowych badanie ich polaryzacji jest szczególnie trudne. Na przykład w zwykłym, mało korozyjnym gruncie uzyskuje się zadawalający efekt ochrony katodowej na powierzchni nie pokrytej powłoką "gołej" stali przy gęstości prądu ok. 20 mA/m², co w przeliczeniu na natężenie prądu na sondzie stalowej o powierzchni 1 cm² daje natężenie prądu 2 mikroampery. Przy pomiarze tak małej wartości prądu znajdująca się w obwodzie rezystancja nie zapewni "pełnego zwarcia" badanych elektrod i tym samym jednakowego na nich potencjału, pomimo tego, że pomiar dokonany będzie z dużą precyzją. Trudność ta, znana doskonale w laboratoriach elektrochemicznych, może być pokonana poprzez zastosowanie do pomiaru amperomierza elektronicznego o zerowej impedancji wewnętrznej, tzw. zeroamperomierza (Zero Resistance Ammeter - ZRA).
Opracowany miernik MRPS-1 wykonywany jest w formie przystawki do elektrycznego przyrządu uniwersalnego (multimetru), typowego obecnie narzędzia stosowanego w pomiarach korozyjnych. Parametry miernika są następujące:

• zakres pomiaru napięcia stałego - jak współpracującego multimetru (pomiar potencjału rurociągu względem elektrody odniesienia, pomiar potencjału elektrody symulującej względem elektrody odniesienia, pomiar różnicy potencjałów pomiędzy elektrodą symulującą podłączoną do konstrukcji, tzn. chronioną katodowo, a elektrodą nie podłączoną, swobodni korodująca w środowisku),
• zakres pomiaru napięcia przemiennego - jak współpracującego multimetru (pomiar napięcia pomiędzy rurociągiem a elektrodą odniesienia oraz elektrodą symulującą),
• pomiar przy zerowej rezystancji wewnętrznej miernika natężenia prądu płynącego pomiędzy konstrukcją a elektrodą symulującą w 5 podzakresach do 10 mA (do próbek o większej powierzchni można wykorzystać współpracujący multimetr), wynik odczytywany jest jako napięcie na współpracującym multimetrze z ustalonym przelicznikiem (mA/mV),
• pomiar natężenia prądu przemiennego przy zerowej rezystancji wewnętrznej - uwagi jak przy pomiarze prądu stałego,
• zdalne rozłączanie elektrody symulującej od konstrukcji (rurociągu) ręczne i automatyczne,
• rozłączanie automatyczne elektrody symulującej sterowane jest własnym generatorem lub przerywaczem zewnętrznym; przy sterowaniu wewnętrznym okres przełączania regulowany do 1 minuty co 12 sekund, czas wyłączenia od 1 do 3 sekund, moment pomiaru po rozłączeniu elektrody regulowany od 1 ms do 1 sekundy, czas trwania pomiaru 20 ms,
• możliwość podłączenia zewnętrznego oscyloskopu i innych przyrządów pomiarowych, np. rejestratorów,
• możliwość współpracy z komputerem poprzez łącza współpracujących multimetrów lub oscyloskopu,
• czas nieprzerwanej pracy - 36 godzin,
• masa własna przyrządu gotowego do pracy (bez multimetru) - 0,75 kg.