Bild vom Ozean

Sensoren in Kontakt mit Meerwasser

Erfahren Sie mehr über die Ursachen von Korrosion bei Sensoren in Meerwasseranwendungen und was beim Design von entsprechenden Lösungen beachtet werden muss.

Das Meerwasser greift in unterschiedlichen Tiefen die Sensormetalle an, sodass die Korrosion durch das unterschiedliche Aufkommen von Sauerstoff, Temperatur, pH, Salzgehalt, biologischer Aktivität, elektrischer Leitfähigkeit und Strömungsgeschwindigkeit der verschiedenen Tiefen beschleunigt wird. Sensoren, z. B. Druck- und lineare Wegsensoren, werden häufig für Kontroll- und Sicherheitsfunktionen in verschiedenen Meerestiefen für Anwendungen in Bohrinseln, Entsalzungssystemen, Ankerkabeln, Seebohrlochköpfen sowie Öl- und Gasfördersystemen eingesetzt. Während des Betriebs können die Sensoren je nach Gezeitenströmung in unterschiedlichen Tiefen untergetaucht werden – von seichten Gewässern bei wenigen Zentimetern Tiefe unter der Wasseroberfläche bis hin zu tiefen Gewässern bei über 300 Metern. Für den Einsatz in solchen Umgebungen müssen Sensoren aus korrosionsbeständigen Werkstoffen bestehen, damit die Einheiten kontinuierliche Informationen unter den schwierigen Meerwasserbedingungen liefern können.  Da der Bedarf an Sensoren, die mit Meerwasser und Meernebel in Kontakt kommen, bei Anwendungen wie Zuführeinrichtungen, Unterwasserankerkabeln, Regelventilen, Drosseln, Entsalzungsanlagen und stabilen Plattformen zunimmt, ist bei den Sensorwerkstoffen die Auswahl der geeigneten Legierungen für die jeweilige Anwendungs- und Betriebsumgebung wichtig. Egal, ob die Korrosion durch variierende Meerestiefen, galvanische Effekten oder biologischen Abbau verursacht wird, die Suche nach den geeigneten Werkstoffen für die Anwendung hat oberste Priorität, um langfristig eine optimale Sensorleistung zu erzielen. Oft wird die Werkstoffauswahl durch Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit, Kosten und Herstellbarkeit des Systems beeinflusst.

Eigenschaften von Meerwasser, die zu Korrosion führen

Aufgrund ihres hohen Gehalts an Salzen, gelöstem Sauerstoff, Kohlendioxid und Mikroorganismen sind Meerwasserumgebungen stark korrosiv. Die Korrosionsgeschwindigkeit kann je nach Kombination aus globalem Standort, Temperatur und Aktivität von Mikroorganismen variieren. Stehende oder verschmutzte Gewässer können zusätzliche Korrosionsquellen darstellen und begünstigen oft sulfatreduzierende Bakterien (SRB), die die Leistung der Sensorwerkstoffe mindern können. Die Hauptbestandteile von Meerwasser mit -Ionen sind Chlorid, Sulfat, Brom und Bicarbonat, bei Meerwasser mit +Ionen sind es Natrium, Magnesium, Calcium und Potassium. Meerwasser erhöht die örtlich begrenzte Korrosion von Edelstahl und anderen aktiven und passiven Werkstoffen aufgrund von gelösten Chloriden und anderen Salzen. Diese Art von Korrosion kann in Form von Rostfraß und Rissen oder interkristallin auftreten.

Korrosion durch Mikroorganismen in Meerwasser

Mikrobiell induzierte Korrosion (Microbially Induced Corrosion, MIC) ist ein weiteres ernstes Problem, das je nach Betriebsbedingungen und den bei der Sensorkonstruktion verwendeten Werkstoffen, insbesondere bei minderwertigen austenitischen Edelstählen, den Sensorbetrieb beeinträchtigen kann. MIC tritt normalerweise an Schweißnähten auf und führt, wenn sie nicht rechtzeitig erkannt und behoben wird, zu Brüchen. MIC ist ein Korrosionsprozess, der mit einem Zerfall des Werkstoffs einhergeht. In sauerstoffreichen Umgebungen sind aerobe Bakterien aktiv, in sauerstoffarmen Umgebungen anaerobe Bakterien. Die Bakterien haben schleimbildende, säureproduzierende, eisenoxidierende sowie sulfat-, eisen- und nitratreduzierende Eigenschaften. Es existieren Hunderte einzelner Bakterienarten, die MIC verursachen. Die MIC-Bakterienkolonien sammeln sich oft lokal auf einem Sensor an, üblicherweise an rauen, Einschluss- oder korrosiven Stellen oder Schlitzen in der Werkstoffoberfläche. Diese Kolonien ernähren sich von Sauerstoff, Eisen und Mangan und erzeugen eine klebrige Paste. Diese klebrige Paste lockt eine Reihe weiterer biologischer und nicht biologischer Arten an, die wiederum die Sensoroberfläche angreifen und Risse, Sauerstoff- und Ionenkonzentrationen verursachen, die zu Korrosion führen.

SRB-Bakterien können sehr korrosiv und aggressiv sein, wenn die Umgebungsbedingungen ein Wachstum begünstigen. Dadurch kann Sulfat in schädliches Sulfid umgewandelt werden. Bei ihrem Wachstum sind SRB auf säureproduzierende Bakterien (Acid Producing Bacteria, APB) angewiesen, den Haupturheber von MIC.  APB verbrauchen Sauerstoff und produzieren niedermolekulare organische Säure und Alkohol. SRB nehmen diese organische Säure zu sich und starten dadurch die Erzeugung von Hydrogensulfid. Das Sulfid, das bei Stahl wie eine Kathode wirkt, greift die Stahloberfläche eines Sensors in einem elektrochemischen Korrosionsprozess an und zerstört das anodische Eisen. Dies führt zu Rostfraß und zur Entstehung von verkrusteten Flächen am Sensorwerkstoff. Der Prozess wird beschleunigt, wenn die Temperatur des Meerwassers zwischen 25 und 41 °C liegt, abhängig vom globalen Standort. Titan- und nickelbasierte Superlegierungen bieten Sensoren einen deutlich besseren Schutz vor lokaler Korrosion. In manchen Fällen wurden Alloy 400- und Alloy K-Werkstoffe in seichten warmen Gewässern erfolgreich eingesetzt, speziell im Nahen Osten und in Afrika.

LVDT-Wegsensor mit Legierungswerkstoff und nass steckbarem Seacon Steckverbinder von TE für Unterwasseranwendungen
LVDT-Wegsensor mit Legierungswerkstoff und nass steckbarem Seacon Steckverbinder von TE für Unterwasseranwendungen

Bei Sensoren eingesetzt werden, die in direktem Kontakt mit Meerwasser, dürfen viele herkömmliche Edelstahle wie 304 und 316 nicht eingesetzt werden. Als Alternative zu Edelstahl griff man auf Duplex-Stahle mit einem höheren Legierungsgehalt und einer Wirksumme (Pitting Resistance Equivalent Number, PREN) von über 40 zurück. Diese Legierung garantiert aber keine lange Lebensdauer für Sensoren in neuen Tiefsee- und arktischen Anwendungen. Für PREN-Berechnungen werden die Schlüsselelement – Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Stickstoff (N) – als Gewichtungsfaktor mit dem zugehörigen Multiplikator verwendet, um den Gesamtwert zu ermitteln. Die allgemeine Formel lautet folgendermaßen: PREN = % Cr + (3,3 x % Mo) + (16 x % N)

PREN = % Cr + (3,3 x % Mo) + (16 x % N)

Nickelbasierte Superlegierungen

Alloy 625 und Alloy C276 sind zwei primäre Legierungen innerhalb der Familie der Nickel-Superlegierungen, die aufgrund des höheren Gehalts von Nickel, Chrom und Molybdän ausgezeichneten Schutz vor Korrosion bieten. Diese beiden Werkstoffe sind die ideale Wahl für Sensoren und andere wichtige Komponenten, wenn es auf Zuverlässigkeit und einen langjährigen fehlerfreien Betrieb ankommt. Im Vergleich zu Edelstahl und Duplex-Stahl sind diese Legierungen zwar teurer, gewährleisten aber eine absolute Immunität gegenüber lokaler Korrosion, Oxidation und reduzierenden Medien.