LVDT-Sensoren in Unterwasserumgebungen

Herkömmliche Edelstähle – darunter 304 und 316 – sollten nicht für Sensoren verwendet werden, die in direktem Kontakt mit Meerwasser betrieben werden. Als Alternative kommen Duplex-Stähle mit höherem Legierungsgehalt und einer Wirksumme (Pitting Resistance Equivalent Number, PREN) von über 40 zum Einsatz, doch Duplex-Legierungen garantieren keine lange, zuverlässige Lebensdauer in Tiefsee- oder arktischen Anwendungen. Der PREN-Wert wird aus dem gewichteten Beitrag von Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Stickstoff (N) berechnet:

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

In Tiefen von 2.000 Fuß oder mehr, wo die Meerwassertemperatur bei etwa 5 °C liegt, ist der Einsatz von Edelstahl vertretbar.

Superlegierungen auf Nickelbasis zeichnen sich durch eine hervorragende Beständigkeit gegen lokale Korrosion sowie gegen oxidierende und reduzierende Medien aus. Sie sind teurer als Edelstahl oder Duplex-Stahl, eignen sich jedoch für Anwendungen, die eine lange Lebensdauer erfordern.

Ein hermetisch abgedichteter LVDT verhindert, dass Fremdstoffe in die Wicklungen eindringen; dadurch ist das Gerät unempfindlich gegenüber Wasser und Chemikalien, die andernfalls die Lebensdauer des Sensors verkürzen würden. Eine typische Baugruppe umfasst:

• Ein dickwandiges Metallgehäuse mit einer integrierten Metallauskleidung aus Edelstahl 316 oder einer Super-Nickel-Legierung
• Bohrungsauskleidung und Endscheiben, die zu einer hermetischen Dichtung verschweißt sind, frei von oxidationsverursachenden Fehlern, die zu Undichtigkeiten führen könnten
• Spulen, gewickelt auf eine einteilige Hohlform aus thermisch stabilem, glasfaserverstärktem Polymer, gegen Feuchtigkeit gekapselt, umhüllt mit einer hochpermeablen magnetischen Abschirmung und befestigt in einem zylindrischen Metallgehäuse
• Optionale Verguss- oder Einkapselungsharze für extreme Einsatzbedingungen
• Anschlussleitungen, die mit einem glasversiegelten Anschlusskopf oder einer Klemmhülse abgedichtet sind, ummantelt mit Edelstahl oder PTFE-beschichtet, um einen Verbindungsausfall zu verhindern
  

Diese Konstruktion ermöglicht eine freie Bewegung des Kerns und dichtet gleichzeitig die Wicklungen gegenüber den umgebenden Medien ab.

• Druck: Typische hermetisch abgedichtete LVDTs halten Betriebsdrücken von bis zu 3.000 psig stand
• Temperatur: Der hermetisch versiegelte Kern hält Temperaturen von bis zu 400°F stand, je nach Ausführung und Einsatzbedingungen
• Tiefe (mit der richtigen Legierung): LVDT-Baugruppen, die mit Legierung 718 oder anderen Superlegierungen ausgelegt sind, können bei Tiefen von bis zu 15.000 ft und einem Außendruck von etwa 7.500 psi vollständig dem Meerwasser ausgesetzt werden

Die Genauigkeit und die Langzeitbeständigkeit von LVDTs eignen sich besonders gut zur Überwachung von Strukturbewegungen im Rahmen langfristiger Finite-Elemente-Analysen (FEA) von Rohrleitungen, Bohrtürmen, Verankerungen, Drosselventilen, Dehnungsmessern und anderen hochbelasteten Bauteilen auf Offshore-Ölplattformen. Unterwasser-LVDTs können die Dehnung von Bauteilen bis auf einen Bruchteil einer Mikrodehnung messen, und die Plattformverschiebung wird in der Regel mit einer Genauigkeit von weniger als 2 mm überwacht.

Ein Subsea-Christmas-Tree (Unterwasser-Bohrlochkopf) ist eine Anordnung aus Ventilen, Rohrstücken und Armaturen für eine Ölquelle, die optisch an einen geschmückten Baum erinnert. Er verhindert ein unkontrolliertes Austreten von Öl oder Gas und leitet gleichzeitig den Förderstrom aus dem Bohrloch. Ventile und Drosselklappen – die ferngesteuert durch hydraulische oder elektrische Stellantriebe betätigt werden – öffnen und schließen die Rohrleitungen, durch die das Fördergut vom Meeresboden herangeführt wird. LVDTs liefern die Positionsrückmeldung, die zur Überwachung und Steuerung des Drosselzustands als Teil des Unterwasser-Steuermoduls erforderlich ist. Einzelne oder redundant ausgelegte LVDTs, die an Ventilstellantrieben montiert sind, können bestätigen, dass der Durchfluss vollständig unterbrochen ist, wenn die Drosselklappen fast vollständig geschlossen sind. Wenn eine Drossel nicht vollständig schließt, kann dies zu einer Umweltkatastrophe führen, wie sie sich unlängst im Golf von Mexiko ereignet hat. Typische Hubwege liegen zwischen 2 und 12 Zoll.

LVDTs werden auch in Unterwassertürmen eingesetzt, um die Dehnung von Sicherheitskabeln zu überwachen, und liefern so wichtige Informationen bei Unwettern oder Erdbeben. Diese Daten unterstützen die Entscheidung zur Evakuierung der Bohrplattform und zur Stilllegung der Ölquelle – eine Anwendung, die durch die von Öl- und Versicherungsgesellschaften vorgeschriebenen Sicherheits- und Umweltrichtlinien bedingt ist.

Für Sensoren, die in Meerwasser eingesetzt werden, ergeben sich drei Konstruktionsregeln direkt aus der Materialwissenschaft:

1. Passen Sie die Legierung an die Tiefe und die Temperatur an. Legierung 400 für flaches, warmes Wasser; Edelstahl nur unterhalb von ca. 2.000 ft, wo die Temperaturen bei etwa 5 °C liegen; Legierung 625, 718 oder C276 für den Einsatz in großen Tiefen und unter hohem Druck.
2. Verwenden Sie stets eine hermetische Abdichtung, wenn der Sensor mit korrosiven oder unter Druck stehenden Medien in Berührung kommt. Verschweißte Bohrungsauskleidungen, abgedichtete Leitungsdurchführungen und gekapselte Wicklungen sind der Unterschied zwischen einem Sensor mit 20 Jahren Lebensdauer und einem vorzeitigen Austauschfall.
3. Betrachten Sie MIC als eine Konstruktionsbeschränkung und nicht als ein Wartungsproblem. Schweißverbindungen in austenitischen Edelstählen niedriger Güteklasse stellen die häufigsten Versagensstellen dar, und der durch SRB verursachte Korrosionsbefall nimmt zwischen 25 °C und 41 °C stark zu.

Werden diese Vorgaben eingehalten, stellt der hermetisch abgedichtete LVDT – aufgebaut auf der richtigen Superlegierung – eine zuverlässige Positionsmesstechnik für Unterwasser-Steuerungs- und Sicherheitssysteme dar.

Warum ist Meerwasser für Sensormetalle so schädlich?

Meerwasser greift Metalle in unterschiedlichen Tiefen an, was auf Schwankungen bei Sauerstoffgehalt, Temperatur, pH-Wert, Salzgehalt (Chlorinität), biologischer Aktivität, elektrischer Leitfähigkeit und Strömungsgeschwindigkeit zurückzuführen ist. Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Meerwasser begünstigt zudem die Makrozellenkorrosion und verstärkt die galvanische Korrosion, was den Temperaturanstieg beschleunigt und den Korrosionsprozess weiter antreibt.

Was sind die wichtigsten korrosiven Bestandteile des Meerwassers?
Die wichtigsten korrosiven Ionen im Meerwasser sind Chlorid, Sulfat, Brom und Bicarbonat (Anionen) sowie Natrium, Magnesium, Kalzium und Kalium (Kationen). Gelöster Sauerstoff, Kohlendioxid und mikrobielles Leben tragen ebenfalls dazu bei. Gelöste Chloride und andere Salze sind die Hauptursachen für lokale Korrosion bei Edelstahl und anderen aktiv-passiven Werkstoffen.

Welche Arten von Korrosion führen typischerweise zum Ausfall von Unterwassersensoren?
Unterwassersensoren fallen meist aufgrund von lokaler Korrosion in Form von Lochfraß, Spaltkorrosion oder interkristalliner Korrosion aus. Stehende oder verschmutzte Gewässer stellen eine vierte Gefahr dar, da sie das Wachstum von sulfatreduzierenden Bakterien (SRB) begünstigen, die die Sensormaterialien weiter zersetzen.

Was ist mikrobiell induzierte Korrosion (MIC) und warum ist sie für Sensoren von Bedeutung?
MIC ist ein Korrosionsprozess, bei dem das Sensormaterial durch Mikroorganismen abgebaut wird. Es tritt am häufigsten an Schweißverbindungen auf und führt bei nicht rechtzeitiger Erkennung zum Versagen der Schweißnaht. MIC kann insbesondere bei austenitischen Edelstählen niedriger Güteklasse besonders gefährlich sein und ist eine der Hauptursachen für Sensorausfälle im Unterwassereinsatz.

Welche Bakterienarten verursachen eine MIC?
MIC-Bakterien lassen sich in fünf funktionelle Kategorien einteilen: schleimbildende, säurebildende, eisenoxidierende, sulfatreduzierende sowie eisen- und nitratreduzierende Bakterien. Aerobe Arten sind in sauerstoffreichen Umgebungen aktiv, während anaerobe Arten unter sauerstoffarmen Bedingungen vorherrschen, und Hunderte einzelner Arten können MIC bilden.

Wie greift der SRB–APB-Mechanismus Sensorstahl an?
Säureproduzierende Bakterien (APB) verbrauchen Sauerstoff und produzieren niedermolekulare organische Säure und Alkohol. Sulfatreduzierende Bakterien (SRB) verwerten diese organische Säure anschließend und produzieren dabei Schwefelwasserstoff. Das Sulfid wirkt als Kathode gegenüber Stahl und greift die Sensoroberfläche in einem elektrochemischen Prozess an, bei dem anodisches Eisen verbraucht wird, was zu Lochfraß sowie zu krustigen Ablagerungen oder Abblätterungen auf dem Material führt.

Bei welcher Temperatur beschleunigt sich die mikrobielle Korrosion?
Der durch SRB ausgelöste Korrosionsprozess beschleunigt sich stark, wenn die Meerwassertemperaturen je nach geografischem Standort zwischen 25 °C und 41 °C liegen. Ingenieure, die Sensoren für den Einsatz in tropischen oder äquatorialen Regionen spezifizieren, sollten diesen Bereich als entscheidende Auslegungsvorgabe betrachten.

Können Sensoren aus Edelstahl 304 oder 316 in Meerwasser eingesetzt werden?
Gängige Edelstähle – darunter die Sorten 304 und 316 – werden für bestimmte Unterwasserumgebungen im Allgemeinen nicht empfohlen. In Tiefen von 2.000 Fuß oder mehr, wo die Meerwassertemperatur bei etwa 5 °C liegt, ist der Einsatz von Edelstahl vertretbar. Bei Gehäusen und Kernträgern aus Edelstahl kann es in flachen, warmen Gewässern zu einer verkürzten Lebensdauer kommen.

Was bedeutet PREN und wie wird er berechnet?
Der PREN-Wert (Pitting Resistance Equivalent Number) misst die Beständigkeit einer Legierung gegen Lochfraßkorrosion auf der Grundlage ihres Gehalts an Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Stickstoff (N). Die Standardformel lautet:

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

Duplexstähle mit einem PREN-Wert von über 40 wurden als Alternative zu rostfreiem Stahl eingesetzt, doch Duplexlegierungen garantieren keine lange, zuverlässige Lebensdauer bei Einsätzen in der Tiefsee oder in der Arktis.

Warum ist der LVDT die bevorzugte Sensortechnologie für Unterwasseranwendungen?
Aufgrund der kombinierten Auswirkungen von Druck und Meerwasser stellen Unterwasseranwendungen besondere Herausforderungen für einen zuverlässigen Betrieb dar. Je nach Temperatur, Salz- und Sauerstoffgehalt sowie Meerestiefe ist ein hermetisch abgedichteter und aus Speziallegierungen gefertigter LVDT (Linear Variable Differential Transformer) häufig die einzige Technik, die unter Wasser eine genaue und zuverlässige Leistung bietet.

Was umfasst eine hermetisch versiegelte LVDT-Baugruppe?
Ein hermetisch abgedichteter LVDT trägt dazu bei, das Eindringen von Fremdstoffen in die Wicklungen zu verhindern. Eine typische Baugruppe umfasst:

• Ein dickwandiges Metallgehäuse mit einer integrierten Metallauskleidung aus Edelstahl 316 oder einer Super-Nickel-Legierung
• Bohrungsauskleidung und Endscheiben, die zu einer hermetischen Dichtung verschweißt sind, die frei von oxidationsverursachenden Fehlern ist
• Spulen, gewickelt auf eine einteilige Hohlform aus thermisch stabilem, glasfaserverstärktem Polymer, gegen Feuchtigkeit gekapselt, umhüllt mit einer hochpermeablen magnetischen Abschirmung und befestigt in einem zylindrischen Metallgehäuse
• Optionale Verguss- oder Einkapselungsharze für extreme Einsatzbedingungen
• Anschlussleitungen, die mit einem glasversiegelten Anschlusskopf oder einer Klemmhülse abgedichtet sind, ummantelt mit Edelstahl oder PTFE-beschichtet

Diese Konstruktion ermöglicht eine freie Bewegung des Kerns und dichtet gleichzeitig die Wicklungen gegenüber den umgebenden Medien ab.

Welche Betriebsgrenzen gelten für einen hermetisch abgedichteten LVDT?
Typische hermetisch versiegelte LVDTs halten Betriebsdrücken von bis zu 3.000 psig und Kerntemperaturen von bis zu 400 °F stand. Bei einer Ausführung aus der Legierung 718 oder anderen Superlegierungen kann eine LVDT-Baugruppe in Tiefen von bis zu 15.000 ft und bei einem Außendruck von etwa 7.500 psi vollständig dem Meerwasser ausgesetzt werden.