АНОДНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ (ВАРИАНТЫ)
ANODE GROUNDING (VERSIONS)

Изобретение относится к области электрохимической защиты металлических сооружений от коррозии в почве и может быть использовано при изготовлении глубинных и поверхностных анодных заземлений.
Известен анодный заземлитель (патент RU №2542867, опубл. 20.12.2014, МПК C23F 13/00), содержащий анод, выполненный в виде цилиндра, и контактный узел. Анод изготовлен из титанового сплава с электроактивным покрытием из диоксида марганца снаружи и внутри, соединен с трубчатым биметаллическим токоотводом контактного узла, состоящим снаружи из титанового сплава, а внутри из меди, для электрической коммутации с токопроводящим медным кабелем. Контактный узел герметизирован посредством полимерного материала и термоусаживаемой трубки.
Недостатками данного технического решения являются: возможность анодной пассивации титана, сопровождающейся возрастанием напряжения между изделием и заземлителем, что приводит к повышенному расходу электроэнергии, а также использование дорогостоящего материала, титана.
Наиболее близким к заявляемому является анодное заземление (патент RU №2033476, опубл. 20.04.1995, МПК C23F 13/00), для катодной защиты от коррозии подземных протяженных металлических сооружений, содержащее магистральный проводник (у нас - провод токоввода), выполненный с по меньшей мере одной жилой, имеющей заданные электрические характеристики, и электрод из малорастворимого полимерного материала с углеродсодержащим наполнителем, выполненный в виде многослойной гибкой оболочки.
Недостатком прототипа является ограниченная сохранность контакта полимера с магистральным проводником из-за проникновения через поры полимерной оболочки почвенных растворов и механических повреждений при укладке в грунт и его подвижках, высокая скорость деструкции материала электрода вследствие его высокой пористости.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение расхода электроэнергии на катодную защиту, замена дорогостоящих электродных материалов на более дешевые и доступные, повышение сохранности контакта провода токоввода с материалом электрода, снижение скорости деструкции анодного заземления в процессе работы.
Поставленная задача по первому варианту решается тем, что в анодном заземлении, содержащем провод токоввода, электрод из малорастворимого полимерного углеродсодержащего материала и контактный узел, электрод выполнен цилиндрической формы диаметром 60-90 мм и длиной 800-1000 мм из спрессованной при давлении 10-50 мПа и температуре 18-25°C смеси связующего, в качестве которого используют полиуретан, и малорастворимого углеродсодержащего материала при следующем соотношении компонентов, масс. %:
углеродсодержащий материал
70-90
полиуретан
10-30
в торце электрода расположена цилиндрическая полость диаметром 0,5-0,6 диаметра электрода, глубиной 40-50 мм с проточкой высотой 10-15 мм диаметром 0,6-0,7 диаметра электрода и контактным узлом, содержащим шпильку, запрессованную по оси электрода таким образом, чтобы расстояние от ее крайней точки до глухого торца электрода составляло 40-45 мм, на незапрессованной части шпильки длиной, равной общей глубине цилиндрической полости и проточки, с помощью фиксирующих гаек закрепляется провод токоввода, причем шпилька имеет диаметр 0,08-0,3 диаметра электрода, в торце электрода над контактным узлом размещена изолирующая оболочка.
Поставленная задача по второму варианту решается тем, что в анодном заземлении, содержащем провод токоввода, электрод из малорастворимого полимерного углеродсодержащего материала и контактный узел, электрод выполнен цилиндрической формы диаметром 90-110 мм и длиной 800-1000 мм из спрессованной при давлении 10-50 мПа и температуре 18-25°C смеси связующего, в качестве которого используют полиуретан, и малорастворимого углеродсодержащего материала при следующем соотношении компонентов, масс. %:
углеродсодержащий материал
70-90
полиуретан
10-30
в торцах электрода расположены цилиндрические полости диаметром 0,5-0,6 диаметра электрода, глубиной 40-50 мм, каждая из которых содержит проточку высотой 10-15 мм, диаметром 0,6-0,7 диаметра электрода и контактный узел, содержащий шпильку, запрессованную по оси электрода, на незапрессованных частях шпильки с помощью фиксирующих гаек закрепляется провод токоввода, причем шпилька имеет диаметр 0,08-0,3 диаметра электрода и длину, равную длине электрода, в торцах электрода над контактными узлами размещены изолирующие оболочки.
В качестве углеродсодержащего материала может использоваться графит литейный или смесь графита литейного и магнетита при следующем соотношении компонентов, масс. %:
графит литейный
30-50
магнетит
50-70
В качестве изолирующей оболочки может использоваться колпак, закрепленный с помощью термоусадочной муфты на корпусе электрода и заполненный герметиком.
Использование в качестве связующего полиуретана, двухкомпонентного эластомера, отверждающегося при 18-25°C, позволяет снизить свободную пористость электрода, что исключает его механическую деструкцию за счет расклинивающего давления проникающего в поры почвенного раствора. Прессование компонентов при давлении 10-50 мПа при комнатной температуре обеспечивает максимальную электропроводность за счет большой площади межзеренных контактов углеродсодержащих материалов электрода. Полиуретановое связующее при длительном контакте с почвенными растворами не подвергается гидролизу с образованием экологически опасных компонентов, что предотвращает химическую деструкцию материала электрода. Жесткая фиксация материала электрода в полимерной матрице снижает скорость его деструкции за счет заполнения пор газообразными продуктами окисления графита и созданием избыточного давления в микрополостях материала, что также исключает повышение потенциала электрода в процессе работы, т.е. повышенный расход электроэнергии. Размеры электрода, диаметр 60-90 мм и длина 800-1000 мм, выбраны из соображений удобства транспортирования и монтажа, а также диапазона допустимых значений тока, составляющего 2-5 А. Запрессовка шпильки контактного узла на большую часть длины электрода по первому варианту обеспечивает снижение контактного сопротивления, что приведет к снижению затрат электроэнергии на катодную защиту. Расстояние от крайней точки запрессованной части шпильки до глухого торца электрода 40-45 мм обеспечивает надежное исключение проникновения почвенных растворов по порам к поверхности шпильки, что приводило бы к увеличению переходного сопротивления в процессе эксплуатации. Наличие токопроводящего (глухого) торца, остающегося открытым вследствие наличия контактного узла только в одном торце электрода, увеличивает рабочую поверхность электрода, что в поверхностном варианте устройства заземления обеспечивает работу заземления при возникновении на боковой поверхности слабопроводящего слоя. Размеры цилиндрических полостей, диаметр 0,5-0,6 диаметра электрода и глубина 40-50 мм обусловлены необходимостью размещения в них фиксирующих гаек, что исключает смещение шпильки при механических нагрузках. Размеры проточки, высота 10-15 мм и диаметр 0,6-0,7 диаметра электрода обеспечивают создание толщины слоя герметика, препятствующего проникновению к контактному узлу почвенных растворов, а также размещение под слоем герметика провода токоввода без изгибов, приводящих к его облому.
Расположение контактных узлов в обоих торцах электрода по второму варианту обеспечивает простоту и надежность сборки анодного заземления в виде гирлянды при глубинном варианте применения. Такая сборка может выполняться как на предприятии-изготовителе без использования специальных влагозащищенных контактных зажимов, так и непосредственно при установке заземления с минимальным количеством контактных зажимов, что снижает риск выхода заземления из строя по причине коррозии коммутационных элементов, а также позволяет минимизировать расход кабеля при устройстве анодного заземления. Выбор диапазона диаметра шпильки 0,08-0,3 диаметра электрода обусловлен требованиями к максимальным токам анодного заземления. Фиксация провода токоввода с помощью гаек обеспечивает надежный в электрическом и механическом отношении контакт со шпилькой контактного узла. Размеры цилиндрических полостей, диаметр 0,5-0,6 диаметра электрода и глубина 40-50 мм обусловлены необходимостью размещения в них фиксирующих гаек, что исключает смещение шпильки при механических нагрузках. Размеры проточки, высота 10-15 мм и диаметр 0,6-0,7 диаметра электрода, обеспечивают создание толщины слоя герметика, препятствующего проникновению к контактному узлу почвенных растворов, а также размещение под слоем герметика провода токоввода без изгибов, приводящих к его облому. Изолирующая оболочка предназначена для предохранения контактного узла от попадания влаги, вызывающей интенсивную коррозию токоведущих частей. Защитные свойства изолирующей оболочки обеспечиваются ее компонентом, обладающим высокой адгезией к материалу электрода и металлам, вязкостью и текучестью, обеспечивающими затекание до отверждения или уплотнения во все полости контактного узла, а также устойчивостью к перепадам температур. Механическую прочность изолирующей оболочки обеспечивает ее внешняя жестко закрепленная на корпусе электрода часть. В частном случае применения в состав изолирующей оболочки входят колпак, закрепленный с помощью термоусадочной муфты на корпусе электрода и заполненный герметиком. В качестве такого герметика могут использоваться силиконовый герметик, полиуретан. Использование в качестве углеродсодержащего материала смеси графита литейного и магнетита способствует снижению скорости растворения электрода в средах с повышенной коррозионной активностью.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена конструкция анодного заземления по первому варианту в поперечном сечении.
На фиг. 2 изображена конструкция анодного заземления по второму варианту в поперечном сечении.
По первому варианту анодное заземление состоит из электрода 1, спрессованного при давлении 10-50 мПа и температуре 18-25°C из смеси связующего, в качестве которого используют полиуретан, и малорастворимого углеродсодержащего материала при следующем соотношении компонентов, масс. %: углеродсодержащий материал 70-90; полиуретан 10-30. В частном случае применения в качестве малорастворимого углеродсодержащего материала может использоваться графит литейный или смесь графита литейного и магнетита при следующем соотношении компонентов, масс. %: графит литейный - 30-50; магнетит - 50-70. В торце цилиндрического корпуса электрода имеется цилиндрическая полость 2 диаметром 0,5-0,6 диаметра электрода, глубиной 40-50 мм с проточкой 3 высотой 10-15 мм и диаметром 0,6-0,7 диаметра электрода для размещения и герметизации контактного узла. Контактный узел состоит из шпильки 4 диаметром 0,08-0,3 диаметра электрода, запрессованной по оси электрода таким образом, чтобы расстояние от ее крайней точки до глухого торца электрода составляло 40-45 мм, на незапрессованной части которой с помощью гаек 5 и 6 закрепляется провод токоввода 7. Изолирующая оболочка контактного узла в частном случае применения представляет собой колпак, закрепленный с помощью термоусадочной муфты 8 на корпусе электрода 1, заполненный герметиком 9.
По второму варианту анодное заземление состоит из электрода 1, спрессованного при давлении 10-50 мПа и температуре 18-25°C из смеси связующего, в качестве которого используют полиуретан, и малорастворимого углеродсодержащего материала при следующем соотношении компонентов, масс. %: углеродсодержащий материал 70-90; полиуретан 10-30. В частном случае применения в качестве малорастворимого углеродсодержащего материала может использоваться графит литейный или смесь графита литейного и магнетита при следующем соотношении компонентов, масс. %: графит литейный- 30-50; магнетит - 50-70. В каждом из торцов цилиндрического корпуса электрода имеется цилиндрическая полость 2 диаметром 0,5-0,6 диаметра электрода, глубиной 40-50 мм с проточкой 3 высотой 10-15 мм и диаметром 0,6-0,7 диаметра электрода для размещения и герметизации контактного узла. Оба контактных узла собраны на незапрессованных частях шпильки 4 диаметром 0,08-0,3 диаметра электрода, на каждой из которых с помощью гаек 5 и 6 закрепляется провод токоввода 7. Изолирующие оболочки контактных узлов в частном случае применения представляют собой собой колпаки, закрепленные с помощью термоусадочных муфт 8 на корпусе электрода 1, заполненные герметиком 9.
Анодное заземление, предназначенное для работы в глубинных и поверхностных слоях почвы при защите от электрохимической коррозии металлических сооружений и коммуникаций, в том числе магистральных нефтегазопроводов, контактирующих с грунтом, работает следующим образом. Анодные заземления укладывают горизонтально или вертикально ниже уровня промерзания грунта и ниже или на уровне грунтовых вод, при этом они присоединены кабелями к положительному полюсу станции катодной защиты. Защищаемая конструкция присоединяется к отрицательному полюсу. По первому варианту по кабелю от станции катодной защиты проходит постоянный ток расчетной силы и напряжения, который поступает на электрод 1 через провод токоввода 7 и шпильку 4. Устойчивая работа контактного узла в течение длительного времени эксплуатации обеспечивается изолирующей оболочкой, состоящей в частном случае применения из колпака, закрепленного с помощью термоусадочной муфты 8 на корпусе электрода 1 и заполненной герметиком 9. Протекание анодного тока через электрод 1 обеспечивает смещение потенциала защищаемого изделия в область значений, требуемых для полного подавления процессов коррозионного разрушения. По второму варианту от станции катодной защиты проходит постоянный ток расчетной силы и напряжения, который поступает на электрод 1 через провод токоввода 7 и шпильку 4, а также на следующий электрод гирлянды через контактный узел, расположенный на противоположном торце анодного заземления. Устойчивая работа контактного узла в течение длительного времени эксплуатации обеспечивается изолирующей оболочкой, состоящей в частном случае применения из колпака, закрепленного с помощью термоусадочной муфты 8 на корпусе электрода 1 и заполненного герметиком 9.
2
2
Предлагаемый анодный заземлитель имеет удельное сопротивление 200-250 Ом⋅мм/м и скорость растворения 0,1-0,12 кг/А год. Потенциал электрода по медно-сульфатному электроду сравнения при плотности тока 2-5 А/м составляет 1,5-1,8 В, что позволяет снизить напряжение между электродами, то есть снизить расход электроэнергии на катодную защиту. Заземление не содержит дорогостоящих материалов.
Таким образом, предлагаемый состав электрода и конструкция анодного заземления позволяют снизить расход электроэнергии на катодную защиту, повысить надежность контактного узла и снизить скорость деструкции электрода. Варианты конструкции имеют одинаковое назначение и рекомендуются к применению: первый вариант для одиночного электрода, чаще всего для поверхностного заземления, второй вариант для гирлянды электродов при устройстве глубинного заземления.
На основании проведенного патентно-информационного поиска считаем, что разработанные состав и конструкция анодного заземления соответствуют требованиям новизны и изобретательскому уровню. Проведенные опытно-промышленные испытания показали, что разработанная конструкция промышленно применима и может быть использована в системах электрохимической защиты от коррозии и защищена патентом Российской Федерации.