ТРУБЧАТЫЙ АНОДНЫЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)
TUBULAR ANODE EARTHING DEVICE (VERSIONS)

Анодный заземлитель (варианты)
Изобретение относится к области электрохимической защиты подземных металлических сооружений от коррозии и может быть использовано при сооружении поверхностных (подпочвенных) и глубинных анодных заземлений.
Известен анодный заземлитель [описание полезной модели к патенту РФ №129101 от 09.01.2013, МПК C23F 13/00, опубл. 20.06.2013], содержащий литой электрод и провод токоввода, соединенный с ним посредством контактного узла, который расположен в глухой полости электрода и залит герметиком, контактный узел состоит из металлической вставки с конической или цилиндрической поверхностью под зажимную втулку с конической или цилиндрической внутренней поверхностью, с возможностью крепления провода токоввода на вставке.
Известна конструкция анодного заземлителя [описание полезной модели к патенту РФ №125581 от 08.10.2012, МПК C23F 13/08, опубл. 10.03.2013], включающая металлическую вставку в виде цилиндрического стакана, внутренняя полость которого переходит в осевой канал с резьбой под закрепление провода токоввода, образующего со вставкой контактный узел.
Недостатком этих технических решений является их применимость только к литым сплошным электродам. В то же время практикой широко востребованы электроды трубчатой конструкции, для которых непосредственное применение вышеперечисленных конструктивных решений контактного узла невозможно.
Наиболее близким к заявляемому является анодный заземлитель [описание полезной модели к патенту РФ №132079 от 03.06.2013, МПК C23F 13/06, опубл. 10.09.2013], включающий провод токоввода и подсоединенный к нему по меньшей мере один металлический электрод, выполненный в виде полой сквозной или глухой трубы, при этом контакт провода токоввода с электродом выполнен в виде по меньшей мере одной пружины сжатия. Торцы электрода дополнительно герметизированы термоусаживаемыми материалами, внутренняя полость электрода, по меньшей мере, в месте расположения упругого элемента и его контакта с проводом токоввода заполнена электроизолирующим герметизирующим составом, все металлические электроды расположены на одном проводе токоввода последовательно, при этом токопроводящая жила провода токоввода выполнена цельной по длине. Металлический электрод выполнен из высококремнистого чугуна или из сплава на основе магнетита.
Недостатком прототипа является малая площадь контакта упругого элемента с внутренней поверхностью электрода и недостаточное усилие поджима, что в условиях конденсации влаги от перепада температур в процессе эксплуатации может привести, вследствие атмосферной коррозии, к увеличению переходного сопротивления и повышенным затратам электроэнергии на катодную защиту.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение эксплуатационной надежности, сокращение затрат на электроэнергию катодной защиты и увеличение срока службы трубчатого анодного заземлителя путем повышения коррозионной стойкости контактного узла, его устойчивости к механическим нагрузкам, снижение переходного сопротивления.
Поставленная задача по варианту 1 решается тем, что трубчатый анодный заземлитель содержит трубчатый электрод из материала на основе магнетита, токоввод и термоусадочные муфты, токоввод состоит из двух контактных узлов, расположенных на противоположных концах трубчатого электрода, соединенных жилами токоподводящего кабеля и состоящих из запрессованных в электрод разрезных втулок высотой 20-40 мм, с внешним диаметром, на 0,5-2,0 мм меньшим внутреннего диаметра электрода, выполненных с прямоугольными разрезами по диаметру шириной 2-4 мм и глубиной 1,2-1,3 радиуса втулок, причем по центру втулок имеются сквозные отверстия цилиндрической формы диаметром 8-12 мм, в которые одновременно с жилами токоподводящего кабеля запрессованы металлические вставки высотой на 10-40 мм больше высоты втулки, диаметр которых меньше диаметра отверстия втулки на 0,4-1,5 мм, а на боковых поверхностях вставок с одной стороны выполнены контактные площадки в виде плоских срезов под углом 10-12 градусов но отношению к центральной оси, начинающиеся на середине вставки, при этом контактные узлы залиты легкоплавким припоем на основе олова толщиной до 12 мм, а вывод кабеля изолирован силиконовым герметиком.
Поставленная задача по варианту 2 решается тем, что трубчатый анодный заземлитель, содержащий трубчатый электрод из материала на основе высококремнистого чугуна, токоввод и термоусадочные муфты, токоввод состоит из двух контактных узлов, расположенных на противоположных концах трубчатого электрода, соединенных жилами токоподводящего кабеля и состоящих из запрессованных в электрод разрезных втулок высотой 20-40 мм, с внешним диаметром, на 0,5-2,0 мм меньшим внутреннего диаметра электрода, выполненных с прямоугольными разрезами по диаметру шириной 2-4 мм и глубиной 1,2-1,3 радиуса втулок, причем по центру втулок имеются сквозные отверстия цилиндрической формы диаметром 8-12 мм, в которые одновременно с жилами токоподводящего кабеля запрессованы металлические вставки высотой на 10-40 мм больше высоты втулки, диаметр которых меньше диаметра отверстия втулки на 0,4-1,5 мм, а на боковых поверхностях вставок с одной стороны выполнены контактные площадки в виде плоских срезов под углом 10-12 градусов по отношению к центральной оси, начинающиеся на середине вставки, при этом контактные узлы залиты легкоплавким припоем на основе олова толщиной до 12 мм, а вывод кабеля изолирован силиконовым герметиком.
Запрессовка втулок обеспечивает надежный контакт токоподводящего кабеля с внутренней поверхностью трубчатого электрода. Разрез в конструкции втулки обеспечивает увеличение ее внешнего диаметра при запрессовке в центральное отверстие вставки, за счет чего обеспечивается прижим боковой поверхности втулки к внутренней поверхности электрода, что обеспечивает электрический контакт по всей боковой поверхности, что снижает переходное сопротивление. Диаметр центрального отверстия выбран из соображений оптимизации нагрузки при запрессовке. Прямоугольная форма разреза предотвращает возникновение и развитие трещин при запрессовке. Размеры разреза втулки выбраны с учетом минимальных остаточных напряжений после сборки контактного узла. Наличие двух таких контактных узлов, электрически соединенных жилами токоподводящего кабеля, снижает электрическое сопротивление контактного узла, обусловленное небольшой толщиной стенки трубы электрода, за счет уменьшения длины токоподводящей части. Запрессовка жил токоподводящего кабеля в центральное отверстие разрезной втулки обеспечивает деформацию поверхностных слоев жил кабеля на уровне шероховатости внутренней поверхности втулки, что увеличивает сечение контакта и снижает риск попадания в него конденсирующейся влаги, вызывающей локальную коррозию и снижение переходного сопротивления. Контактная площадка в виде плоского среза под углом по отношению к центральной оси исключает возможность среза жил кабеля при запрессовке и возникновение нежелательных внутренних напряжений. Заливка торцевых поверхностей втулок с запрессованными в них жилами кабеля легкоплавким припоем на основе олова служит дополнительной герметизации токоввода, защите его от контактной коррозии и усилению устойчивости контактного узла к деформирующим нагрузкам. Толщина слоя заливки до 12 мм обеспечивает фиксацию положения кабеля и исключает попадание влаги в контактный узел за счет капиллярного проникновения. Термоусадочные муфты в виде колпаков, заполненные герметиком, исключают попадание почвенной влаги в контактный узел. Выбор материала электрода на основе магнетита или высококремнистого чугуна определяется низкой скоростью анодного растворения этих материалов в условиях анодной поляризации.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена конструкция токоввода в поперечном сечении.
На фиг. 2 изображена конструкция крепления токоподводящего кабеля в поперечном сечении.
На фиг. 3 показана конструкция крепления токоподводящего кабеля в продольном сечении.
На фигурах представлено:
1 - трубчатый электрод;
2 - разрезная втулка;
3 - металлические вставки;
4 - контактные площадки;
5 - токоподводящий кабель;
6 - припой на основе олова;
7 - вывод кабеля;
8 - силиконовый герметик;
9 - термоусадочная муфта;
10 - прямоугольный разрез;
11 - отверстия цилиндрической формы.
По первому варианту трубчатый анодный заземлитель содержит трубчатый электрод 1 из материала на основе магнетита, токоввод и термоусадочные муфты 9, токоввод состоит из двух контактных узлов, расположенных на противоположных концах трубчатого электрода 1, соединенных жилами токоподводящего кабеля 5 и состоящих из запрессованных в электрод 1 разрезных втулок 2 высотой 20-40 мм, обеспечивающих увеличение площади электрического контакта с внутренней поверхностью электрода 1. Внешний диаметр втулок 2 на 0,5-2,0 мм меньше внутреннего диаметра электрода 1. Втулки 2 выполнены с прямоугольными разрезами по диаметру шириной 2-4 мм и глубиной 1,2-1,3 радиуса втулок. По центру втулок 2 имеются сквозные отверстия цилиндрической формы диаметром 8-12 мм, в которые одновременно с жилами токоподводящего кабеля 5 запрессованы металлические вставки 3 высотой на 10-40 мм больше высоты втулки 2, диаметр которых меньше диаметра отверстия втулки 2 на 0,4-1,5 мм. Диапазон размеров металлических вставок 3 выбран для предотвращения смещения жил кабеля, которое может привести к их облому или срезу. Перед запрессовкой в зазор между внешней поверхностью вставки 3 и поверхностью контактной площадки 4 втулки 2 пропускаются жилы токоподводящего кабеля 5. На боковых поверхностях вставок 3 с одной стороны выполнены контактные площадки 4 в виде плоских срезов под углом 10-12 градусов по отношению к центральной оси, начинающиеся на середине вставки 3, при этом контактные узлы залиты легкоплавким припоем на основе олова 6 толщиной до 12 мм, а вывод 7 кабеля 5 изолирован силиконовым герметиком 8. Для заземлителей, собираемых в гирлянду, предусмотрен вывод 7 кабеля 5 из обоих контактных узлов.
По второму варианту трубчатый анодный заземлитель содержит трубчатый электрод 1 из материала на основе высококремнистого чугуна, токоввод и термоусадочные муфты 9, токоввод состоит из двух контактных узлов, расположенных на противоположных концах трубчатого электрода 1, соединенных жилами токоподводящего кабеля 5 и состоящих из запрессованных в электрод 1 разрезных втулок 2 высотой 20 40 мм, обеспечивающих увеличение площади электрического контакта с внутренней поверхностью электрода 1. Внешний диаметр втулок 2 на 0,5-2,0 мм меньше внутреннего диаметра электрода 1. Втулки 2 выполнены с прямоугольными разрезами по диаметру шириной 2-4 мм и глубиной 1,2-1,3 радиуса втулок. По центру втулок 2 имеются сквозные отверстия цилиндрической формы диаметром 8-12 мм, в которые одновременно с жилами токоподводящего кабеля 5 запрессованы металлические вставки 3 высотой на 10-40 мм больше высоты втулки 2, диаметр которых меньше диаметра отверстия втулки 2 на 0,4-1,5 мм. Диапазон размеров металлических вставок 3 выбран для предотвращения смещения жил кабеля, которое может привести к их облому или срезу. Перед запрессовкой в зазор между внешней поверхностью вставки 3 и поверхностью контактной площадки 4 втулки 2 пропускаются жилы токоподводящего кабеля 5. На боковых поверхностях вставок 3 с одной стороны выполнены контактные площадки 4 в виде плоских срезов под углом 10-12 градусов по отношению к центральной оси, начинающиеся на середине вставки 3, при этом контактные узлы залиты легкоплавким припоем на основе олова 6 толщиной до 12 мм, а вывод 7 кабеля 5 изолирован силиконовым герметиком 8. Для заземлителей, собираемых в гирлянду, предусмотрен вывод 7 кабеля 5 из обоих контактных узлов.
Трубчатый анодный заземлитель, предназначенный для работы в глубинных и поверхностных слоях почвы, а также в природных водах в качестве анода при защите от электрохимической коррозии металлических сооружений и коммуникаций, в том числе магистральных нефтегазопроводов, контактирующих с грунтом и водой, работает следующим образом. Трубчатые анодные заземлители укладывают горизонтально или вертикально ниже уровня промерзания грунта и выше уровня грунтовых вод, при этом они присоединены кабелями к положительному полюсу станции катодной защиты. Защищаемая конструкция присоединяется к отрицательному полюсу. По кабелю от станции катодной защиты проходит постоянный ток расчетной силы и напряжения, который поступает на электрод 1 через токоподводящий кабель 5 на разрезную втулку 2. Минимизацию сопротивления контактного узла обеспечивают металлические вставки 3, которые, будучи запрессованы в отверстия цилиндрической формы 11, осуществляют поджим разрезных втулок 2 к внутренней поверхности электрода 1 за счет ограниченной деформируемости, обеспечиваемой прямоугольными разрезами 10. Припой на основе олова 6 фиксирует положения запрессовки жил кабеля 5 и поджатая разрезных втулок 2 к внутренней поверхности электрода 1, что предотвращает нарушения целостности контактного узла при смещениях токоподводящего кабеля 5 при установке заземлителя и смещениях грунта. Протекание анодного тока через электрод 1 обеспечивает смещение потенциала защищаемого изделия в область значений, требуемых для полного подавления процессов коррозионного разрушения.
Таким образом, предлагаемая конструкция трубчатого анодного заземлителя позволяет повысить его коррозионную стойкость и устойчивость к механическим нагрузкам, а следовательно, и повысить эксплуатационную надежность. Снижение переходного сопротивления позволяет снизить затраты электроэнергии на катодную защиту и увеличить срок службы.
На основании проведенного патентно-информационного поиска считаем, что разработанная конструкция трубчатого анодного заземлителя соответствует требованиям новизны и изобретательскому уровню. Проведенные опытно-промышленные полевые испытания показали, что разработанная конструкция промышленно применима, может быть использована в системах электрохимической защиты от коррозии и может быть защищена патентом Российской Федерации.