Способ катодной защиты трубы
METHOD OF CATHODE PIPE PROTECTION

Изобретение относится к электрохимической защите конструкций от коррозии, в частности, к катодной защите труб, предназначенных, например, для транспортировки химических продуктов. Может использоваться при защите металлоконструкций без дополнительного источника питания.
Из существующего уровня техники известны различные устройства, использующие пьезоэлектрический эффект, а именно, пьезолектрические устройства генерации энергии.
Известен патент РФ на полезную модель № 124459, пьезоэлектрическое устройство для преобразования энергии, H02N2/18, 2013. Пьезоэлектрическое устройство, включает статор, состоящий из неподвижного основания и жестко закрепленного преобразующего элемента в виде толстой полой пьезокерамической пластины с аксиальной поляризацией материала, и ротор, включающий массивное цилиндрическое тело и систему роликов, передающих усилие. В результате механических колебаний пьезокерамической пластины на ее торцевой поверхности появляются свободные электрические заряды разных знаков. Результатом использования полезной модели является получение разных уровней генерируемого электрического напряжения. Данное устройство сложную техническую реализацию и не применяется в системах электрохимической защиты.
По заявке РФ на изобретение № 2007108276, известны способ и устройство для генерации электрической энергии пьезоэлементами в автономной саморегулируемой магнитомеханической системе, H02N2/00, 2008. Пьезоэлементы расположены на поверхностях неупругих  накладок постоянных разнополярно сориентированных магнитов. Поверхности сходятся или расходятся в зависимости от сил, преобладающих в магнитной системе. Устройство является автономным и не нуждается во внешнем источнике энергии. Устройство скомпоновано из саморегулируемых магнитомеханических систем. При соединении магнитов под влиянием сил взаимного притяжения пьезоэлементы деформируются, и вследствие прямого пьезоэффекта, генерируют электрический заряд, часть которого используется для саморегулирования системы, а часть преобразуется в полезную электрическую энергию. Результатом использования изобретения является получение электрической энергии. Техническая реализация устройства сложна, в системах электрохимической защиты не применяется.
Известно протекторное устройство для защиты от коррозии по патенту РФ на изобретение №2299273, C23F 13/06, 2007. Протекторное устройство содержит корпус из протекторного сплава и крепежный элемент. Корпус протектора состоит из двух частей, устанавливаемых с двух сторон защищаемой поверхности трубопровода. Части протектора, находящиеся на внешней и внутренней поверхности трубы, соединены центральным, токопроводящим, резьбовым крепежным элементом, жестко закрепленным в одной из частей корпуса. В другой части корпуса жестко закреплена втулка с ответной резьбой крепежному элементу. Втулка выполнена с глухим торцом, наружная поверхность корпуса протектора выполнена сферической формы. Недостатком является невысокая надежность работы защищаемого трубопровода вследствие перфорации его стенок, что может привести к утечкам перекачиваемой среды из-за негерметичной установки протектора.
Известна труба с внутренним защитным покрытием по патенту РФ на изобретение №2132013, F16L 58/02, 1999, на конце которой установлены концентрично расположенные и скрепленные между собой протекторная и защитная втулки. Защитная втулка установлена внутри протекторной втулки с натягом. Материал защитной втулки имеет меньший коэффициент теплового расширения, чем коэффициент теплового расширения материала протекторной втулки. Расходная часть протекторной втулки вынесена за пределы защитной втулки. Недостатком является невысокие надежность и долговечность работы протекторной защиты вследствие расположения протекторной втулки только на конце защищаемой трубы.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран способ катодной защиты от внутренней коррозии трубопроводной арматуры по патенту РФ на изобретение №2124071, C23F 13/06, 1998. Способ включает формирование канала из диэлектрического патрубка в непосредственной близости от защищаемой трубопроводной арматуры и размещение анода в прилегающем к арматуре конце патрубка. Анод выполняют в виде полого цилиндра и запрессовывают его внутрь диэлектрического патрубка. Патрубок прошивают металлическими штырями для обеспечения электрического контакта внутренней поверхности трубопровода с анодом. Патрубок с анодом размещают внутри конца трубопровода и закрепляют их на внутренней поверхности трубопровода. Диэлектрический патрубок прошивают металлическими штырями со стороны конца анода, входящего внутрь полости трубопровода. Недостатком является невысокая надежность работы из-за возможности быстрого растворения металлических штырей, соединяющих анод с защищаемым устройством.
Технической задачей изобретения является расширение арсенала технических средств, используемых без применения дополнительных источников питания в электрохимической защите от коррозии.
Технический результат изобретения заключается в реализации средств, используемых в электрохимической защите от коррозии, в повышении надежности электрохимической защиты объектов от коррозии без применения дополнительных источников питания.
Технический результат достигается за счет того, что в способе катодной защиты металлической трубы от коррозии, включающем электрическое соединение защищаемой трубы с анодом в виде трубы и создание защитного потенциала, при этом на поверхности защищаемой трубы с натягом устанавливают трубчатый элемент из пьезоматериала, соединенный с натягом с анодом, а для создания защитного потенциала регулируют величину натяга на трубчатый элемент из пьезоматериала, выбирают величину защитного потенциала и обеспечивают постоянное усилие натяга.
Технический результат обеспечивается тем, что потенциал на защитном аноде создается с помощью трубчатого элемента из пьезоматериала. Натягом при соединении анода с трубчатым элементом из пьезоматериала и натягом при соединении этого же элемента, с защищаемой трубой обеспечивают создание усилия, действующего на элемент из пьезоматериала. Давление от этих усилий вызывает прямой пьезоэффект пьезоматериале. Кроме того, в работающем трубопроводе при протекании по нему потока транспортируемого продукта в стенках трубопровода возникают постоянные колебания. Под действием вибрации трубопровода происходит периодическое давление на трубчатый элемент из пьезоматериала, в результате которого в нем возникает прямой пьезоэффкт. Это приводит к тому, что между поверхностями данного трубчатого элемента возникает электрическое напряжение. Одна из этих поверхностей контактирует с защищаемой трубой, другая – с анодом.  На аноде и на защищаемой трубе, которая в данном случае является катодом, создается разность потенциалов, необходимая для осуществления процесса электрохимической защиты трубы. Анод в данном случае является расходным материалом. Таким образом, с помощью использования элемента из пьезоматериала происходит реализация технического средства, назначением которого является электрохимическая защита от коррозии. Использование элемента из пьезоматериала трубчатой формы, использование анода в виде трубы, соединение всех труб с натягом между собой, позволяет  обеспечить надежный контакт защитных элементов с защищаемой трубой по всей ее поверхности. Это повышает надежность электрохимической защиты. Кроме того, данное соединение частей системы позволяет обеспечить равномерное расходование материала анода вдоль всей защищаемой трубы в течение всего срока действия анода, что так же повышает надежность электрохимической защиты.
На фигуре 1 представлена система электрохимической защиты трубы с использованием пьезоэффекта с наружным расположением защищаемой трубы.
На фигуре 2 представлена система электрохимической защиты трубы с использованием пьезоэффекта с внутренним расположением защищаемой трубы.
Способ катодной защиты трубы осуществляют следующим образом.
В первом варианте осуществления способа электрохимической защиты в защищаемую трубу 1 с натягом устанавливают сборную конструкцию, которая состоит из анода 3 трубчатого элемента 2 из пьезоматериала. Для этого анод 3 предварительно устанавливают с натягом внутри элемента 2 из пьезоматериала. Анод 3 может быть выполнен в виде трубы, в виде трубы с прорезями, решетчатым, либо в другом виде.  Далее трубчатый элемент 2 из пьезоматериала с анодом 3 внутри устанавливают с натягом в защищаемую трубу 1. Таким образом, защищаемая труба 1 оказывается снаружи, части защитной системы оказываются внутри нее. Внутренняя поверхность защищаемой трубы 1 контактирует с наружной поверхностью трубчатого элемента 2 из пьезоматериала.
Во втором варианте осуществления способа электрохимической защищаемую трубу 1 с натягом размещают внутри сборной конструкции, которая состоит из анода 3 и трубчатого элемента 2 из пьезоматериала.   Для этого предварительно внутрь анода 3 с натягом устанавливают трубчатый элемент 2 из пьезоматериала. Анод 3 так же может быть выполнен в виде трубы, в виде трубы с прорезями, решетчатым, либо в другом виде.   Далее внутрь трубчатого элемента 2 из пьезоматериала с натягом устанавливают защищаемую трубу 1.   Таким образом, защищаемая труба 1 оказывается внутри, а части защитной системы – снаружи. Наружная поверхность защищаемой трубы 1 контактирует с внутренней поверхностью трубчатого элемента 2 из пьезоматериала.
При создании механического усилия со стороны защищаемой трубы 1 и со стороны анода 3 в элементе 2 при определенной ориентации кристаллов пьезоматериала  возникает электрический потенциал. Кроме того, электрический потенциал возникает и в результате изменения давления, действующего на пьезоматериал элемента 2 при вибрации трубы 1. Вибрации трубы 1 вызывает текущий внутри нее поток перекачиваемой среды.  На аноде 3 и на защищаемой трубе 1, которая в данном случае является катодом, так же создается разность потенциалов. В результате этого возникает защитный ток, необходимый для процесса восстановления ионов на трубе 1, подвергающейся коррозии. Направление защитного тока зависит от положения кристалла. Ориентацию пьезокристаллов подбирают таким образом, чтобы электрический потенциал был отрицательным, либо положительным, в зависимости от расположения защищаемой трубы 1. Положение защищаемой трубы 1 определяют исходя из поставленных технических задач. Степень поляризации кристаллов при прямом пьезоэффекте зависит от величины механического воздействия на трубчатый элемент 2. Регулируя величину натяга, подбирают величину защитного потенциала таким образом, чтобы напряжение на защищаемой трубе 1 имело значение порядка одного вольта. При осуществлении способа используют металлический пьезоматериал, например, сульфат лития, так же могут использовать синтезированные материалы, пьезокерамику либо пьезополимеры.  Могут использовать сплошной трубчатый элемент 2, или выполненный в виде решетки, колец или сегментов из пьезоматериала.  Усилие сжатия трубчатого элемента 2, необходимое для создания защитного потенциала, определяют экспериментально, исходя из размеров защищаемой трубы 1, свойств пьезоматериала, внешних условий эксплуатации.  Растворение материала анода 2 происходит равномерно в течение всего срока действия анода 2. Это происходит благодаря взаимодействию материалов по всей площади контактных поверхностей всех труб, которое обеспечивается постоянным усилием натяга. Используемая система электрохимической защиты трубы 1 является автономной, ее работа происходит без использования дополнительных источников электрического тока.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет расширить арсенал технических средств, используемых в электрохимической защите от коррозии путем реализации нового средства, позволяет повысить надежность электрохимической защиты объектов без применения дополнительных источников питания.