УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ ОТ ВНУТРЕННЕЙ КОРРОЗИИ

Заявляемая полезная модель относится к области электрохимической защиты металлов от коррозии, а более конкретно - к области электрохимической защиты от внутренней коррозии трубопроводной арматуры, работающей на агрессивных электропроводных средах (минерализованная и морская вода, различные среды химических производств).
Известно устройство электрохимической защиты трубопроводной арматуры от внутренней коррозии, защищенное патентом RU 2260072, МПК C23F 13/00, дата публикации - 10.09.2005. Устройство-аналог содержит анодные протекторы, выполненные в виде полых цилиндров, запрессованных в диэлектрические патрубки, установленные в рабочем трубопроводе по обе стороны от защищаемой трубопроводной арматуры. Внутренняя поверхность анодных протекторов контактирует с коррозионной рабочей средой. Анодные протекторы электрически и механически соединены с трубопроводной арматурой посредством контактных втулок с отбортовками и заклепок, в результате чего между анодными протекторами и трубопроводной арматурой протекает постоянный электрический ток, снижающий электрохимический потенциал деталей трубопроводной арматуры и обеспечивающий их защиту от внутренней коррозии. Для снижения непроизводительного расходования анодного протектора трубопроводная арматура электрически изолирована от рабочего трубопровода.
Аналог обладает следующими недостатками:
- не обеспечено надежных электрических соединений по металлу между анодными протекторами и всеми требующими защиты элементами трубопроводной арматуры, в результате того, что между корпусом и кинематическим элементом привода (валом) устанавлен уплотнительный элемент из резины, обладающей электроизолирующими свойствами;
между приводным валом и запорным элементом имеется конструктивный зазор, а в механическом соединении анодного протектора и корпуса имеет место щелевая коррозия, приводящая к полному исчезновению электрического контакта в процессе эксплуатации;
- не обеспечено рационального подбора материала анодных протекторов применительно к конкретному защищаемому материалу трубопроводной арматуры (материалу катода) и к конкретным характеристикам агрессивной рабочей среды;
- из-за удаленности размещения анодных протекторов от трубопроводной арматуры ресурс анодных протекторов расходуется нерационально, сила защитного тока снижается ниже необходимой величины, при этом защитный ток рассеивается, не выполняя своей защитной функции; - обеспечение электрической изоляции трубопроводной арматуры от рабочего трубопровода и изготовление трудоемких тонкостенных контактных втулок требует дополнительных расходов.
Прототипом заявляемого устройства является устройство электрохимической защиты трубопроводной арматуры от внутренней коррозии, защищенное патентом CN 20101136049, МПК C23F 11/10; F16K 1/22, дата публикации - 01.09.2010. Прототип содержит дисковые либо листовые анодные протекторы из сплавов магния, цинка и алюминия, установленные непосредственно на запорном элементе. Анодные протекторы соединены с запорным элементом коррозионно-стойким резьбовым крепежом.
Недостатками прототипа являются:
- от коррозии защищен, в основном, только запорный элемент трубопроводной арматуры, на котором установлены и закреплены анодные протекторы;
- отсутствуют надежные электрические соединения между запорным элементом и кинематическим элементом привода (валом), валом и корпусом из-за наличия монтажных зазоров в соединениях деталей и электроизолирующего элемента в уплотнении вала в корпусе;
- неосуществимо задекларированное в описании прототипа крепление анодного протектора из сплавов магния, алюминия или цинка к запорному элементу из углеродистой или нержавеющей стали путем приварки, так как эти металлы принципиально не свариваемы;
- при механическом закреплении анодного протектора на запорном элементе с помощью коррозионно-стойкого крепежа происходит быстрое окисление поверхности протектора в месте его контакта с крепежом и прохождение электрического тока от протектора к запорному элементу полностью прекращается;
- отсутствует рациональный индивидуальный подбор материала анодных протекторов к материалу запорного элемента (катода) по критерию его электроотдачи в условиях конкретной рабочей среды;
- отсутствует электроизолирующий экран между анодным протектором и защищаемой деталью (катодом), в связи с чем защитный ток распределяется по катоду неравномерно;
- отсутствует профилактика щелевой коррозии неработающих поверхностей анодных протекторов, запорного элемента (катода) и их крепежа за счет обеспечения их гидроизоляции.
Заявляемое устройство электрохимической защиты трубопроводной арматуры от внутренней коррозии решает техническую задачу повышения эффективности и экономичности защиты объекта за счет рационального дифференцированного подбора материала анодного протектора по критерию его электроотдачи в паре с материалом объекта защиты в условиях конкретной рабочей среды, и за счет надежного обеспечения протекания защитного электрического тока по металлу ко всем деталям трубопроводной арматуры при наименьшем электрическом сопротивлении.
Заявленная техническая задача решена в устройстве электрохимической защиты от внутренней коррозии трубопроводной арматуры, включающей корпус и запорный элемент с кинематическим элементом привода. Устройство содержит в качестве анода - протекторы, выполненные с возможностью закрепления на запорном элементе с помощью коррозионно-стойкого резьбового крепежа. Устройство снабжено неразъемными или условно-разъемными металлическими соединениями, образующими единую электрическую цепь с катодом и протекторами с суммарным электрическим сопротивлением по металлу в сухом состоянии величиной не более 0,1 Ом. В качестве катода используются корпус и запорный элемент с кинематическим элементом привода трубопроводной арматуры. Материал протектора выбран в зависимости от материала катода и концентрации в рабочей среде коррозионно-активных компонентов и из условия 0,4 В≤Δφ≤0,5 В, где Δφ - алгебраическая разность электрохимических потенциалов катода и анода. Резьбовой крепеж для соединения анодных протекторов и запорного элемента выполнен в виде шпильки с глухими гайками, для чего в запорном элементе и в анодных протекторах выполнены сквозные монтажные отверстия для шпильки, при этом шпилька соединена с запорным элементом сваркой. В монтажные отверстия анодных протекторов запрессованы коррозионно-стойкие опорные втулки для шпильки. Между опорной втулкой и глухой гайкой установлена прокладка из электро- и гидроизолирующего материала. Между запорным элементом и анодным протектором установлен околоанодный экран из электро- и гидроизолирующего материала. Дополнительное металлическое соединение запорного элемента и анодного протектора выполнено неразъемным в виде металлической перемычки из коррозионно-стойкой проволоки либо пластины, присоединенной концами к анодному протектору и к запорному элементу, в зависимости от сочетания контактных пар материалов в соединении, - сваркой, пайкой, заливкой либо запрессовкой. Запорный элемент соединен с кинематическим элементом привода плотным шлицевым соединением. Дополнительное металлическое соединение запорного элемента с кинематическим элементом привода выполнено, в одном варианте, неразъемным в виде металлической перемычки из коррозионно-стойкой проволоки либо пластины, присоединенной концами к запорному элементу и к кинематическому элементу, в зависимости от сочетания контактных пар материалов в соединении, -сваркой, пайкой, заливкой либо запрессовкой. Дополнительное металлическое соединение запорного элемента с кинематическим элементом привода выполнено, во втором варианте, с помощью коррозионно-стойкого штифта, запрессованного в приливы запорного и кинематического элементов. Дополнительное металлическое соединение кинематического элемента с корпусом трубопроводной арматуры выполнено в виде гибкого электрического провода, расположенного вне зоны действия коррозионной рабочей среды. Кинематический элемент привода трубопроводной арматуры выполнен в виде вала, штока либо шпинделя.
Существо заявляемого устройства поясняется чертежом, на фиг.1 которого изображена защищаемая трубопроводная арматура в виде поворотного дискового затвора, в разрезе, на фиг.2 - то же, сечение A-A.
Поворотный дисковый затвор включает корпус 1, кинематический элемент привода в виде поворотного вала 2 и установленный на валу запорный элемент в виде поворотного диска 3. Непосредственно на запорном элементе 3 установлены анодные протекторы 4 и 5.
к
а
к
a
Плотность защитного тока прямо пропорциональна алгебраической разности электрохимических потенциалов металлов катода и анода Δφ=φ-φ. Исследования и опыт эксплуатации протекторной защиты изделий машиностроения показывают, что существует оптимальная, с точки зрения эффективности защиты и экономичности расхода анодных протекторов, величина 0,4 В≤Δφ≤0,5 В. При значении Δφ<0,4 В плотность защитного тока недостаточна для эффективной защиты сложных внутренних поверхностей трубопроводной арматуры. При значении Аф>0,5 В происходит неоправданно быстрый расход материала анодного протектора и, одновременно с этим, на защищаемой поверхности объекта с большой скоростью выпадает осадок солей жесткости, выделяемых под действием защитного тока из коррозионной рабочей среды вследствие подщелачивания прикатодного слоя жидкости. Этот осадок блокирует защитное действие анодного протектора и негативно влияет на работоспособность трубопроводной арматуры - происходит заклинивание кинематического элемента привода (вала, штока, шпинделя), нарушается герметичность в затворе. Особенно такие явления характерны для случаев защиты трубопроводной арматуры из углеродистой стали (φ≈-0,4 В) анодными протекторами из сплавов магния (φ≈1,2 В; Δφ≈0,8 В).
Рекомендации по выбору материала анодных протекторов в зависимости от материала трубопроводной арматуры и концентрации в рабочей среде хлорид-иона приведены в таблице.
Таблица.
Материал трубопроводной арматуры (материал катода)
Стационарный электрохимический потенциал катода в рабочей среде (морской воде) φ<sub>к</sub>, В по нвэ
Содержание хлорид-иона в рабочей среде (морской воде) при t=20°C, г/л
Рекомендуемый материал анодного протектора (материал анода)
Стационарный электрохимический потенциал анода в рабочей среде морской воде) φ<sub>а</sub>, В по нвэ
Алгебраическая разность электрохимических потенциалов катода и анода Δφ=φ<sub>к</sub>-φ<sub>а</sub>, В по нвэ
Стали углеродистые и низколегированные
≈-0,4
≤1
Сплавы магния, легированные алюминием; сплавы алюминия, легированные магнием
≈-0,9
≈0,5
1÷10
Сплавы цинка, легированные магнием
≈-0,8
≈0,4
10÷20
Сплавы алюминия, легированные цинком
≈-0,8
≈0,4
Стали нержавеющие типа 08Х18Н9, 08Х18Н10Т, 10Х17Н13М3Т
≈0,1
≤1
Защиты не требуется
-
-
1÷20
Стали углеродистые
≈-0,4
≈0,5
Сплавы меди (латуни, бронзы)
≤1
Защиты не требуется
-
-
≈-0,01
1÷20
Стали углеродистые
≈-0,4
≈0,49
а
Оптимальных значений стационарных электрохимических потенциалов ф анодных протекторов из сплавов алюминия, цинка и магния достигают путем соответствующего легирования.
Анодные протекторы 4 и 5 закреплены на запорном элементе 3 с помощью шпильки 6 и глухих гаек 7 и 8. Для этого в запорном элементе 3 выполнено сквозное монтажное отверстие 9, в анодных протекторах 4 и 5 выполнены сквозные монтажные отверстия 10 и 11. В монтажные отверстия 10 и 11 анодных протекторов 4 и 5 запрессованы коррозионно-стойкие опорные втулки 12 и 13 для шпильки 6. Шпилька 6 установлена в сквозном монтажном отверстии 9 запорного элемента 3 и соединена с ним сваркой. Между анодным протектором 4 и запорным элементом 3 установлен электроизолирующий околоанодный экран 14, между анодным протектором 5 и запорным элементом 3 установлен электроизолирующий околоанодный экран 15. Электроизолирующие околоанодные экраны 14, 15 выполнены из стеклопластика или герметика, их дополнительная функция - заполнение щелевого зазора между анодным протектором 4 и запорным элементом 3, обеспечение герметичности затвора трубопроводной арматуры. Анодные протекторы 4 и 5, электроизолирующие околоанодные экраны 14 и 15 стянуты на резьбовой шпильке с запорным элементом 3 при помощи глухих гаек 7 и 8. Анодный протектор 4 по периферии дополнительно соединен с запорным элементом 3 коррозионно-стойкими радиальными металлическими перемычками 16 и 17 (минимум - две перемычки на каждый анодный протектор), анодный протектор 5 аналогично соединен с запорным элементом 3 радиальными металлическими перемычками 18 и 19. Перемычки 16, 17, 18, 19 выполнены в виде лепестков из коррозионно-стойкой ленты или проволоки (нержавеющая сталь) и соединены с анодными протекторами с нерабочей стороны. Стальные металлические перемычки 16, 17, 18, 19 вварены в анодные протекторы 4, 5 из углеродистых сталей. В литые анодные протекторы 4, 5 из сплавов магния, алюминия и цинка стальные металлические перемычки 16, 17, 18, 19 заложены при отливке. В анодные протекторы 4, 5, изготовленные из листовой или кованой заготовки, стальные металлические перемычки 16, 17, 18, 19 в виде ленты, штыря или проволоки запрессованы. С запорным элементом 3 стальные металлические перемычки 16, 17, 18, 19 соединены аргоно-дуговой сваркой. Таким образом, между анодными протекторами 4, 5 и запорным элементом 3 выполнены неразъемные электрические соединения с низким электрическим сопротивлением защитному току.
Для обеспечения электрохимической защиты кинематического элемента 2 он введен в состав катода за счет соединения с запорным элементом 3 плотным шлицевым соединением со шлицами 20. Дополнительно обеспечено металлическое соединение между кинематическим элементом 2 и запорным элементом 3 в виде металлической перемычки 21 из коррозионно-стойкой проволоки либо пластины, присоединенной концами к запорному элементу 3 и к валу 2, и/или с помощью коррозионно-стойкого конического штифта 22, запрессованного в приливы запорного элемента 3 и кинематического элемента 2.
Для обеспечения электрохимической защиты корпуса 1 он соединен с кинематическим элементом 2 гибким многожильным электрическим проводом 23, вне зоны действия коррозионной рабочей среды, с помощью сварки или посредством притирающегося коррозионно-стойкого электрического контакта 24.
Таким образом, из элементов трубопроводной арматуры, нуждающихся в электрохимической защите от внутренней коррозии, образованы в зоне действия коррозионной среды неразъемные и условно-разъемные электрические соединения. Эти соединения не подвержены щелевой коррозии и имеют электрическое сопротивление защитному току по металлу, не превышающее 0,1 Ом в сухом состоянии после сборки.
При поступлении в проточную часть корпуса 1 коррозионной рабочей среды она замыкает электрический контур «анод - катод - коррозионная среда - анод». Поверхность анодных протекторов 4 и 5 начинает разрушаться и накапливать отрицательный электрический потенциал. Защитный электрический ток необходимой плотности протекает от анодных протекторов 4, 5 к катоду, включающему запорный элемент 3, кинематический элемент 2 и корпус 1, снижает электрический потенциал катода, обеспечивая его электрохимическую защиту. Электроизолирующие околоанодные экраны 14 и 15 препятствуют усиленному растворению анодных протекторов 4 и 5 в зазоре, отделяющем их от запорного элемента 3.
Радиус защитного действия анодного протектора, изготовленного практически из любого из вышеуказанных материалов, составляет примерно 600 мм. Соответственно, для защиты наиболее употребляемой трубопроводной арматуры с диаметром условного прохода, не превышающим 1200 мм, достаточно одного анодного протектора 4, 5 с каждой стороны от запорного элемента 3. Для трубопроводной арматуры больших условных проходов (более 1200 мм) на каждой стороне запорного элемента 3 следует устанавливать равномерно по окружности не менее четырех анодных протекторов из расчета перекрытия электрических полей каждого из них с радиусом 600 мм. Согласно расчетам, масса одного анодного протектора из углеродистой стали может обеспечить срок эксплуатации трубопроводной арматуры из нержавеющей стали в морской воде до 10 лет, после чего производят замену анодного протектора.
Заявляемое устройство электрохимической защиты трубопроводной арматуры от внутренней коррозии может быть использовано для защиты различных типов трубопроводной арматуры - поворотных дисковых затворов, обратных дисковых затворов, клиновых и шиберных задвижек, а также трубопроводной арматуры клапанного типа.