ГЕЛЕВЫЙ МЕДНО-СУЛЬФАТНЫЙ ЭЛЕКТРОД СРАВНЕНИЯ НЕПОЛЯРИЗУЮЩИЙСЯ

Полезная модель относится к стационарным неполяризующимся электродам сравнения длительного действия и предназначена для систем коррозионного мониторинга и защиты подземных металлических сооружений от коррозии.
Уровень техники
Существует относительно широкий ассортимент устройств, для измерения суммарного и поляризационного потенциалов подземных трубопроводов и стальных сооружений при проведении коррозионного мониторинга. Наибольшее распространение получили медносульфатные электроды сравнения. В основу работы неполяризующихся электродов сравнения, как правило, положена конструкция с медным телом погруженным в насыщенный раствор медного купороса, отделяемая от внешней среды химически инертным корпусом с ионообменной мембраной (Патент RU №2296977, опубл. 10.04.2007 г.). Недостатком известного устройства с жидким раствором электролита является медленное истечение этого раствора из электролитической камеры, высокая растворимость веществ, проникающих из внешней среды, высокая стоимость мембраны отделяющей раствор электролита и внешнюю среду. Другим недостатком известного электрода является возможное наличие в мембране микропор и микротрещин, возникающих при изготовлении. Это не позволяет обеспечить только ионную проводимость и уменьшить воздействие осмотического давления, так как наличие микроканалов приводит к обмену между электролитом и внешней средой, что «отравляет» электролит электрода.
Известно устройство (Патент RU №2339740, опубл. 27.11.2008 г.), состоящее из электролитического и глиняного (бентонитового) отсеков, между которыми находится мембрана. Герметичный корпус этого устройства отличается стойкостью к ударным нагрузкам. Камера с жидким раствором электролита защищена от внешней среды не только мембраной, но и камерой с бентонитовым наполнителем. Увеличение ресурса работы электрода, в известном устройстве достигается за счет того, что бентонитовая камера эффективно удерживает электролитический раствор медного купороса, истекающий со временем из электролитической камеры и, к тому же, поглощает хлорид ионы, проникающие из внешней среды в электролитическую камеру, т.е. служит ловушкой хлорид ионов. Недостатком известного устройства включающего как мембрану, так и дополнительную бентонитовую камеру, является его высокая стоимость, а также большой вес и габариты.
Известно устройство (Патент RU №2307338, опубл. 27.09.2007 г.) где электролитическая камера отделена от окружающей среды слоем матричного электролита со структурой молекулярного сита расположенного между основным электролитом и мембраной. Известное устройство имеет малые габариты, но высокую стоимость изготовления связанную с нетехнологичным производством двухслойного электролита.
Другим решением задачи сохранения и увеличения срока службы электролита является добавление в его состав гелеобразующего загустителя. Загущенный электролитический раствор - гель, в меньшей степени подвержен истечению, а растворимость в нем веществ из внешней среды существенно ниже по сравнению с жидким, соответственно снижается скорость нежелательных химических реакций в объеме электролита.
Наиболее близким по технической сути является устройство с гелевым раствором электролита (Патент RU №88355, опубл. 10.11.2009 г.). Гель отделяется от внешней среды пористой диафрагмой (дерево, керамика полимер) и каких-либо дополнительных средств защиты не требуется. Недостатком известного устройства является низкое количественное отношение площади диафрагмы к объему гелевого электролита, в результате чего контакт электролита с грунтом может оказаться недостаточен, а наиболее удаленная от диафрагмы часть гелевого электролита в камере электрода - невостребованной, т.к. конвективные и диффузионные процессы в геле сильно замедлены. Другим недостатком известного устройства является малая площадь контакта гелевого электролита и медного электрода, т.к. последний выполнен в виде тонкого стержня. Оба указанных недостатка приводят к таким последствиям как изменение собственного потенциала, рост внутреннего сопротивления электрода, снижение срока службы с нормированными параметрами.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является более рациональное использование гелевого электролита, увеличение надежности и ресурса работы электрода на его основе.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности устройства при многолетней эксплуатации.
Технический результат достигается за счет того, что в гелевом медно-сульфатном электроде сравнения неполяризующимся, содержащем токонепроводящий корпус с вмонтированным в него медным электродом и токовводом и подсоединенным к нему сигнальным проводником, при этом корпус выполнен в виде электролитической камеры, заполненной содержащим загуститель электролитом, а камера выполнена в виде тонкостенного цилиндра с диафрагмой из пористого материала, отделяющей электролит от окружающей среды, медное тело электрода выполнено в виде тонкостенного цилиндра и установлено внутри корпуса, а диафрагма состоит из двух одинаковых параллельных друг другу секций в форме дисков, находящихся на месте оснований корпуса с противоположных сторон, при этом электролит и медный электрод находятся между секциями диафрагмы, а корпус погружен в мешок с гигроскопичным наполнителем, причем на мешке закреплен дополнительный датчик потенциала в виде стальной пластины, к которой припаян отдельный сигнальный проводник.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежом на фиг. 1, где дана принципиальная схема гелевого медно-сульфатного электрода сравнения не поляризующегося: 1 - токонепроводящий корпус, 2 - медный электрод, 3 - медный токоввод, 4 - гелевый электролит, 5 - двухсекционная диафрагма, 6 - сигнальный проводник.
Осуществление полезной модели
Принцип работы полезной модели состоит в следующем. Для проведения коррозионного мониторинга электрод в токонепроводящем корпусе 1 помещается в рабочую среду в которой размещается также стальное сооружение потенциал которого нужно измерить (сравнить) относительно потенциала электрода. При этом двухсекционная диафрагма 5 полностью или частично оказывается в непосредственном контакте с рабочей средой. Через двухсекционную диафрагму с рабочей средой контактирует гелевый электролит 4, в который погружен медный электрод 2 с выведенным через токоввод 3 сигнальным проводником 6, длина которого обычно составляет несколько метров. К сигнальному проводнику 6 подключается клемма измерительного прибора (на фигуре не показан). Двухсекционная диафрагма 5 состоит из двух отдельных параллельных дисков расположенных с противоположных сторон объема гелевого электролита 4, благодаря чему он эффективно задействован. Кроме того, площадь контакта двухсекционной диафрагмы 5, гелевого электролита 4 и медного электрода 2 достаточно велика по отношению к размерам этих частей и всего электрода. Гелевый состав электролита 4 и специально подобранный загуститель препятствуют ему вытекать через двухсекционную диафрагму 5 и насыщаться посторонними загрязняющими веществами из рабочей среды.
В качестве дополнительной защиты предлагаемое устройство может погружаться в тканевый мешок с гигроскопичным наполнителем (фиг. 2). Перед установкой электрода в рабочую среду производят его замачивание, в ходе которого глина набирает влагу. Затем, уже по ходу эксплуатации в рабочей среде, электрод постоянно даже в засушливый период располагается во влажной среде при любых климатических условиях, что в итоге повышает точность измерений. На этом же мешке с внешней его стороны с помощью тканевой липучки и пластмассовой рамки закрепляется стальная пластина, соединенная с отдельным сигнальным проводником, которая служит дополнительным датчиком потенциала. Для измерения потенциала с помощью этой пластины другой конец сигнального проводника соединенного с ней подключается к измерительному интерфейсу.
Таким образом, в предлагаемом устройстве, за счет наличия двухсекционной диафрагмы 5, установленной герметично в корпус 1 с противоположных сторон медного электрода 2, изготовленного в виде тонкостенного цилиндра, пропущенного по всему внутреннему периметру корпуса 1 и погруженного в гелевый электролит 4, увеличена площадь чувствительной поверхности, т.е. контакта гелевого электролита 4 с грунтом и одновременно с медным электродом 2 при достаточно компактном размере всего устройства. Установка двух секций диафрагмы 5 с противоположных частей электролитической камеры позволяет более равномерно использовать гелевый электролит 4, сводя к минимуму неоднородность химического состава электролита 4 при долговременной эксплуатации электрода. Большая площадь поверхности медного электрода 2 позволяет получить высокую стабильность работы электрода сравнения, уменьшить гистерезис и продлить срок его службы. Большая площадь двухсекционной диафрагмы 5 позволяет получить высокую чувствительность электрода сравнения и снизить падение напряжения на сопротивлении между электродом сравнения и окружающей почвой, с которой он контактирует. При этом токонепроводящий корпус 1 электрода выполнен из высокопрочного стеклонаполненного химически стойкого полимерного материала, а гелевое связующее обеспечивает сохранность электролита 4 даже при большой площади двухсекционной диафрагмы 5. Двухсекционная диафрагма 5 изготавливается из керамики или твердых пород древесины.
Пример конкретной реализации полезной модели представлен на фиг. 3, 4: 1 - токонепроводящий корпус, 2 - медный электрод, 3 - медный токоввод, 4 - гелевый электролит, 5 - двухсекционная диафрагма, 6 - сигнальный проводник, 7 - держатели диафрагмы, 8 - гайки, 9 - кольцо-уплотнитель.
При замерах основных рабочих параметров полезной модели они сравнивались с таковыми для электрода, который по конструкции был максимально приближен к известному устройству-прототипу, то есть, этот электрод был изготовлен с обычной диафрагмой и медным основанием в виде стержня, как это дано в описании прототипа. В предлагаемом устройстве медный электрод был выполнен в виде медной ленты согнутой кольцом диаметром ~ 9 см и шириной 2 см установленной согласно полезной модели внутри корпуса. В аналогичном корпусе был собран электрод-прототип с медным электродом в виде стержня длиной 9 см и диаметром 5 см. Двухсекционная диафрагма в предлагаемом электроде состояла из двух керамических дисков диаметром 4 см и толщиной 0.8 см, установленных согласно полезной модели с противоположных сторон корпуса и электролитической камеры. Диафрагма прототипа представляла собой один диск с теми же размерами установленный только с одной из сторон корпуса. При этом других существенных отличий между этими сравниваемыми электродами не было: корпус электрода, объем и состав электролита были одинаковыми.
Сравнительные измерения основных параметров как предлагаемой полезной модели, так и прототипа производились согласно (п. 4.3) «Технических требований (ТТ) к электродам сравнения для определения потенциалов стальных сооружений» ПАО "Газпром" от 15.06.2015. Измерения проводились в водопроводной воде с помощью поверенного контрольно-измерительного оборудования: лабораторного хлорсеребряного электрода ЭВЛ-1, измерителя потенциала ОРИОН ИП-01, измерителя сопротивления Ф-4103-М1. Перед измерениями электроды отстаивались в водопроводной воде в течение нескольких суток для установления стационарных значений параметров.
Как видно, параметры обоих электродов находятся в пределах нормы указанной в ТТ, значения U электродов почти одинаковы. Однако обнаружилась существенная разница по величине r. У полезной модели r в 1,5-2 раза меньше, чем у известного электрода.
Как известно, для применения в грунтовых условиях электроды сравнения должны удовлетворять следующим основным требованиям:
- быстро и обратимо устанавливать потенциал;
- быть неполяризуемыми, т.е. их потенциал не должен меняться при токовой нагрузке измерительной цепи;
- иметь максимально малое внутреннее сопротивление.
Существенное сокращение внутреннего сопротивления в полезной модели приводит к более надежной и долговременной работе электрода сравнения, что соответствует заявляемому техническому результату. Таким образом, предлагаемая полезная модель наиболее полно удовлетворяет указанным требованиям.
Испытания конкретной реализации полезной модели проводились как в типичных, так и в экстремальных условиях.
В агрессивной окружающей среде (раствор 150 г FeCl + 150,. г NaCl на 10 л воды) нормированное значение потенциала электрода сохраняется не менее 0,5 года.
Устройство применимо в широком диапазоне температур (до -45°С), хорошо переносит циклы заморозки и разморозки, при этом сохраняет нормированные значения параметров.