Устройство для катодной защиты с автономным питанием
DEVICE FOR CATHODIC PROTECTION WITH AUTONOMOUS POWER SUPPLY

Изобретение относится к области электрохимической защиты морских и других металлических сооружений от коррозии, находящихся в коррозионно активных электролитических средах, обладающих жесткостью, за счет содержания кальция и магния.
Известна, например, система для катодной защиты (ПМ РФ №114055 U1, МПК C23F 13/02, публикация ПМ 10.03.2012), которая предполагает при одновременном отсутствии возобновляемых источников электроэнергии (ветрогенератора, солнечной панели или аккумуляторной батареи) включение в работу протекторной защиты. Эта система позволяет осуществлять непрерывную защиту металлических сооружений от коррозии. К ее недостаткам можно отнести большую сложность и сравнительно высокую стоимость при реализации, поскольку она содержит множество разнотипных источников электрической энергии и устройств для поддержания требуемых режимов их работы, а материалы протекторов, как известно, в процессе работы интенсивно разрушаются и поэтому требуют периодической замены.
Известно, например, устройство для катодной защиты с автономным питанием, принятое за прототип (патент РФ №2486289 С2, МПК C23F 13/02, публикация патента 27.06.2013), содержащее ветрогенератор, аккумулятор, блок формирования амплитуды импульсов, анодный заземлитель и электрод сравнения, подключенный к первому входу данного блока формирования амплитуды импульсов. В данное устройство при этом введены протектор, размыкатель, резистор, блок управления резервом с двумя выходами и портом обмена данными, солнечная батарея, первый и второй развязывающие диоды, а также контроллер ограничения тока заряда аккумулятора. Данное устройство позволяет осуществлять непрерывную защиту металлических сооружений от коррозии. В случае отсутствия поступления электроэнергии от возобновляемого источника энергии (ветрогенератора, солнечной панели и др.) используют энергию, накопленную в аккумуляторной батарее во время работы возобновляемого источника энергии (при ветреной погоде или во время дневного освещения и др.).
Это устройство обладает следующими недостатками. Наличие аккумулятора для обеспечения непрерывности процесса катодной защиты сооружения приводит к удорожанию данного устройства (т.к. стоимость аккумулятора сравнима или превосходит стоимость солнечных панелей) и уменьшению длительности его работы по катодной защите (поскольку срок службы аккумулятора в несколько раз ниже срока службы солнечных панелей, и поэтому аккумулятор требует периодической замены), что, в конечном итоге, снижает надежность катодной защиты в целом (поскольку для надежной работы аккумулятора в системе электропитания требуется дополнительное устройство (контроллер), регулирующее ток в процессе заряда и разряда аккумулятора).
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в устранении указанных недостатков, а именно: снижение стоимости оборудования устройства, упрощение его конструкции, а также повышение надежности.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве для катодной защиты с автономным питанием, содержащем солнечную батарею, электрод сравнения, электромагнитный размыкатель, электрическую систему преобразования тока, в отличие от него в заявляемом устройстве для катодной защиты с автономным питанием электрическая система преобразования тока выполнена в виде импульсного преобразователя постоянного тока (ИППТ). Также в устройство введены нерастворимый анод и электроизмерительные приборы в виде потенциометра и амперметра. При этом выводы солнечной батареи соединены с питающими входами импульсного преобразователя постоянного тока. Электропитание катушки электромагнитного размыкателя выполнено от импульсного преобразователя постоянного тока; минусовой его выход электрически соединен с защищаемым сооружением, а плюсовой выход соединен с нерастворимым анодом через переключающий контакт электромагнитного размыкателя. Амперметр установлен в разрыв цепи питания нерастворимого анода. Потенциометр одним зажимом соединен с электродом сравнения, а другим зажимом соединен с защищаемым сооружением. В частном случае реле-размыкатель выполнено по типу SRD-03VDC-SL-C, а солнечная панель выполнена по типу SDM-500.
Благодаря тому, что в предложенном устройстве для катодной защиты отсутствуют аккумуляторная батарея, ветрогенератор, контроллер заряда аккумуляторных батарей, протектор, блок управления резервом и блок формирования амплитуды импульсов, достигается существенное снижение стоимости оборудования устройства, а также упрощение его конструкции.
Таким образом, за счет того, что в предложенном устройстве защиту от коррозии в темное время суток обеспечивает катодный осадок и используется только один источник электроэнергии, оно содержит меньшее число элементов по сравнению с прототипом и поэтому имеет более простое конструктивное исполнение и меньшую стоимость. Кроме того, благодаря тому, что предложенное устройство содержит меньшее число элементов, оно характеризуется большей надежностью, долговечностью и практически не нуждается в обслуживании, что является дополнительным преимуществом заявляемого изобретения.
Заявляемое изобретение иллюстрируется на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 изображена схема катодной защиты с автономным питанием. На фиг. 2 представлена фотография образцов под катодной защитой и контрольных образцов.
Заявляемое устройство для катодной защиты с автономным питанием (фиг. 1) содержит солнечную панель (1), импульсный преобразователь постоянного тока (ИППТ) (2) с регулируемым выходом, обеспечивающий необходимый защитный ток, реле-размыкатель (3) цепи "нерастворимый анод - защищаемый объект", нерастворимый анод (4) и электрод сравнения (5). Минусовая клемма солнечной панели (1) соединена с минусовым входом ИППТ (2), а плюсовая клемма солнечной панели (1) соединена с плюсовым входом ИППТ (2). Минус с выхода ИППТ (2) соединен с защищаемым сооружением (6), а плюс - с переключающим контактом реле-размыкателя (3). Нерастворимый анод (4) соединен с нормально разомкнутым контактом реле-размыкателя (3), катушка которого подключена к выходу ИППТ (2). Сам ИППТ (2) выполнен на полупроводниковых элементах и служит для регулирования выходного напряжения и, следовательно, выходного тока.
к
защ
Катодный потенциал U контролируют подключением измерительного прибора (7) между защищаемым сооружением (6) и электродом сравнения (5), а защитный ток I - подключением амперметра (8) в разрыв цепи "нормально разомкнутый контакт реле-размыкателя (3) - нерастворимый анод (4)".
Формирование и регулирование толщины этого осадка и его защитные свойства осуществляют при помощи ИППТ (2), которым регулируют выходное напряжение и, соответственно, выходной ток солнечной панели во время ее работы. При этом известно, что солнечная панель обладает свойствами близкими к свойствам источника тока
Солнечная панель (1) служит первичным источником питания схемы катодной защиты. Как известно, выходное напряжение и ток солнечной панели (1) отсутствуют в темное время суток, а при дневном свете могут изменяться в довольно широких пределах, что неприемлемо для питания схемы катодной защиты. Поэтому для обеспечения требуемого значения выходного напряжения и тока первичного источника питания схемы, необходимого для осуществления эффективной катодной защиты, к выходу солнечной панели (1) подключен ИППТ (2). Данный ИППТ (2) может быть снабжен дистанционным регулятором выходного напряжения и тока (не показан).
Реле-размыкатель цепи (3) выполняет функцию механического включения подачи тока для катодной защиты при наличии достаточного освещения солнечной панели (1) и отключения цепи "анод (4) - защищаемое сооружение (6)", предотвращая, тем самым, протекание обратного гальванического тока, возникающего между защищаемым сооружением (6) и анодом (4) после прекращения работы солнечной панели (1) по причине отсутствия солнечного освещения.
В качестве реле-размыкателя (3) могут быть выбраны разные схемотехнические решения с использованием низковольтных (порядка 2 В) реле: а) реле, срабатывающие на включение (выключение) при достижении (снижении) заданного напряжения питания катушки; б) программируемые реле; в) реле, управляемые светочувствительным элементом (фотодиод, фоторезистор).
Заявляемое устройство для катодной защиты с автономным питанием используют следующим образом. В светлое время суток устанавливают требуемое выходное напряжение и ток ИППТ (2), подают это напряжение и ток на катушку питания реле-размыкателя (3). При срабатывании данного реле-размыкателя его переключающий контакт замыкается, подключая, тем самым, нерастворимый анод (4) к плюсовому выходу ИППТ (2). На поверхности защищаемого сооружения (6) при этом под воздействием протекающего тока, вырабатываемого солнечной панелью (1), образуется катодный осадок, который состоит в основном из карбоната кальция и гидроксида магния [C. Rousseau, F. Baraud, L. Leleyter, M. Jeannin, O. Gil. Calcareous deposit formed under cathodic protection in the presence of natural marine sediments: A 12 month experiment. - Corrosion Science, 52 (2010), 2206-2218; Ph. Refait, M. Jeannin, R. Sabot, H. Antony, S. Pineau. Electrochemical formation and transformation of corrosion products on carbon steel under cathodic protection in seawater. - Corrosion Science, 71 (2013), 32-36]. Этот малорастворимый осадок защищает металл от коррозии в темное время суток за счет изолирования металла от коррозионной среды, а, растворяясь, изменяет состав коррозионной среды вблизи защищаемого металла в сторону снижения ее коррозионной агрессивности.
Таким образом, при работе солнечной панели (1) в светлое время суток за счет вырабатываемого ей тока на поверхности защищаемого сооружения (6) образуется покрытие (9) в виде сформированного катодного осадка. А в темное время суток при отсутствии солнечного освещения и, соответственно, защитного тока, защиту сооружения (6) от коррозии обеспечивает этот сформированный катодный осадок.
Для доказательства работоспособности заявляемого устройства проводились коррозионные испытания образцов малолегированной стали (фиг. 2) в природной морской воде бухты Федорова г. Владивостока. Слева изображены образцы под катодной защитой, а справа изображены контрольные образцы. Для убедительности действенности такой защиты испытания намеренно проводились в зимнее время, когда длительность светового дня минимальна. Применение устройства позволило снизить скорость коррозии образцов стали до 20 раз, что явилось подтверждением работоспособности и эффективности заявляемого изобретения.