Комплекс модульного оборудования электрохимической защиты подземных и стальных сооружений от коррозии со встроенной системой коррозионного мониторинга
COMPLEX OF MODULAR EQUIPMENT FOR ELECTROCHEMICAL CORROSION PROTECTION OF UNDERGROUND AND STEEL STRUCTURES WITH AN INTEGRATED CORROSION MONITORING SYSTEM

Изобретение относится к области электрохимической защиты и может быть использовано для защиты подземных и стальных сооружений от коррозии с одновременным коррозионным мониторингом.
Известно устройство для катодной защиты металлических и/или металлосодержащих подземных сооружений от коррозии [RU 2051989, C23F 13/02, 1996], содержащее автоматический входной выключатель, блок формирования управляющих импульсов, переключатель режима, инвертор, источник опорного напряжения, блок контроля и защиты, вспомогательный электрод, расположенный вблизи защищаемого подземного объекта и подсоединенный к блоку выделения контролируемого потенциала, который соединен с блоком формирования управляющих импульсов. Устройство также имеет электрод сравнения, блок сравнения, который соединен с переключателем режима защиты, блок контроля и защиты соединен с источником опорного напряжения и с автоматическим входным выключателем и/или с входами фазосдвигающего блока. При этом электрод сравнения и вспомогательный электрод расположены между защищаемым подземным сооружением и анодным заземлителем.
Устройство недостаточно эффективно и не обеспечивает надежную защиту.
Известно также устройство управления катодной станции [RU 2031978, C23F 13/00, 1995], содержащее источник питания, синхронизатор, соединенные между собой последовательно генератор и блок смещения.
Имеется магнитный дифференциальный элемент с пятью обмотками: обмотка считывания, обмотка смещения и выходные обмотки, подключенные к тиристорам катодной станции. Катодная станция содержит трансформатор и полууправляемый мостовой выпрямитель. Учитывая низкое входное сопротивление цепи трубопровод - заземлитель в цепи измерительной обмотки возможна установка фильтра с большим сопротивлением для переменной составляющей сигнала на выходе дифференциального магнитного элемента. Одновременно фильтр выполняет функции уменьшения пульсаций управляющего сигнала.
Недостатком этого устройства является сложность управления объектами защиты.
Близким техническим решением к предложенному является система коррозионного мониторинга и электрохимической защиты [RU 59071, C23F 13/22, 2006] включающая в себя два блока питания, основной и резервный, блок автоматического ввода резерва, две установки катодной защиты, основную и резервную, глубинное анодное заземление, блок совместной защиты, датчики поляризационного потенциала по числу трубопроводов, датчики скорости коррозии по числу трубопроводов, датчики наводороживания по числу трубопроводов, протяженные анодные заземления, расположенные вдоль каждого трубопровода, электроды сравнения по числу трубопроводов, блок коммутации и измерения параметров защиты, блок управления и связи, обрабатывающий информацию с блока измерения, который посредством модема сотовой связи передает обработанную информацию на диспетчерский пункт, оснащенный автоматизированным рабочим местом.
Недостатком этого устройства также является сложность управления объектами защиты.
Известна также система дистанционного контроля состояния подземных трубопроводов [RU 2701706, C1, G08C 17/02, 30.09.2019], содержащая датчики дистанционного контроля с аналоговым и цифровым выходами, средства электропитания, канал связи, обеспечивающий передачу данных дистанционного контроля в диспетчерский пункт системы от контролируемого пункта телемеханики, измерительный модуль, содержащий аналого-цифровые преобразователи, входы которых соединены с выходами датчиков дистанционного контроля с аналоговыми выходами, а выходы являются выходами измерительного модуля, управляющий модуль, первый вход которого соединен с выходом измерительного модуля, второй вход соединен с выходами датчиков дистанционного контроля с цифровыми выходами, а третий вход соединен с выходом датчика аварийной сигнализации, первый модуль согласования, первый модуль приема-передачи, первый вход-выход которого соединен с первым входом-выходом управляющего модуля, а второй вход-выход соединен с входом-выходом первого модуля согласования, входные контакты которого соединены со стальным трубопроводом посредством контрольного проводника, а заземляющие контакты соединены с контуром заземления, второй модуль приема-передачи и второй модуль согласования, вход-выход которого соединен с первым входом-выходом второго модуля приема-передачи, второй вход-выход которого соединен через контролируемый пункт телемеханики с диспетчерским пунктом, усилитель напряжения, входные контакты которого соединены со стальным трубопроводом посредством контрольного проводника, а заземляющие контакты соединены с контуром заземления, и аккумулятор емкостью не менее 1 Ач, входные контакты которого соединены с выходными контактами усилителя напряжения для обеспечения возможности зарядки аккумулятора от разности потенциалов между стальным трубопроводом и контуром заземления, причем в качестве средства электропитания используется автономный модуль электроснабжения, который обеспечивает подачу напряжения питания от аккумуляторной батареи на датчики дистанционного контроля с аналоговым и цифровым выходами, на первый модуль приема-передачи, на измерительный модуль и на управляющий модуль, содержащий сторожевой таймер с расчетным интервалом срабатывания и/или срабатыванием по сигналу датчика аварийной сигнализации.
Недостатком этого технического решения является относительно низкое качество контроля.
Кроме того, известна система электрохимической защиты удаленного коррозионного и экологического мониторинга [RU 63808, U1, G06F 13/22, 10.06.2007], включающая в себя два блока питания, основной и резервный, блок автоматического ввода резерва, две установки катодной защиты, основная и резервная, глубинное анодное заземление, блок совместной защиты, датчики поляризационного потенциала по числу трубопроводов, датчики скорости коррозии по числу трубопроводов, датчики наводороживания по числу трубопроводов, протяженные анодные заземления, расположенные вдоль каждого трубопровода, электроды сравнения по числу трубопроводов, блок измерения параметров защиты, блок управления и связи, обрабатывающий информацию с блока измерения, включающий в себя модем сотовой связи, и передающий обработанную информацию на диспетчерский пункт, оснащенный автоматизированным рабочим местом, а также блок экологического мониторинга, в состав которого входят датчики парниковых газов, датчики влажности, температуры и атмосферного давления.
Недостатком является относительно низкое качество защиты и мониторинга.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является система катодной защиты [RU 71985, U1, C23F 13/22, 27.03.2008], включающая катодно-поляризуемый трубопровод и установки катодной защиты, при этом, каждая установка катодной защиты содержит катодную станцию, источник сетевого электроснабжения, глубинное анодное заземление, датчик поляризационного потенциала, блок телеметрии и телеуправления и блок коммутации, причем, каждая установка катодной защиты дополнительно содержит резервную катодную станцию, блок автоматического включения резервной катодной станции, блок контроля времени наработки и блок грозозащиты, при этом первый вход блока автоматического включения резерва соединен с основной катодной станцией, второй вход - с резервной катодной станцией, третий вход блока автоматического включения резерва через блок контроля времени наработки, блок коммутации входных и выходных цепей и блок грозозащиты соединен с сетевым кабелем, а четвертый вход через блок контроля времени наработки, блок коммутации входных и выходных цепей и блок грозозащиты соединен с датчиком потенциала, первый выход блока автоматического включения резерва соединен с основной катодной станцией, второй выход - с резервной катодной станцией, третий выход блока автоматического включения резерва через блок контроля времени наработки, блок коммутации входных и выходных цепей и блок грозозащиты соединен с трубопроводом, а четвертый выход блока автоматического включения резерва через блок контроля времени наработки, блок коммутации входных и выходных цепей и блок грозозащиты соединен с кабелем анодного заземления.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая надежность, вызванная, в частности, отсутствием защиты от перенапряжений.
Задачей полезной модели является создание комплекса модульного оборудования электрохимической защиты подземных и стальных сооружений от коррозии со встроенной системой коррозионного мониторинга, обладающего более высокой помехоустойчивостью и надежностью.
Требуемый технический результат заключается в повышении помехоустойчивости и надежности.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в комплекс модульного оборудования электрохимической защиты подземных и стальных сооружений от коррозии со встроенной системой коррозионного мониторинга, характеризующегося тем, что он имеет модульную конструкцию в системе несущих конструкций и состоит из основного и резервного преобразователей катодной защиты модульного типа с модулями питания основного преобразователя катодной защиты модульного типа и с модулем питания резервного преобразователя катодной защиты, соответственно, блока автоматических выключателей напряжения питания с блоками учета электроэнергии основного и резервного, соединенного с модулем автоматического включения резервного преобразователя катодной защиты, модуль аккумуляторных батарей, соединенный с модулями питания основного преобразователя катодной защиты модульного типа и с модулем питания резервного преобразователя катодной защиты, и модуля коррозионного мониторинга, соединенного с блоком автоматических выключателей подачи напряжения питания и с модулем аккумуляторных батарей, согласно изобретению, введены блок защиты от импульсных перенапряжений со стороны питающей сети, соединенный с модулями питания основного преобразователя катодной защиты модульного типа, блок защиты от импульсных перенапряжений со стороны контрольных линий, соединенный с модулем коррозионного мониторинга и с основным преобразователем катодной защиты модульного типа, и блок защиты от импульсных перенапряжений со стороны интерфейсных линий, соединенный с модулем питания основного преобразователя катодной защиты модульного типа, при этом основной и резервный преобразователи катодной защиты модульного типа выполнены в виде высокочастотных импульсных силовых модулей с прямым цифровым управлением.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, основной и резервный преобразователи катодной защиты модульного типа содержат встроенный цифровой интерфейсный выход RS-485, обеспечивающий информационный обмен данными коррозионного мониторинга по унифицированному типовому протоколу MODBUS.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, основной и резервный преобразователи катодной защиты модульного типа имеют два внутренних измерителя для подключения одного или двух электродов сравнения длительного действия различных типов, включая медно-сульфатный, хлорсеребряный и/или цинковый.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, основной и резервный преобразователи катодной защиты модульного типа обеспечивают работу в режиме прерывания тока с возможностью выбора периода прерывания выходного тока 4/1, 4/2, 8/2, 12/3, 27/3 секунд через экранное меню, при этом, прерывания синхронизируют со встроенными часами реального времени, корректируемыми по сигналам GPS или ГЛОНАСС, и обеспечивают отображение и передачу во внешнюю систему управления значение защитного потенциала включения и выключения.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, основной и резервный преобразователи катодной защиты модульного типа обеспечивают мониторинг параметров коррозионного состояния объектов в точке дренажа и дополнительно в до 64 точках контроля.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, модуль коррозионного мониторинга содержат встроенный цифровой дисплей и элементы управления, позволяющие в режиме реального времени контролировать измеряемые параметры коррозионного состояния объекта в до шестидесяти четырех точках контроля.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, модуль коррозионного мониторинга выполнен с возможностью передачи данных о результатах мониторинга по оптической линии связи.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что модуль коррозионного мониторинга выполнен с возможностью передачи данных о результатах мониторинга через цифровой интерфейсный выход RS-485.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что модуль коррозионного мониторинга выполнен с возможностью передачи данных о результатах мониторинга через интерфейс CAN.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что модули коррозионного мониторинга выполнен с возможностью передачи данных о результатах мониторинга через GSM.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что модуль коррозионного мониторинга выполнен с возможностью передачи данных о результатах мониторинга через радиомодем.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что основной и резервный преобразователи катодной защиты модульного типа работают от источников постоянного тока в диапазоне рабочих напряжений 20-60 В.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что комплекс модульного оборудования электрохимической защиты подземных и стальных сооружений от коррозии со встроенной системой коррозионного мониторинга оснащен регистратором входных и выходных параметров с возможностью снятия информации внешним накопительным устройством через последовательный цифровой интерфейс RS-485, USB и/или беспроводному каналу связи «Bluetooth».
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в качестве несущих конструкций для комплекса модульного оборудования электрохимической защиты подземных и стальных сооружений от коррозии со встроенной системой коррозионного мониторинга используются конструкции типа «Евромеханика».
На чертеже представлен комплекс модульного оборудования электрохимической защиты подземных и стальных сооружений от коррозии со встроенной системой коррозионного мониторинга (далее «Комплекс»):
на фиг. 1 - функциональная схема комплекса;
на фиг. 2 - пример конструктивного выполнения комплекса в виде шкафа.
На чертеже обозначены:
1 - основной преобразователь катодной защиты модульного типа:
2 - резервный преобразователь катодной защиты модульного типа:
3 - модуль питания основного преобразователя катодной защиты модульного типа;
4 - модуль питания резервного преобразователя катодной защиты модульного типа;
5 - модуль автоматического включения резерва;
6 - модуля коррозионного мониторинга;
7 - блок автоматических выключателей напряжения питания;
8 - модуль аккумуляторных батарей;
9 - блок учета электроэнергии основной;
10 - блок учета электроэнергии резервный;
11 - блок защиты от импульсных перенапряжений со стороны питающей сети основной;
12 - блок защиты от импульсных перенапряжений со стороны питающей сети резервный;
13 - блок защиты от импульсных перенапряжений со стороны нагрузки;
14 - блок защиты от импульсных перенапряжений со стороны контрольных линий;
15 - блок защиты от импульсных перенапряжений со стороны интерфейсных линий;
16 - GSM модем;
17 - преобразователь интерфейсный токовая петля 4-20 мА/RS 485;
18 - шлюз Modbus;
19 - прерыватель тока;
20 - генератор 100 Гц;
21 - радиомодем;
22 - антенна.
Комплекс модульного оборудования электрохимической защиты подземных и стальных сооружений от коррозии со встроенной системой коррозионного мониторинга конструктивно выполнен в виде шкафа и имеет модульную конструкцию в системе несущих конструкций и состоит из основного 1 и резервного 2 преобразователей катодной защиты модульного типа с модулями питания основного 3 преобразователя катодной защиты модульного типа и с модулем питания резервного 4 преобразователя катодной защиты, соответственно.
Кроме того, комплекс содержит блок 5 автоматических выключателей напряжения питания с блоками учета электроэнергии основного 9 и резервного, соединенного с модулем 5 автоматического включения резервного преобразователя катодной защиты, 8 модуль аккумуляторных батарей, соединенный с модулями питания основного 3 преобразователя катодной защиты модульного типа и с модулем питания резервного 4 преобразователя катодной защиты, и модуля коррозионного мониторинга, соединенного с блоком 7 автоматических выключателей подачи напряжения питания и с модулем аккумуляторных батарей.
Дополнительно к этому, комплекс содержит блок 11 защиты от импульсных перенапряжений со стороны питающей сети, соединенный с модулями 3 питания основного преобразователя катодной защиты модульного типа, блок 14 защиты от импульсных перенапряжений со стороны контрольных линий, соединенный с модулем 6 коррозионного мониторинга и с основным преобразователем 1 катодной защиты модульного типа, и блок 15 защиты от импульсных перенапряжений со стороны интерфейсных линий, соединенный с модулем 4 питания основного преобразователя катодной защиты модульного типа, при этом основной 1 и резервный 2 преобразователи катодной защиты модульного типа выполнены в виде высокочастотных импульсных силовых модулей с прямым цифровым управлением.
Кроме того, при частном выполнении комплекса основной и резервный преобразователи катодной защиты модульного типа содержат встроенный цифровой интерфейсный выход RS-485, обеспечивающий информационный обмен данными коррозионного мониторинга по унифицированному типовому протоколу MODBUS, имеют два внутренних измерителя для подключения одного или двух электродов сравнения длительного действия различных типов, включая медно-сульфатный, хлорсеребряный и/или цинковый, обеспечивают работу в режиме прерывания тока с возможностью выбора периода прерывания выходного тока 4/1, 4/2, 8/2, 12/3, 27/3 секунд через экранное меню, при этом, прерывания синхронизируют со встроенными часами реального времени, корректируемыми по сигналам GPS или ГЛОНАСС, и обеспечивают отображение и передачу во внешнюю систему управления значение защитного потенциала включения и выключения, а также обеспечивают мониторинг параметров коррозионного состояния объектов в точке дренажа и дополнительно до 64 точек контроля.
Модуль коррозионного мониторинга содержит встроенный цифровой дисплей и элементы управления, позволяющие в режиме реального времени контролировать измеряемые параметры коррозионного состояния объекта до шестидесяти четырех точек контроля, выполнен с возможностью передачи данных о результатах мониторинга по оптической линии связи, цифровой интерфейсный выход RS-485.
Модуль коррозионного мониторинга выполнен с возможностью передачи данных о результатах мониторинга через интерфейс CAN, с возможностью передачи данных о результатах мониторинга через GSM, с возможностью передачи данных о результатах мониторинга через радиомодем.
Основной и резервный преобразователи катодной защиты модульного типа работают от источников постоянного тока в диапазоне рабочих напряжений 20-60 В.
Комплекс модульного оборудования электрохимической защиты подземных и стальных сооружений от коррозии со встроенной системой коррозионного мониторинга оснащен регистратором входных и выходных параметров с возможностью снятия информации внешним накопительным устройством через последовательный цифровой интерфейс RS-485, USB и/или беспроводному каналу связи «Bluetooth».
В качестве несущих конструкций для комплекса модульного оборудования электрохимической защиты подземных и стальных сооружений от коррозии со встроенной системой коррозионного мониторинга используются конструкции типа «Евромеханика».
Используется комплекс модульного оборудования электрохимической защиты подземных и стальных сооружений от коррозии со встроенной системой коррозионного мониторинга (далее КМО) следующим образом. Функционирование КМО осуществляется в следующих режимах:
режим стабилизации тока катодной защиты;
режим стабилизации суммарного потенциала;
режим стабилизации поляризационного потенциала;
режим стабилизации выходного напряжения;
режим стабилизации выходного тока при обрыве цепей контроля потенциала;
режим ожидания.
В режиме автоматического поддержания выходного тока осуществляется непрерывное измерение текущего значения тока катодной защиты, сравнение его с заданным значением и изменение параметров модулей КМО таким образом, чтобы текущее значение тока катодной защиты было равно требуемому значению.
В режиме автоматического поддержания суммарного потенциала сооружения по ГОСТ 9.602-2016 техническими средствами КМО осуществляется непрерывное измерение текущего значения потенциала защищаемого сооружения, сравнение его с заданным значением и изменение параметров модулей КМО таким образом, чтобы текущее значение суммарного потенциала было равно требуемому значению.
В режиме автоматического поддержания поляризационного потенциала сооружения техническими средствами КМО осуществляется непрерывное измерение текущего значения поляризационного потенциала подземного стального трубопровода методом отключения тока поляризации датчика потенциала (вспомогательного электрода) по ГОСТ 9.602-2016, сравнение его с заданным значением и изменение параметров модулей КМО таким образом, чтобы текущее значение поляризационного потенциала было равно требуемому значению.
При значении потенциала защищаемого сооружения более положительном, чем минус 0,5 В, формируется сигнал «ОБРЫВ».
В режиме автоматического поддержания суммарного или поляризационного потенциала при падении значения потенциала более положительном, чем минус 0,5 В, с задержкой времени преобразователь переходит в «режим стабилизации тока при обрыве цепей электрода сравнения». В этом режиме техническими средствами модуля КМО осуществляется непрерывное измерение и стабилизация значения выходного тока, и непрерывное измерение текущего значения потенциала. При увеличении значения потенциала более отрицательном, чем минус 0,5 В, с задержкой времени преобразователь возвращается в «режим стабилизации потенциала».
В режиме автоматического поддержания суммарного или поляризационного потенциала заданное значение тока модифицируется 2 раза в сутки, в соответствии с текущим значением тока.
В режиме автоматического поддержания выходного напряжения техническими средствами КМО осуществляется непрерывное измерение текущего значения выходного напряжения, сравнение его с заданным значением и изменение параметров модулей КМО таким образом, чтобы текущее значение выходного напряжения было равно требуемому значению. Этот режим работы необходим при проведении интенсивных измерений.
В режиме ожидания значение выходного тока модулей КМО равно нулю и стабилизация не осуществляется.
При возникновении короткого замыкания в цепи нагрузки КМО поддерживает максимальное значение выходного тока. После устранения перегрузки восстанавливается режим, в котором он находился до возникновения перегрузки.
Учет времени защиты сооружения ведется при соблюдении следующих условий:
при работе преобразователя в режиме стабилизации потенциала - потенциал должен быть в пределах уставок;
при работе преобразователя в режиме стабилизации тока катодной защиты (ток должен быть не менее 50% от заданного значения);
при работе преобразователя в режиме стабилизации напряжения (потенциал должен быть в пределах уставок);
при работе в режиме ожидания (потенциал должен быть в пределах уставок).
Учет времени наработки ведется при наличии напряжения питания на КМО соответствующего преобразователя.
При необходимости осуществляется подключение КМО на резервную линию питающей сети ~230 В. При наличии ~230 В на основной и резервной линиях первым включают вводной автомат основной питающей сети, вторым включают вводной автомат резервной питающей сети. При отсутствии ~230 В на основной линии питающей сети, КМО переключается на резервную и остается работать на ней после возобновления подачи питания на основную линию. Для переключения КМО на работу от основной линии питающей сети необходимо кратковременно отключить вводной автомат резервной питающей сети с последующим включением.
При наличии сетевого напряжения ~230 В происходит заряд аккумуляторных батарей модуля.
При отсутствии сетевого напряжения ~230 В на входе основного преобразователя электропитание осуществляется от аккумуляторных батарей модуля.
При разряде АКБ ниже 80% номинальной емкости формируется сигнал об их разрядке, а при разряде аккумуляторных батарей до 90% КМО отключается автоматически.
Отличием предложенного технического решения является то, что, в нем имеются блок защиты от импульсных перенапряжений со стороны питающей сети, соединенный с модулями питания основного преобразователя катодной защиты модульного типа, блок защиты от импульсных перенапряжений со стороны контрольных линий, соединенный с модулем коррозионного мониторинга и с основным преобразователем катодной защиты модульного типа, и блок защиты от импульсных перенапряжений со стороны интерфейсных линий, соединенный с модулем питания основного преобразователя катодной защиты модульного типа, при этом основной и резервный преобразователи катодной защиты модульного типа выполнены в виде высокочастотных импульсных силовых модулей с прямым цифровым управлением. Это обеспечивает более высокую надежность комплекса и позволяет достичь требуемого технического результата, заключающегося в повышении помехоустойчивости и надежности.