СПОСОБ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ТОКОПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТ КОРРОЗИИ
METHOD OF ELECTROSTATIC PROTECTION OF CURRENT-CONDUCTING SURFACE AGAINST CORROSION

Изобретение относится к способам использования дополнительного электрического потенциала для защиты от коррозии заземленных токопроводящих поверхностей, а также предотвращение контактов защищаемой поверхности и ионов окружающей среды. Изобретение может быть использовано в технических устройствах для защиты внутренних и внешних заземленных поверхностей различных конфигураций и размеров от коррозии в любых средах, а также для обеспечения хранения химически активных веществ. Способ применим к оборудованию перекачки агрессивных химических сред, а также для элементов оборудования, подвергающихся воздействию ионизированной плазмы (огня).
Широко известен способ электрохимической защиты токопроводящих поверхностей объектов, расположенных в земле или другой химически агрессивной и токопроводящей среде, например морской воде, заключающийся в присоединении отрицательного (катодная защита) или положительного (анодная защита) полюса источника внешнего постоянного напряжения к защищаемому объекту и расположении противоположного и заземленного полюса на удалении от защищаемого объекта. Вместо источника внешнего постоянного напряжения могут использоваться протекторы, создающие необходимый электрический потенциал за счет различной электроотрицательности материалов протектора и защищаемого объекта. Принципом действия таковой электрохимической защиты является наличие тока, обусловленного движением анионов и катионов агрессивной среды между защищаемым объектом и заземленным полюсом. Причем для защиты от коррозии внутренних поверхностей нефтепромысловых трубопроводов иногда размещают «жертвенный» (разрушаемый) электрод внутри трубопровода (см. описание изобретения к патенту РФ №2339868, F16L 58/00, C23F 13/02, публикация 27.11.2008 г).
Недостатком этого способа и различных устройств на его основе является наличие неравномерности токов на различных участках защищаемой поверхности, высокое энергопотребление и высокая стоимость оборудования, вызванная в том числе необходимостью замен «жертвенных» (разрушаемых) электродов или протекторов.
Известен способ защиты от коррозии металлоконструкций с помощью формирования на ее поверхности отрицательного заряда путем обеспечения непрерывного процесса натекания свободных электронов (см. описание изобретения к патенту РФ №2006522, C23F 13/00, публикация 30.01.1994 г).
Недостатками известного способа являются:
- низкая электробезопасность при эксплуатации способа;
- высокая пожароопасность, т.к. существует угроза возникновения электрического пробоя между защищаемой металлоконструкцией и заземленными частями, т.к. авторами предполагается использование изобретения предпочтительно для объектов не связанных с землей (не подключенных к заземлению);
- ограниченная сфера применения из-за невозможности применения способа на объектах взрыво- и пожароопасных, из-за предполагаемого использования изобретения преимущественно в атмосферной среде и из-за применения для защиты только отрицательного заряда.
Известен способ защиты металлов или сплавов от газовой коррозии путем подведения к ним отрицательного или положительного потенциала от источника постоянного электрического тока (см. описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №166874, C23b, публикация 06.01.1965 г.).
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является ограниченная сфера применения из-за невозможности защиты заземленных объектов и низкая электробезопасность при эксплуатации.
Задачей заявляемого изобретения является расширение сферы применения способа, повышение его эффективности и безопасности использования.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Способ электростатической защиты токопроводящей поверхности от коррозии осуществляют подведением к ней отрицательного или положительного потенциала от источника постоянного электрического тока, причем другой полюс источника постоянного электрического тока подключают к изолированному проводнику, а саму токопроводящую поверхность заземляют.
Кроме того, способ осуществляют при нахождении изолированного проводника с обратной стороны заземленной токопроводящей поверхности.
Кроме того, способ осуществляют с использованием нескольких источников постоянного тока, присоединяемых к заземленной токопроводящей поверхности в разных местах.
Технический результат заключается в том, что расширяется сфера применения способа и повышается его эффективность и безопасность использования.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на:
фиг.1 показан вариант подключения источника постоянного тока и токопроводящей поверхности при наличии в окружающей среде, вызывающих коррозию отрицательных ионов;
фиг.2 показан вариант подключения источника постоянного тока и токопроводящей поверхности при наличии в окружающей среде, вызывающих коррозию положительных ионов;
фиг.3 показан вариант, когда внешняя токопроводящая поверхность охвачена со всех сторон изолированными проводниками;
фиг.4 показан вариант, когда осуществляется защита внутренней токопроводящей поверхности (например, трубопровода) при нахождении изолированного проводника с обратной стороны токопроводящей поверхности;
фиг.5 показан вариант использования двух источников постоянного тока при расположении токопроводящей поверхности в двух средах с одинаковой полярностью химически активных ионов, но с различной их концентрацией;
фиг.6 показан вариант использования двух источников постоянного тока при расположении токопроводящей поверхности в двух средах с разной полярностью химически активных ионов окружающей среды;
фиг.7 показан вариант использования нескольких источников постоянного тока, присоединяемых к токопроводящей поверхности в разных местах, при достаточно больших (соразмерных с распределением защитного потенциала) размерах токопроводящей поверхности.
Способ электростатической защиты заземленной токопроводящей поверхности 1 от коррозии, заключающийся в том, что подведением к токопроводящей поверхности 1 отрицательного или положительного потенциала от источника постоянного электрического тока 2 создают на ней защитный потенциал (заряд) 3, который отталкивает приближающиеся к защищаемой поверхности коррозионно-активные ионы 4 окружающей среды 5 той же полярности, причем другой полюс 6 источника постоянного электрического тока 2 подключают к изолированному проводнику 7, который размещают в таком месте и на таком удалении от элементов токопроводящей поверхности 1, при котором напряженность электрического поля, создаваемого между изолированным проводником 7 и заземленной токопроводящей поверхностью 1, обеспечивает необходимую защиту этой поверхности в соответствии с параметрами окружающей среды 5 и формой защищаемой (токопроводящей) поверхности 1, наличием на ней защитного покрытия и уровнем ее предварительного коррозионного повреждения, а саму токопроводящую поверхность 1 для безопасности эксплуатации заземляют.
Кроме того, способ осуществляют при нахождении изолированного проводника 7 с обратной стороны заземленной токопроводящей поверхности 1, что удобно, например, для защиты внутренней поверхности трубопроводов.
Кроме того, для повышения эффективности при расположении токопроводящей поверхности 1 одновременно в различных средах 5, а также для защиты больших токопроводящих поверхностей 1 способ осуществляют с использованием нескольких источников постоянного тока 2 (в т.ч. и с различными уровнями напряжения), присоединяемых к токопроводящей поверхности 1 в разных местах. Что позволяет поддерживать необходимый уровень защиты или увеличивать его в определенных местах токопроводящей поверхности 1. Уровень защиты, в свою очередь, зависит от ряда факторов, например концентрации в окружающей среде 5 коррозионно-активных ионов 4, токопроводящих свойств поверхности 1, наличием на ней защитного покрытия и уровнем ее предварительного коррозионного повреждения и т.д. Это показано на чертежах, где способ осуществляют:
а) при расположении токопроводящей поверхности 1 одновременно в двух средах 5 и 8 с одинаковыми по знаку заряда ионами 4 (вызывающими коррозию), но с разными концентрациями или с разным химическим составом ионов - фиг.5;
б) при расположении токопроводящей поверхности 1 одновременно в двух средах 5 и 8 с различными по знаку заряда ионами 4 (вызывающими коррозию) - фиг.6;
в) при достаточно больших (соразмерных с распределением защитного потенциала 3) размерах токопроводящей поверхности 1 - фиг.7.
Физический механизм способа основан на известном законе Кулона для взаимодействия заряженных частиц
;
ЭЛ
u
где ΔF - сила взаимодействия между зарядами; q - заряд иона окружающей среды; Δq - заряд элементарного участка токопроводящей поверхности.
Напряженность созданного электростатического поля между токопроводящей поверхностью 1 и изолированным проводником 7 недостаточна для перемещения ионов 4 окружающей среды 5 от поверхности 1 в сторону изолированного проводника 7, но достаточна для их отталкивания и для недопущения контакта этих ионов 4 и защищаемой поверхности 1. Таким образом, вокруг защищаемой поверхности 1 будет создан определенной толщины пограничный слой, в котором будут отсутствовать ионы 4, аналогичные по знаку потенциала токопроводящей поверхности 1. Причем возможно применение различных по мощности и уровню напряжения (что ограничено условиями безопасности эксплуатации оборудования и недопустимостью возникновения коронного разряда) источников постоянного тока или увеличения их количества. Безопасность эксплуатации оборудования, токопроводящая поверхность 1 которого защищается указанным способом, обеспечивается присоединением всего оборудования к сети заземления и выполнения соответствующих требований правил устройства электроустановок (ПУЭ). Особые требования предъявляются к изоляции «изолированного проводника» 7, она должна быть надежна в соответствии со средой расположения (5 или 8), а сам проводник 7 должен располагаться в месте, исключающем его механическое, термическое и другие повреждения его изоляции.
Расположение изолированного проводника 7 с обратной стороны защищаемой поверхности 1 снижает уровень защиты, но незначительно. Так проведенный опыт, в котором по металлическому воздуховоду прокачивался воздушный, отрицательно ионизированный воздушный поток, показал, что подключение отрицательного полюса источника постоянного тока в 325 В снизило (на определенном расстоянии) поглощение внутренними стенками воздуховода ионов воздушного потока до 13% вместо 100%. Положительный изолированный проводник при этом находился напротив выхода воздушного потока из воздуховода. При расположении изолированного проводника с обратной (наружной) стороны воздуховода процент поглощения увеличился до 25%, но с увеличением напряжения источника постоянного тока до 367 В прежняя эффективность была восстановлена. На результаты в большей степени оказывало влияние давление и скорость потока воздуха. Так при незначительных давлениях и скоростях потока (примерно до 3-4 м/с) поглощение ионов снижалось, при этом наблюдалось смещение отрицательных ионов к центру потока. При увеличении скорости воздушного потока поглощение увеличивалось. Результаты опытов показали, что в зависимости от различных факторов, как то диаметр воздуховода, наличие в нем поворотов, изменение диаметра воздуховода после поворота, скорости воздушного потока и т.д., всегда существует определенный диапазон напряжений, при которых обеспечивается общее снижение поглощения ионов воздушного потока. Применительно к способу это означает, что применение изолированного проводника 7 с обратной стороны токопроводящей поверхности 1 позволяет создавать условия для создания определенной толщины пограничного слоя, в котором будут отсутствовать коррозионно-активные ионы 4. Экономическая эффективность способа будет заметна даже при транспортировании многокомпонентных сред, где характерно наличие обособленных потоков с различной электропроводностью и с различным уровнем ионизированности, например, при транспорте нефти основное повреждение внутренней поверхности труб происходит в основном от ручьевой коррозии подтоварной жидкости.
Применение способа на трущихся токопроводящих поверхностях насосов, компрессоров и других устройств, где применение способа будет дополнительным фактором снижения механической и электрокоррозии.
Способ применим для токопроводящих поверхностей, подвергаемых действию ионизированной плазмы (огня), при этом снижается коррозия и температурный нагрев этих поверхностей (сопла реактивных двигателей, цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т.п.).
Но особенно высока эффективность способа при защите наземного, открыто расположенного оборудования при незначительных давлениях и скоростях потоков окружающей среды. Речь идет о подавляющем количестве заземленного технологического оборудования, единственной защитой которого от атмосферной коррозии является нанесение специальных покрытий.
Применение на одной защищаемой поверхности различных по знаку электрических зарядов (фиг.6) позволяет создавать необходимую локализацию защиты от химически активных ионов разной полярности в необходимых местах защищаемой поверхности. При этом возможное появление переходных зон на границе сред защищается дополнительно механически, например, в виде адгезионного покрытия.
Условие заземления защищаемой поверхности позволяет не только повысить безопасность эксплуатации оборудования поверхность, которого защищают приведенным способом, но и значительно расширить сферу применения способа, т.к. все виды оборудования, как правило, заземлены. Причем заземление оборудования не создает препятствий для применения способа, т.к. омическое сопротивление токопроводящих поверхностей (как правило, металлических) намного меньше, чем сопротивление грунтов, что способствует сохранению необходимого защитного электрического потенциала на всей площади токопроводящей поверхности (в определенном диапазоне). Причем незначительные уровни применяемого для защиты постоянных напряжений и гальваническая развязка с сетью переменного напряжения 0,22-0,4 кВ обеспечивают полную безопасность эксплуатации устройств на основе способа и не оказывают влияния на другое электронное оборудование. Применение способа не позволяет образовываться статическим электрическим зарядам, способным привести к пожару или взрыву.
Способ безо всяких ограничений совместим с существующими способами защиты от коррозии, как то нанесение защитных покрытий и катодная (анодная) или протекторная защита.
Заявленное изобретение позволяет расширить сферу применения способа, повысить его эффективность и безопасность.