Устройство для катодной защиты подземных металлических конструкций
APPLIANCE FOR UNDERGROUND ASSEMBLED STEEL SECTIONS CATHODIC PROTECTION

Изобретение относится к области электрохимической защиты от коррозии и может быть использовано для защиты от коррозии металлических подземных сооружений, находящихся в грунтах высокого удельного сопротивления с различной степенью влажности.
Известен протектор (авторское свидетельство №1835867, C23F 13/00, 1985), содержащий электрод с сердечником из электрохимически активного материала, выполненный из n частей. Каждая часть электрода покрыта соответствующими частями активатора и оболочки. Части активатора и части оболочки не имеют прямого электрического контакта, а каждая i-я часть оболочки имеет прямой контакт с i+1 частью электрода. При этом оболочка и электрод выполнены из материалов с разной электрохимической активностью. Токоввод подключен к сердечнику первой части электрода.
Недостатком известного изобретения является недостаточная эффективность использования протектора в грунтах высокого удельного сопротивления в связи с высоким внутренним удельным сопротивлением самого протектора. Это приводит к снижению токоотдачи протектора, в результате чего снижается защитный потенциал для металлических конструкций, находящихся в грунтах с высоким удельным сопротивлением.
Известен электрохимический источник тока для катодной защиты подземных сооружений (патент РФ на полезную модель №149465, C23F 13/12, 2015), содержащий два изолированных между собой электрода разной площади с соединительными проводами, размещенными в цилиндрическом корпусе, нижняя часть которого перфорирована. Анод выполнен из магниевого электрода с порошкообразным активатором из смеси бентонитовой глины и солей магния. Катод выполнен из графитовой трубы с активатором из смеси коксовой мелочи и хлорида натрия с возможностью образования в паре с анодом гальванической пары. Устройство выбрано в качестве ближайшего аналога.
Недостатком ближайшего аналога является высокое удельное сопротивление устройства катодной защиты в связи с использованием в качестве катода трубки из графита. Материал и малая площадь катода не обеспечивают достаточной токоотдачи устройства катодной защиты в грунтах высокого сопротивления. Также в ближайшем аналоге в случае пересыхания грунта отсутствует возможность увлажнения активатора для эффективной работы устройства и получения необходимого защитного потенциала защищаемого объекта.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности защиты подземных металлических конструкций в грунтах с высоким удельным сопротивлением независимо от их влажности.
Технический результат заключается в повышении создаваемого заявляемым устройством защитного потенциала на защищаемых металлических конструкциях, находящихся в грунте с высоким удельным сопротивлением, независимо от влажности грунта.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для катодной защиты подземных металлических конструкций, содержащем корпус из диэлектрика с размещенными в нем анодом и катодом, снабженными соединительными проводниками, анод выполнен из протекторного сплава и помещен в первый порошкообразный активатор, согласно изобретению, катод выполнен в виде установленного в корпусе медьсодержащего кольцеобразного элемента, внутри которого размещен второй активатор, включающий углеродсодержащий порошкообразный материал, первый активатор включает пористый материал, анод с первым активатором размещен внутри кольцеобразного элемента в окружении второго активатора, а корпус в верхней части снабжен трубкой.
В заявляемом устройстве первый активатор в качестве пористого материала может содержать бентонитовую глину.
В заявляемом устройстве первый активатор в качестве пористого минерала может содержать кизельгур.
В заявляемом устройстве второй активатор в качестве углеродсодержащего порошкообразного материала может содержать коксовую мелочь.
В заявляемом устройстве второй активатор в качестве углеродсодержащего порошкообразного материала может содержать шунгитовый порошок.
В заявляемом устройстве корпус может быть выполнен с перфорацией в нижней части.
Повышение защитного потенциала на металлических конструкциях, находящихся в грунтах с высоким удельным сопротивлением более 50 Ом/м, требует снижения внутреннего удельного сопротивления устройства для катодной защиты. Выполнение катода в виде медьсодержащего кольцеобразного элемента, обладающего низким удельным сопротивлением, позволяет снизить внутреннее удельное сопротивление заявляемого устройства. Кроме того, большая площадь кольцеобразного элемента, установленного внутри корпуса вдоль его периметра, влияет на повышение токоотдачи устройства для катодной защиты подземных металлических конструкций и соответственно, способствует повышению создаваемого им защитного потенциала. Активатор катода в виде смеси углеродсодержащего порошкообразного материала из коксовой мелочи или порошка шунгита имеет высокую электропроводность, за счет чего снижается внутреннее сопротивление заявляемого устройства и повышается защитный потенциал, создаваемый заявляемым устройством для металлических конструкций, находящихся в грунтах высокого удельного сопротивления.
Расположение анода с первым активатором, включающим пористый материал для адсорбции влаги, в корпусе внутри медьсодержащего кольцеобразного элемента в засыпке из второго активатора на основе углеродсодержащего порошкообразного материала увеличивает токоотдачу устройства для катодной защиты подземных металлических конструкций за счет увеличения площади контакта между электродами и, соответственно, повышает создаваемый им защитный потенциал.
Опыты показали, что сила тока «короткого замыкания», то есть максимальная сила тока, которую можно получить от заявляемого устройства составляет не менее 3 А, а разность потенциалов в режиме «холостого хода» - не менее 1,3 В.
Наличие трубки в верхней части корпуса дает возможность производить принудительное увлажнение находящегося внутри корпуса состава, необходимое для образования гальванической пары со стабильными электрическими характеристиками, независимо от влажности грунта. Другим назначением трубки является отвод агрессивного газа, образующегося во время окислительно-восстановительной реакции.
Благодаря конструкции заявляемого устройства для катодной защиты подземных металлических конструкций возможно использование комплекта электрически соединенных между собой устройств. Количество устройств в комплекте зависит от величины удельного сопротивления грунта, материала и размеров защищаемой конструкции. Благодаря возможности изменения количества устройств в комплекте обеспечивается создание оптимального защитного потенциала для любой защищаемой металлической конструкции.
На фиг. 1 изображено устройство для катодной защиты металлических конструкций, находящихся в грунтах высокого удельного сопротивления.
На фиг. 2 изображена схема подключения устройства для катодной защиты металлических конструкций, находящихся в грунтах высокого удельного сопротивления.
На фиг. 3 изображена схема подключения комплекта устройств для катодной защиты металлических конструкций, находящихся в грунтах высокого удельного сопротивления, состоящего из нескольких последовательно соединенных устройств.
На фиг. 4 изображена схема подключения комплекта устройств для катодной защиты металлических конструкций, находящихся в грунтах высокого удельного сопротивления, состоящего из нескольких параллельно соединенных устройств.
Устройство для катодной защиты подземных сооружений содержит анод 1 из протекторного сплава, помещенный в первый активатор 2. и катод 3 со вторым активатором 6, заключенные в корпус 5. В верхней части корпуса выполнена трубка 4. Анод 1 и катод 3 снабжены соединительными проводами 7 для подключения к защищаемому объекту 8.
Анод 1 выполняют из протекторного сплава, например, на основе магния, цинка или алюминия. Оптимальным для защиты металлических конструкций, находящихся в грунте с высоким удельным сопротивлением, является анод 1 из сплава на основе магния. Анод 1 помещают в первый порошкообразный активатор 2, который выполняют на основе пористого материала, например бентонитовой глины, кизельгура или других пористых минералов для адсорбции влаги. Первый активатор 2 для более эффективной работы может включать соли протекторных металлов, например соли магния. В связи с этим целесообразно в качестве анода 1 использовать магниевые протекторы ПМ5У, ПМ10У, ПМ20У или подобные им аналоги. Указанные магниевые протекторы содержат магниевый электрод, помещенный в хлопчатобумажный мешок с засыпкой активатора из бентонитовой глины, гипса и сульфата магния (эпсомита).
Катод 3 выполняют из медного листа, изгибая его в виде кольцеобразного элемента. Лист также может быть выполнен из медных сплавов. Кольцеобразный элемент устанавливают внутри корпуса 5, вдоль его периметра. Внутрь кольцеобразного элемента засыпают второй активатор 6 из смеси электропроводящего углеродсодержащего порошка. Второй активатор 6 может содержать в своем составе соли, например соли натрия, калия и т.п. При этом второй активатор 6 непосредственно контактирует с внутренней поверхностью кольцеобразного элемента. В качестве углеродсодержащего порошкообразного материала используют, например, коксовую мелочь или порошок шунгита фракции 0,2-20 мм. Коксовая мелочь может быть получена из каменноугольного или пекового кокса.
Корпус 5 представляет собой емкость с крышкой. Цилиндрическая форма корпуса является оптимальной. Корпус 5 выполняют из диэлектрического материала, например из полиэтилена, полипропилена или других не проводящих ток полимеров. Нижняя часть корпуса 5 может быть выполнена с перфорацией для поступления грунтовых вод. В верхней части корпуса 5, в крышке, устанавливают штуцер, на который крепят трубку 4, служащую для подачи воды или электролита, например, в виде раствора солей с целью увлажнения активаторов 2 и 6. Кроме того, через трубку 4 осуществляют отвод от защищаемой металлической конструкции образующегося во время окислительно-восстановительной реакции водорода.
Анод 1 с первым активатором 2, помещенные в хлопчатобумажный мешок, располагают в корпусе 5, внутри кольцеобразного медного катода 3, в окружении второго активатора 6. В результате получают своеобразный гальванический элемент. Электролит для гальванического элемента образуется при помещении устройства для катодной защиты во влажный грунт за счет самопроизвольного увлажнения активаторов 2 и 6 грунтовыми водами через перфорацию в днище или за счет принудительного увлажнения их через трубку 4 корпуса 5 водой или раствором солей.
Для получения оптимального защитного потенциала в зависимости от удельного сопротивления грунта, размеров и материала защищаемой конструкции используют одно устройство, представляющее собой гальванический элемент, или комплект таких устройств.
Устройство для катодной защиты подземных металлических конструкций используют следующим образом.
Устройство помещают в грунт, удельное сопротивление которого составляет более 50 Ом/м. Пространство внутри корпуса 5 устройства увлажняется грунтовыми водами самопроизвольно, если корпус 5 выполнен с перфорацией в нижней части. При недостаточной влажности окружающего устройство грунта или в случае выполнения корпуса 5 без перфорации пространство внутри корпуса 5 увлажняют водой или раствором солей через трубку 4. Для этого свободный конец трубки 4 снабжен воронкой и выведен на поверхность грунта. В результате, обеспечивается требуемый защитный потенциал независимо от влажности грунта. Между электродами 1 и 3 с разными электрохимическими потенциалами, находящимися в электролите, возникает электрический ток. Устройство для катодной защиты подземных металлических конструкций, являющееся, по сути, источником тока, посредством соединительных проводов 7 подсоединяют к защищаемой конструкции 8, например, по схемам, представленным на фиг. 2-4. При необходимости для достижения требуемого защитного потенциала используют комплект устройств, соединенных последовательно (фиг. 3) или параллельно (фиг. 4). Это зависит от того, какой параметр требуется отрегулировать - ток или напряжение соответственно. Возникший в цепи «протектор - защищаемая конструкция» электрический ток поляризует и защищает подземную металлическую конструкцию. Одновременно происходит разрушение материала анода 1.
Пример 1 (фиг. 2). Устройство для защиты подземных металлических конструкций, состоящее из одного элемента, подсоединяют к стальному трубопроводу 8, находящемуся в грунте с удельным сопротивлением 60 Ом/м, через контрольно-измерительный пункт (КПП) 9 и дренажный проводник 10. Устройство содержит корпус 5 в виде бочки из полиэтилена с расположенными в корпусе 5 анодом 1 в виде протектора ПМ20У и катодом 5 в виде медного кольца с активатором 6 из смеси порошка шунгита фракции 0,2-20 мм с хлористым натрием.
Пример 2 (фиг. 3). Устройство для защиты подземных металлических конструкций состоит из четырех элементов, три из которых последовательно соединены между собой. Устройство подсоединяют к стальному трубопроводу 8, размещенному в грунте с удельным сопротивлением 60 Ом/м, через КПП 9 и дренажный кабель 10. Каждый элемент устройства включает корпус 5 в виде бочки из полиэтилена, помещенный в корпус 5 анод 1 в виде магниевого протектора ПМ5У и катод 3 в виде медного кольца с засыпкой из активатора 6 в виде коксовой мелочи фракции 0,2-20 мм в смеси с хлоридом натрия.
Пример 3 (фиг. 4). Устройство для защиты подземных металлических конструкций, состоящее из двух параллельно соединенных элементов, подсоединяют к стальному трубопроводу 8, расположенному в грунте с удельным сопротивлением 60 Ом/м через КПП 9 и дренажный кабель 10. Каждый элемент включает корпус 5 в виде бочки из полиэтилена, помещенные в корпус 5 анод 1 в виде магниевого протектора ПМ10У и катод 3 в виде медного кольца с засыпкой из активатора 6 в виде смеси шунгитового порошка фракции 0,2-20 мм с хлоридом натрия.
Проведенные опыты с заявляемыми устройствами, включая устройства, приведенные в примерах 1-3, показали, что в условиях грунта с удельным сопротивлением 60 Ом/м обеспечиваются разность потенциалов в режиме «холостого хода» не менее 1,3 В, а сила тока «короткого замыкания» порядка 3 А. То есть заявляемое устройство позволяет достичь того же или более высокого защитного потенциала для металлических конструкций, находящихся в грунтах высокого удельного сопротивления, по сравнению с аналогичными устройствами, работающими в грунтах с низким удельным сопротивлением.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить защитный потенциал для защищаемых подземных металлических конструкций, расположенных в грунтах высокого удельного сопротивления.