АНОДНЫЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЬ

Полезная модель относится к катодной защите подземных сооружений от коррозии, в частности к анодному заземлителю, и может быть использована в нефтяной, газовой промышленности при защите стальных и железобетонных сооружений, контактирующих с электролитической средой грунта, в коммунальном хозяйстве, а именно при защите сложных сетей подземных металлических коммуникаций, магистральных (промысловых) трубопроводов, в городских подземных металлических сооружениях, а также технологических резервуаров любого назначения.
Известен анодный заземлитель, содержащий центральный электрод с закрепленными на нем металлическими элементами, окруженный слоем активатора в виде цилиндра, на основе состава из электропроводного гранулированного пористого сыпучего материала, в оболочке, выполненной из тонкостенного оцинкованого стального листа (патент RU 2196190 С1 на изобретение, C23F 13/16, опубликован 10.01.2003).
Выполнение центрального электрода в виде соединенных между собой длинномерных металлических пластин усложняет конструкцию анодного заземлителя, а образующиеся при этом сопряжения между смежными пластинами являются не только концентраторами механических напряжений, но и концентраторами электрических потенциалов, что ведет к интенсификации электрохимической коррозии и приводит в конечном счете к нарушению механической связей между пластинами и преждевременному разрушению анодного заземлителя в целом.
Известен анодный заземлитель, содержащий центральный электрод, установленный в центраторах и окруженный слоем активатора в виде цилиндра, активатор выполнен из электропроводного гранулированного пористого сыпучего материала и расположен в защитной оболочке, выполненной из стального листа, центральный электрод выполнен из графитопласта, в качестве электропроводного гранулированного пористого сыпучего материала активатора использована графитовая крошка, причем стальной лист выполнен оцинкованным и тонкостенным толщиной от 0,1-0,4 мм. (RU 137700 Ul, H01R 4/66, 27.02.2014).
Однако защитная оболочка данного заземлителя имеет недостаточную механическую и электрохимическую прочность, что приводит к повреждениям заземлителя при транспортировке, хранении и монтаже и в целом снижает экплуатационную надежность.
Известен наиболее прочный по коррозионной и механической надежности анодный заземлитель, который выбран в качестве ближайшего аналога заявляемой полезной модели и который содержит центральный электрод, установленный в центраторах и окруженный слоем активатора в виде цилиндра, активатор выполнен на основе состава из электропроводного гранулированного пористого сыпучего материала и расположен в защитной оболочке, выполненной из полимерного материала (см. патент РФ №159312 ПМ, публ. 10.02.2016 г.).
Однако для обеспечения работоспособности данного анодного заземлителя в системе катодной защиты от коррозии подземных сооружений, контактирующих с электролитическими средами изготовленная из диэлектрического материала не подверженного коррозии (пластик, композит) защитная оболочка должна иметь отверстия и/или перфорацию, что может привести как к их забиванию фунтом, так и к увеличению поступления электролитической среды во внутреннюю полость заземлителя (при значительной переувлажненности грунтов). В результате ухудшается эксплуатационная надежность анодного заземлителя вследствие снижения скорости или интенсификации процесса растекания тока с электрода.
Техническим результатом полезной модели является повышение эксплуатационной надежности анодного заземлителя.
5
Для достижения поставленного технического результата предложен анодный заземлитель, содержащий центральный электрод, установленный в центраторах и окруженный слоем активатора в виде цилиндра, активатор выполнен из электропроводного гранулированного пористого сыпучего материала и расположен в защитной оболочке, выполненной из полимерного материала, согласно полезной модели в качестве полимерного материала для защитной оболочки используют электропроводящий полимер с углеродным наполнителем при удельном объемном электрическом сопротивлении до 1⋅10 Ом⋅м и при углеродном наполнителе в полимерной матрице от 20 до 40%.
3
Согласно полезной модели в качестве углеродного наполнителя используют технический углерод с плотностью 1,75-1,92 (г/см).
Согласно полезной модели электрод выполнен из реактопласта с электропроводящими углеродными частицами.
Согласно полезной модели в качестве полимерной матрицы используют полипропиленил и полиэтилен, или поливинилхлорид.
При реализации полезной модели благодаря использованию для изготовления защитной оболочки электропроводящего полимера с углеродсодержащим наполнителем создается система анодного заземлителя с внешним покрытием, имеющим высокую коррозионную стойкость, эффективно защищающего активатор на основе электропроводного гранулированного пористого сыпучего материала и обладающего токопроводящими свойствами, синергетически взаимодействующими с аналогичными свойствами электропроводящих углеродных частиц активатора и центрального электрода.
Электропроводящие полимерные композиты (ЭПК) нашли широкое применение в радиотехнике, электронике, авиастроении и эффективно используются в области проектирования конструктивных элементов для катодной защиты подземных металлических коммуникаций, магистральных трубопроводов, в городских подземных металлических сооружениях, в частности, например, при создании электродов анодных заземлителей, как это, например, представлено в патенте РФ №159312, в соответствии с которым электрод выполнен из реактопласта, наполненного электропроводящими углеродными частицами, например углеродом или графитом.
Однако из анализа известного уровня техники не выявлена известность выполнения анодных заземлителей с защитной внешней оболочкой на основе электропроводящего полимера с углеродным наполнителем в полимерной матрице от 20 до 40% при заданных параметрах объемного электрического сопротивления.
Таким образом, анализ известного уровня техники в целом показал, что предлагаемая в полезной модели совокупность признаков и их взаимосвязь не известны из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критериям полезной модели «новизна», «промышленная применимость».
Полезная модель поясняется ниже приведенным описанием и графическими материалами, где на рис. 1 показан анодный заземлитель (поперечный разрез).
Анодный заземлитель содержит центральный электрод 1, установленный в центраторах 2, защитную оболочку 3 и активатор 4, размещенный внутри оболочки 3. Электрод 1 выполнен из коррозионно-стойкого реактопласта с электропроводящими углеродными частицами. Для изготовления центрального электрода может быть использован, например, графитопласт с наполнителем на основе графита и полимерным связующим на основе фенолоальдегидной смолы (см., например, патент № 159312 ПМ).
Расположенный в защитной оболочке 3 активатор 4 выполнен из электропроводного гранулированного пористого сыпучего материала, в качестве которого используют углеродистый наполнитель на основе графитовой крошки. Основное количество фракции углеродистого наполнителя должно быть размером до 15 мм. Углеродистый наполнитель снижает в несколько раз скорость растворения графитопласта. Так, если без углеродистого наполнителя потеря массы электрода в режиме катодной защиты составляет q=0,8-1,2 кг/(А.год), то при использовании активатора на основе засыпки из углеродистого наполнителя - q=0,2 кг/(А.год) и менее.
5
Защитная оболочка 3 предпочтительно выполнена цилиндрической и изготовлена из электропроводящего полимера с углеродным наполнителем при удельном объемном электрическом сопротивлении до 1⋅10 Ом⋅м и при углеродном наполнителе в полимерной матрице от 20 до 40%.
Для изготовления защитной оболочки 3 из электропроводящего полимера используют традиционный технологический процесс
изготовления трубных изделий из полимеров методом экструзии, при котором исходный полимерный материал, имеющий высокую вязкость в жидком состоянии, продавливается через экструзионную головку.
Для изготовления защитной оболочки используют трубную заготовку, полученную методом экструзии при использовании полимерной матрицы, например на основе полиэтилена высокого давления с введением добавок, стабилизаторов. В качестве полимерной матрицы для технологического процесса экструзии могут быть использованы и другие полимеры: полипропилен, поливинилхлорид, т.к. природа полимерной матрицы (диэлектрик) не влияет на электропроводность получаемого электропроводящего полимерного композита по данной технологии.
3
-2
-2
В экструдер вводят технический углерод, предпочтительно печной электропроводящий технический углерод плотностью 1.75-1,92 г/см при удельном объемном электрическом сопротивлении 0,3⋅10 - 0,94⋅10 (Ом⋅м), например технические углероды марок ПМЭ-100 В (П267Э), ПМ-100 (П234).
Выбранный тип токопроводящего наполнителя на основе технического углерода для полимерной матрицы при изготовлении трубной заготовки для защитной оболочки наиболее оптимален по затратной части. Целесообразность использования технического углерода для изготовления электропроводящих полимеров подтверждается также рекомендациями ряда исследователей в части проектирования полимерных электропроводящих материалов, например, для производства электропроводящих экранов шахтных и экскаваторных кабелей, в производстве резино-технических изделий (пластин, транспортерных лент, рукавов для перекачки нефтепродуктов, тканей с покрытиями), а также изделий медицинского назначения (см. Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2009 г., т. 4, №2 «Синтез и переработка полимеров и композитов на их основе», ст. «Эластомерные электропроводные и магнитные материалы и изделия многоцелевого назначения», авторы А.Е. Корнев, Н.Я. Овсянников).
Для процесса изготовления защитной электропроводящей полимерной оболочки использованы:
3
технический углерод ПМ-100 (П234) /плотностью 1.76 г/см/ в количестве 30 мас.%, полимерная матрица на основе полиэтилена высокого давления с технологическими добавками - остальное.
4
Полученная трубная заготовка для изготовления электропроводящей полимерной оболочки имеет толщину 9 мм при удельном объемном электрическом сопротивлении (ρ)≤1⋅10 (Ом⋅м). Оценку удельного объемного электрического сопротивления осуществляли в соответствии с ГОСТ 20214-74 «Пластмассы электропроводящие. Метод определения удельного объемного электрического сопротивления при постоянном напряжении».
5
Заданное удельное объемное электрическое сопротивление электропроводящего полимера до 1⋅10 Ом⋅м оптимально для анодных заземлителей в системе катодной защиты магистральных подземных трубопроводов.
5
Толщина электропроводящей трубной заготовки в зависимости от количественного содержания используемого в полимерной матрице технического углерода и его плотности составляет 2-10 (мм), что оптимально по условиям эксплуатации получаемой на ее основе защитной оболочки 3 для анодного заземлителя. Указанные параметры по толщине трубной заготовки для изготовления защитной оболочки 3 оптимальны по условиям ее прочности при использовании в полимерной матрице заданного количества технического углерода, которое оптимально при 20-40 мас.%. При уменьшении количественного содержания углеродного наполнителя в полимерной матрице изготавливаемая защитная оболочка приобретает диэлектрические свойства (ρ>1⋅10 (Ом⋅м)) при увеличении количественного содержания углеродного наполнителя в полимерной матрице усложняется технологический процесс экструзии, снижается прочность получаемого изделия к сдиговым деформирующим нагрузкам.
Анодный заземлитель предназначен для наиболее распространенного метода электрохимической защиты от коррозии подземных металлических сооружений - катодная защита, при осуществлении которой подключают защищаемый объект (например, трубопровод) к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, положительный полюс источника соединяют кабелем с внешним дополнительным электродом, который размещается в той же коррозионной среде, что и защищаемый объект, в случае подземных промысловых трубопроводов, в почве. В результате образуется замкнутая электрическая цепь:
положительный полюс источника - дополнительный внешний электрод - почвенный электролит - трубопровод - катодный кабель - отрицательный полюс источник постоянного тока. В составе данной электрической цепи трубопровод является катодом, а дополнительный внешний электрод, присоединенный к положительному полюсу источника постоянного тока, становится анодным заземлителем. Отрицательно заряженный полюс источника тока, присоединенный к трубопроводу, при наличии внешнего анодного заземления катодно поляризует трубопровод, при этом потенциал анодных и катодных участков практически выравнивается.
5
При использовании для изготовления защитной оболочки анодного заземлителя электропроводящего полимера с углеродным наполнителем при удельном объемном электрическом сопротивлении до 1⋅10 Ом⋅м создается синергетически эффективная токопроводящая система «защищаемый объект - грунт - защитная оболочка - активатор - электрод» с оптимальными параметрами электрохимических реакций по скорости растворения центрального электрода анодного заземлителя.