АНОДНЫЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЬ
ANODE BED

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области электрохимической защиты конструкций и может быть использовано для анодных заземлений в установках электрохимической защиты от коррозии металлических и железобетонных сооружений, контактирующих с высокоомным грунтом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Широко известно применение катодной защиты для обеспечения электрохимической защиты от коррозии сооружений, металлических и железобетонных сооружений, контактирующих с грунтом с высоким содержанием солей, морской водой и другими электролитическими средами. Принцип катодной защиты основан на наложении отрицательного потенциала на защищаемый объект. Сдвиг потенциала защищаемого металлического объекта осуществляется с помощью внешнего источника постоянного тока (например, станции катодной защиты) или же соединением с протекторным анодом, изготовленным из металла, более электроотрицательного относительно объекта. При этом поверхность защищаемого объекта становится эквипотенциальной и на всех её участках протекает только катодный процесс.
В известном уровне техники выбор анодного заземления осуществляют с учетом следующих факторов:
- силы тока катодной установки;
- свойств грунта в месте размещения заземления (удельное сопротивление грунта, влажность, глубина промерзания);
- схемы расположения защищаемых объектов и других подземных металлических сооружений вблизи размещения анодного заземления.
Материал электрода для анодного заземления целесообразно выбирать с учетом условий, приведенных в таблице 1.
Переходное сопротивление одного заземлителя зависит от удельного электрического сопротивления грунта и геометрических размеров электродов и их взаимного расположения. Переходное сопротивление одного электрода заземления принимают равным величине его сопротивления растеканию тока. Переходное сопротивление протяженного анодного заземления принимают равным его входному сопротивлению.
Таблица 1 - Рекомендуемые условия применения анодных материалов
Анодный материал
Удельное электрическое сопротивление грунта. Ом·м
Высококремнистый чугун
менее 20
Графит, графитизированные и графитосодержащие материалы
от 15 до 40
Высококремнистый чугун в коксовой засыпке
от 15 до 40
Магнетит
менее 10
Графит, графитизированные и графитосодержащие материалы в коксовой засыпке
от 10 до 60
Сталь низкоуглеродистая (лом)
более 40
Сталь низкоуглеродистая в коксовой засыпке
более 60
Расчет анодного заземления сводится к определению количества электродов и их сроку службы.
Начальное сопротивление растеканию тока анодного заземления в различных грунтах не должно превышать величин, указанных в таблице 2.
Таблица 2 - Условия применения различных типов анодных заземлений и требования к максимальному значению начального сопротивления растеканию тока
Грунт
Рекомендуемый тип анодного заземления
Удельное сопротивление грунта, Ом м
Сопротивление растеканию тока анодного заземления, не более, Ом
Солончаки, соры
Подповерхностное
менее 10
0,5
Болота, влажные глины, суглинки
Подповерхностное
от 10 до 50
1,0
Супесь
Подповерхностное или глубинное
от 50 до100
1,5
Пески
Подповерхностное или глубинное
от 100 до 500
3,0
Скальный грунт, сухие пески
Глубинное
более 500
10,0
Т
Срок службы анодного заземления  , годы, проверяют по следующим формулам:
для подповерхностного анодного заземления
T = (G
• k
) / (q
• i
),
з
и
з
з.ср
G
з
где  - масса материала электродов заземления (без коксовой засыпки), кг;
q
з
- скорость растворения материала электродов анодного заземления, кг/А·год;
k
u
- коэффициент использования массы заземлителя (обычно принимают равным 0,77);
i
з.ср
- средняя сила тока, А, стекающего с заземления, за планируемый период эксплуатации заземления
При использовании коксовой засыпки вводят понижающий коэффициент 2-4.
Традиционно, современный анодный заземлитель представляет собой элемент удлиненной формы с металлической сердцевиной и полимерной оболочкой, который располагают в земле на расстоянии от защищаемого объекта. В некоторых случаях анодный заземлитель может содержать различные прослойки, повышающие эффективность его работы.
Типовой анодный заземлитель описан, например, в RU 48995 U1 (МПК C23F13/00, опубл. 10.11.2005), такой заземлитель содержит токопроводник, токопроводящую полимерную оболочку, внешний проводник и грузонесущий элемент.
Также в уровне техники известны решения, направленные на облегчение установки заземлителей. Например, в US 6,916,983 B2 (МПК H01R4/66, H01R4/38, опубл. 12.07.2005) описан заземляющий электрод, выполненный с возможностью установки в очень твердую или скалистую почву, содержащий длинный проводящий металлический стержень на одном конце с буровой коронкой и на другом конце с головкой, выполненной с возможностью соответствия бурильному инструменту, предпочтительно бурильному молотку.
Недостатком известных устройств является наличие металлического стержня, который со временем растворяется, что ухудшает свойства заземлителя. Кроме того, наличие внутреннего стержня для решения по RU 48995 U1 усложняет процесс изготовления электрода.
Главным же образом решения известного уровня техники направлены на повышение эффективности работы анодных заземлителей.
Например, в US 2014/339075 A1 (МПК C23F13/14; C23F13/16, опубл. 20.11.2014) описаны электрохимические способы и изделия для защиты от коррозии, в частности, описан анодный электрод, который имеет один из размеров, который по меньшей мере в 20 раз превышает другие размеры, и содержит удлиненный металлический проводник, имеющий длину по меньшей мере 1 метр, предпочтительно 10 метров, например 10-100 метров, и покрытие, которое полностью покрывает проводник за исключением местоположений в точках соединения, например, на концах проводника, при этом по меньшей мере часть покрытия контактирует с проводником и выполнена из проводящего полимерного композита, который содержит полимер и смешанный с полимером эксфолиированный графит.
Кроме того, в RU 2225420 C1 (МПК C23F13/00, C23F13/16, опубл. 10.03.2004) описан глубинный анодный заземлитель, содержащий электрод - тело заземлителя, соединительный кабель и узел изоляции. Электрод содержит металлический токопровод, коаксиально размещенный внутри рабочей оболочки, контактирующей с токопроводом. Рабочая оболочка состоит из слоев углеродного материала и гибкой оболочки из электропроводного эластомерного материала с удельным объемным сопротивлением 0,05-0,5 Ом·м. Соединительный кабель является единым целым с токопроводом электрода. Узел изоляции включает термоусаживаемую муфту.
Недостатком известных устройств является наличие металлического токопровода, являющегося несущим элементом заземлителя. Металлический элемент в процессе эксплуатации устройства растворяется, в результате чего снижаются долговечность и электрические параметры заземлителя.
Кроме того, в US 4,880,517 B1 (МПК G23F 13/00, опубл. 14.11.1989) описан каталитический полимерный электрод, содержащий тело из токопроводящего полимера, образующего электродное основание, которое снабжено частицами каталитического вентильного металла, закрепленными на его поверхности. Подобный каталитический полимерный электрод может использоваться в качестве анода в системах катодной защиты, например, для защиты усиленных бетонных конструкций, настила моста, опорных элементов, гаражей для парковки, а также расположенных в земле стальных конструкций, таких как трубопроводы для газа или нефти, платформ шельфовой добычи, резервуаров для хранения топлива, обсадных скважинных труб.
Известное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению. Недостатком известного устройства является его недостаточная эффективность при использовании в песчаных или высокоомных грунтах.
Таким образом, несмотря на попытки улучшить эффективность работы анодных заземлителей по-прежнему остается актуальной проблема разработки надежного и долговечного анодного заземлителя. В частности, для повышения эффективности работы полимерного анодного заземлителя в песчаных грунтах следует обеспечить возможность равномерного и стабильного контакта между грунтом и поверхностью заземлителя для уменьшения переходного сопротивления.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей изобретения является повышение надежности и долговечности анодных заземлителей, используемых, в частности, при защите сооружений, контактирующих с агрессивными средами и находящихся в песчаных или высокоомных грунтах, а также упрощение их эксплуатации и установки.
Для решения этой задачи в одном из аспектов изобретения предложен анодный заземлитель, содержащий электрод и внешний соединительный элемент, характеризующийся тем, что тело электрода выполнено цельным из электропроводного полимерного материала в виде трубы, причем
в теле электрода образовано заливочное отверстие,
нижний конец тела электрода заглушен, и
в полости тела электрода расположен активатор, при этом
внешний соединительный элемент, содержащий кабель, соединенный с телом электрода, закреплен на верхнем конце тела электрода посредством соединительного узла, и
выполненное в виде трубы тело электрода выполнено со множеством перфорированных отверстий, сообщаемых по текучей среде с заливочным отверстием.
В одном из вариантов предложен анодный заземлитель, в котором соединительный узел содержит термоусаживаемую трубку и внутренний соединительный элемент, причем термоусаживаемая трубка расположена поверх внутреннего соединительного элемента и верхней части тела электрода для закрепления внешнего соединительного элемента на теле электрода.
В одном из вариантов предложен анодный заземлитель, в котором внешний соединительный элемент дополнительно содержит заливочную трубку, сообщаемую по текучей среде с множеством перфорированных отверстий, проходящую через заливочное отверстие и продолжающуюся в полость тела электрода.
В одном из вариантов предложен анодный заземлитель, в котором внутренний соединительный элемент представляет собой концевой участок кабеля, который впаян в тело электрода.
В одном из вариантов предложен анодный заземлитель, в котором внутренний соединительный элемент представляет собой наконечник кабеля, жестко закрепленный на кабеле.
В одном из вариантов предложен анодный заземлитель, в котором внутренний соединительный элемент представляет собой концевой участок кабеля, который очищен и распределен по поверхности трубы своими проволоками равномерно, а затем обжат полимерной лентой и проварен.
В одном из вариантов предложен анодный заземлитель, в котором в верхней части тела электрода предусмотрено крепежное отверстие, причем соединительный узел содержит винт, закрученный в указанное отверстие и прижимающий внутренний соединительный элемент к телу электрода.
В одном из вариантов предложен анодный заземлитель, в котором внутреннее пространство термоусаживаемой трубки заполнено наполнителем на основе полимерной или олигомерной композиции.
В одном из вариантов предложен анодный заземлитель, в котором наполнитель представляет собой герметик, выбранный из группы силиконовых, акриловых, полиуретановых, битумных герметиков.
В одном из вариантов предложен анодный заземлитель, в котором перфорированные отверстия расположены по существу равномерно по поверхности тела электрода.
В одном из вариантов предложен анодный заземлитель, который заглушен посредством заглушки, причем заглушка закреплена на теле электрода посредством термоусадки.
В одном из дополнительных аспектов предложен способ изготовления анодного заземлителя, содержащего электрод и внешний соединительный элемент, включающий этапы, на которых:
выполняют тело электрода цельным из электропроводного полимерного материала в виде трубы с образованием заливочного отверстия,
снабжают выполненное в виде трубы тело электрода множеством перфорированных отверстий,
закрепляют внешний соединительный элемент, содержащий кабель, на верхнем конце тела электрода посредством соединительного узла,
обеспечивают на нижнем конце тела электрода заглушку,
располагают в полости тела электрода активатор,
В одном из еще дополнительных аспектов предложен способ катодной защиты, содержащий этапы, на которых
- устанавливают в грунт анодный заземлитель по первому аспекту изобретения;
- заливают через заливочное отверстие растворитель для выхода активатора из анода в грунт через перфорированные отверстия;
- подключают анодный заземлитель к станции катодной защиты.
Таким образом, выполнение тела электрода анодного заземлителя по всему объему из электропроводного полимерного материала обеспечивает технический результат, состоящий в повышении надежности и долговечности анодного заземлителя. Малая растворимость полимерного материала, исключение образования оксидной пленки, стойкость к агрессивным средам повышает надежность и долговечность анодного заземлителя.
Выполнение электрода цельным из электропроводного полимерного материала без металлического сердечника улучшает свойства анодного заземлителя и повышает его надежность и долговечность, в отличие от аналогичных устройств, где входящий в состав электрода металлический сердечник растворяется в процессе защиты. Растворение металлического сердечника приводит к ухудшению электрических параметров заземлителя и тем самым к снижению надежности. Например, в процессе растворения металлического сердечника анодного заземлителя значительно возрастает сопротивление растеканию тока.
Наличие множества мельчайших перфорированных отверстий в теле электрода способствует равномерному смачиванию поверхности тела электрода раствором активатора, тем самым обеспечивается уменьшение переходного сопротивления, что повышает эффективность работы анодного заземлителя.
Крепление кабеля непосредственно к телу электрода, герметизация места крепления кабеля к электроду, например, с помощью термоусаживаемой трубки, которая может быть заполнена герметиком, способствует более надежному креплению кабеля к телу электрода и плотному контакту между кабелем и электродом, что также повышает надежность анодного заземлителя и увеличивает срок его службы.
В последующем описании, показаны и более подробно описаны варианты осуществления предложенного изобретения. Следует понимать, что изобретение допускает другие варианты осуществления, и некоторые их детали допускают модификацию в различных очевидных аспектах без отступления от изобретения, как изложено и описано в последующей формуле изобретения. Соответственно, чертежи и описание, по характеру, должны рассматриваться в качестве иллюстративных, а не в качестве ограничительных.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 схематично показан общий вид одного варианта осуществления анодного заземлителя.
На фиг.2 схематично более подробно показан соединительный узел одного из вариантов осуществления анодного заземлителя.
На фиг.3 схематично более подробно показан соединительный узел еще одного из вариантов осуществления анодного заземлителя.
На фиг.4 схематично более подробно показан соединительный узел дополнительного одного из вариантов осуществления анодного заземлителя.
На фиг.5 схематично показан вертикальный вариант установки анодного заземлителя по фиг.1.
На фиг.6 схематично показан горизонтальный вариант установки анодного заземлителя по фиг.1.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, и специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.
Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Способы, раскрытые в настоящем описании, содержат один или несколько этапов или действий для достижения описанного способа. Этапы и/или действия способа могут заменять друг друга, не выходя за пределы объема формулы изобретения. Другими словами, если не определен конкретный порядок этапов или действий, порядок и/или использование конкретных этапов и/или действий может изменяться, не выходя за пределы объема формулы изобретения.
В целом со ссылкой на приложенные фиг.1-6 чертежей, предложен анодный заземлитель 1, содержащий электрод 2 и внешний соединительный элемент 3, характеризующийся тем, что тело электрода 2 выполнено цельным из электропроводного полимерного материала в виде трубы, причем в теле электрода 2 образовано заливочное отверстие, нижний конец тела электрода 2 заглушен, и в полости тела электрода расположен активатор 6, при этом внешний соединительный элемент 3, содержащий кабель 8, соединенный с телом электрода 2, закреплен на верхнем конце тела электрода 2 посредством соединительного узла 4, и выполненное в виде трубы тело электрода 2 выполнено со множеством перфорированных отверстий 7, сообщаемых по текучей среде с заливочным отверстием.
В предпочтительном варианте осуществления анодного заземлителя 1 внешний соединительный элемент 3 дополнительно содержит заливочную трубку 9, сообщаемую по текучей среде с множеством перфорированных отверстий, проходящую через заливочное отверстие и продолжающуюся в полость тела электрода 2. Выполнение анодного заземлителя 1 с внешним соединительным элементом 3, который содержит заливочную трубку 9, предпочтительно при расположении анодного заземлителя на глубине в грунте.
Однако в случае расположения анодного заземлителя 1 с выступающим над поверхностью земли верхним концом заливочное отверстие 19 представляет собой проход или канал (фиг.2), наделенный формами и размерами для заливки активатора через него, выполненный в соединительном узле 4 в процессе изготовления анодного заземлителя 1. Более подробно о вариантах изготовления и применения предложенного анодного заземлителя будет рассказано ниже.
Обращаясь далее к варианту осуществления анодного заземлителя, проиллюстрированному на фиг.1, анодный заземлитель 1 содержит электрод 2 и внешний соединительный элемент 3, при этом тело электрода 2 выполнено цельным из электропроводного полимерного материала в виде трубы, причем внешний соединительный элемент 3 закреплен на верхнем конце тела электрода 2 посредством изолирующего соединительного узла 4, а на нижнем конце тела электрода 2 предусмотрена заглушка 5 (как вариант заглушка может быть одним целым с телом электрода 2), и в полости тела электрода расположен активатор 6, при этом выполненное в виде трубы тело электрода 2 выполнено со множеством перфорированных отверстий 7, внешний соединительный элемент 3 содержит кабель 8, соединенный с телом электрода 2, и заливочную трубку 9, по текучей среде сообщенную с множеством перфорированных отверстий, продолжающуюся в полость тела электрода, где расположен активатор 6, соединительный узел 4 содержит термоусаживаемую трубку 10 и внутренний соединительный элемент 11, причем термоусаживаемая трубка 10 расположена поверх внутреннего соединительного элемента 11 и верхней части тела электрода 2 для закрепления внешнего соединительного элемента 3 на теле электрода 2.
Электрод 2 изготавливают из электропроводного полимерного материала в виде трубы, преимущественно цилиндрической формы. Однако другие формы также могут быть использованы, например, электрод может быть выполнен имеющим по существу круглое, треугольное, прямоугольное, многоугольное поперечное сечение, что может давать преимущество в удобстве хранения, транспортировки и монтажа. Кроме того, тело электрода может характеризоваться переменным поперечным сечением, что обеспечит переменные характеристики электрода, что может быть использовано для обеспечения более надежной электрохимической защиты сложных по геометрическим формам объектов. К таковым можно отнести формы с множеством стенок, изгибов и т.д., которые отличают более сложные геометрические формы от более простых. К более простым геометрическим формам можно отнести круг и прямоугольник из плоских объектов, шар, цилиндр, параллелепипед из объемных объектов.
В одном из вариантов осуществления анодного заземлителя полимерный материал для изготовления электрода 2 содержит в своем составе полимерную матрицу, например, из полиэтилена, и дополнительно может содержать электропроводный наполнитель, например, в виде электропроводного технического углерода или электротехнического графита. Введение электропроводного наполнителя позволяет корректировать протекание анодного тока.
2
Электрод 2 изготавливают методом экструзии. Электрод 2 в преимущественном варианте осуществления выполняют из резиновой смеси с наполнителем из техуглерода, удельное сопротивление зависит от соотношения в составе материала резиновой смеси и техуглерода, и находится в пределах 1 – 100 Ом мм/см. Электрод 2 выполняют в виде трубы, длиной не менее 1 м.
В других вариантах осуществления электрод 2 может быть изготовлен из полимерного материала другими подходящими методами для придания электроду требуемых геометрических размеров и форм, такими как прессование, литьевое прессование, литье под давлением, термоформование и т.п. По существу могут быть использованы обозначенные выше методы, а также любые другие методы, которые позволяют изготавливать электрод из полимерного материала.
2
Электрод 2 может быть выполнен из электропроводного полимерного материала с низким удельным сопротивлением ~ 0,3-5,0 Ом мм/см, например из полиацетилена. Также электрод может быть выполнен из материала на основе таких проводящих полимеров, как полианилина, полипиролла, политиофена, полифенилен-винилена. Благодаря своей структуре данные полимеры являются токопроводящими, причем при их использовании также возможно применение добавок для корректировки проводимости в ту или иную сторону.
В качестве добавок при изготовлении электрода как из электропроводных, так и неэлектропроводных полимерных материалов могут быть использованы углеродсодержащие соединения, такие как графит, углеродная сажа и т.п., а также порошки металлов или другие соединения, обладающие электропроводными свойствами. По существу могут быть использованы обозначенные выше добавки, а также любые другие добавки, которые позволяют изготавливать электрод из полимерного материала для более эффективной его работы и надежной защиты объекта.
В качестве кабеля 8 может быть использован кабель электрохимической защиты ELKAFLEX КГН-ХЛ ЭХЗ, предназначенный для присоединения механизмов или устройств электрохимической защиты к электрическим сетям на номинальное переменное напряжение 0,66 кВ, частотой до 400 Гц или постоянное номинальное напряжение 1 кВ. Однако, может быть использован любой другой удовлетворяющий требуемым параметрам кабель.
Продолжая далее по фиг.1, на котором показан один из преимущественных вариантов осуществления настоящего изобретения, внутренний соединительный элемент 11 представляет собой концевой участок кабеля 8, который впаян в тело электрода 2 или иным подходящим образом подсоединен к нему. В альтернативном варианте осуществления внутренний соединительный элемент 11 может представлять собой концевой участок кабеля 8, который очищен и распределен по поверхности трубы своими проволоками равномерно, а затем обжат полимерной лентой и проварен.
Обращаясь теперь к фиг.3-4, на которых показаны другие преимущественные варианты осуществления настоящего изобретения внутренний соединительный элемент 11 представляет собой наконечник кабеля, жестко закрепленный на кабеле 8. Предпочтительно, в верхней части тела электрода 2 предусмотрено отверстие, причем соединительный узел 4 содержит винт 13, закрученный в указанное отверстие и прижимающий внутренний соединительный элемент 11 к телу электрода 2. В одном из возможных вариантов отверстие для закручивания винта 13 продолжается в теле электрода 2 по существу перпендикулярно оси тела электрода 2 (фиг.3), в другом из возможных вариантов отверстие для закручивания винта 13 продолжается в теле электрода 2 по существу параллельно оси тела электрода 2 (фиг.4). Преимуществом обозначенных вариантов осуществления является то, что болт непосредственно закручивают в выполненное отверстие (без необходимости нарезать резьбу), поскольку материал тела электрода 2 мягкий. Следовательно полученное соединение характеризуется высокой плотностью контакта, в результате чего уменьшается переходное сопротивление.
Далее продолжая по фиг.3-4, в качестве внутреннего соединительного элемента 11 может быть использован стандартный наконечник из медного сплава, который закреплен на кабеле 8 посредством опрессовки или обжатия.
Трубка 10 соединительного узла 4 представляет собой трубку термоусаживаемую термостабилизированную полиэтиленовую, которую устанавливают на место и подвергают термоусадке посредством теплого воздуха.
Описанный изолирующий соединительный узел 4 необходим для предотвращения окислительных процессов и сохранения надежного контакта. Кроме того, в преимущественном варианте осуществления свободное от других элементов внутреннее пространство термоусаживаемой трубки 10 заполнено наполнителем 12 на основе полимерной или олигомерной композиции, в более предпочтительном варианте, наполнитель 12 представляет собой герметик.
Герметик вводится в термоусаживаемую трубку 10 после ее установки на месте непосредственно перед термоусадкой в количестве достаточном для покрытия всего соединительного узла 4. Герметик может быть выбран из силиконовых, акриловых, полиуретановых или битумных групп герметиков.
Применение герметика обеспечивает более надежную изоляцию и защиту соединения кабеля 8 с электродом 2 от обрыва и других внешних повреждений, а кроме того позволяет зафиксировать конец заливочной трубки 9, которая продолжается в активатор 6. Это повышает надежность и долговечность анодного заземлителя 1.
Далее продолжая в целом по фиг.1-4, заглушка 5 может быть закреплена на теле электрода 2 посредством термоусадки. В этом случае заглушка 5 представляет собой термоусаживаемую термостабилизированную полиэтиленовую заглушку, которую устанавливают на место и подвергают термоусадке посредством теплого воздуха.
В дополнительных вариантах осуществления тело электрода может быть выполнено цельным из электропроводного полимерного материала в виде закупоренной трубы, например, в виде удлиненного стакана. Другими словами, один из концов трубы (нижний конец трубы) закрыт дном, которое выполнено за одно целое с телом электрода. В этом случае может быть дополнительно увеличена эффективность такого анодного заземлителя за счет формирования непрерывной электропроводной поверхности. Кроме того, такая конструкция является более надежной с точки зрения защиты от протечек активатора при по существу вертикальном расположении анодного заземлителя.
В выполненном в виде трубы теле электрода 2 расположен активатор 6. В предпочтительном варианте осуществления активатор содержит соли металлов, которые активируются посредством растворителя, например, воды. Для ее заливки может быть использована заливочная трубка 9 внешнего соединительного элемента 3, один конец которой должен быть расположен на поверхности земли, а второй непосредственно в активаторе 6 в теле электрода 2.
В качестве активатора могут быть использованы любые подходящие по своим свойствам соли металлов. Общеизвестно, что засыпка из минеральных солей вокруг заземлителя повышает электропроводность грунта, так как соль, смешиваясь с грунтовой влагой, превращается в электролит. Обычно это хлорид натрия (или поваренная соль). Однако существенным минусом такого подхода является снижение концентрации минеральных солей с течением времени за счет их вымывания в периоды весеннего таяния снега или летних и осенних дождей, и как следствие, уменьшение эффективности заземлителя со временем. Особенно, обозначенные недостатки проявляются при использовании анодных заземлителей в песчаных грунтах.
В уровне техники известно использование вокруг анодного электрода засыпки, улучшающей растекание тока, засыпка может быть, например, углеродистой, коксовой. Наличие засыпки позволяет использовать электроды в более высокоомных грунтах и снижает скорость их растворения.
Однако такая засыпка требует бурения более широких отверстий в грунте, так как требуется обеспечить пространство не только для самого относительно небольшого электрода, но и дополнительное пространство для засыпки, что существенно повышает требования к буровой технике, усложняет и замедляет процесс установки заземлителя. В случае установки заземлителя в каменистых грунтах или грунтах с каменистыми отложениями бурение отверстий с большим диаметром может быть сопряжено с очень большими сложностями, так как на пути бура могут попадаться труднопреодолимые препятствия в виде твердых пород.
В песчаных грунтах электрический контакт между телом электрода и грунтом может быть ухудшен, особенно, если грунт очень сухой, что ухудшает электрический контакт и, следовательно, повышает сопротивление растеканию, что неблагоприятно сказывается на работе анодного заземлителя и сроке его службы.
Описываемый анодный заземлитель позволяет преодолеть эти недостатки, т.к. активатор расположен в полости тела электрода 2, а значит, защищен от вымывания и при этом нет необходимости в бурении широких каналов, более того, наличие заливочной трубки 9 обеспечивает возможность корректировки состава активатора. Например, с течением времени может регулироваться объем заливаемого растворителя.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления анодного заземлителя 1, тело электрода 2 снабжено перфорированными отверстиями 7. После установки анодного заземлителя 1 в грунт в него через заливочную трубку 9 заливается растворитель (например, вода), активатор начинает растворяться и через мельчайшие перфорированные отверстия проникает на поверхность заземлителя и в грунт, тем самым обеспечивается уменьшение сопротивления растеканию тока.
В предпочтительных вариантах осуществления, перфорированные отверстия 7 могут быть расположены по существу равномерно по поверхности тела электрода 2.
В частных вариантах осуществления перфорированные отверстия могут быть расположены по заранее заданному рисунку для более равномерного распределения активатора по поверхности анодного заземлителя, например, быть более редкими в нижней части тела электрода, чем в его верхней части, для уменьшения потока растворителя, который иначе весь бы выходил через нижнюю часть заземлителя.
В предпочтительных вариантах осуществления, перфорированные отверстия могут иметь по существу одинаковый размер. Тогда как в частных вариантах осуществления перфорированные отверстия могут иметь различные размеры для более равномерного распределения активатора по поверхности анодного заземлителя, например, перфорированные отверстия могут быть более мелкими в нижней части тела электрода, чем в его верхней части, для уменьшения потока растворителя, который иначе весь бы выходил через нижнюю часть заземлителя.
Следует понимать, что в варианте осуществления тела электрода в виде закупоренной трубы, дно тела электрода также может быть выполнено с перфорированными отверстиями, характеристики которых соответствуют характеристикам перфорированных отверстий, расположенных на боковой поверхности тела электрода.
В одном из вариантов осуществления активатор не находится в теле анодного заземлителя, а предварительно растворяется и заливается в него через заливочную трубку 9. Такой вариант осуществления позволяет регулировать количество активатора, выходящего из заземлителя и, тем самым, управлять его электрическими параметрами, в том числе сопротивлением растеканию.
В одном варианте осуществления конструкция анодного заземлителя такова, что обеспечивается по существу равномерный выход растворителя, залитого через заливочную трубку.
В частности, в теле анода могут быть выполнены каналы для равномерного распределения заливаемого потока по поверхности заземлителя. Каналы могут иметь переменное сечение по длине заземлителя для обеспечения равномерности потока, то есть ближе к нижнему концу заземлителя каналы сужаются, для уменьшения потока растворителя, который иначе весь бы выходил через нижнюю часть заземлителя.
Таким образом, благодаря наличию заливочной трубки и перфорированных отверстий обеспечивается однородность покрытия активатором поверхности заземлителя и уменьшение сопротивления растекания, что дополнительно способствует удержанию влаги вокруг тела электрода, что особенно актуально в сухих песчаных грунтах.
В одном из вариантов через заливочную трубку закачивают гель, для которого проще обеспечить равномерный выход на поверхность анодного заземлителя, и который меньше подвержен вымыванию грунтовыми водами, что в совокупности обеспечивает лучшее растекание тока, большую долговечность анодного заземлителя и повышенное удобство эксплуатации.
Размеры анодного заземлителя 1 выбирают в зависимости от параметров защищаемой конструкции и среды ее расположения. Длина электрода 2 анодного заземлителя 1 может составлять от 1,5 м до 15 м. Например, анодный заземлитель 1 с длиной электрода 2 в 1,5 м, выполняют диаметром 0,05 м, при этом толщина стенки трубы, в виде которой выполнено тело электрода, составляет от 3 до 15 мм, преимущественно, от 10 до 12 мм. Длина внешнего соединительного элемента 3 такого заземлителя 1 составляет 3 м. Однако длина внешнего соединительного элемента 3 может изменяться в зависимости от параметров защищаемой конструкции и среды ее расположения. Вес описанного выше заземлителя 1 составляет 5 кг, что значительно ниже аналогов с металлическим электродом, вес которых при тех же габаритах может превышать 20 кг. Таким образом, дополнительным преимуществом предложенного заземлителя является снижение массы единицы изделия, и как следствие снижение затрат на транспортировку множества изделий, облегчение их загрузки и разгрузки при транспортировке, а также упрощение установки и монтажа.
Способ изготовления анодного заземлителя 1, содержащего электрод 2 и внешний соединительный элемент 3, включает этапы, на которых: выполняют тело электрода 2 цельным из электропроводного полимерного материала в виде трубы с образованием заливочного отверстия, снабжают выполненное в виде трубы тело электрода 2 множеством перфорированных отверстий 7, закрепляют внешний соединительный элемент 3, содержащий кабель 8, на верхнем конце тела электрода 2 посредством соединительного узла 4, обеспечивают на нижнем конце тела электрода заглушку 5, располагают в полости тела электрода активатор 6.
В дополнительном варианте осуществления анодного заземлителя с соединительным элементом 3, содержащим заливочную трубку 9, перед этапом расположения термоусаживаемой трубки 10 заливочную трубку 9 вводят в полость тела электрода, где уже расположен или куда будет помещен активатор 6.
Изготовленный описанным выше способом анодный заземлитель соответствует требованиям технических условий ТУ 3435-028-73892839-2012 «Анодные заземлители», при этом он имеет следующие характеристики: максимальная токовая нагрузка: 5,0 A, скорость анодного растворения: 0,01…0,06 кг/А-год, стандартное расстояние между точками присоединения к магистральному кабелю при вертикальной установке анодных заземлителей: 5 м, срок службы полимерного электрода: не менее 35 лет, (срок службы может изменяться в зависимости от срока службы комплектующего кабеля), температура эксплуатации: 0…60°С.
На фиг.5-6 показаны варианты установки анодного заземлителя 1 в грунт. На фиг.5 показан вертикальный вариант установки, на фиг.6 показан горизонтальный вариант установки. При этом анодный заземлитель может быть установлен как непосредственно в грунт 16, так и в скважине, ограниченной контурными стенками 14 и заполненной дополнительным активатором 15 прианодного пространства для дополнительного повышения эффективности работы анодного заземлителя. Внешний соединительный элемент 3 должен продолжаться до поверхности земли, с тем чтобы обеспечить возможность подключения кабеля 8 и использования заливочной трубки 9 для заливки растворителя.
Следует понимать, что в варианте осуществления анодного заземлителя 1, проиллюстрированном на фиг.2, по меньшей мере его часть, снабженная заливочным отверстием 19, должна располагаться над поверхностью земли. При вертикальной установке анодного заземлителя 1 это означает, что по меньшей мере его верхняя часть должна располагаться над поверхностью земли. Следует понимать, что хотя на фиг.2 показан вариант с заливочным отверстием 19, выполненным на торцевой стороне анодного заземлителя 1, причем ось заливочного отверстия проходит по существу параллельно оси тела электрода в его центральной части, такой вариант не является ограничивающим.
Возможны другие варианты выполнения заливочного отверстия, например, может быть реализован вариант или их комбинация, в одном из которых ось заливочного отверстия наклонена относительно оси тела электрода, или ось заливочного отверстия смещена от оси тела электрода так, что заливочное отверстие расположено в периферийной части тела электрода, или заливочное отверстие выполнено в боковой стороне тела электрода. Последний вариант является наиболее предпочтительным при горизонтальной или наклонной установке анодного заземлителя.
Также следует понимать, что может быть предусмотрена дополнительная заглушка или иное изолирующее средство (не показано на фигурах) для по существу полного перекрывания заливочного отверстия. Заглушка может быть выполнена из известных материалов, обеспечивающих надежную изоляцию по текучей среде и возможность быстрого съема и установки. Кроме того, она может быть выполнена из известных материалов, дополнительно обеспечивающих электрическую изоляцию, если заливочное отверстие предусмотрено в соединительном узле анодного заземлителя, например, но не в качестве ограничения, из резины или других упругих диэлектрических материалов.
В описанном выше варианте осуществления анодный заземлитель может быть расположен в грунте ниже поверхности земли и засыпан грунтом. Для заливки растворителя, активатора или их дозаливки в полость тела электрода необходимо удалить грунт, покрывающий заливочное отверстие, и удалить заглушку, перекрывающую заливочное отверстие. После заливки описанные действия выполняют в обратном порядке: устанавливают заглушку и засыпают грунт.
Анодный заземлитель по настоящему изобретению работает следующим образом.
После установки заземлителя в грунт в него через заливочное отверстие или заливочную трубку заливается растворитель (например, вода), активатор начинает растворяться и через мельчайшие перфорированные отверстия проникает на поверхность заземлителя, тем самым обеспечивается равномерная постоянная поверхность растекания. Анодный заземлитель подключают к положительному полюсу источника тока, защищаемое сооружение подсоединяют к отрицательному полюсу источника тока. При этом защищаемый объект выступает в роли катода.
В процессе защиты активатор и анод растворяются и разрушаются, сохраняя неповрежденным объект защиты. В анодном заземлителе из электропроводного полимерного материала с наполнителем растворяется электропроводный наполнитель, например технический углерод. Благодаря отсутствию металлического сердечника, низкой скорости растворения углерода, отсутствию образования оксидной пленки полимерные электроды обладают высокой долговечностью и надежностью. Стойкость полимерной матрицы к агрессивным средам позволяет использовать полимерный анодный заземлитель в качестве малорастворимого элемента глубинных и поверхностных заземлителей для защиты сооружений, расположенных в песчаных грунтах или высокоомных грунтах. Более того, выполнение тела электрода в виде трубы с перфорированными отверстиями, через которые выходит активатор на поверхность тела электрода, повышает эффективность работы такого анодного заземлителя за счет обеспечения равномерной постоянной поверхности растекания. Таким образом, изобретение позволяет повысить надежность, долговечность и эффективность анодного заземлителя.
В приведенном выше описании примеров, термины направления (такие как «над», «верх», «ниже», «низ», «верхний», «нижний» и т.д.) используются для удобства ссылки на прилагаемые чертежи. В общем, «над», «верхний» «вверх» и аналогичные термины связаны с направлением к земной поверхности вдоль анодного заземлителя при его вертикальной установке в грунт, и «ниже», «нижний», «вниз» и аналогичные термины связаны с направлением от земной поверхности вдоль анодного заземлителя при его вертикальной установке в грунт. Однако следует понимать, что анодный заземлитель может быть установлен во множестве других положений, включающих по существу вертикальное, по существу горизонтальное, наклонное и т.д.
Для целей настоящего описания, термин «соединенный» (во всех своих формах, соединять, соединяющий, соединенный, и т.д.) в целом означает сочленение двух компонентов (электрических или механических) друг с другом непосредственно или опосредованно. Такое сочленение может быть неподвижным по сути или подвижным по сути. Такое сочленение может достигаться двумя компонентами (электрическими или механическими) и любыми дополнительными промежуточными элементами, являющимися выполненными за одно целое в виде одного единого тела друг с другом или двумя компонентами. Такое сочленение может быть постоянным по сути или может быть съемным или разъемным по сути, если не обусловлено иное
Любые числовые значения, изложенные в материалах настоящего описания или на фигурах, предназначены для включения всех значений от нижнего значения до верхнего значения приращениями в один единичный элемент, при условии что есть интервал по меньшей мере в два единичных элемента между любым нижним значением и любым верхним значением. В качестве примера, если изложено, что величина составляющей или значения технологического параметра, например, такого как температура, давление, время, и тому подобное, например, имеет значение от 1 до 90, предпочтительно от 20 до 80, более предпочтительно от 30 до 70, подразумевается, что значения, такие как от 15 до 85, от 22 до 68, от 43 до 51, от 30 до 32, и т.д., в прямой форме перечислены в этом описании изобретения. Что касается значений, которые являются меньшими, чем единица, при необходимости, один единичный элемент считается имеющим значение 0,0001, 0,001, 0,01 или 0,1. Таковые являются всего лишь примерами того, что определенно подразумевается, и все возможные комбинации многочисленных значений между перечисленными самым низким значением и самым высоким значением должны считаться изложенными в прямой форме в этой заявке подобным образом. Как может быть видно, указание величин, выраженных в материалах настоящего описания в качестве «весовых долей», также предполагает такие же диапазоны, выраженные в показателях процентного отношения по массе. Таким образом, выражение в подробном описании изобретения диапазона в показателях «`x` весовых долей результирующего состава смеси полимеров» также предполагает указание диапазонов такой же изложенной величины «`x` в процентном отношении по массе результирующего состава смеси полимеров».
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 – Анодный заземлитель
2 – Электрод
3 – Внешний соединительный элемент
4 – Соединительный узел
5 – Заглушка
6 – Активатор
7 – Перфорированные отверстия
8 – Кабель
9 – Заливочная трубка
10 – Термоусаживаемая трубка
11 – Внутренний соединительный элемент
12 – Наполнитель
13 – Винт
14 – Контур скважины
15 – Прианодный активатор
16 – Грунт
19 – Заливочное отверстие