Электрод анодного заземлителя

Предложение относится к технической электрохимии и электротехнике, а именно к катодной защите от коррозии металлических сооружений и коммуникаций, и может быть использовано в устройствах анодного заземления, которые размещаются в почве и агрессивных средах.
Известен «Анодный заземлитель» (патент на ПМ RU №167352, МПК C23F 13/06, опубл. 10.01.2017 Бюл. № 1), включающий установленные друг на друге малорастворимые электроды, имеющие на нижнем торце цилиндрическую полость с коническим входом, при этом верхний торец каждого из электродов, кроме электрода, расположенного ниже электрода с тоководом, выполнен с острой кромкой, контактирующей с поверхностью конического входа полости вышерасположенного электрода, а верхний торец электрода, расположенного ниже электрода с тоководом, снабжен заостренным наконечником, контактирующим с поверхностью сводной части полости электрода с тоководом, при этом он размещен в токонепроводящем защитном кожухе, представляющем собой сплошную трубную секцию, оснащенную монтажным люком, отверстием с заглушкой и кабельным выводом, перфорированной трубной секцией, сетчатым и донным фильтрами, которые соединены между собой резьбовыми соединениями.
Известен также «Протяжённый электрод анодного заземления» (патент на ПМ RU №173668, МПК C23F 13/00, C23F 13/16, опубл. 05.09.2017 Бюл. № 25), содержащий размещённый коаксиально вдоль центральной оси металлический токопровод, слой полимерной электропроводящей оболочки, расположенный вокруг токопровода, слой минеральной оболочки, окружающей слой полимерной электропроводящей оболочки, слой токопроводящей оболочки, окружающей слой минеральной оболочки, и оплётку, причем слой минеральной оболочки образован шунгитовой смесью, а слой токопроводящей оболочки выполнен из токопроводящей резины, внутри которой размещена оплётка.
Известен также «Анодный заземлитель» (патент на ПМ RU №129102, МПК C23F 13/16, опубл. 20.06.2013 Бюл. № 17), состоящий из провода токоввода и подсоединенного к нему, по меньшей мере, одного рабочего электрода, причем рабочий электрод выполнен в виде полой сквозной или глухой трубы из химически стойкого вентильного металла, причем в качестве рабочего материала электрода использованы металлы группы платины или их оксиды, или смеси их оксидов, нанесенные на внешнюю поверхность электрода, при этом контакт провода токоввода с электродом осуществляется посредством, по меньшей мере, одного упругого элемента, а внутренняя полость электрода заполнена электроизолирующим герметизирующим составом.
Недостатками всех аналогов являются высокие энергетические затраты, связанные с низкой электропроводимостью металла основания, нестабильностью переходного электрического сопротивления механических контактов при повышенных токовых нагрузках, неравномерностью поверхностного распределения плотности анодного тока, при этом некоторые из них дороги в изготовлении из-за использования дорогих материалов.
Наиболее близким аналогом по технической сущности является «Составной электрод анодного заземлителя» (патент на ПМ UA №106462, МПК C23F 13/00, С25В 11/00, опубл. 25.04.2016, Бюл. № 8), содержащий конструкционное трубчатое основание, связанное внутри электрическим контактом с проводником токопроводящего кабеля, и рабочее покрытие из химически устойчивого токопроводящего оксидного материала, причем конструкционное трубчатое основание выполнено в виде биметаллической трубы, состоящей из внутренней стальной трубы с предварительно нанесенным по всей ее длине гальваническим покрытием из меди и внешней цилиндрической оболочки из титана или его сплава, при этом поверхность внешней цилиндрической титановой оболочки со стороны рабочего покрытия сформована рельефной и подвержена плазмохимической активации, а рабочее покрытие состоит из последовательно нанесенных электролитического и термохимического слоев диоксида марганца, причем электролитический слой содержит в своем составе соосажденный диоксид титана.
Недостатками данного электрода анодного заземлителя является то, что нанесение рабочего покрытия на титановую оболочку после плазмохимической активации может привести к ее пассивации, что значительно снижает эффективность катодной защиты с применением данного электрода.
Технической задачей предполагаемой полезной модели является создание эффективной конструкции электрода анодного заземлителя за счет исключения пассивации рабочего покрытия.
Техническая задача решается электродом анодного заземлителя, включающим конструкционное трубчатое основание, связанное внутри электрическим контактом с проводником токопроводящего кабеля, и рабочее покрытие из химически устойчивого токопроводящего оксидного материала, причем конструкционное трубчатое основание выполнено в виде биметаллической трубы, состоящей из внутренней стальной трубы с предварительно нанесенным по всей ее длине гальваническим покрытием из меди и внешней цилиндрической оболочки из титана или его сплава, при этом поверхность внешней цилиндрической титановой оболочки со стороны рабочего покрытия изготовлена рельефной, а рабочее покрытие состоит из последовательно нанесенных электролитического и термохимического слоев диоксида марганца, причем электролитический слой дополнительно снабжен соосажденным диоксидом титана.
Новым является то, что между внешней рельефной оболочкой и рабочим покрытием размещен слой нитрида титана, толщиной достаточной для исключения пассивации рабочего покрытия.
Новым является также то, что канавки внешней рельефной оболочки изготовлены глубиной 10-50 мкм.
На чертеже изображена схема реализации электрода с частичным продольным разрезом.
Электрод анодного заземлителя содержит конструкционное трубчатое основание 1, связанное внутри электрическим контактом 2 с проводником 3 токопроводящего кабеля 4, и рабочее покрытие 5 из химически устойчивого токопроводящего оксидного материала. Конструкционное трубчатое основание 1 выполнено в виде биметаллической трубы, состоящей из внутренней стальной трубы 1 с предварительно нанесенным по всей ее длине гальваническим покрытием 6 из меди и внешней цилиндрической оболочки 7 из титана или его сплава. При этом поверхность внешней цилиндрической титановой оболочки 7 со стороны рабочего покрытия 5 изготовлена рельефной, а рабочее покрытие 5 состоит из последовательно нанесенных электролитического 8 и термохимического 9 слоев диоксида марганца, причем электролитический слой 8 дополнительно снабжен соосажденным диоксидом титана. Между внешней рельефной оболочкой 7 и рабочим покрытием 5 размещен слой 10 нитрида титана, толщиной достаточной для исключения пассивации рабочего покрытия 5 при нанесении. Канавки 11 внешней рельефной оболочки 3 могут быть изготовлены глубиной h=10-50 мкм.
Конструктивные элементы, изоляция и технологические соединения, не влияющие на работоспособность электрода, на чертеже не показаны.
Пример конкретного выполнения.
2
Увеличение проводимости основания электрода достигается за счет большей суммарной площади сечения и низкой, в сравнении с титаном, величины удельного омического сопротивления стали трубы 1. Дополнительный вклад в увеличение проводимости основания электрода и равномерности распределения плотности тока на его поверхности вносит прослойка гальванического покрытия 6 в виде меди. Прослойка меди представляет собой пластическое гальваническое покрытие 6, нанесенное предварительно на поверхность стальной трубы 1, которая выполняет роль твердого масла. Так, например, при толщине медного покрытия 6 стальной трубы 1 в 25 мкм и диаметре трубы 1, равном 25 мм, площадь сечения прослойки 6 составляет - 2 мм, что можно сравнить с сечением медного проводника кабеля с токовой нагрузкой до - 20 А. Увеличение электропроводимости стальной трубы 1 позволяет ограничиться единичным контактом 2 в полости электрода относительно большой длины 1,0-1,5 м, при этом в отличие от титана контакт с поверхностью стали может быть выполнен неразъемным, например, с помощью пайки твердым припоем. Повышение жесткости основания за счет стальной трубы 1 позволяет сформировать рельеф тонкостенной титановой оболочки 7 путем механической обработки - накаткой, например, резьбовых канавок 11, что позволяет увеличить площадь контактной поверхности титановой оболочки 7 в 1,5-2 раза и, соответственно, повысить адгезионную прочность рабочего покрытия 5. Слой 10 нитрида титана между внешней рельефной оболочкой 7 и рабочим покрытием 5 необходимой толщины (определяется эмпирическим путем) позволяет полностью исключить пассивацию рабочего покрытия 5 при нанесении. Как показала практика, канавки 11 внешней рельефной оболочки 3 глубиной h=10-50 мкм позволяют добиться максимальной адгезии рабочего покрытия 5 при минимальных затратах. Снаружи использован материал покрытия 5 в виде диоксида марганца, который относится к наиболее химически устойчивым оксидным соединениям неблагородных металлов и характеризуется проводимостью n-типа, что позволяет поддерживать высокую электрокаталитическую активность электрода длительное время. При этом рабочее покрытие 5 изготавливают в виде двухслойной структуры, где прилегающий к основанию через оболочку 7 электролитический слой 8 представляет собой электролитический γ-диоксид марганца, в котором содержится соосажденный диоксид титана, а поверхностный - термохимический слой 9 нанесен термическим разложением соединения двухвалентного марганца.
3
2
Соосаждение диоксида титана происходит в результате анодного окисления ионов Ti+ в условиях основной анодной реакции окисления ионов Мп+, при этом диоксид титана оказывает специфическое, выравнивающее действие на формирование электролитического слоя 8, что способствует заполнению материалом покрытия микро- и макронеровностей поверхности титановой оболочки 7 через слой 10 нитрида титана. Визуальным признаком соосаждения диоксида титана является появление блеска и снижение микрошероховатости покрытия рабочего 5. Вместе с тем, соосаждение диоксида титана ведет к снижению каталитической активности γ-диоксида марганца, что проявляется в росте перенапряжения анодной реакции:
2
2
2Н0 - 4е → 0+4Н+.
Термохимический слой 9 диоксида марганца в составе покрытия, полученный разложением раствора или расплава нитрата марганца, характеризуется микропористой структурой и позволяет снизить анодный потенциал работающего электрода на 0,2-0,3 В. Кроме того, при температуре термохимической реакции ≥ 180°C в условиях формирования поверхностного слоя происходит дегидратация и удаление абсорбированных примесей в составе ранее осажденного слоя γ-диоксида марганца, в том числе, в результате разложения в нем примесей оксигидратов, которое способствует уплотнению структуры и укреплению рабочего материала покрытия.
2
4
2
Испытания комбинированного двухслойного рабочего покрытия 5, нанесенного на подготовленную рифленую рабочую оболочку 7 титана через слой 10 нитрида титана, проведены на образцах в электролитической ячейке в растворе 0,5 м HSO при анодной плотности тока 100 А/м в течение 1000 час, показали стабильность напряжения в пределах 2,4-2,5 В.
2
Стендовые испытания в среде минерализованной воды с повышенным содержанием хлоридов в течение года при анодной плотности тока 50 А/м подтвердили стабильность анодного потенциала электрода, неизменность состояния и толщины рабочего покрытия 7. Расход материала рабочего покрытия 7 составил - 104-105 мг/А⋅год, что можно сравнить с расходом покрытия из металлов платиновой группы либо их оксидных соединений.
Эксплуатация анодного заземлителя с электродами, изготовленными в результате использования полезной модели, демонстрирует стабильность электрического режима при общей токовой нагрузке 25 А в течение всего срока эксплуатации, который составляет до теперешнего времени больше 3 лет.
При этом экономия электроэнергии по сравнению с аналогом составила 11-14 % в зависимости от толщины электрода (чем толще, тем экономия больше).
Предлагаемый электрод анодного заземлителя является эффективным устройством из-за экономии электрической энергии, благодаря полному исключению пассивации рабочего покрытия при изготовлении.