ЭЛЕКТРОД ДЛЯ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И/ИЛИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЛИ КОНСТРУКЦИЙ

Полезные модели относятся к области защиты металлических объектов от коррозии и могут быть использованы в различных отраслях хозяйственной деятельности для эффективной защиты внутренних поверхностей металлических и/или железобетонных изделий или конструкций от электрохимической коррозии.
6
Известен электрод для катодной зашиты от коррозии внутренней поверхности резервуаров нефтегазовой отрасли промышленности, являющийся частью соответствующего устройства, содержащего источник защитного тока и анод в перфорированном диэлектрическом экране, который выполнен замкнутым, а перфорационные отверстия экрана размещены выше зоны расположения анода [Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1271141 от 20.02.1985, МПК C23F 13/02, опубликовано 10.02.1996]. Особая конструкция анода (электрода) обеспечивает повышенную взрывобезопасность устройства.
Недостатком данного электрода, а равно, как и устройства на его основе является его специализация, поскольку с высокой эффективностью оно может быть использовано лишь для защиты от коррозии резервуаров, а при использовании на протяженных трубопроводах или ломаных конструкциях оно неприменимо, поскольку не обладает необходимой для этого пространственной гибкостью.
Известен электрод для катодной защиты от коррозии внутренней поверхности резервуара, являющийся частью соответствующего устройства, содержащего источник защитного тока, положительный полюс которого соединен с анодом, размещенным в замкнутом перфорированном диэлектрическом экране, который своими концами расположен в противолежащих люках резервуара, причем отверстия диэлектрического экрана размещены выше зоны расположения анода и над ними установлен защитный экран, при этом отрицательный полюс источника защитного тока соединен с резервуаром, а анод выполнен в виде единого токопроводника, на котором равномерно по длине размещены контактные соединения, каждое из которых соединено с положительным полюсом источника защитного тока [Описание изобретения к патенту РФ №2183696 от 17.03.2000, МПК7 C23F 13/02, опубл. 20.06.2002].
Усовершенствованным вариантом вышеприведенного изобретения является устройство и, соответственно, электрод для катодной защиты, диэлектрический и защитный экраны которого установлены под углом к горизонту [Описание изобретения к патенту РФ №2280711 от 27.12.2004, МПК C23F 13/06, опубл. 27.07.2006].
Оба изобретения обеспечивают повышение эффективности защиты резервуаров от коррозии, повышение степени взрывобезопасности, уменьшение трудоемкости при замене электродов в аноде, наиболее полный сбор и отвод газов, выделенных при работе электрода, за пределы резервуара, увеличение коэффициента использования электродов при применении неспециализированных малорастворимых электродов путем усовершенствования конструктивных особенностей анода.
Данным решениям свойственны те же недостатки, что и решению по авторскому свидетельству СССР №1271141 - их нельзя применить, например, на протяженных участках трубопроводов и ломаных конструкциях.
5
Известно техническое решение катодной защиты внутренней поверхности трубопроводов от коррозии [Описание изобретения к патенту РФ №1713978 от 13.09.1989, МПК C23F 13/00, опубл. 23.02.1992]. В трубопроводе с определенным шагом размещены малорастворимые аноды, соединенные с протяженным токопроводом, вокруг каждого анода сформирован канал с одним или двумя открытыми концами с диэлектрической стенкой, сообщающийся по концам с окружающей средой, причем аноды смещены относительно мест сообщения канала со средой. В результате повышается равномерность стекания защитного тока с анодов по длине трубопровода, что позволяет избежать «перезащиты» или «недозащиты» отдельных участков трубопровода.
Недостатком данного устройства является то, что электрод, как рабочий элемент катодной защиты, представляет собой набор из множества отдельных однотипных конструкций, содержащих множество контактных узлов, являющихся самым ненадежным элементом устройства, а износ отдельных электродов неравномерен. Таким образом, возникает противоречие между удовлетворительной защитой внутренней поверхности трубопроводов от коррозии и необходимостью дорогостоящей замены электрода в условиях, когда более интенсивному износу подвергся всего лишь один из анодов электрической цепочки.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемым техническим решениям электродов для катодной защиты внутренних поверхностей различных изделий или конструкций является устройство катодной защиты внутренней поверхности трубопроводов, включающее малорастворимый анод, установленный в перфорированной изоляционной оболочке и электрически соединенный с протяженным токопроводом, подключенным к станции катодной защиты, при этом в качестве анода используют электропроводящий полимерный материал, нанесенный на протяженный токопровод, а изоляционная оболочка снабжена защитными кольцами [Описание полезной модели к патенту РФ №2816 от 08.08.1994, МПК6 C23F 13/08, опубл. 16.09.1996]. Анод обладает необходимой податливостью на изгиб и его можно применять даже на изогнутых участках труб. Таким образом, устройство обеспечивает эффективную защиту от коррозии внутренней поверхности трубопроводов и уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат.
К недостаткам данного технического решения следует отнести то, что механическая защита анода осуществляется только в момент его протаскивания внутри трубы. Известно, что рабочая среда внутри трубопровода обладает определенными физическими характеристиками, такими, например, как плотность скорость и режим движения потока и другими, т.е. происходит ощутимое механическое воздействие на электрод, приводящее к его эрозии на локальных участках, к неравномерности распределения тока защиты и т.д. Это значительно снижает нормативный срок эксплуатации электрода и, соответственно трубопровода, и приводит к значительным капитальным затратам на его ремонт и восстановление катодной защиты.
Задача, решаемая первой и второй полезной моделью группы и достигаемый технический результат заключаются в создании эластомерных электродов для катодной защиты внутренних поверхностей металлических и железобетонных изделий или конструкций, которые отличаются расширенной областью применения по устойчивости к агрессивным средам и механическим воздействиям, широким диапазоном собственного сопротивления, обеспечивающим равномерное распределение защитного тока, малым коэффициентом анодного растворения, простотой исполнения и надежностью в эксплуатации.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в конструкции первого электрода для катодной защиты внутренних поверхностей металлических и железобетонных изделий или конструкций, включающей малорастворимый анод из электропроводящего материала, установленный в перфорированной изоляционной оболочке и электрически соединенный с токопроводом, выполненным с возможностью подключения к одному из полюсов станции катодной защиты, перфорированная изоляционная оболочка выполнена в виде фрагментов мерной длины с эластичностью, меньшей суммарной эластичности малорастворимого анода и токопровода и размещена на аноде с возможностью свободного перемещения вдоль него.
Кроме этого:
- в качестве электропроводного малорастворимого материала анода используют эластомерную смесь, по меньшей мере, на основе каучука синтетического бутадиен-нитрильного, или хлоропренового, или этиленпропиленового диенового, или их смеси, имеющих диапазон удельного объемного электрического сопротивления 0,5-2500 Ом·м;
- в качестве токопровода используют медную многопроволочную жилу;
- перфорации в изоляционной оболочке выполнены в виде отверстий или пазов, суммарная площадь которых не менее 50% от рабочей площади анода.
В конструкции второго электрода для катодной защиты внутренних поверхностей металлических и железобетонных изделий или конструкций, включающей малорастворимый анод из электропроводящего материала, снабженный изоляционной оболочкой и электрически соединенный с токопроводом, выполненным с возможностью подключения к одному из полюсов станции катодной защиты, изоляционная оболочка выполнена в виде, по меньшей мере, одного, размещенного на поверхности анода по спирали изолирующего жгута или изолирующего сплошного шнура, преимущественно круглого сечения, и расположенных сверху вдоль длины анода равномерно распределенных по окружности дополнительных изолирующих жгутов или шнуров, при этом изолирующие жгуты или шнуры закреплены на наружной поверхности анода, по меньшей мере, с шагом, равным или кратным шагу навивки спирального изолирующего жгута.
Кроме этого:
- изолирующие жгуты или шнуры выполнены с суммарной эластичностью, большей суммарной эластичности малорастворимого анода и токопровода;
- в качестве электропроводного малорастворимого материала анода используют эластомерную смесь, по меньшей мере, на основе каучука синтетического бутадиен-нитрильного или хлоропренового, или этиленпропиленового диенового, или их смеси, имеющих диапазон удельного объемного электрического сопротивления 0,5-2500 Ом·м;
- в качестве токопровода используют медную многопроволочную жилу;
- изолирующие жгуты или шнуры закреплены на наружной поверхности анода при помощи фиксирующих диэлектрических колец, обладающих износостойкостью, превосходящей износостойкость жгутов или шнуров;
- в качестве материала изолирующего жгута или изолирующего сплошного шнура используют диэлектрическую резину.
Вышеприведенные сведения из уровня техники применимы и к третьей полезной модели группы - устройству катодной защиты внутренних поверхностей металлических и железобетонных изделий или конструкций. Типовое устройство катодной защиты содержит источник постоянного тока, подключенный отрицательным полюсом к изделию или конструкции, а положительным через устройство ввода - к аноду, электрически изолированному от изделия или конструкции и выполненному в виде единого проводника электрического тока.
Задача, решаемая третьей полезной моделью группы и достигаемый технический результат заключается в создании устройства катодной защиты внутренних поверхностей металлических и железобетонных изделий или конструкций, оснащенного соответствующими электродами, которые отличаются расширенной областью применения по устойчивости к агрессивным средам и механическим воздействиям, широким диапазоном собственного сопротивления, обеспечивающим равномерное распределение защитного тока, малым коэффициентом анодного растворения, простотой исполнения и надежностью в эксплуатации.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в устройстве катодной защиты внутренних поверхностей металлических и железобетонных изделий или конструкций, содержащем источник постоянного тока, подключенный отрицательным полюсом к изделию или конструкции, а положительным через устройство ввода - к аноду, электрически изолированному от изделия или конструкции и выполненному в виде единого проводника электрического тока, проводник электрического тока выполнен в виде электрода по любому из перечисленных выше технических решений. Дополнительно, устройство ввода включает трубчатый корпус с посадочным местом под уплотнение и резьбовым участком под резьбовую втулку, причем посадочное место включает упорную ступеньку, при этом уплотнение выполнено в виде набора, по меньшей мере, из одной упорной шайбы и, по меньшей мере, одного эластичного элемента, выполненных с возможностью взаимодействия с торцом резьбовой втулки и упорной ступеньки.
Полезные модели иллюстрируются чертежами, где:
- на фиг.1 показан общий вид первого варианта электрода для катодной защиты внутренних поверхностей металлических и железобетонных изделий или конструкций - исполнение с перфорациями в изоляционной оболочке, выполненными в виде отверстий - аксонометрическая проекция;
- на фиг.2 также показан общий вид первого варианта электрода - исполнение с перфорациями в изоляционной оболочке, выполненными в виде пазов - аксонометрическая проекция;
- на фиг.3 показано произвольное поперечное сечение электрода фиг.1 или фиг.2 с произвольными перфорациями;
- на фиг.4 показан общий вид второго варианта электрода для катодной защиты;
- на фиг.5 показано произвольное поперечное сечение электрода фиг.4;
- на фиг.6 изображена развертка изоляционной оболочки электрода фиг.4;
- на фиг.7 показан один из возможных вариантов конструкции фиксирующего диэлектрического кольца фиг.4 - фрагмент развертки в аксонометрической проекции;
- на фиг.8 показано устройство ввода электрода фиг.1 или фиг.2, или фиг.4 (показаны условно) в защищаемое изделие или конструкцию.
В общем случае электрод 1 для катодной защиты внутренних поверхностей 2 металлических и железобетонных изделий или конструкций 3 включает малорастворимый анод 4 из электропроводящего материала, установленный в перфорированной изоляционной оболочке 5 и электрически соединенный с токопроводом 6, выполненным с возможностью подключения к одному из полюсов станции катодной защиты (условно не показана). В качестве электропроводного малорастворимого материала анода 4 используют эластомерную смесь, по меньшей мере, на основе каучука синтетического бутадиен-нитрильного, или хлоропренового, или этиленпропиленового диенового, или их смеси, имеющих диапазон удельного объемного электрического сопротивления 0,5-2500 Ом·м, а в качестве токопровода 6 используют медную многопроволочную жилу.
В первом варианте электрода 1 перфорированная изоляционная оболочка 5 выполнена в виде фрагментов мерной длины с эластичностью, меньшей суммарной эластичности малорастворимого анода 4 и токопровода 6 и размещена на аноде 4 с возможностью свободного перемещения вдоль него, а перфорации в изоляционной оболочке 5 выполнены в виде отверстий 7 или пазов 8, суммарная площадь которых не менее 50% от рабочей площади анода 4.
1
Во втором варианте электрода 1 изоляционная оболочка 5 выполнена в виде, по меньшей мере, одного, размещенного на поверхности анода 4 по спирали изолирующего жгута или изолирующего сплошного шнура 9, преимущественно круглого сечения, и расположенных сверху вдоль длины анода 4 равномерно распределенных по окружности дополнительных изолирующих жгутов или шнуров 10, при этом изолирующие жгуты или шнуры 9 и 10 закреплены на наружной поверхности анода 4, по меньшей мере, с шагом t, равным или кратным шагу t навивки спирального изолирующего жгута 9. Изолирующие жгуты или изолирующие сплошные шнуры 9 и 10 выполнены с суммарной эластичностью, большей суммарной эластичности малорастворимого анода 4 и токопровода 6, а в качестве материала изолирующих жгутов или шнуров 9 и 10 используют диэлектрическую резину, при этом и жгуты и шнуры 9 и 10 закреплены на наружной поверхности анода 4 при помощи фиксирующих диэлектрических колец 11, обладающих износостойкостью, превосходящей износостойкость жгутов и шнуров 9 и 10.
Устройство катодной защиты внутренних поверхностей 2 металлических и железобетонных изделий или конструкций 3 традиционно содержит источник постоянного тока (условно не показан), подключенный отрицательным полюсом к изделию или конструкции 3, а положительным через устройство ввода 12 - к аноду 4, электрически изолированному от изделия или конструкции 3 и выполненному в виде единого проводника электрического тока, при этом проводник электрического тока выполнен в виде электрода 1 по любому из вышеописанных вариантов, а устройство ввода 12 включает трубчатый корпус 13 с посадочным местом 14 под уплотнение и резьбовым участком 15 под резьбовую втулку 16, причем посадочное место 14 включает упорную ступеньку 17, при этом уплотнение выполнено в виде набора из, по меньшей мере, одного эластичного элемента 18 и, по меньшей мере, одной упорной шайбы 19, выполненных с возможностью одновременного взаимодействия с торцом 20 резьбовой втулки 16 и упорной ступенькой 17.
Проанализируем существенность признаков полезных моделей и возможность реализации технических решений.
Выполнение перфорированной изоляционной оболочки 5 по первому варианту полезной модели - в виде фрагментов мерной длины (см. фиг.1 и 2), размещенных на аноде 4 с возможностью свободного перемещения вдоль него, обеспечивает необходимую гибкость собранного электрода 1, дающую возможность повторить любую форму пространственной геометрии внутренней поверхности 2 защищаемого изделия или конструкции 3 и сохранить при этом повышенные прочностные характеристики оболочки 5, обеспечивающие защиту практически от любых возможных несанкционированных механических воздействий.
Параметром, обеспечивающим работоспособность такой конструкции является соотношение суммарной эластичности малорастворимого анода 4 и токопровода 6 и перфорированной изоляционной оболочки 5. При обводе внутренних поверхностей 2 круто изогнутых участков защищаемых изделий и конструкций 3 фрагменты изоляционной оболочки делают изгиб анода 4 более плавным, что позволяет избежать его излома, например, при пониженных температурах эксплуатации. Кроме этого, меньшая эластичность подразумевает увеличенные прочностные характеристики деталей. При протягивании малоэластичного анода 4 внутри, например, изогнутой трубы, велика вероятность «собирания» фрагментов изоляционной оболочки 5 если она будет обладать большей эластичностью, чем эластичность анода 4.
Следует отметить, что необходимым условием выполнения малорастворимым анодом 4 своей функции является суммарная площадь перфораций - периодически расположенных отверстий 7 или пазов 8, - это не менее 50% от рабочей площади анода 4. В противном случае будет наблюдаться неравномерный и ускоренный расход (износ) анода 4 - о чем будет информировать наличие нерастворенного анода 4 над «закрытыми» участками изоляционной оболочки и, наоборот, - преждевременное обнажение токопровода 6.
Аналогично первому варианту, выполнение изоляционной оболочки второго варианта электрода 1 (см. фиг.4) в виде размещенного на поверхности анода 4 по спирали изолирующего жгута или изолирующего сплошного шнура 9 круглого сечения, и расположенных сверху вдоль длины анода 4 равномерно распределенных по окружности дополнительных изолирующих жгутов или шнуров 10 позволяет создать «активную» конструкцию электрода 1 для катодной защиты, которая также может быть использована не только на прямолинейных участках защищаемых изделий или конструкций 3, но и на изогнутых. При протаскивании такого электрода 1 внутри протяженных прямолинейных или условно прямолинейных трубопроводов не имеет значения какова эластичность изолирующих жгутов или шнуров 9 и 10 - там требуется устойчивость к механическим воздействиям, возникающим при монтаже и от периодических механических воздействий рабочей среды в процессе эксплуатации, однако, на изогнутых участках требуется достаточная гибкость и растяжимость жгутов или шнуров 9 и 10, что позволит аноду 4 беспрепятственно повторить пространственную геометрию внутренней поверхности 2 защищаемых изделий или конструкций 3. По этой причине изолирующие жгуты и шнуры 9 и 10 выполнены с суммарной эластичностью, большей суммарной эластичности малорастворимого анода 4 и токопровода 6.
В качестве материала изолирующих жгутов или изолирующих сплошных шнуров 9 и 10 рекомендуется использовать диэлектрическую резину, на основе бутадиен-нитрильного, хлоропренового или этиленпропиленового каучуков, которая обладает стабильными, прогнозируемыми и требуемыми свойствами.
1
Закрепление изолирующих жгутов или шнуров 9 и 10 на наружной поверхности анода 4 с шагом t, равным или кратным шагу t навивки спирального изолирующего жгута или изолирующего сплошного шнура 9, обеспечивает прогнозируемость физических характеристик электрода 1 и технологичность его изготовления при использовании разнообразных средств механизации. Такое закрепление жгутов или шнуров 9 и 10 при помощи фиксирующих диэлектрических колец 11 со специальными пазами 21 на их внутренней поверхности, обладающих износостойкостью, превосходящей износостойкость жгутов или шнуров 9 и 10 позволяет протаскивать электрод 1 внутри, например, бетонных водоводов, известных своими высоко абразивными свойствами поверхности без видимого нарушения механической целостности изоляционной оболочки 5. Для удобства сборки диэлектрические кольца 11 могут быть, например, разъемными. Их фиксация на аноде 4 может осуществляться, например, с использованием типовых хомутов 22.
7
В остальном, в конструкции обоих вариантов электрода 1 в качестве электропроводного малорастворимого материала анода 4 используют эластомерную смесь, по меньшей мере, на основе каучука синтетического бутадиен-нитрильного, или хлоропренового, или этиленпропиленового диенового, или их смеси. На сегодня это наиболее оптимальные по физико-химическим показателям полимерные композиции, идущие для изготовления малорастворимых анодов (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2225420 от 19.06.2003, МПК C08L 9/02, C08L 9/06, C08L 11/00, C23F 13/00, C23F 13/16, опубл. 10.03.2004; заявка №2008139201 от 02.10.2008, МПК C08L 9/00, Н01В 1/00 на изобретение «Резиновая смесь и проводник электрического тока» и др.). Главной особенностью этих эластомеров является выраженная стойкость к агрессивным средам, что позволяет применять их практически на любых народнохозяйственных объектах. Это позволяет обеспечить срок эксплуатации катодной защиты в соответствии с требованиями ГОСТ 9.602-2005 и ГОСТ Р 51164-98 - не менее 15 лет.
Предлагаемый диапазон удельного объемного электрического сопротивления эластомерных смесей в пределах от 0,5 до 2500 Ом·м обеспечивает равномерное распределение защитного потенциала на внутренней поверхности 2 металлических и железобетонных изделий или конструкций 3 и резкое повышение КПД защиты. Это достигается за счет введения в состав эластомерных смесей композиций углеродных материалов (техуглерод - сажа, различные модификации графита, и т.д.) в определенном массовом соотношении.
Выбор значения удельного объемного электрического сопротивления эластомерного материала анода 4 определяется конкретными электрическими характеристиками (продольное, переходное электрическое сопротивление, сопротивление изоляционного покрытия) объекта защиты, характеристиками транспортируемого продукта, размерами и конфигурацией объекта и т.д. В качестве универсального издания, позволяющего произвести все необходимые расчеты электрохимической защиты внутренних поверхностей 2 металлических и железобетонных изделий или конструкций 3 можно рекомендовать следующий источник информации: Синько В.Ф. Комплексная электрохимическая защита от коррозии сооружений и оборудования в грунтах и жидких средах. Монография. Коломна: ФГОУ КИПП. 2009. 292 с.
Использование в качестве токопровода 6 медной многопроволочной жилы обеспечивает протекание электрического тока на увеличенной (от станции до станции) длине анода 4 и его необходимую гибкость и прочность. Возможен случай, когда электрод 1 может быть закреплен на изделии или конструкции 3 всего одной точке с размещением, например, вниз по течению потока жидкости, и, соответственно, подвод положительного потенциала также будет осуществляться к токопроводу 6 также всего в одной точке.
Что касается конструкции устройств катодной защиты внутренних поверхностей 2 металлических и железобетонных изделий или конструкций 3, то их особенностью являются особая конструкция вариантов электрода 1 - единого проводника электрического тока, позволяющая расширить область применения катодной защиты и распространить ее на такие изделия или конструкции, как, например, промысловые сети и оборудование нефте- и газопромыслов, оборудование и инженерные сети нефтеперерабатывающих предприятий и нефтехранилищ, городские коммунальные сети водоснабженеия и канализации, нефтедобывающие платформы, бетонные водоводы, в том числе, и в протяженном исполнении и др. При этом обеспечивается равномерность распределения защитного потенциала, малое растворение анодов 4, а, следовательно, более высокий КПД системы противокоррозионной защиты.
Наиболее проблемным участком устройства катодной защиты является устройство ввода 12 электрода 1. Была разработана его универсальная конструкция, обеспечивающая технологичность подсоединения к корпусам разнообразных изделий или конструкций 3, удобство и простоту монтажа и демонтажа, и необходимую герметизацию полученных соединений. Несмотря на возможный рельефный профиль поверхности анода 4 деформируемые эластичные элементы 18 обеспечивают надежную герметизацию соединения. Кроме этого, такая конструкция ввода 12 применима, в случае необходимости, и для подвода промежуточного проводника от положительного полюса источника постоянного тока (условно не показаны). В уровне техники отсутствует информация о применении такой конструкции устройства ввода 12 для защищаемых от коррозии изделий.
В остальном реализация полезных моделей осуществляется традиционными, давно зарекомендовавшими себя способами, широко представленными в патентной и технической литературе.
В результате решения поставленных задач были созданы варианты электродов для катодной защиты внутренних поверхностей металлических и железобетонных изделий или конструкций и устройство катодной защиты на их основе, отличающиеся расширенной областью применения по устойчивости к агрессивным средам и механическим воздействиям, широким диапазоном собственного сопротивления, обеспечивающим равномерное распределение защитного тока, малым коэффициентом анодного растворения, простотой исполнения и надежностью в эксплуатации.