УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ
DEVICE FOR PULSED CATHODIC PROTECTION

Изобретение относится к оборудованию для электрохимической защиты и может быть использовано в системах катодной защиты подземных металлических сооружений от коррозии.
Известны различные модификации устройств для импульсной катодной защиты [патент US на изобретение №5324405 «Pulse cathodic protection system», патент DE на изобретение №2007347 «Verfahren zur automatischen Steuerung einer Kathodenschutzanlage», патенты RU на изобретение №1429591 «Установка катодной защиты», №2091503 «Устройство катодной защиты от атмосферной коррозии», №2394943 «Устройство катодной защиты газопроводов и подземных сооружений»].
Известна также «Система катодной защиты магистральных трубопроводов» [патент RU на изобретение №2202001], в состав которой входят несколько катодных станций, каждая из которых содержит блок измерения и обработки информации, датчик поляризационного потенциала, датчик скорости коррозии, датчик наводораживания, блок приема и передачи, электрод сравнения, блок логики, телеизмерения и телерегулирования, блок коммутации измерения параметров защиты, блок фазовой регулировки, блок импульсной модуляции и избирательный фильтр. Для стабилизации потенциала в зависимости от результатов измерения сигналов, поступающих от датчиков потенциала, скорости коррозии и наводораживания, изменяют параметры выходного импульсного сигнала.
Для приведенных выше устройств характерна недостаточно высокая точность поддержания поляризационного потенциала, обусловленная тем, что стабилизацию поляризационного потенциала осуществляют модуляцией временных параметров импульсного сигнала, подаваемого на сооружение, а также тем, что в ходе стабилизации потенциала используют косвенную оценку фактического значения потенциала сооружения в виде потенциала вспомогательного электрода.
Известна также «Ветроэлектростанция катодной защиты трубопроводов» [патент RU на изобретение №2117184], принцип работы которой заключается в формировании на трубопроводе относительно анодных заземлителей импульсного напряжения с релейным регулированием защитного потенциала, текущее значение которого контролируется электродом сравнения. При наличии выходного тока станции, протекающего в цепи «трубопровод-грунт-анодные заземлители», текущее значение потенциала «труба-грунт» сравнивают с пороговым значением, соответствующим максимальному критическому значению потенциала, при превышении которого выходной ток станции отключают, а при отсутствии выходного тока станции значение потенциала «труба-грунт» сравнивают с пороговым значением, соответствующим минимальному критическому значению потенциала, при снижении ниже которого выходной ток станции включают. Таким образом, временные параметры выходного импульсного сигнала станции задаются характером и скоростью изменения защитного потенциала.
Для данной станции характерны большие пульсации потенциала в процессе их стабилизации (от -0.85 В до -1.5 В). Кроме этого, длительность импульса выходного тока станции и время его паузы могут существенно меняться в процессе работы, что предъявляет жесткие требования к источнику питания катодной станции. При изменении условий эксплуатации может возникнуть ситуация, при которой мощность станции стала недостаточной для увеличения потенциала до верхнего порогового значения. Катодная станция останется с постоянно включенным выходным током, при этом теряется преимущество импульсного режима работы станции. К тому же это может привести к выходу из строя источника питания катодной станции.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является «Устройство защиты от коррозии импульсным током» [патент RU на изобретение №2223346], содержащее электронный блок с источником постоянного тока, импульсным усилителем и схемой формирования импульсов, установленные в токопроводящей среде на заданном расстоянии от защищаемого сооружения заземляющее устройство, измерительные электроды потенциала защищаемого сооружения и потенциала поляризации. Источник постоянного тока подсоединен через импульсный усилитель к защищаемому сооружению и к заземляющему устройству. Измерительные электроды соединены со схемой формирования импульсов электронного блока. Выход последнего подсоединен к управляющему входу импульсного усилителя. Между источником постоянного тока и импульсным усилителем установлены последовательно зарядное устройство и накопитель электроэнергии.
Недостатками наиболее близкого аналога являются: низкая точность поддержания потенциала и неравномерность поддержания потенциала на протяжении защищаемого участка трубопровода, отсутствие контроля за процессом образования водорода.
Задачей заявляемого изобретения является повышение точности поддержания поляризационного потенциала на всем протяжении защищаемого участка при снижении вероятности возникновения наводораживания металла, из которого изготовлено защищаемое сооружение.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в устройство для импульсной катодной защиты, содержащее электронный блок, анодный заземлитель и электрод сравнения, электронный блок которого содержит источник постоянного тока, импульсный усилитель, формирователь импульсов, накопитель энергии, соединенный с импульсным усилителем, при этом последний соединен с формирователем импульсов, с анодным заземлителем и защищаемым сооружением, электрод сравнения соединен с формирователем импульсов, в электронный блок введен преобразователь уровня постоянного напряжения, подключенный к накопителю энергии, формирователю импульсов, источнику постоянного тока, последний соединен с формирователем импульсов, подключенным к введенному в устройство датчику наводораживания и к защищаемому сооружению.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в решении поставленной задачи.
Управление выходной мощностью в заявляемом устройстве, необходимое для поддержания потенциала, осуществляется изменением амплитудного параметра выходного импульсного сигнала в отличие от прототипа, где изменяются его временные параметры (скважность или частота). Предлагаемый подход позволяет исключить или существенно уменьшить неравномерность изменения потенциала по длине защищаемого участка трубопровода, который является «длинной линией» с распределенными параметрами, включающими как активные, так и реактивные компоненты, и обладающей своим для каждого защищаемого сооружения волновым сопротивлением. Так как заявляемое устройство работает по сути как импульсный генератор, обладающий своим выходным сопротивлением, степень согласования этого сопротивления с волновым сопротивлением участка защищаемого сооружения, а также временные параметры выходного импульсного сигнала устройства существенно влияют на происходящие на данном участке защищаемого сооружения процессы. При изменении в процессе стабилизации потенциала и временных параметров импульсного сигнала, подаваемого на защитное сооружение, может возникнуть неуправляемая существенная неравномерность изменения потенциала на отдельных отрезках данного участка, обусловленная явлением резонанса. Для исключения этого явления перед запуском в эксплуатацию выбирают оптимальные для данного участка защищаемого сооружения временные параметры импульсного выходного сигнала устройства, а стабилизация потенциала осуществляется изменением амплитуды выходного импульса. Для осуществления последнего в устройство введен преобразователь уровня постоянного напряжения как функционально независимый существенный признак и сопутствующие ему связи с остальными узлами устройства как функционально зависимые существенные признаки.
Использование в качестве датчика поляризационного потенциала защищаемого сооружения, а не его эквивалента в виде вспомогательного электрода (см. позицию 9 на Фиг.2 в описании наиболее близкого аналога) позволяет повысить точность поддержания поляризационного потенциала. Потенциал, формируемый на вспомогательном электроде, является косвенной оценкой реального значения потенциала защищаемого сооружения. В предлагаемом устройстве косвенная оценка поляризационного потенциала заменяется на реальное значение, снимаемое непосредственно с защищаемого сооружения. Для этого вводится связь между сооружением и формирователем импульсов.
В предлагаемом устройстве осуществляется контроль возникновения процесса наводораживания металла защищаемого сооружения, который приводит к разрушению изоляции трубопровода. Данное явление возникает при превышении защитного потенциала до определенного уровня. Данная ситуация наиболее характерна, когда, стремясь поднять уровень защитного потенциала в самой удаленной от устройства точке защищаемого сооружения до минимально необходимого значения, поднимают выходное напряжение устройства до такого уровня, при котором защитный потенциал в точке дренажа (вблизи устройства) превышает значение образования водорода. Для предупреждения данной ситуации в устройство введен датчик наводораживания и сопутствующие ему связи. Контроль процесса наводораживания осуществляется во время приложения к защищаемому сооружению напряжения, т.е. в течение длительности импульса. После десяти повторных измерений для исключения влияния на измерение случайных помех усредненное значение сигнала с датчика наводораживания сравнивается с заданным пороговым значением и формируется аварийное сообщение, если порог превышен.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг.1-3, на которых изображены: на Фиг.1 - схематичное изображение устройства для катодной защиты, на Фиг.2 - временные диаграммы работы устройства. На Фиг.3 приведены осциллограммы изменения поляризационного потенциала на реальном трубопроводе, полученные с помощью цифрового запоминающего осциллографа типа DC5042M фирмы RIGOL.
На Фиг.1-3 позициями 1-9 обозначены:
1 - электронный блок;
2 - анодный заземлитель;
3 - электрод сравнения;
4 - источник постоянного тока;
5 - импульсный усилитель;
6 - формирователь импульсов;
7 - накопитель энергии;
8 - датчик наводораживания;
9 - преобразователь уровня постоянного напряжения.
Устройство содержит электронный блок 1, анодный заземлитель 2, электрод сравнения 3, датчик наводораживания 8.
Электронный блок 1 содержит источник постоянного тока 4, импульсный усилитель 5, формирователь импульсов 6, накопитель энергии 7, преобразователь уровня постоянного напряжения 9.
При этом выходы импульсного усилителя 5 соединены с анодным заземлителем 2 и защищаемым сооружением, которое соединено также с третьим входом формирователя импульсов 6, первый и второй входы которого соединены соответственно с электродом сравнения 3 и датчиком наводораживания 8. Первый выход формирователя импульсов 6 соединен с управляющим входом импульсного усилителя 5, входы которого соединены с выводами накопителя энергии 7 и выходами преобразователя уровня постоянного напряжения 9, управляющий вход которого соединен со вторым выходом формирователя импульсов 6, питающие входы которого соединены с выходами источника постоянного тока 4 и входами преобразователя уровня постоянного напряжения 9.
Описание работы устройства поясняется временными диаграммами, приведенными на Фиг.2 и эпюрами напряжения, приведенными на Фиг.3. Устройство для импульсной катодной защиты работает следующим образом.
Перед началом работы в режиме настройки оператор с помощью панели управления и индикации (на фигуре не показана) задает значение поляризационного потенциала, которое должно автоматически поддерживаться в процессе работы устройства. Кроме того, в память формирователя импульсов 6 техническими средствами программирования записывают пороговое значение сигнала с датчика наводораживания 8, а также временные параметры выходного сигнала импульсного усилителя 5, в том числе длительность импульса, длительность паузы между импульсами, временную задержку после окончания импульса, по истечении которой осуществляется измерение поляризационного потенциала.
После перехода в режим работы формирователь импульсов 6 формирует на управляющем входе преобразователя уровня постоянного напряжения 9 сигнал, определяющий начальное значение его выходного постоянного напряжения.
При появлении напряжения на выводах накопителя энергии 7 (момент времени Т0 на Фиг.2, эпюра 1) в нем начинается процесс накопления электрической энергии, после завершения которого формирователь импульсов 6 формирует на управляющем входе импульсного усилителя 5 сигнал, определяющий временные параметры (длительность импульса и длительность паузы между импульсами) его выходного импульсного сигнала, формируемого на анодном заземлителе 2 относительно защищаемого сооружения.
В течение импульса (интервал времени Т1-Т2, Т3-Т4, Т5-Т6 и т.д. на Фиг.2, эпюра 2) осуществляется передача в нагрузку энергии, накопленной в накопителе энергии 7. В качестве нагрузки служит в данном случае эквивалентное сопротивление, состоящее из сопротивления кабеля от электронного блока 1 до анодного заземлителя 2, сопротивления растеканию тока анодного заземлителя 2, сопротивления грунта между анодным заземлителем 2 и защищаемым сооружением, сопротивления защищаемого сооружения, сопротивления кабеля от защищаемого сооружения до электронного блока 1. В течение паузы между импульсами (интервал времени Т3-Т4, Т5-Т6 и т.д. на Фиг.2, эпюра 2) вновь осуществляется накопление энергии в накопителе энергии 7. Наряду с вышеизложенным в течение паузы между импульсами формирователь импульсов 6 измеряет разность потенциалов между электродом сравнении 3 и защищаемым сооружением, которая после окончания импульса (моменты Т2, Т4, Т6 и т.д. на Фиг.2, эпюра 2) начинает уменьшаться, стремясь к значению природного потенциала металла, из которого изготовлено защищаемое сооружение (см. Фиг.2, эпюра 3).
При этом начальный и последующий участки кривой изменения потенциала, интервалы Т2-Т7, Т4-Т8 и интервалы Т7-Т3, Т8-Т5 (Фиг.2, эпюра 3) имеют существенно различную крутизну спада, так как начальный участок (интервалы Т2-Т7, Т4-Т8 Фиг.2, эпюра 3) соответствует изменению омической составляющей потенциала, которая уменьшается с большой скоростью, а последующий участок (интервалы Т7-Т3, Т8-Т5 Фиг.2, эпюра 3) соответствует изменению поляризационной составляющей, которая уменьшается значительно медленней омической составляющей. В связи с тем что устройство должно стабилизировать поляризационный потенциал, измерение его фактического значения должно осуществляться после исчезновения омической составляющей. С этой целью формирователь импульсов 6 осуществляет измерение потенциала после исчезновения омической составляющей потенциала (моменты времени Т9, Т10 и т.д. на Фиг.2, см. также эпюру 3 на Фиг.3 - участок перехода кривой потенциала с более крутого на более пологий).
Интервал времени, в течение которого омическая составляющая потенциала уменьшается до незначительной величины, зависит от многих факторов и может принимать значения от 10 мкс до 300 мкс. В связи с этим желательно при первоначальном запуске устройства в эксплуатацию на конкретном защищаемом сооружении, измерить данный интервал с помощью запоминающего осциллографа и записать его в память формирователя импульсов 6. Для защиты результата измерений от случайных воздействий в качестве измеренного значения поляризационного потенциала должен приниматься результат усреднения не менее десяти замеров, т.е. каждое измерение поляризационного потенциала должно осуществляться на протяжении (минимум) десяти периодов выходного сигнала, после чего вычисляется его среднее значение. Измеренное таким образом значение поляризационного потенциала формирователь импульсов 6 сравнивает с установленным при настройке значением и изменяет с помощью преобразователя уровня постоянного напряжения 9 амплитуду выходного импульса устройства в фазе, необходимой для стабилизации поляризационного потенциала на заданном уровне. Например, если измеренное значение поляризационного потенциала меньше заданного, то амплитуда выходного импульса устройства увеличивается, если больше заданного, то уменьшается.
Кроме этого, на протяжении интервала времени, соответствующего длительности импульса (Т1-Т2, Т3-Т4, Т5-Т6 и т.д. на Фиг.2, эпюра 2), формирователь импульсов 6 измеряет значение сигнала, поступающего от датчика наводораживания 8, и сравнивает его с пороговым значением, установленным при настройке, при превышении которого формирователь импульсов 6 формирует сигнал аварии, который отражается средствами индикации и сигнализации и передается по каналу связи удаленному оператору (данные технические средства на фигуре не показаны).
Пример реализации
В качестве источника постоянного тока 4 может быть использован любой сетевой преобразователь напряжения переменного тока 230 В в напряжение постоянного тока 24 В с выходным током 16 А, работающий в диапазоне температур от (-45 до +45)°С. Источник постоянного тока 4 может быть также выполнен по стандартной схеме (Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Додэка XXI, с.254), в качестве трансформатора в которой может быть применен трансформатор ТПП319, в качестве диодного моста KBPC-25-06-W, в качестве конденсатора фильтра - три конденсатора, включенные параллельно К50-35 - 4700 мкФ×50 В. Накопитель энергии 7 может быть выполнен в виде набора конденсаторов К50-35 - 3300 мкФ×63 В, включенных параллельно, в количестве 50 шт. Импульсный усилитель 5 может быть реализован на транзисторе IRF4905. В качестве электрода сравнения 3 может быть использован медно-сульфатный электрод сравнения ЭНЕС-3М, а в качестве датчика наводораживания 8 - датчик ДН-1. В качестве анодного заземлителя 2 может быть использован оксидный железо-титановый заземлитель.
Формирователь импульсов 6 может быть реализован на PIC-контроллере типа PIC24FJ256GA106-I/PT.
Преобразователь уровня постоянного напряжения 9 должен обеспечивать как повышение, так и понижение входного напряжения. В связи с этим он выполнен в виде последовательно включенных понижающего и повышающего преобразователей. Понижающий преобразователь выполнен на микросхеме uA78S40, ключевом транзисторе IRF4905, возвратном диоде MBR20100CT. Повышающий преобразователь выполнен на микросхеме UC3844, ключевом транзисторе IRF3710, обратном диоде MBR20100CT. Общий накопительный элемент выполнен на дросселе с рабочим током 10 А и индуктивностью 0,6 млГн.
Не показанная на Фиг.1 панель управления, индикации и сигнализации может быть реализована в виде набора потенциометров (типа СП4-1) для задания аналоговых параметров, а также перекидных (типа SS-309) и кнопочных (типа SPA-106) переключателей для формирования дискретных управляющих сигналов на специализированной микросхеме управления индикаторами MAX6925EPL и пяти светодиодных матрицах типа BC56-12EWA. Звуковой сигнал аварии может быть реализован с помощью пьезоизлучателя типа PCM13EPYH.
Не показанный на Фиг.1 интерфейс для связи с удаленным оператором может быть реализован на микросхеме ADM3485.
Период импульсного сигнала в ходе экспериментов изменялся от 100 млсек до 10 млсек, а длительность импульса соответственно - от 10 млсек до 1 млсек. Коэффициент заполнения изменялся от 0.05 до 0.2. Амплитуда напряжения менялась от 10 В до 48 В. При этом измеренные осциллографом зависимости изменения потенциала после отключения от него напряжения на различных реальных объектах - трубопроводах с различными параметрами показали, что крутой участок на графике изменения потенциала (Т2-Т7 на Фиг.2), соответствующий омической составляющей потенциала, может составлять от 10 мкс до 300 мкс. Значения стационарного потенциала составляли от -0,55 В до -0.6 В.
Заявляемое техническое решение изготовлено в виде опытного образца, успешно прошедшего апробацию в одной из организаций в г. Саратове.