АНОДНЫЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЬ
ANODE EARTHING DEVICE

Изобретение относится к области электрохимической защиты металлических сооружений от коррозии в почве и водоемах и может быть использовано при сооружении глубинных и поверхностных анодных заземлений.
Известен анодный заземлитель (RU №132079 от 10.09.2013, МПК C23F), включающий провод токоввода и подсоединенный к нему по меньшей мере один металлический электрод, выполненный в виде полой сквозной или глухой трубы. Контакт провода токоввода с электродом выполнен в виде по меньшей мере одной пружины сжатия. При этом торцы электрода могут быть дополнительно герметизированы термоусаживаемыми материалами, а внутренняя полость электрода, по меньшей мере, в месте расположения упругого элемента и его контакта с проводом токоввода заполнена электроизолирующим герметизирующим составом. Предложенная конструкция дает возможность снизить массу заземлителя и применять тонкослойные покрытия внешней поверхности трубы, позволяющие значительно снизить скорость растворения материала электрода.
Известен анодный заземлитель (RU №2542867 от 27.02.2015, МПК C23F 13/00), содержащий анод, выполненный в виде цилиндра, и контактный узел. Анод изготовлен из титанового сплава с электроактивным покрытием из диоксида марганца снаружи и внутри, соединен с трубчатым биметаллическим токоотводом контактного узла, состоящим снаружи из титанового сплава, а внутри из меди, для электрической коммутации с токопроводящим медным кабелем. Контактный узел герметизирован посредством полимерного материала и термоусаживаемой трубки.
Наиболее близким к заявляемому является анодный заземлитель (RU №129101 от 20.06.2013, МПК C23F 13/00), используемый при устройстве глубинных и поверхностных заземлений, содержащий литой электрод и провод токоввода, соединенный с ним посредством контактного узла, который расположен в глухой полости электрода и залит герметиком. Контактный узел состоит из металлической вставки с конической или цилиндрической поверхностью под зажимную втулку с конической или цилиндрической внутренней поверхностью, с возможностью крепления провода токоввода на вставке.
Приведенные технические решения обладают общим недостатком - в процессе работы заземлителя вследствие электролитического разложения воды и образования газовых пузырей на его поверхности может значительно возрастать переходное сопротивление и сопротивление растеканию, а также напряжение между защищаемой конструкцией и заземлителем, что приводит к полной невозможности поддерживать расчетный ток. Процессы обезвоживания поверхностного слоя почвы особенно усиливаются в условиях поверхностного заземления за счет естественного осушения в летний период эксплуатации.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение устойчивости работы поверхностного анодного заземлителя к понижению влажности грунта, приводящему к росту переходного сопротивления и росту потребления электроэнергии на катодную защиту.
Поставленная задача решается тем, что в анодном заземлителе, содержащем литой электрод и провод токоввода, соединенный с ним посредством контактного узла, состоящего из металлической вставки с конической или цилиндрической поверхностью под зажимную втулку с конической или цилиндрической внутренней поверхностью, с возможностью крепления провода токоввода на металлической вставке, литой электрод имеет форму полого цилиндра с внешним диаметром 70-80 мм и внутренним диаметром 35-40 мм, с открытым торцом и сквозными каналами с формой сечения в виде прямоугольника со скругленными краями длиной 15-22,5 мм и шириной 5-7 мм, причем каналы расположены вертикальными рядами с равномерным шагом, в расположении начальных точек рядов чередуется через один ряд смещение на расстояние, равное половине шага, а угол между поперечными осями рядов составляет 120°, внутреннее пространство электрода заполнено влагосорбирующим материалом, на боковой поверхности электрода один из каналов, расположенных в начальной точке ряда, выполнен с круглым сечением диаметром 20-25 мм, в этот канал установлена газоотводная трубка, вывод металлической вставки во внутреннее пространство электрода покрыт изолирующим герметиком, контактный узел снабжен изолирующей оболочкой.
Электрод анодного заземлителя предпочтительно выполнять из высококремнистого чугуна. Газоотводная трубка выполняется из полимерного материала, допускающего перфорацию и изгиб под углом не менее 90°, например полипропилена. В качестве влагосорбирующего материала может использоваться, например, глинистый грунт или его смесь с активированным углем. В качестве эластичного герметика изолирующей оболочки может использоваться, например, силиконовый герметик. В качестве изолирующего герметика вывода металлической вставки во внутреннее пространство электрода может использоваться, например, полиуретан. Внутренняя боковая поверхность электрода может быть выполнена гладкой или с армирующими выступами.
Каналы, соединяющие внутреннее пространство электрода с внешним, а также открытый торец электрода обеспечивают восстановление влажности внешнего слоя грунта при ее уменьшении. Восстановление происходит за счет переноса почвенных растворов из влагосорбирующего материала, находящегося во внутреннем пространстве электрода. Это предотвращает образование пассивирующего внешнего слоя, из-за которого возрастает переходное сопротивление заземлителя и увеличивается расход электроэнергии на катодную защиту. В случае возникновения пассивирующего слоя на внешней поверхности рабочей поверхностью электрода может стать часть внутренней поверхности, чем обеспечивается компенсация возрастания переходного сопротивления. Каналы, соединяющие внутреннюю поверхность электрода с внешней, способствуют удалению газовых пробок, экранирующих часть рабочей поверхности электрода, за счет быстрого их перетекания во внутреннее пространство заземлителя и более эффективного удаления через газоотводную трубку, один из каналов и открытый торец электрода. В результате становится возможным предотвращение повышения потенциала заземлителя, обуславливающего повышение расхода электроэнергии на катодную защиту. Форма сечения каналов в виде прямоугольника со скругленными краями предотвращает ускоренное растворение углов и развитие язвенного растворения, приводящего к снижению срока службы электрода, а также зарастание каналов. Размеры сечения каналов, длина 15-22,5 мм и ширина 5-7 мм, согласно проведенным опытно-экспериментальным исследованиям являются оптимальными для эффективного влагоудержания, влагообмена с наружной поверхностью при сохранении механической прочности. Смещение в расположении начальных точек рядов в чередующемся порядке на расстояние, равное половине шага, обеспечивает шахматный порядок выходов каналов на боковую поверхность, что необходимо для предотвращения распространения поперечных трещин. Внешний диаметр электрода 70-80 мм выбран из соображений обеспечения тока 5-7 А на метр длины электрода. Внутренний диаметр 35-40 мм обеспечивает толщину стенки 17,5-20 мм, что необходимо для создания запаса прочности конструкции. Крепление газоотводной трубки в начальной точке ряда обеспечивает удаление газовых пузырей из глухой полости в закрытом торце электрода, круглое сечение отверстия для крепления газоотводной трубки диаметром 20-25 мм необходимо для ее надежного крепления, исключающего повреждения при монтаже заземлителя. Покрытие вывода металлической вставки во внутреннее пространство электрода изолирующим герметиком предназначено для предотвращения химической коррозии вставки контактного узла, которая по технологическим соображениям остается после литья. Изолирующий герметик должен обладать высокой прочностью к истирающим нагрузкам и надежно изолировать поверхность вывода металлической вставки от окружающей среды. Этим требованиям удовлетворяет, в частности, полиуретан. Использование в качестве материала электрода высококремнистого чугуна способствует снижению как скорости анодного растворения, так и химической коррозии внутренней поверхности, что увеличивает срок службы заземлителя. Армирующие выступы на внутренней боковой поверхности электрода способствуют увеличению рабочей поверхности и за счет этого дополнительному влагоудержанию, что способствует снижению переходного сопротивлении и возрастанию срока службы электрода. Использование в качестве влагосорбирующего пористого материала глинистого грунта или смеси глинистого грунта с активированным углем обеспечивает сохранение необходимого запаса почвенных растворов для компенсации их выработки или испарения из внешнего пространства заземлителя, а также поглощение газовых пузырей, переходящих во внутреннее пространство электрода в процессе работы.
Изолирующая оболочка контактного узла предназначена для предотвращения коррозии вставки, втулки и кабеля под действием почвенной влаги. В частном случае применения изолирующая оболочка может быть выполнена в виде колпака, закрепленного с помощью термоусадочной муфты на корпусе электрода и заполненного герметиком. При этом закрепленный с помощью термоусадочной муфты колпак обеспечивает механическую устойчивость изолирующей оболочки, а наполняющий его герметик должен обладать высокой пластичностью и адгезией к металлу, в связи с чем для этих целей может быть использован силиконовый герметик.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен анодный заземлитель.
На фиг. 2 представлен анодный заземлитель в продольном сечении.
На фиг. 3 представлен анодный заземлитель в поперечном сечении.
Анодный заземлитель содержит литой электрод 1, имеющий форму полого цилиндра с внешним диаметром 70-80 мм и внутренним диаметром 35-40 мм, с открытым торцом 2, провод токоввода 3, соединенный с ним посредством контактного узла, состоящего из металлической вставки 4 с конической или цилиндрической поверхностью под зажимную втулку 5 с конической или цилиндрической внутренней поверхностью, с возможностью крепления провода токоввода на металлической вставке. В литом электроде 1 выполнены сквозные каналы 6 с формой сечения в виде прямоугольника со скругленными краями длиной 15-22,5 мм и шириной 5-7 мм, причем каналы расположены вертикальными рядами 7 с равномерным шагом, в расположении начальных точек рядов чередуется через один ряд смещение на расстояние, равное половине шага, а угол между поперечными осями рядов 7 составляет 120°, внутреннее пространство 8 электрода 1 заполнено влагосорбирующим материалом (на фиг. 2 и 3 не показан), на боковой поверхности электрода один из каналов 9, расположенных в начальной точке ряда, выполнен с круглым сечением диаметром 20-25 мм, в этот канал установлена газоотводная трубка 10, вывод 11 металлической вставки 4 во внутреннее пространство 8 электрода 1 покрыт изолирующим герметиком 12, контактный узел снабжен изолирующей оболочкой, в частном случае выполнения представляющей собой колпак (на фиг. 2 и 3 не показан), закрепленный с помощью термоусадочной муфты 13 на корпусе электрода 1 и заполненный герметиком 14.
Анодный заземлитель, предназначенный для работы в глубинных и поверхностных слоях почвы при защите от электрохимической коррозии металлических сооружений и коммуникаций, в том числе магистральных нефтегазопроводов, контактирующих с грунтом, работает следующим образом. Анодные заземлители укладывают горизонтально или вертикально ниже уровня промерзания грунта и ниже или на уровне грунтовых вод, при этом они присоединены проводом токоввода 3 к положительному полюсу станции катодной защиты. Защищаемая конструкция присоединяется к отрицательному полюсу. По проводу токоввода 3 от станции катодной защиты проходит постоянный ток расчетной силы и напряжения, который поступает на электрод 1 через металлическую вставку 4. Надежный контакт вставки 4 с проводом токоввода 3 обеспечивает зажимная втулка 5. При возникновении газовых пузырей на внешней поверхности электрода 1 они перетекают через каналы 6 во внутреннее пространство электрода 8,откуда удаляются через газоотводную трубку 10, один из каналов и открытый торец 2 электрода 1. В случае возникновения пассивирующего слоя на внешней поверхности электрода 1 протекание тока обеспечивает внутренняя поверхность электрода 8. При понижении влажности внешнего слоя грунта влагосорбирующий наполнитель обеспечивает восстановление баланса влажности за счет перетекания влаги из внутреннего пространства 8 электрода 1 к его внешней поверхности. Протекание анодного тока через электрод 1 обеспечивает смещение потенциала защищаемого изделия в область значений, требуемых для полного подавления процессов коррозионного разрушения.
Проведенные опытно-промышленные испытания показали, что напряжение между предлагаемым анодным заземлителем и защищаемой конструкцией составляет 4,5±0,5 B в водоемах, 9-12 B в грунте, тогда как для прототипа наблюдаются возрастания напряжения до 20-25 B в засушливый период эксплуатации. Таким образом, предлагаемый анодный заземлитель обеспечивает устойчивую работу электрохимической защиты по отношению к обезвоживанию окружающего грунта.
На основании проведенного патентно-информационного поиска считаем, что разработанные состав и конструкция анодного заземления соответствуют требованиям новизны и изобретательскому уровню. Проведенные опытно-промышленные испытания показали, что разработанная конструкция промышленно применима и может быть использована в системах электрохимической защиты от коррозии и может быть защищена патентом Российской Федерации.