АНОДНЫЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК C23F13/00 

Изобретение относится к электрохимической защите подземных металлических сооружений от коррозии и может быть использовано в установках катодной защиты.

Известны анодные заземлители, выполненные в виде металлических стержней, труб, пластин, установленных в грунте.

Указанные анодные заземлители имеют ограниченный срок службы из-за их анодного растворения в электролите грунтов. Кроме того, эти анодные заземлители при их анодном растворении ухудшают экологическую обстановку почв, приводят к увеличению солей железа в грунтовых водах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является анодный заземлитель, содержащий тело заземлителя, контактный узел с соединительным проводом подключенного к телу заземлителя, выполненного из эластичного проводящего материала.

Недостатками известного анодного заземлителя является его низкая эффективность из-за малой переходной проводимости поверхность тела заземлителя - грунт, а также его износ и разрушение из-за процессов электролиза и продуктов электролиза в почвенном электролите, связанное с выделением хлора, кислорода, водорода.

Цель изобретения - повышение эффективности заземлителя, а также экологической безопасности за счет увеличения поверхности соприкосновения с грунтом и исключения уноса материала анодного заземлителя и загрязнения грунтовых вод и почвы.

На фиг.1 приведен предлагаемый заземлитель и его подключение к установке катодной защиты трубопровода; на фиг.2 - вариант последовательного соединения секций анодного заземлителя; на фиг.3 - контактный узел; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.3; на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.6 и 7 - схема укладки в грунт протяженного анодного заземлителя; на фиг.8 - схема подключения секционированного анодного заземлителя к установке катодной защиты трубопровода; на фиг.9 - схема размещения секционированного анодного заземлителя по периметру трубопровода; на фиг.10 - глубинный анодный заземлитель; на фиг. 11 - разрез В-В на фbu.10; на фиг.12 - вариант ленточного глубинного анодного заземлителя; на фиг.13 - схема подключения анодного заземлителя к установке катодной защиты для условий вечной мерзлоты; на фиг.14 - вариант ленточного анодного заземлителя; на фиг.15 - контактный узел для ленточного анодного заземлителя; на фиг.16 - разрез Г-Г на фиг.15; на фиг. 17 - вариант выполнения контактного узла для ленточного анодного заземлителя; на фиг.18 - разрез Д-Д на фиг.17.

Анодный заземлитель содержит тело 1 заземлителя, выполненное в виде ленты с установленными на ней контактными узлами 2 с подключенными к ним соединительными проводами 3. Контактные узлы 2 размещены на теле 1 анодного заземлителя через одинаковые расстояния по всей его длине. В качестве материала для тела анодного заземлителя используется электропроводящая углеродистая ткань. Соединительные провода 3 всех контактных узлов 2 объединены в один узел 4 коммутации, который соединен с плюсовой клеммой станции 5 катодной защиты, а минусовая клемма станций 5 катодной защиты соединена с защищаемым трубопроводом 6. Узел 4 коммутации обеспечивает параллельное соединение всех секций тела 1 анодного заземлителя, разделенных контактными узлами 2. Соединение контактных узлов 2 (фиг.2) с помощью соединительных проводов 3 последовательно и с положительной клеммой станции 5 катодной защиты не требует установки узла коммутации. Контактные узлы 2 соединены между собой последовательно с помощью соединительных проводов 3.

Контактный узел содержит две металлические пластины 7 из титана, между которыми закреплена с помощью титановых заклепок 8 или болтов углеродистая электропроводящая ткань тела 1 анодного заземлителя. В конце одной из металлических пластин 7 с помощью зажима 9 закреплена токоведущая жила 10 соединительного провода 3. Токоведущая жила 10 вместе с зажимом 9 и конец металлической пластины 7 изолированы изоляционным компаундом 11. Вместо изоляционного компаунда 11 может использоваться термоусадочная муфта. Контактный узел покрывают битумной мастикой 12 или другим изоляционным компаундом, обладающим стойкостью в среде хлора, кислорода, водорода и влаги. Поверхность углеродистой ткани, соприкасающаяся с титановыми пластинами 7, покрывают тонким слоем титана. Покрытие углеродистой ткани слоем титана производят путем плазменного напыления в инертной среде или в вакууме. Толщина плазменно напыленного слоя титана составляет 5-10 мкм. Углеродистая ткань тела 1 анодного заземлителя может быть покрыта слоем титана только со стороны одной пластины 7. В этом случае вторая пластина контактного узла может быть выполнена из изоляционного материала, стойкого к действию продуктов электролиза и обладающего требуемыми механическими свойствами (оргстекло, полиэтилен, эбонит, винипласт и др.). В случае, когда титановые пластины 7 недостаточно жестки (малая толщина пластин), поверх пластин 7 устанавливают текстолитовые шины (или другого стойкого к продуктам электролиза материала), которые стягиваются титановыми болтами (или заклепками). В этом случае наружная изоляция контактного узла с помощью изоляционного компаунда 12 выполняют только в области подключения токоведущей жилы 10 к титановой пластине 7.

Вместо плазменного напыления титаном электропроводящая углеродистая ткань тела 1 анодного заземлителя в месте контакта с пластинами 7 может быть покрыта слоем электропроводящей пасты,- стойкой к продуктами электролиза почвенного электролита.

Анодный заземлитель укладывают в траншею 13, имеющую глубину больше глубины промерзания грунта в данной климатической зоне. На дно траншеи ровным слоем засыпают песок, а затем укладывают анодный заземлитель. Верхнюю поверхность анодного заземлителя, уложенного в траншею, также посыпают слоем песка, а затем засыпают траншею.

Секционированный анодный заземлитель содержит несколько (в зависимости от требуемого сопротивления растекания и проводимости грунта) идентичных секций заземления. Каждая секция содержит тело 1 анодного заземлителя, выполненного в виде электропроводящей углеродистой ткани, по двум краям которой установлены контактные узлы 2. Все контактные узлы 2 соединены между собой и с помощью соединительного провода 3 подключены к плюсовой клемме станции 5 катодной защиты.

Размещение секционированного анодного заземлителя по периметру трубопровода позволяет учитывать реальное коррозионное состояние трубопровода. При этом каждая секция анодного заземлителя устанавливается в грунте в окрестности коррозионного участка трубопровода, что позволяет осуществить локальную катодную защиту участка трубопровода с поврежденной изоляцией. Установка анодных заземлителей используется для катодной защиты крановых узлов газопроводов, коммуникаций, компрессорных станций и др.

Глубинный анодный заземлитель содержит тело 1 анодного заземлителя, выполненного из электропроводящей углеродистой ткани и имеющего форму цилиндра (чулка). Внутри тела 1 анодного заземлителя установлена несущая труба 14. На несущей трубе 14 поверх тела 1 анодного заземлителя через равные промежутки установлены контактные узлы 2, выполненные в виде хомута 15, охватывающие наружную поверхность тела 1 анодного заземлителя и несущую трубу 14. Соединительный провод 3 подключен к хомуту 15 с помощью болта, который одновременно служит и для натяжения хомута. Хомут 15 выполнен из титановой полоски, а место соединения токоведущей жилы 10 с хомутом 15 изолировано изоляционным компаундом 11. Несущая труба 14 изготовлена из полиэтилена, винипласта или другого материала, стойкого к продуктам электролиза, почвенного электролита. Собранный на поверхности земли глубинный анодный заземлитель устанавливают в скважину 16, которую затем заливают глиняным раствором. В месте размещения хомутов 15 углеродистую ткань покрывают слоем титана. Покрытие титаном углеродистой ткани производят методом плазменного напыления в инертной среде или в вакууме. Соединительные провода 3 от каждого контактного узла 2 подключены к узлу 4 коммутации, а затем к положительной клемме станции 5 катодной защиты, отрицательная клемма которой соединена с подземным трубопроводом 6.

Ленточный глубинный анодный заземлитель содержит тело 1 анодного заземлителя, выполненного в виде ленты из углеродной электропроводящей ткани, на котором через равные промежутки установлены контактные узлы 2. Для установки глубинного анодного заземлителя в скважину 16 к нижнему контактному узлу 2 подвешивают груз 17, а затем скважину заливают глиняным раствором.

Для условий вечной мерзлоты анодный заземлитель подключают по схеме фиг.13. Каждая секция анодного заземлителя снабжена двумя контактными узлами 2, расположенными по концам тела 1 анодного заземлителя. Одноименные контактные узлы с помощью соединительных проводов 3 соединены между собой (на фиг. 13 верхние контактные узлы соединены между собой и нижние контактные узлы соединены между собой), образуя два общих вывода - первый 18 и второй 19. Первый вывод анодного заземлителя соединен с положительной клеммой станции 5 катодной защиты и с началом вспомогательной обмотки 20 станции 5. Обмотка 20 выполнена секционированной, выводы каждой секции которой подключены к соответствующим входам коммутатора 21. Выход коммутатора 21 соединен с вторым выводом 19 анодного заземлителя. Отрицательная клемма станции 5 катодной защиты соединена с защищаемым трубопроводом 6.

Вспомогательная обмотка 20 является источником питания, служащим для подогрева тела 1 анодных заземлителей. При прохождении переменного тока от обмотки 20 через анодные заземлители (продольный ток) в них выделяется тепло, что обеспечивает надежный контакт с вечно мерзлым грунтом и требуемое сопротивление растекания.

Ток подогрева секций анодного заземлителя регулируют с помощью коммутатора 21, который с помощью блока 29 управления коммутатора, измерительного преобразователя 23 и датчика 24 тока изменяет напряжение на секциях анодного заземлителя в зависимости от величины тока станции 5 катодной защиты. При уменьшении этого тока увеличивается напряжение, подаваемое на секциях анодного заземлителя. Наличие подогрева анодного заземлителя для условий вечной мерзлоты позволяет уменьшить сопротивление растекания заземлителя и резко сократить расход энергии на катодную защиту.

В ленточном анодном заземлителе (фиг.14-16) углеродистая ткань тела 1 анодного заземлителя выполнена в виде ленты, которая через равные промежутки стягивается контактными узлами 2, соединенными через соединительные провода 3 с узлом 4 коммутации. Контактный узел для ленточного анодного заземлителя представляет собой упругую скобу 25, выполненную из полосы нержавеющей стали или титана, которая с помощью болта стягивает углеродистую ткань тела 1 анодного заземлителя. Токоведущая жила 10 соединительного провода 3 подключена к упругой скобе 25 и вместе с ней изолирована термоупругой муфтой или изоляционным компаундом 11.

Для обеспечения электрического контакта между скобой 25 и углеродистой тканью внутри скобы 25 установлена вставка 26, выполненная из полиэтилена или другого материала, стойкого к продуктам электролиза.

Для заливки контактного узла изоляционным компаундом используются специальные пресс-формы, имеющие соответствующие конфигурации.

Контактный узел содержит две плоские обоймы 27, охватывающие вместе с углеродистой тканью трубчатую вставку 28. Плоские обоймы 27, выполненные из нержавеющей стали или титана, взаимно стягиваются болтами. Трубчатая вставка 28 выполнена из полиэтилена или другого материала, стойкого к продуктам электролиза грунтового электролита. Электрический контакт между углеродистой тканью и токопроводящей жилой 10 соединительного провода 3 обеспечивается за счет прижима плоских обойм 27 к трубчатой вставке 28. Токопроводящая жила 10 с помощью болта подключена к обоймам 27, а место контакта вместе с обоймами 27 заливают изоляционным компаундом.

Работа анодного заземлителя совместно с станцией катодной защиты сводится к обеспечению требуемой величины тока для катодной защиты трубопровода (или другого катодно защищаемого подземного или подводного сооружения). Поскольку тело 1 анодного заземлителя выполнено из электропроводящей углеродистой ткани с толщиной каждой нити в 5-20 мкм, то суммарная площадь соприкосновения анодного заземлителя с грунтом и с грунтовым электролитом резко возрастает. Пространства между элементарными нитями углеродистой ткани для грунтового электролита выполняют функции капиляров и углеродистая ткань пропитывается грунтовым электролитом.

По сравнению с углеродистой пластиной (например выполненная из графита) углеродистая ткань той же площади дает в 10³-10⁴ раз больше площадь контакта с грунтом в зависимости от характеристик углеродистой ткани. Поэтому эффективность анодного заземлителя, тело которого выполнено из электропроводящей углеродистой ткани, высока. Углеродистая ткань является химически стойкой к грунтовым электролитам и к продуктам электролиза, поэтому работая в режиме анода не уносится в грунт и не загрязняет грунтовые воды. Графитовые аноды уносятся в процессе электролиза и загрязняют грунт. Выполнение контактных узлов 2 из титановых пластин позволяет исключить их износ при катодной защите подземного сооружения.

Анодные заземлители из углеродистой ткани могут быть использованы в любых грунтах, а также для катодной защиты морских сооружений. Это объясняется высокой химической и механической стойкостью волокон углеродистой ткани, изготовляемых из полимеров с последующей химической температурной и механической обработкой. Анодный заземлитель обладает малым весом. Суммарный вес одного анодного заземлителя для катодной защиты с током 20-30 А в песчаных грунтах составляет 1-1,5 кг) и высокой механической прочностью (вдоль волокон ткани). Ввиду отсутствия уноса материала тела анодного заземлителя и контактного узла продуктами электролиза отсутствует загрязнение грунтовых вод. По этой же причине анодный заземлитель имеет практически неограниченный срок службы.

Механические свойства электропроводящей углеродистой ткани позволяют устанавливать анодные заземлители в любой точке на поверхности защищаемого трубопровода, осуществить локальную катодную защиту участка трубопровода с поврежденной изоляцией. Особенно это эффективно в местах скопления подземных сооружений, где имеет место взаимное экранированное катодно защищаемых сооружений.

Изобретение относится к электрохимической защите подземных сооружений от коррозии. Анодный заземлитель выполнен в виде полосы из электропроводящей углеродистой ткани, а контактные узлы размещены на углеродистой ткани через одинаковые промежутки. Контактные узлы выполнены в виде двух полос из титана, которые вместе с углеродистой тканью стянуты болтами и изолированы изоляционным компаундом. Глубинный анодный заземлитель содержит несущую трубу из полиэтилена, поверх которой установлена углеродистая ткань, и контактные узлы. Приведен вариант анодного заземлителя для условий вечной мерзлоты и варианты контактных узлов. Анодный заземлитель обладает высокой эффективностью из-за большой площади соприкосновения с грунтом и экологически чист, поскольку не загрязняет почву и грунтовые воды. 5 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. АНОДНЫЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЬ, содержащий тело анодного заземлителя, контактный узел, соединительный провод, подключенный к телу анодного заземлителя, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности заземлителя и экологической безопасности, тело анодного заземлителя выполнено в виде полосы из электропроводящей углеродистой ткани и имеет дополнительные контактные узлы, расположенные на теле анодного заземлителя через одинаковые интервалы и выполненные в виде двух титановых пластин, между которыми проложена углеродистая ткань, причем титановые пластины скреплены между собой титановыми болтами или заклепками по всей длине пластин, соединительный провод подключен к одному из выступающих концов титановых пластин и выступает за ширину углеродистой ткани, а соединение соединительного провода с титановыми пластинами выполнено с изоляцией в виде термоусадочной муфты и изоляционного компаунда. 2. Заземлитель по п.1, отличающийся тем, что в месте контакта углеродистой ткани с титановыми пластинами контактного узла углеродистая ткань выполнена с покрытием в виде слоя титана путем плазменного напыления в инертной среде или в вакууме. 3. Заземлитель по п.1, отличающийся тем, что в месте контакта углеродистой ткани с титановыми пластинами контактного узла углеродистая ткань выполнена с покрытием в виде электропроводящей мастики. 4. Заземлитель по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что углеродистая ткань тела анодного заземлителя выполнена в виде цилиндра, внутри которого установлена несущая труба из материала, стойкого к продуктам электролиза грунтового электролита, контактные узлы расположены на несущей трубе через одинаковые расстояния и выполнены в виде хомутов из полосок титана, охватывающих наружную поверхность несущей трубы и углеродистой ткани, при этом соединительный провод соединен с хомутом в месте его стягивания, соединение провода с хомутом выполнено с изоляцией в виде компаунда, стойкого к продуктам электролиза грунтового электролита. 5. Заземлитель по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что контактный узел выполнен в виде упругой скобы из металлической полосы из нержавеющей стали или титана, которая посредством болта стягивает углеродистую ткань тела анодного заземлителя, соединительный провод соединен с упругой скобой, соединение провода со скобой выполнено с изоляцией в виде термоусадочной муфты и изоляционного компаунда. 6. Заземлитель по пп. 1,2,3 и 5, отличающийся тем, что контактный узел выполнен из плоских обойм из нержавеющей стали или титана, охватывающих вместе с углеродистой тканью тела анодного заземлителя трубчатую вставку, при этом плоские обоймы прикреплены одна к другой с помощью болтов, а токопроводящая жила соединительного провода прикреплена к одной из обойм под болт или сварку, причем контактный узел вместе с соединительным проводом залит изоляционным компаундом.