КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ АНОДНОГО ЗАЗЕМЛИТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК H01B1/20 H01B1/24 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении электродов анодного заземления в системах катодной защиты магистральных нефте- и газопроводов от подземной коррозии.

Известна композиция с полимерным связующим и углеродсодержащим наполнителем, в которой в качестве последнего используется графит [1]
Электроды из этой композиции обладают низкой надежностью вследствие их хрупкости, высокой анодной растворимостью и низкой предельно допустимой плотностью анодного тока.

Прототипом изобретения является композиция для анодного заземлителя, включающая углеродсодержащий наполнитель и связующее, в качестве которого содержит каучукоосновный полимер [2]
Из данной композиции по традиционной технологии изготавливаются электроды анодного заземления штыревого и протяженного типов.

Однако электроды, изготовленные из данной композиции, обладают низким значением предельно допустимого анодного тока и высоким электросопротивлением.

Последнее делает невозможным использование их в грунтах с высоким удельным электросопротивлением, требуя дополнительного использования низкоомной коксовой засыпки, что в большинстве случаев невозможно, особенно в скальных породах и на дне рек и водоемов. Помимо этого электроды, изготовленные из композиции по прототипу, обладают низким значением предельно допустимого анодного тока, повышение которого приводит к разогреву электрода и образованию высокоомной полимерной оксидной пленки на границе раздела токоввод полимерная электропроводная композиция.

Следствием этого является низкая надежность работы анодного заземлителя, его недолговечность.

Технической задачей, решаемой изобретением, является снижение удельного объемного электросопротивления композиции и повышение предельно допустимого значения анодного тока при одновременном сохранении высокой эластичности и низкой анодной растворимости.

Эта задача решается за счет того, что в композиции для анодного заземлителя, включающей каучукоосновное связующее и углеродсодержащий наполнитель, в качестве углеродсодержащего наполнителя содержится аддукт с магнитными свойствами (аддукт МС) на основе оксидов металлов и углерода.

При этом указанный аддукт с магнитными свойствами содержит оксид железа 30-79% оксиды каждого из других металлов аддукта или любое их сочетание 1-4% и углерода 20-66%
Кроме того, содержание каучукоосновного связующего и аддукта с магнитными свойствами следующее, мас.

Каучукоосновное связующее 46-68
Аддукт с магнитными свойствами 32-54
Возможно дополнение указанной композиции техническим углеродом в сочетании с указанным аддуктом с магнитными свойствами при содержании каждого из них не менее 20% и не более 80%
При вышеуказанном дополнении содержание каучукоосновного связующего и аддукта с магнитными свойствами в сочетании с техническим углеродом следующее, мас.

Каучукоосновное связующее 46-68
Аддукт с магнитными свойствами и технический углерод 32-54
Аддукт МС получают из смеси графитсодержащих отходов металлургических производств чугунного скрапа, доменного шлака и графита и газовой пыли металлургических заводов путем их смешивания, измельчения и магнитной сепарации, в результате которой получается аддукт с МС на основе оксидов металлов и углерода, в котором органически связаны металлооксидная и углеродная составляющие. Углеродная составляющая обеспечивает адсорбцию макромолекул полимера на своей поверхности, тем самым обуславливая прочную токопроводную структуру эластомерной матрицы за счет электронной проводимости.

В свою очередь, металлооксидная составляющая за счет ионной проводимости обеспечивает возможность повышения предельно допустимого значения анодного тока. Помимо этого, магнитные моменты доменов аддукта с МС за счет ориентационного эффекта магнитных полей, возникающих при прохождении электрического тока через электрод, меняют кинетику электрохимического растворения композиции, тем самым также повышая предельно допустимые значения анодного тока при одновременном сохранении низкой анодной растворимости и высокой эластичности электродов.

Этот эффект не является аддитивным и очевидным по следующим причинам:
1. Металлы и металлооксиды адсорбционно не взаимодействуют с эластомерной матрицей и при низких (до 50 мас.) степенях наполнения не обеспечивают высокой электропроводности полимерной композиции. При степени наполнения полимеров металлическими порошками более 70 мас. происходит обращение фаз и материал становиться электропроводным, однако теряет свою эластичность, гибкость и начинает быстро растворяться в почвенных электролитах.

2. При высоких степенях наполнения металлом (более 70 мас.), резко возрастают окислительные процессы в полимерах, материал начинает рассыпаться, следствием чего является быстрый выход электрода из строя. Срок службы такого материала определяется сроком электрохимического растворения металла и скоростью окисления полимера.

3. Высоконаполненные металлом полимерные композиции не могут перерабатываться в изделия (электроды) по традиционной резиновой технологии, на традиционном оборудовании и требуют разработки нового оборудования и новых технологий.

Иллюстрацией вышеизложенного служат данные табл.1 3, в которых показана зависимость удельного электросопротивления и эластичности от содержания аддукта с МС и каучукоосновного связующего.

В свою очередь, использование только углеродной составляющей не обеспечивает высокой плотности анодного тока и электропроводимости, а это не дает возможности их использования в грунтах с высоким удельным сопротивлением, что имеет место в прототипе.

Совместное, органически не связанное использование металлов или их оксидов с электропроводящим техническим углеродом также не обеспечивает необходимого комплекса электротехнических свойств композиции по следующим причинам:
1. Являясь жестко не связанными, вследствие отсутствия адсорбционного взаимодействия с эластомером, они выполняют роль "плавающих мостиков" между токопроводными углеродными структурами, что приводит к местным перенапряжениям за счет высоких контактных сопротивлений, следствием чего является быстрый выход электрода из строя.

2. Введение металлов или их оксидов в эластомер-техуглеродную матрицу резко снижается эластичность материала, требуя разработки новых резиновых технологий.

3. В жесткой эластомер-углеродной матрице резко снижается магнитная ориентация металлических наполнителей в магнитном поле, что приводит к увеличению анодной растворимости материала электрода.

Результатом вышеизложенного является снижение надежности работы анодного заземлителя и уменьшение срока его службы.

Как видно из табл.1 3, в выбранном диапазоне степеней наполнения эластомерная композиция, содержащая аддукт с МС, обеспечивает снижение удельного объемного электросопротивления по сравнению с композицией, наполненной чистым железом и его оксидами на несколько порядков, при некотором увеличении эластичности (6-12%).

Одновременно происходит изменение хода поляризационных кривых (чертеж), что указывает на влияние типа наполнителя на кинетику электрохимических реакций композиции для анодного заземлителя.

Кривые, приведенные на чертеже, показывают зависимость "ток потенциал" для образцов электродов, изготовленных из эластомерной композиции с наполнителями: 1 54 мас. железа; 2 54 мас. электропроводного тех. углерода П-367Э; 3 54 мас. графита; 4 54 мас. П-367Э и Fe₂O₃ по 50 5 54 мас. П-367Э и аддукта с МС по 50 6 54 мас. аддукта с МС.

Повышение плотности анодного тока при малых значениях электрического потенциала (0,1 1,0 В) для кривых 5, 6 прямо показывает на повышение анодного тока электрода анодного заземления из предлагаемых композиций.

В табл. 4 приведены технические характеристики для электродов ЭР-1, изготовленных из композиций с аддуктом с МС и комбинацией П-367Э и аддукта с МС, а также электродов, изготовленных из композиции по прототипу.

Композицию для анодного заземлителя готовят следующим образом.

На вальцах или резиносмесителе готовят каучукоосновное связующее, в которое входят: синтетический каучук, пластификатор, вулканизующая группа, стабилизатор и инсектицид. В начале смешения в течение 1-5 мин проводят пластикацию каучука. Затем на 6-10 минуте в пластикат вводят компоненты вулканизирующей группы, стабилизатор и инсектицид. После этого в композицию вводят аддукт с МС и пластификатор. Общее время смешения компонентов составляет 30-40 мин в зависимости от типа каучука.

Анализ данных табл.4 показывает, что предлагаемая композиция обеспечивает по сравнению с прототипом снижение удельного объемного электросопротивления в среднем в два раза, повышение эластичности на 20-30 и увеличение токовой нагрузки в 10-15 раз.

В табл.5 приведены примеры сочетаний в композиции технического углерода и аддукта с МС и характеристики основных параметров полученных анодных заземлителей при девяти вариантах процентных содержаний этих компонентов: 0, 15, 20, 25, 50, 75, 80, 85, 100
Из данных табл.5 видно, что при общем содержании комбинации технического углерода и аддукта с МС менее 32 мас. имеет место низкая электропроводность композиции и низкое значение допустимой токовой нагрузки.

При степени наполнения 32 мас. начинает образовываться токопроводная структура в полимерной матрице за счет образования цепочных структур технического углерода и резко снижается удельное объемное электросопротивление композиции. Однако только "чистый" технический углерод, без аддукта с МС, не обеспечивает допустимой токовой нагрузки для композиции.

С повышением общей степени наполнения композиции влияние соотношения компонентов на комплекс электрофизических свойств композиции нивелируется, поскольку в этой области начинает в большей степени проявляться эффект самостоятельного действия наполнителей. Значение соотношения компонентов начинает также проявляться при верхнем критическом (заявляемом) пределе наполнения 54 мас. где при степени наполнения "чистым" техническим углеродом имеет место предельно допустимое значение токовой нагрузки 0,5 А, а при наполнении "чистым" аддуктом с МС (54 мас.) при высоких токовых нагрузках возрастает скорость анодного растворения композиции с 0,3 до 0,5 кг/А•год.

При увеличении содержания наполнителя более 54 мас. растет скорость анодного растворения композиции, что также делает неприемлемым использование такого материала для получения долговечных анодных заземлителей.

Таким образом, приведенные примеры показывают, что использование заявляемой композиции для производства электродов анодного заземления приведет к повышению надежности эксплуатации, возможности их использования в грунтах с высоким электросопротивлением, снижению трудозатрат при эксплуатации и монтаже анодного заземления.

В целом это позволит повысить срок службы электродов на 50% по сравнению с прототипом.

Одновременно решается актуальная задача по улучшению общей экологической ситуации в регионах, поскольку аддукт с МС изготавливается из отходов металлургических производств.

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении электродов анодного заземления в системах катодной защиты магистральных трубопроводов от подземной коррозии. Сущность изобретения: композиция содержит каучукоосновное связующее и аддукт с магнитными свойствами на основе оксидов металлов и углерода или его сочетание с техническим углеродом при содержании каждого из них не менее 20% и не более 80%, при этом содержание компонентов следующее, мас.%: каучукоосновное связующее - 46-68, аддукт с магнитными свойствами на основе оксидов металла и углерода - 32-54. Изобретение позволяет повысить надежность эксплуатации электродов, использовать их в грунтах с высоким электросопротивлением. 1 з. п. ф-лы, 1 ил., 5 табл.

1. Композиция для анодного заземлителя, содержащая каучукоосновное связующее и углеродсодержащий наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве углеродсодержащего наполнителя она содержит аддукт с магнитными свойствами на основе оксидов металлов и углерода или указанный аддукт в сочетании с техническим углеродом при следующем содержании компонентов, мас.

Каучукоосновное связующее 46 68
Аддукт с магнитными свойствами на основе оксидов металлов и углерода или указанный аддукт в сочетании с техническим углеродом 32 54
2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что указанный аддукт содержит, мас.

Оксид железа 30 79
Оксиды других металлов или любое их сочетание 1 4
Углерод 20 66а