СПОСОБ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МНОГОНИТОЧНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК C23F13/22 

Изобретение относится к электрохимзащите металлических многониточных трубопроводов от подземной коррозии и может быть использовано для защиты других подземных металлических сооружений.

Известны способы защиты металлических трубопроводов от электрохимической коррозии, которые осуществляются с помощью наложенного тока от внешнего источника энергии /катодная поляризация/. Защищаемая конструкция соединяется с отрицательным полюсом внешнего источника постоянного напряжения, так что она действует в качестве катода. Второй электрод /анодное заземление/ соединяется с положительным полюсом источника постоянного напряжения, так что он действует в качестве анода. Катодная защита /катодная поляризация/ регулируется путем поддержания необходимого защитного потенциала, который измеряется между подземным металлическим сооружением и электродом сравнения.

Для защиты многониточных трубопроводов от электрохимической коррозии вместе с станциями катодной защиты используются блоки совместной защиты, которые позволяют устранять вредное влияние соседних трубопроводов и регулировать токи в перемычках, соединяющих трубопроводы, по направлению и величине. Существующие способы защиты многониточных металлических трубопроводов не позволяют эффективно их защищать.

Известны схемы совместной катодной защиты трубопроводов и кабелей связи при их различном взаимном расположении /Справочник. Защита от коррозии протяженных металлических сооружений. Глазков В.И., Зиневич А.М., Котик В.Г. и др. М. , издательство "Недра", 1969 г., стр. 96, рис. IV.9./. Недостатками этих способов защиты многониточных трубопроводов и кабелей связи являются различные зоны защиты по длине трубопроводов. Применение же блоков совместной защиты приводит к потерям электрической энергии, потребляемой от станции катодной защиты, на сопротивлениях, т.е. часть электрической энергии тратиться на нагрев окружающей среды.

Известны способы совместной катодной защиты многониточных трубопроводов являются схемы совместной катодной защиты "пучка" магистральных трубопроводов /Ткаченко В.Н. Электрохимическая защита трубопроводных сетей. Учебное пособие. Волгоград, ВолгГАСА, 1997 г., стр. 260-263, рис. II.4.7/. Недостатками этих способов защиты является то, что включение одной станции катодной защиты между анодным заземлителем и первым трубопроводом вызывает вредное влияние на соседние трубопроводы. Они начинают приобретать анодное смещение потенциала на расстоянии 150 м от места установки станции катодной защиты. Включение второго анодного заземлителя со стороны пятого трубопровода и увеличение общего тока защиты до 70 А /при наличии одной точки дренажа/ практически не улучшает защиту. Фактически требуется включение 2 или 3 станций катодной защиты с обособленными заземлителями и разнесенными точками дренажа. При этом установка анодных заземлителей на близком расстоянии от трубопровода снижает длину зоны эффективной защиты.

Известно устройство катодной защиты многониточных магистральных подземных трубопроводов /патент РФ 2086703, C 23 F 13/22, 1997, Бюл. 22/, содержащее два блока питания, основной и резервный, блок автоматического ввода резерва, две установки катодной защиты, основная и резервная, глубинное анодное заземление, блок совместной защиты, блок измерения и обработки информации, датчики поляризационного потенциала по числу трубопроводов, датчики скорости коррозии по числу трубопроводов, датчики наводораживания по числу трубопроводов, блок приема и передачи, соединенный с антенной, причем первые выходы установок катодной защиты соединены с глубинным анодным заземлением, вторые выходы - с блоком автоматического ввода резерва, третьи выводы - с блоком измерения и обработки информации, одни выходы блока совместной защиты соединены с трубопроводами, а другие - с блоком измерения и обработки информации, протяженные анодные заземления, расположенные вдоль каждого трубопровода, электроды сравнения по числу трубопроводов, блок логики, телеизмерения и телерегулирования, блок коммутации и измерения параметров защиты, первые выходы установок катодной защиты соединены с протяженными анодными заземлениями, третьи выходы - с входом блока совместной защиты, четвертые выходы - с вторым входов блока измерения и обработки информации, выход которого соединен с первым входом блока логики, телеизмерения и телерегулирования, второй выход которого соединен с первыми входами ycтановок катодной защиты, первый выход - с блоком приема и передачи, выход которого соединен с вторым входом блока логики, телеизмерения и телерегулирования, третий вход которого соединен с блоком коммутации и измерения параметров защиты, входы которого соединены с трубопроводами, с выходами электродов сравнения и с выходами всех датчиков, выходы электродов сравнения и трубопроводы соединены соответственно с вторыми и третьими входами установок катодной защиты, четвертые входы которых соединены с выходами блока автоматического ввода резерва, входы которого соединены с соответствующими выходами блоков питания.

Недостатками этого устройства, в части защиты многониточных трубопроводов, является наличие одноканальной катодной станции и несколько протяженных анодных заземлителей /по числу трубопроводов/, расположенных между трубопроводами. Из нормативных документов известно, что анодные заземлители должны устанавливаться не ближе 40 м от трубопровода для того, чтобы получить эффективную зону защиты, уменьшить влияние анодного заземлителя на трубопроводы, т. е. не вызывать катодное приращение потенциала, и не устанавливать потенциалвыравнивающие перемычки. Протяженные анодные заземлители имеют увеличенное линейное сопротивление, это в свою очередь требует устанавливать большее количество маломощных станций катодной защиты или применять станции катодной защиты с более высоким выходным напряжением, т.е. большей мощности, для эффективной работы которых требуется большее расстояние между анодным заземлителем и трубопроводом.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство совместной защиты от коррозии подземных металлических объектов /А.С. СССР 656374, С 23 F 13/00, 1977, БИ 3/, содержащее n управляемых источников постоянного тока, заземление, n блоков управления и электрод сравнения, входы каждого из n-1 блоков управления подключены к катодным выводам соседних источников тока, а один из блоков управления выполнен в виде последовательно соединенных источника уставки и интегратора, причем на прямой вход интегратора подключен электрод сравнения.

Недостатками этого устройства, в части защиты многониточных трубопроводов является низкая точность поддержания защитного потенциала на трубопроводах, возле которых не стоят электроды сравнения. Невозможно получить требуемый защитный потенциал на трубопроводах из-за того, что измерительные цепи блоков управления подключены к катодным выводам соседних источников тока. При таком подключении измерительных цепей блоков управления входной сигнал помимо полезного сигнала /потенциал между трубопроводами/ будет содержать сигнал помехи в виде падения напряжения на силовых кабелях и трубопроводах от протекающих по ним токов от источников постоянного тока.

Технический результат - повышена эффективность защиты, снижен эффект экранирования одного трубопровода другим, применена одна многоканальная станция катодной защиты вместо трех станций катодной защиты, подключаемая к трехфазной питающей сети, снижена масса черной стали и медных проводов, снижены коэффициент пульсации защитного тока на трубопроводах и объем монтажных работ при установке одной станции катодной защиты вместо трех станций катодной защиты.

Технический результат достигается тем. что предложен способ защиты подземных металлических многониточных трубопроводов от электрохимической коррозии и устройство для осуществления этого способа.

На фиг.1 представлена функциональная схема системы катодной защиты, где:
1, 2 и 3 - однофазные источники постоянного напряжения;
4, 5 и 6 - металлические трубопроводы;
7 - анодный заземлитель;
8, 9 и 10 - электроды сравнения с датчиками поляризационного потенциала.

Входные шины питания 1 и 2 трех однофазных источников постоянного напряжения 1, 2 и 3, предназначенных для катодной защиты от электрохимической коррозии, соединены по схеме звезды и подключаются к фазам А, В и С трехфазной сети. Выходные плюсовые и минусовые шины нагрузки трех однофазных источников постоянного напряжения соединены по схеме звезды, где плюсовые выходные шины нагрузки соединены в один общий провод, который подключен к анодному заземлителю 7, а минусовые выходные шины нагрузки подключены к трубопроводам 4, 5 и 6. Плюсовые шины измерительных цепей однофазных источников постоянного напряжения 1, 2 и 3 соединены с электродами сравнения 8, 9 и 10, а минусовые шины измерительных цепей однофазных источников постоянного напряжения подключены к трубопроводам 4, 5 и 6. При этом нагрузка оказывается тоже соединена звездой. Эквивалентная схема нагрузки приведена на фиг.2, где:
1, 2 и 3 - выходные напряжения однофазных источников постоянного напряжения;
4 - сопротивление плюсового выходного кабеля;
5 - переходное сопротивление анодного заземлителя;
6, 7 и 8 - продольное сопротивление трубопроводов;
9, 10 и 11 - переходное сопротивление между анодным заземлителем и трубопроводами;
12, 13 и 14 - переходное сопротивление между трубопроводами.

Для быстрого практического внедрения предложенного способа защиты подземных металлических многониточннх трубопроводов можно взять три станции катодной зашиты, соединить и подключить их согласно предложенного способа защиты.

Для осуществления этого способа защиты подземных металлических многониточных трубопроводов от электрохимической коррозии предложено устройство, содержащее магнитно- и гальванически не связанные между собой три однофазных источника постоянного напряжения, плюсовая выходная шина нагрузки первого однофазного источника постоянного напряжения соединена с плюсовыми выходными шинами нагрузки второго и третьего однофазных источников постоянного напряжения и является плюсовым выходом устройства для подключения анодного заземлителя, минусовые выходные шины нагрузки однофазных источников постоянного напряжения являются минусовыми выходами устройства для подключения трубопроводов, при этом в качестве однофазных источников постоянного напряжения использованы устройства, предназначенные для катодной защиты подземных металлических сооружений от электрохимической коррозии, входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения соединены с трехфазной сетью, минусовые шины измерительных цепей однофазных источников постоянного напряжения являются минусовыми входами измерительных цепей устройства для подключения трубопроводов, а плюсовые шины измерительных цепей однофазных источников постоянного напряжения являются плюсовыми входами измерительных цепей устройства для подключения электродов сравнения, при этом входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения соединены по схеме звезды, вторые входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения соединены между собой и являются входом устройства для подключения нулевого провода, а первые входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения являются входами устройства для подключения фаз А, В и С трехфазной сети.

Сравнение заявляемого технического решения с известными техническими решениями позволило установить соответствие их критерию "новизна".

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от известных технических решений, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг.3 представлена функциональная схема устройства.

Устройство содержит три однофазных источника постоянного напряжения 1, входные шины питания 2 и 3, плюсовые выходные шины нагрузки 4, минусовые выходные шины нагрузки 5, плюсовые шины измерительных цепей 6 и минусовые шины измерительных цепей 7.

Принцип работы однофазного источника постоянного напряжения основан на регулировании выходного напряжения /тока/ путем изменения момента времени отпирания регулирующих элементов, осуществляемого системой фазового управления при воздействии сигнала обратной связи.

Устройство работает следующим образом. При поступлении на вход устройства напряжения питания от трехфазной сети первый однофазный источник постоянного напряжения питается от фазы А, второй однофазный источник постоянного напряжения питается от фазы В, а третий однофазный источник постоянного напряжения питается от фазы С. Выходной ток от первого однофазного источника постоянного напряжения поднимает действительный защитный потенциал первого трубопровода /по абсолютной величине/ до величины заданного защитного потенциала и автоматически поддерживает эту величину на заданном уровне. При уменьшении действительного защитного потенциала на первом трубопроводе система автоматического регулирования однофазного источника постоянного напряжения увеличивает выходной ток до такой величины, чтобы действительный защитный потенциал стал равным заданному защитному потенциалу. При увеличении действительного защитного потенциала на первом трубопроводе система автоматического регулирования блока управления первого однофазного источника постоянного напряжения уменьшает выходной ток до такой величины, чтобы действительный защитный потенциал стал равным заданному защитному потенциалу.

Аналогично работает второй и третий однофазные источники постоянного напряжения, только выходное напряжение второго однофазного источника постоянного напряжения будет сдвинуто по фазе на 120^o по отношению к выходному напряжению первого однофазного источника постоянного напряжения, выходное напряжение третьего однофазного источника постоянного напряжения будет сдвинуто по фазе на 120^o по отношению к выходному напряжению второго однофазного источника постоянного напряжения, а выходное напряжение первого однофазного источника постоянного напряжения будет сдвинуто по фазе на 120^o по отношению к третьему однофазному источнику постоянного напряжения. Так как все три однофазных источника постоянного напряжения подключены к одному анодному заземлителю, то напряжение на нем будет частотой 300 Гц, что в свою очередь приведет к снижению коэффициента пульсации выходного напряжения на анодном заземлителе. Следовательно, в однофазных источниках постоянного напряжения можно уменьшить индуктивность, массу и габариты сглаживающего дросселя и получить требуемый коэффициент пульсации разностного защитного потенциала на трубопроводах. В связи с тем, что существует связь через раствор электролита в земле между трубопроводами /см. эквивалентную схему на фиг.2/, то на каждом трубопроводе будет наводиться защитный потенциал от всех трех однофазных источников постоянного напряжения, т.е. на каждом трубопроводе защитный потенциал будет частотой 300 Гц, но с основной гармоникой частотой 100 Гц.

Наличие электродов сравнения возле каждого трубопровода позволяет устройству автоматически поддерживать на каждом трубопроводе требуемый защитный потенциал. При этом будет отсутствовать перетекание тока между однофазными источниками постоянного напряжения потому, что сами они магнитно- и гальванически не связаны между собой внутри устройства.

Системы автоматического регулирования трех однофазных источников постоянного напряжения автоматически выберут оптимальный режим их работа и будут автоматически поддерживать заданные защитные потенциалы на каждом трубопроводе при изменении внешних возмущающих воздействий.

Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективность защиты подземных металлических многониточных трубопроводов, снизить эффект экранирования одного трубопровода другим, снизить массу черной стали и медных проводов, получить более низкий коэффициент пульсации защитного тока на трубопроводах и уменьшить объем монтажных работ при установке устройства, так как вместо трех станций катодной защиты монтируется одно устройство.

Способ защиты подземных металлических многониточных трубопроводов от электрохимической коррозии и устройство для его осуществления могут быть использованы для защиты от электрохимической коррозии подземных металлических многониточных трубопроводов, кабелей связи, водопроводов и других протяженных подземных металлических сооружений. Изобретение содержит три однофазных источника постоянного напряжения, входные шины питания, плюсовые и минусовые выходные шины нагрузки, плюсовые и минусовые шины измерительных цепей, определенным образом соединенные между собой. Технический результат - повышение эффективности защиты. Устройство позволяет повысить эффективность защиты, снизить эффект экранирования одного трубопровода другим, применить одну многоканальную станцию катодной защиты вместо трех станций катодной защиты, подключаемую к трехфазной питающей сети, снизить массу черной стали и медных проводов в устройстве по отношению к трем отдельным станциям катодной защиты, снизить коэффициент пульсации защитного тока на трубопроводах и объем монтажных работ при установке одного устройства вместо трех станций катодной защиты. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ защиты подземных металлических многониточных трубопроводов от электрохимической коррозии, заключающийся в том, что три плюсовые выходные шины нагрузки трех однофазных источников постоянного напряжения, которые магнитно и гальванически не связаны между собой, подключают к анодному заземлителю, минусовую выходную шину нагрузки первого однофазного источника постоянного напряжения подключают к первому трубопроводу, минусовую выходную шину нагрузки второго однофазного источника постоянного напряжения - к второму трубопроводу, а минусовую выходную шину нагрузки третьего однофазного источника постоянного напряжения - к третьему трубопроводу, около одного из трубопроводов устанавливают электрод сравнения, отличающийся тем, что электрод сравнения устанавливают со стороны анодного заземлителя возле каждого трубопровода, измерительные цепи однофазных источников постоянного напряжения подключают к электродам сравнения и трубопроводам, причем минусовые шины измерительных цепей однофазных источников постоянного напряжения соединяют с трубопроводами отдельно от минусовых выходных шин нагрузки однофазных источников постоянного напряжения, а плюсовые шины измерительных цепей однофазных источников постоянного напряжения соединяют с электродами сравнения, входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения соединяют с трехфазной сетью. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения соединяют по схеме звезды, при этом вторые входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения соединяют между собой для подключения к нулевому проводу, а первые входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения используют для подключения к фазам А, В и С трехфазной сети, причем первую входную шину питания первого однофазного источника постоянного напряжения подключают к фазе А, первую входную шину питания второго однофазного источника постоянного напряжения - к фазе В, а первую входную шину питания третьего однофазного источника постоянного напряжения - к фазе С. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения соединяют по схеме треугольника, при этом вторую входную шину питания первого однофазного источника постоянного напряжения соединяют с первой входной шиной питания второго однофазного источника постоянного напряжения, вторую входную шину питания второго однофазного источника постоянного напряжения - с первой входной шиной питания третьего однофазного источника постоянного напряжения, вторую входную шину питания третьего однофазного источника постоянного напряжения - с первой входной шиной питания первого однофазного источника постоянного напряжения, а первые входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения используют для подключения к фазам А, В и С трехфазной сети. 4. Устройство защиты подземных металлических многониточных трубопроводов от электрохимической коррозии, содержащее магнитно и гальванически не связанные между собой три однофазных источника постоянного напряжения, плюсовая выходная шина нагрузки первого однофазного источника постоянного напряжения соединена с плюсовыми выходными шинами нагрузки второго и третьего однофазных источников постоянного напряжения и является плюсовым выходом устройства для подключения анодного заземлителя, минусовые выходные шины нагрузки однофазных источников постоянного напряжения являются минусовыми выходами устройства для подключения трубопроводов, при этом в качестве однофазных источников постоянного напряжения использованы устройства, предназначенные для катодной защиты подземных металлических сооружений от электрохимической коррозии, отличающееся тем, что входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения соединены с трехфазной сетью, минусовые шины измерительных цепей однофазных источников постоянного напряжения являются минусовыми входами измерительных цепей устройства для подключения трубопроводов, а плюсовые шины измерительных цепей однофазных источников постоянного напряжения являются плюсовыми входами измерительных цепей устройства для подключения электродов сравнения. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения соединены по схеме звезды, при этом вторые входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения соединены между собой и являются входом устройства для подключения нулевого провода, а первые входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения являются входами устройства для подключения фаз А, В и С трехфазной сети. 6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения соединены по схеме треугольника, при этом вторая входная шина питания первого однофазного источника постоянного напряжения соединена с первой входной шиной питания второго однофазного источника постоянного напряжения, вторая входная шина питания второго однофазного источника постоянного напряжения - с первой входной шиной питания третьего однофазного источника постоянного напряжения, вторая входная шина питания третьего однофазного источника постоянного напряжения - с первой входной шиной питания первого однофазного источника постоянного напряжения, а первые входные шины питания трех однофазных источников постоянного напряжения являются входами устройства для подключения фаз А, В и С трехфазной сети.