ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ АНОД И СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ Российский патент 2018 года по МПК C23F13/06 C23F13/10 

Предпосылки создания изобретения

Коррозия является естественно происходящим явлением, обычно определяемым как повреждение вещества (обычно металла) или ухудшение его свойств как результата реакции с окружающей его средой. Подобно другим природным опасным факторам, таким как землетрясение или сильные погодные возмущения, коррозия может привести к опасному и дорогостоящему повреждению всего, от транспортных средств и бытовой техники до систем канализации, трубопроводов, мостов, дорог и общественных зданий. Однако в отличие от связанных с погодой опасных факторов, имеются проверенные временем способы предотвращения и управления коррозией, которые могут уменьшить или устранить ее воздействие на общественную безопасность, экономику и окружающую среду.

Субсидированное в 2001 году Федеральным управлением автомобильных дорог США (U.S. Federal Highway Administration) исследование потерь от коррозии "Corrosion Costs and Preventive Strategies in the United States" (Потери от коррозии и превентивные стратегии в Соединенных Штатах) определило прямые готовые потери от коррозии равными потрясающей сумме в 276 миллиардов долларов США. Исследование охватило большое число секторов экономики, включая транспортную инфраструктуру, электроэнергетику, перевозки и хранение.

Косвенные потери от коррозии были умеренно оценены равными прямым потерям, давая суммарные прямые и косвенные потери в более чем 600 миллиардов долларов США или в 6 процентов валового внутреннего продукта. Эти потери следует рассматривать как умеренную оценку, ввиду того, что в исследовании были использованы только хорошо документированные потери. В дополнение к причинению сильных повреждений и угроз общественной безопасности, коррозия нарушает работу и требует дорогостоящего ремонта и замены неисправного оборудования.

Федеральное управление автомобильных дорог США оценивает 200000 мостов, или один из каждых трех мостов в США, как конструктивно дефектные или функционально устаревшие. Кроме того, более чем четверть всех мостов имеют возраст более 50 лет, то есть среднего расчетного срока службы моста. Инфраструктура дорог и мостов в Соединенных Штатах разрушается, с тысячами мостов, оцененных как ненадежные и требующие замены или капитального ремонта. Во многих из этих случаев коррозия играет важную роль в снижении надежности. Меры по защите от коррозии могут помочь минимизировать или избежать дальнейших проблем. Предпринимаются шаги для решения проблем стареющей инфраструктуры Америки. Например, House bill H.R. 1682 "Bridge Life Extension Act 2009," (законопроект H.R. 1682 «Закон об увеличении срока службы мостов 2009 г.»), внесенный в марте 2009 года, будет требовать штаты представить план предотвращения и уменьшения повреждений, вызванных коррозией, при запросе федеральных средств на строительство нового моста или ремонт существующего моста.

Многие конструкции из армированного бетона страдают от преждевременного разрушения. Заделанная в бетон стальная арматура первоначально защищена от коррозии в результате образования стабильной оксидной пленки на ее поверхности. Эта пленка, или пассивирующий слой, образуется в результате химической реакции между высокощелочной водой в порах бетона и сталью. Пассивность, обеспеченная щелочными условиями, может быть разрушена в результате присутствия хлорида. Хлорид-ионы локально депассивируют металл и ускоряют активное растворение металла. Коррозия стали обычно незначительна до тех пор, пока хлорид-ионы не достигают концентрации, при которой начинается коррозия. Пороговая концентрация зависит от нескольких факторов, включая, например, микроокружение стали, pH раствора в порах, помехи от других ионов в растворе в порах, электрический потенциал армирующей стали, концентрацию кислорода и подвижность ионов. Хлорид действует как катализатор в том отношении, что он не расходуется в реакции коррозии, а остается активным, чтобы снова принять участие в реакции коррозии.

Повреждение конструкций из армированного бетона в первую очередь вызвано проникновением хлорид-ионов через бетон к области, окружающей стальную арматуру. Имеются несколько источников хлоридов, включая добавки к бетонной смеси, такие как содержащие хлорид ускоряющие добавки. Хлорид может также присутствовать в окружающей конструкцию среде, такой как морская среда или антиобледенительные соли. Присутствие хлорида не оказывает прямое отрицательное влияние на сам бетон, однако ускоряет коррозию стальной арматуры. Продукты коррозии, которые образуются на стальной арматуре, занимают больше места, чем стальная арматура, инициируя воздействие давления на бетон изнутри. Это внутреннее давление образуется со временем и, в конечном счете, приводит к растрескиванию и расслаиванию бетона. Коррозия стальной арматуры также снижает прочность армирующей стали и уменьшает нагрузочную способность бетонной конструкции.

На скорость коррозии стали, кроме хлорид-иона, оказывают влияние другие факторы, включая pH, наличие кислорода и электрический потенциал стали, а также удельное сопротивление окружающего бетона. Эти факторы взаимодействуют друг с другом, так что ограничение одного из них не обязательно предотвращает коррозию, и уровни одного из них, достигающие порогового уровня, суммируются с другими, делая возможной коррозию. Например, даже при высоком уровне хлорида, если имеется недостаточно кислорода, коррозия не произойдет. По мере снижения pH пороговое содержание хлорида для коррозии становится более низким. В бетоне с очень высоким удельным сопротивлением не только карбонизация и проникновение хлорида являются медленными, но и реакция коррозии замедляется вследствие увеличенной трудности движения ионов. Температура также принимает участие в коррозионной активности, как и в любой другой химической реакции.

Катодная защита стальной арматуры в бетоне является общепринятым способом обеспечения коррозионной защиты металла, особенно когда хлорид-ионы присутствуют в бетоне в значительных концентрациях. Катодная защита включает в себя образование электрической цепи с армирующей сталью, действующей как катод, который электрически соединен с анодом. Если имеется достаточно большая разность потенциалов, то коррозия катода уменьшается или предотвращается.

Известно создание разности потенциалов между анодом и катодом как посредством катодной защиты подаваемым током, так и посредством гальванической ячейки. Катодная защита подаваемым током включает в себя использование анода и подаваемого электрического тока с использованием внешнего источника постоянного тока или источника переменного тока и выпрямителя. Источник питания создает проблемы в отношении надежности и затрат, связанных с постоянным расходом энергии, наблюдением, управлением и требованиями к техническому обслуживанию.

Управление током для систем катодной защиты подаваемым током является серьезной проблемой. Количество поставляемой энергии для катодной защиты подаваемым током или с постоянным током или с постоянным напряжением изменяется с изменением температуры, содержания влаги, воздействия хлорида и pH и должно регулироваться в разных зонах для предотвращения избыточной защиты (водородное охрупчивание, образование кислоты и т.п.) или недостаточной защиты (коррозия).

Катодная защита может быть также обеспечена посредством гальванической ячейки, в которой потенциал возникает как результат использования разных материалов, образующих расходуемый анод и катод. Расходуемая катодная защита происходит, когда металл соединен с более химически активным, или более анодным, металлом. Анод состоит из расходуемого металла, который может обеспечить защитный ток без использования источника питания, поскольку реакции, которые имеют место при его использовании, являются термодинамически предпочтительными. Недостатки систем с расходуемым анодом включают в себя ограниченный доступный защитный ток и ограниченный срок службы. Расходуемые аноды подвергаются непрерывной коррозии или расходу гальванического металла и обычно требуют замены в некоторый момент времени в зависимости от степени коррозии.

Поскольку коррозия армированных сталью бетонных конструкций представляет опасность для человеческой жизни и требует очень много средств для ремонта, то тем, что требуется, являются улучшенные системы и способы для удовлетворения потребностей в реализации новых антикоррозионных технологий и защите инфраструктуры для будущих поколений.

Краткое описание фигур

Фиг. 1 является видом в разрезе иллюстративного варианта осуществления системы гальванической катодной защиты.

Фиг. 2 показывает ремонтный участок в конструкции из армированного бетона с заделанным в него иллюстративным вариантом осуществления расходуемого анода.

Фиг. 3А является видом в перспективе иллюстративного варианта осуществления гальванического анода.

Фиг. 3Б является видом в разобранном состоянии иллюстративного варианта осуществления гальванического анода.

Фиг. 4А является видом в перспективе иллюстративного варианта осуществления гальванического анода.

Фиг. 4Б является видом в перспективе иллюстративного варианта осуществления гальванического анода.

Фиг. 5 является графиком, показывающим разницу между результатами измерений потенциала в подключенном состоянии и потенциала в момент отключения для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей незащищенный цинковый расходуемый анод.

Фиг. 6 является графиком, показывающим разницу между результатами измерений потенциала в подключенном состоянии и потенциала в момент отключения для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей защищенный цинковый расходуемый анод.

Фиг. 7 является графиком, показывающим разницу между потенциалом в подключенном состоянии и потенциалом в момент отключения для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей незащищенный гибридный цинко-магниевый расходуемый анод.

Фиг. 8 является графиком, показывающим разницу между потенциалом в подключенном состоянии и потенциалом в момент отключения для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей защищенный гибридный цинко-магниевый расходуемый анод.

Фиг. 9 является графиком, показывающим разницу между потенциалом подключенного и неподключенного анода для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей незащищенный цинковый расходуемый анод.

Фиг. 10 является графиком, показывающим разницу между потенциалом подключенного и неподключенного анода для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей защищенный цинковый расходуемый анод.

Фиг. 11 является графиком, показывающим разницу между измерениями потенциала неподключенного и подключенного анода для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей незащищенный гибридный цинко-магниевый расходуемый анод.

Фиг. 12 является графиком, показывающим разницу между измерениями потенциала неподключенного и подключенного анода для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей защищенный гибридный цинко-магниевый расходуемый анод.

Фиг. 13 является графиком, показывающим сравнение потенциала анода между образцами анодов со сжатой шкалой времени.

Фиг. 14 является графиком, показывающим сравнение токов коррозии для опытных образцов оцениваемых расходуемых анодов.

Фиг. 15 является графиком, показывающим токи коррозии для опытных образцов оцениваемых расходуемых анодов со сжатой шкалой времени.

Следует отметить, что промежутки в графиках отображают деполяризацию - отключение анода и катода для определения степени поляризации и если анодная система возвращается к работе через некоторое время после того, как она была отключена.

Подробное описание

Предлагается гальванический анод, система гальванического анода и способ катодной защиты армирующей стали в армированной сталью бетонной конструкции. Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, предлагаемый в изобретении расходуемый анод содержит по меньшей мере одну винтовую катушку, содержащую расходуемый металл и имеющую продольную ось, по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный с винтовой катушкой и намотанный винтовым образом вокруг по меньшей мере части продольной оси по меньшей мере одной винтовой катушки с обеспечением его соединения с указанной винтовой катушкой во множестве точек, и материал оболочки, окружающий, по меньшей мере, часть по меньшей мере одной винтовой катушки и, факультативно, часть по меньшей мере одного удлиненного электрического проводника.

Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, расходуемый анод содержит (а) по меньшей мере одну винтовую катушку, содержащую расходуемый металл, имеющую продольную ось, и (б) по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный с винтовой катушкой, и (в) материал оболочки, окружающий, по меньшей мере, часть винтовой катушки.

Согласно другим вариантам осуществления, расходуемый анод содержит (а) винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и имеющую продольную ось, и (б) второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь, (в) по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный по меньшей мере с одним из первого и второго расходуемых металлов, и (г) материал оболочки, окружающий, по меньшей мере, часть первого и второго расходуемого металла и часть по меньшей мере одного удлиненного электрического проводника, причем часть по меньшей мере одного удлиненного электрического проводника выступает из материала оболочки.

Согласно другим вариантам осуществления, расходуемый анод содержит (а) винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и имеющую продольную ось, и (б) второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь, (в) по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный по меньшей мере с одним из первого и второго расходуемых металлов, и (г) материал оболочки, окружающий, по меньшей мере, часть первого и второго расходуемого металла.

Согласно другим вариантам осуществления система для уменьшения коррозии стальной арматуры в армированной сталью бетонной конструкции содержит (а) анод, содержащий по меньшей мере одну винтовую катушку, имеющую продольную ось, причем винтовая катушка имеет расходуемый металл более электрохимически активный, чем сталь, (б) по меньшей мере одна винтовая катушка, по меньшей мере, частично покрыта материалом оболочки, и (в) по меньшей мере один электрический проводник, электрически подключающий анод к (г) армирующему стальному элементу.

Согласно другим вариантам осуществления система для уменьшения коррозии стальной арматуры в армированной сталью бетонной конструкции содержит (а) анод, содержащий по меньшей мере одну винтовую катушку, имеющую продольную ось, винтовая катушка содержит расходуемый металл, более электрохимически активный, чем сталь, (б) по меньшей мере один электрический проводник, электрически соединенный с анодом, (в) по меньшей мере одну винтовую катушку и по меньшей мере один электрический проводник, по меньшей мере, частично покрытый материалом оболочки, и (г) по меньшей мере одну винтовую катушку и по меньшей мере один электрический проводник, электрически подсоединяющий по меньшей мере одну винтовую катушку к армирующему стальному элементу, расположенному в бетонной конструкции.

Согласно другим вариантам осуществления система для уменьшения коррозии стальной арматуры в армированной сталью бетонной конструкции содержит (а) винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и имеющую продольную ось, и (б) второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь, (в) по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный по меньшей мере с одним из первого и второго расходуемых металлов, и (г) материал оболочки, окружающий, по меньшей мере, часть первого и второго расходуемого металла.

Согласно другим вариантам осуществления система для уменьшения коррозии стальной арматуры в армированной сталью бетонной конструкции содержит (а) винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и имеющую продольную ось, и (б) второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь, (в) по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный по меньшей мере с одним из первого и второго расходуемых металлов, и (г) материал оболочки, окружающий, по меньшей мере, часть первого и второго расходуемого металла и, по меньшей мере, часть по меньшей мере одного электрического проводника.

Согласно другим иллюстративным вариантам осуществления способ снижения коррозии стальной арматуры в армированной сталью бетонной конструкции включает в себя электрическое соединение расходуемого анода, содержащего по меньшей мере одну винтовую катушку, имеющую продольную ось, винтовая катушка состоит из расходуемого металла, причем анод, по меньшей мере, частично скрыт в материале оболочки, со стальной арматурой в армированной сталью бетонной конструкции.

Согласно другим иллюстративным вариантам осуществления способ снижения коррозии стальной арматуры в армированной сталью бетонной включает в себя электрическое соединение расходуемого анода, содержащего (а) винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и имеющую продольную ось, и (б) второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь, (в) по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный по меньшей мере с одним из первого и второго расходуемых металлов, и (г) материал оболочки окружает, по меньшей мере, часть первого и второго расходуемого металла.

Согласно другим иллюстративным вариантам осуществления способ снижения коррозии стальной арматуры в армированной сталью бетонной конструкции включает в себя электрическое подсоединение расходуемого анода, содержащего (а) винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и имеющую продольную ось, и (б) второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь, (в) по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически подключенный к по меньшей мере одному из первого и второго расходуемых металлов, и (г) материал оболочки окружает, по меньшей мере, часть первого и второго расходуемого металла и, по меньшей мере, часть по меньшей мере одного электрического проводника.

Согласно некоторым вариантам осуществления расходуемый анод включает в себя первый и второй расходуемые металлы, причем первый и второй расходуемые металлы являются более электрохимически активными, чем стальная арматура, заделанная в бетонную конструкцию. Первый расходуемый металл является электрохимически более активным по сравнению со вторым расходуемым металлом. Накопление продукта окисления от более электрохимически активного первого металла (если он не поглощается и не является растворимым) может дополнительно улучшить распределение заряда при коррозии второго менее электрохимически активного металла путем дальнейшего изолирования прямого пути проводимости ионного пути от второго металла к стали аналогично изолирующему слою или прокладке. Так, продукты окисления магния могут иметь тенденцию к увеличению общей эффективности изолирующей прокладки. Способные к расширению продукты окисления магния также могут скорее вытесняться в сжимающийся клей изолирующей прокладки между армирующей сталью и анодом, чем создавать расширяющие силы, которые могли бы привести к растрескиванию окружающего ремонтного раствора или бетонной конструкции.

Катодная защита может быть применена к управлению коррозией стали, заделанной в армированную бетонную конструкцию. Система катодной защиты данного раскрытия изобретения работает с образованием разности электролитического потенциала между анодом и стальной арматурой. Эта разность заставляет ток течь через электрическое соединение, а ионы течь через бетон и/или материал оболочки в достаточном количестве, чтобы предотвратить или снизить коррозию стальной арматуры, инициируя тем временем коррозию анода.

Катодная защита предотвращает коррозию стальной арматуры в бетоне путем превращения анодных, или активных, участков на поверхности металла в катодные, или пассивные, участки.

Катодная защита с расходуемым анодом может быть обеспечена посредством гальванической ячейки, в которой потенциал возникает как результат использования разных металлов, образующих расходуемый анод и катод. Анод формируется из расходуемого металла, который корродирует вместо стального материала, не требуя подаваемого тока. Это рассматривается как расходуемая система, поскольку гальванический анод приносится в жертву ради защиты конструкционной стали от коррозии. Расходуемый анод содержит кусок корродируемого или расходуемого металла, электрически соединенного с подлежащей защите металлической поверхностью, который, предпочтительно, расходуется при электролитическом воздействии.

Согласно некоторым вариантам осуществления анодный узел согласно настоящему раскрытию изобретения обеспечивает участки для анодных реакций, которые должны иметь место, вместо армирующей стали. Следовательно, пока гальваническая система находится в эксплуатации, вместо армирующей стали будет разрушаться анод.

Согласно аспектам настоящего раскрытия изобретения, предлагается гальваническая система, в которой анод образован из по меньшей мере одной винтовой катушки, которая имеет продольную ось и состоит из расходуемого металла. Расходуемый металл корродирует вместо стали без обеспечения или использования подаваемого тока. Анод может быть, по меньшей мере, частично покрыт материалом оболочки. Удлиненные металлические проводники электрические соединены с анодом и выступают из материала оболочки для электрического соединения анода с армирующей сталью, которая заделана в бетон.

Настоящее раскрытие изобретения преодолевает недостатки известных встроенных гальванических анодов, которые являются громоздкими и занимают относительно большое пространство при проведении ремонта бетона. В попытке минимизировать требуемое ремонтное пространство в сильно перегруженном армированном сталью бетоне, у многих известных гальванических анодов уменьшают количество расходуемого металла в аноде. Уменьшение количества расходуемого металла уменьшает площадь поверхности расходуемого анода, ограничивая, тем самым, эффективность анода.

Тело анода, содержащее согласно настоящему раскрытию изобретения винтовую катушку из расходуемого металла, удовлетворяет альтернативным целям обеспечения эффективного количества расходуемого металла и поддержания меньшего ремонтного объема путем обеспечения увеличенной площади поверхности. Настоящий гальванический анод, будучи встроенным, занимает минимальный объем в армированной сталью бетонной конструкции, предоставляя максимальную площадь поверхности для защитной коррозии с целью создания высокой гальванической активности и надежного функционирования.

Согласно некоторым вариантам осуществления анода, количество расходуемого металла, присутствующее в данном объеме, может быть увеличено, например, путем уменьшения расстояния между отдельными витками винтовой катушки из расходуемого металла или чередующегося расположения вместе двух или более обмоток. Чередующиеся винтовые катушки могут содержать одинаковый расходуемый металл, например цинк или цинковый сплав. Чередующиеся катушки могут содержать разные расходуемые металлы, например первая винтовая катушка может содержать цинк или его сплавы, а вторая винтовая катушка может содержать магний или его сплавы.

В других иллюстративных вариантах осуществления анода количество расходуемого металла, присутствующее в данном объеме, может быть увеличено, например, путем включения сплошной массы из расходуемого металла внутрь винтовой катушки из расходуемого металла. В одном варианте осуществления сплошной массе расходуемого металла придается подходящий размер, чтобы помещаться внутри или вокруг винтовой катушки или обмоток. Сплошная масса из расходуемого металла имеет длину, которая может быть такой же, как длина винтовой катушки, или может быть слегка короче или слегка длиннее. Согласно некоторым вариантам осуществления сплошная масса из второго расходуемого металла, такого как магний, изогнута вокруг части внешней поверхности винтовой катушки. По мере окисления второго расходуемого металла, продукты окисления могут поглощаться прокладкой, которая расположена между вторым расходуемым металлом и катодом (то есть стальной арматурой). Сплошная масса расходуемого металла имеет ширину, которая слегка меньше, чем внутренний диаметр, или слегка больше, чем внешний диаметр винтовой катушки, чтобы допускать размещение сплошной массы внутри катушки или формование вокруг внешней поверхности части винтовой катушки. Сплошная масса может содержать такой же расходуемый металл, как и винтовая катушка или катушки, или катушка и сплошная масса могут содержать разные расходуемые металлы.

По меньшей мере один удлиненный электрический проводник соединяет анод со стальной арматурой в армированной сталью бетонной конструкции. Удлиненный электрический проводник может быть намотан или навит вокруг части продольной оси анода, обеспечивая множество физических и электрических точек соединения между гальваническим анодом и стальной арматурой. Как пример, но не ограничение, стальная вязальная проволока может быть намотана или навита вокруг винтовой катушки из расходуемого металла и навита вокруг стальной арматуры. Электрический проводник может быть навит вокруг винтовой катушки из расходуемого металла вдоль участка длины винтовой катушки из расходуемого металла. Альтернативно, электрический проводник может быть навит вокруг винтовой катушки из расходуемого металла вдоль всей длины винтовой катушки. Множественные точки электрического контакта обеспечивают надежное соединение, облегчая создание равномерного распределения заряда и предотвращая образование продуктов коррозии между удлиненным электрическим проводником и винтовой катушкой из расходуемого металла.

Известные конфигурации вязальной проволоки включают в себя заливку расходуемого материала вокруг стальной вязальной проволоки и механическое прикрепление расходуемого металла к вязальной проволоке болтами или заклепками. Данные удлиненные электрические проводники могут быть намотаны или навиты вокруг анода, обеспечивая множественные физические и электрические точки соединения между гальваническим анодом и стальной арматурой без использования болтов, заклепок или других механических крепежных элементов. Настоящее раскрытие изобретения преодолевает недостатки известных способов прикрепления с помощью вязальной проволоки путем обеспечения, например, легко создаваемого надежного многоточечного прикрепления.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления предлагается система гальванического анода, в которой анод образован по меньшей мере из двух расходуемых металлов, которые корродируют относительно стали, без подачи или использования подаваемого тока. Анод может содержать первую винтовую катушку и вторую винтовую катушку. В некоторых вариантах осуществления удлиненные металлические проводники могут быть подсоединены к аноду и выступать из материала оболочки для электрического соединения анода с армирующей сталью, заделанной в бетон.

В других иллюстративных вариантах осуществления предлагается узел или анод двойного действия, в котором более электрохимически активный расходуемый металл может установить высокую начальную активность для создания щелочной, свободной от хлорида окружающей среды вблизи присоединенной армирующей стали. За этой начальной стадией высокой активности может следовать расход или пассивация первого более электрохимически активного металла.

В одном варианте осуществления первый расходуемый металл может быть присоединен ко второму, менее электрохимически активному расходуемому металлу. Первый, более активный расходуемый металл может обеспечивать начальный более высокий ток для инициирования анодной реакции. Второй, менее электрохимически активный расходуемый металл, может обеспечивать достаточный ток для адекватной защиты армирующей стали в течение более длительного периода времени. Анодный узел согласно настоящему раскрытию изобретения может содержать комбинации расходуемых металлов, таких как магний, цинк, алюминий, их сплавы и т.п. Расходуемый металл включает в себя создающий электродвижущую силу металл или металлический сплав.

В соответствии с одним вариантом осуществления анодный узел может содержать первую винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл, и вторую винтовую катушку, содержащую второй расходуемый металл. Первая и вторая винтовые катушки могут взаимно перемежаться так, чтобы приблизительно занимать пространство одиночной катушки. Винтовая форма катушки увеличивает площадь поверхности материала анода, увеличивая этим эффективность анода.

В некоторых вариантах осуществления анодный узел может содержать винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и второй расходуемый металл, представляющий собой сплошную массу, например кусок металла, шайбу, цилиндр, проволоку, стержень, диск или полосу. Первая винтовая катушка из расходуемого металла может быть намотана вокруг второго расходуемого металла так, что первый расходуемый металл, по меньшей мере, частично окружает второй расходуемый металл. Например, цинковая винтовая катушка может быть намотана вокруг магниевой полосы или цинковой проволоки. Один или несколько удлиненных электрических проводников могут быть намотаны или навиты вокруг расходуемых металлов.

В одном варианте осуществления первый расходуемый металл может быть помещен примыкающим ко второму расходуемому металлу и затем обвит удлиненным стальным электрическим соединительным элементом. Например, цинковая винтовая катушка может быть расположена примыкающей к магниевой полосе и в контакте с ней. Один или несколько удлиненных электрических соединительных элементов могут быть намотаны или навиты в электрическом контакте с винтовой катушкой или магниевой полосой.

В другом варианте осуществления первый расходуемый металл может включать в себя магний. Магний быстро реагирует, инициируя начальную интенсивность поляризации, и создает вокруг стали щелочную окружающую среду. Эта начальная поляризация форсирует диффузию хлорид-ионов от стали. Когда магний израсходован или использован иным образом, второй расходуемый металл, например цинк, работает для поддержания пассивного состояния армирующей стали. Система может достичь преимуществ систем с подаваемым током без сложной электропроводки, батарей или внешних источников питания.

Согласно некоторым аспектам настоящего раскрытия изобретения, площадь поверхности анода является эффективной для выработки достаточного тока для защиты конструкции, и вес анода достаточен для того, чтобы он работал в течение требуемого срока службы при выработке тока. Гальваническая анодная система согласно настоящему раскрытию изобретения является саморегулирующейся на основе начальной коррозионной активности присоединенной соседней стали. Продукты коррозии от первого и/или второго расходуемого металла могут также действовать как образующая электрический или ионный путь прокладка для оптимизации распределения заряда вокруг анода.

Первый расходуемый металл и второй расходуемый металл могут включать в себя создающие электродвижущую силу металлы или сплавы металлов, которые, в свою очередь, могут включать в себя литий, калий, кальций, натрий, магний, алюминий, цинк, хром и их комбинации или сплавы.

Скорость коррозии зависит от температуры, влажности, ионного окружения и проводимости независимо от того, является ли это коррозией армирующей стали или расходуемого анода. Материал расходуемого анода может быть выбран так, чтобы, предпочтительно, корродировать по сравнению со сталью для обеспечения защитного катодного заряда на стали. Когда условия коррозии становятся более благоприятными, скорость коррозии анода увеличивается, обеспечивая пропорционально увеличивающуюся коррозионную защиту для стали. В этой конкурирующей химической реакции предпочтительная реакция может предотвращать протекание второй реакции посредством индуцированного электрического заряда.

Анод может также пассивироваться при работе вследствие усиленной активности, инициирующей осаждение продуктов окисления быстрее, чем, например, механизмы абсорбции, растворения или хелатообразования в материале оболочки могут их отводить. Размещение анода в отдалении от стали может уменьшить интенсивность защитного тока и уменьшить склонность анода к пассивации. Продукты окисления могут осаждаться на поверхности расходуемого металла анода по мере его коррозии. Если эти продукты коррозии не удаляются, они будут предотвращать электрохимическую реакцию путем блокирования потока ионов через электролит, что известно как пассивация анода. Если продукты реакции сделать растворимыми, то анод может продолжать функционировать, как положено. Растворимость продуктов коррозии регулируется материалом оболочки. Материал оболочки предоставляет механизм для удаления продуктов коррозии с поверхности расходуемого металла анода, а также обеспечивает ионный путь для ионов, чтобы течь от стальной арматуры (катода) к корродируемому аноду из расходуемого металла.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления материал оболочки может содержать, например, связующие вещества, геополимеры, строительные растворы и т.п. Без ограничений и только в качестве иллюстрации, материал оболочки может содержать цементирующий строительный раствор. Альтернативно, материал оболочки может содержать сжимающийся строительный раствор с ионной проводимостью, причем матрица является достаточно сжимаемой для поглощения продуктов коррозии анода из расходуемого металла. Материал оболочки может быть из подходящих активируемых химических материалов, например посредством галогенидов, хелатообразования или рН, и быть достаточно пористым, чтобы сделать возможной абсорбцию продуктов коррозии, предотвращая этим или уменьшая пассивирование.

В других вариантах осуществления материал оболочки может включать в себя увлажняющие, разжижающиеся и/или гигроскопичные материалы для поглощения достаточной влаги с целью поддержания проводимости вокруг анода, чтобы гарантировать, что поддерживается достаточный выход тока во время срока службы анода, и поддерживать область контакта между анодом и катодом (стальной арматурой) электрохимически активной.

Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, подходящий материал оболочки для гальванического анода содержит смесь из примерно 75% гипса, примерно 20% бентонитовой глины и примерно 5% сульфата натрия. Этот материал оболочки обеспечивает однородное окружение, которое уменьшает саморасходование анода. Без привязки к какой-либо особой теории полагают, что сульфат активирует металлический цинк анода, а бентонитовая глина действует как увлажняющий материал.

Винтовые катушки из расходуемого металла данной системы гальванической защиты легко изготавливаются и преодолевают сложности известных анодов, например, они изготавливаются с использованием расплавленного цинка. Процесс изготовления может быть автоматизирован с использованием имеющихся в продаже материалов, например цинковой проволоки, и автоматизированного процесса намотки обмоток. В противовес известным дискретным системам гальванических анодов, длина данного анода, содержащего по меньшей мере одну винтовую катушку, может быть продлена до любой подходящей длины для приспособления к разным требованиям к длине, основанным на предполагаемом месте ремонта. Другие размеры винтовой катушки могут быть легко изменены по требованию и приспособлены для особого использования.

Аспекты настоящего раскрытия изобретения применимы к ремонтным работам, причем участок существующего бетона вынимается для обнажения стальной арматуры, и к устройствам, которые включают в себя узел гальванического анода и отдельные ремонтные заплаты.

В некоторых варианта осуществления анодный узел встроен в бетон и его установка совместима с обычной строительной практикой, связанной с восстановлением бетона, и, таким образом, не требует специального обучения установке. Эти процедуры могут включать в себя выемку поврежденного бетона до глубины немного ниже стальной арматуры, прикрепление анодного угла к стальной арматуре и обратное заполнение области вынутого бетона подходящим заделывающим материалом или ремонтным строительным раствором.

Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, система расходуемого анода из настоящего раскрытия изобретения имеет форму, подобную короткому куску армирующей стали и может быть расположена непосредственно по соседству с армирующей сталью. Эта конфигурация оптимизирует размещение в пространстве, достигаемое на ограниченных по размеру ремонтных участках, и делает возможным более мелкий и менее дорогостоящий ремонт бетона.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления, способ снижения коррозии стальной арматуры в бетонной конструкции включает в себя обеспечение расходуемого анодного узла двойного действия по меньшей мере из двух разных расходуемых металлов, причем каждый более электрохимически активный, чем сталь. Анод может быть, по меньшей мере, частично покрыт материалом оболочки. Удлиненные электрические проводники подсоединены к аноду, и, по меньшей мере, часть электрических проводников выступает из материала оболочки. Анодный узел двойного действия может быть вставлен в отверстие, образованное в бетонной конструкции. Материал оболочки анодного узла размещается вблизи поверхности стальной арматуры. Анодный узел закрепляется на месте обматыванием удлиненных электрических соединителей вокруг стальной арматуры.

Закрепленный анодный узел может быть заделан подходящим материалом, таким как цементный ремонтный раствор. Материал для заделки может содержать единственный материал или комбинацию из двух или более материалов. Согласно некоторым вариантам осуществления цементный строительный раствор может включать в себя строительный раствор с низким удельным сопротивлением. Альтернативно, строительный раствор с низким удельным сопротивлением может быть использован для инкапсуляции закрепленного анодного узла и затем внедрен в ремонтный материал с высоким удельным сопротивлением, поскольку внедренный строительный раствор с низким удельным сопротивлением инкапсулирует закрепленный анодный узел и обеспечивает ионно-проводящий путь к исходному бетону, смежному с ремонтной областью. Как пример, согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления материал для заделки может содержать материал для активации и другой материал для захвата притянутых хлоридов.

Как показано на фиг. 1, система 100 катодной защиты включает в себя анодный узел, содержащий анод 102, включая расходуемый металл 110. Расходуемый металл 110 может включать в себя по меньшей мере одну винтовую катушку, имеющую продольную ось. Удлиненные электрические проводники 116, 118, или вязальные проволоки, могут быть намотаны вокруг расходуемого металла 110 и в электрическом контакте с ним. Анод 102 может быть, по меньшей мере, частично покрыт или защищен материалом 108 оболочки. Удлиненные электрические проводники 116, 118 подсоединены к аноду 102 и выступают из материала 108 оболочки. Во время установки электрические проводники 116, 118 прикрепляются к армирующей стали 114 путем накручивания концов проводников 116, 118 вокруг стальной арматуры 114.

Если обратиться к фиг. 2, то система 200 катодной защиты включает в себя формирование ремонтного участка 202 в армированной сталью бетонной конструкции 204. Анодный узел 102 прикреплен к армирующей стали 104 удлиненными электрическими проводниками 116, 118.

Как показано на фиг. 3А, анод содержит расходуемый металл 110, включающий в себя винтовые катушки 104, 106, имеющие продольную ось. Анод содержит первую винтовую катушку 104, чередующуюся со второй винтовой катушкой 106, как показано. Под словом «чередующаяся» понимается, что первая катушка 104 и вторая катушка 106 расположены или распределены попеременно. Чередующиеся катушки могут быть расположены так, что петли или витки одной катушки 104 умещаются в промежутках между петлями другой катушки 106. Винтовые катушки 104, 106 могут содержать одинаковый расходуемый металл. В одном варианте осуществления винтовая катушка 104 может содержать менее расходуемый металл, а винтовая катушка 106 - более расходуемый металл, и наоборот. В соответствии с одним вариантом осуществления расходуемый металл 110 анода 102 включает в себя единственную винтовую катушку 104, содержащую расходуемый металл или комбинацию расходуемых металлов.

Фиг. 3Б показывает вид в разобранном состоянии анода 110, содержащего два разных расходуемых металла. Расходуемый металл 110 может включать в себя винтовые катушки 104, 106, расположенные или распределенные с чередованием относительно друг друга. По меньшей мере один удлиненный электрический проводник или вязальная проволока может быть намотан с электрическим контактом вокруг чередующихся катушек 104, 106 для того, чтобы электрически соединять анод 110 с армирующей сталью, расположенной в бетонной конструкции.

Как показано на фиг. 4А и 4Б, иллюстративный анод содержит расходуемый металл 110. Расходуемый металл 110 может включать в себя винтовую катушку 104 или чередующиеся катушки 104, 106, имеющие продольную ось, как показано на фиг. 3А и 3Б. Удлиненные электрические проводники 116, 118 или вязальные проволоки могут быть намотаны с электрическим контактом вокруг расходуемого металла 110, включающего в себя винтовую катушку 104 или чередующиеся катушки 104, 106.

В других вариантах осуществления расходуемый металл может включать в себя первую винтовую катушку из расходуемого металла, намотанную вокруг второго расходуемого металла так, что винтовая катушка из первого расходуемого металла, по меньшей мере, частично окружает второй расходуемый металл. Например, цинковая винтовая катушка может быть намотана вокруг магниевой полосы или цинковой проволоки.

В еще других вариантах осуществления расходуемый металл может включать в себя винтовую катушку из первого расходуемого металла, расположенную по соседству и имеющую по существу одинаковую протяженность со вторым расходуемым металлом. Расположенные по соседству и по существу имеющие одинаковую протяженность первый и второй расходуемые металлы обернуты удлиненными электрическими соединителями. Например, цинковая винтовая катушка может быть расположена рядом и находиться в электрическом контакте с магниевой полосой. Удлиненные стальные электрические соединители могут быть намотаны или навиты с электрическим контактом вокруг расположенных вместе винтовой катушки и магниевой полосы.

Описанная в настоящем раскрытии изобретения система преодолевает недостатки известных систем катодной защиты, поскольку она легко изготавливается и занимает минимальный объем в армированной сталью бетонной конструкции, предоставляя максимальную площадь поверхности для защитной коррозии. В одном варианте осуществления использование двух расходуемых металлов обеспечивает вначале более высокий ток для начальной поляризации армирующей стали, а затем более длительный более низкий ток для сохранения катодной защиты. Начальная поляризация армирующей стали посредством более активного металла имеет тенденцию к удалению хлорид-ионов и восстановлению щелочности вблизи защищаемой армирующей стали. Затем второй расходуемый металл должен лишь поддерживать эти пассивные условия, обеспечения этим гальваническую защиту двойного действия.

Экспериментальная часть

Были изготовлены опытные образцы расходуемых гальванических анодов, и катодно-анодные блоки с использованием опытных образцов гальванических анодов были оценены на потенциал полуячейки, ток коррозии и удельное сопротивление. Изготовление гальванических анодов и катодно-анодных блоков и способы оценки описаны ниже. Следует отметить, что нижеследующее описание анодных блоков, катодно-анодных блоков и способы и результаты оценки предназначены только для иллюстрирования раскрытых объектов. Нижеследующее описание изготовления анода, катодно-анодный блок и способ оценки не должны истолковываться как ограничивающие любым образом раскрытые сейчас объекты.

Испытательный контейнер

Для размещения гальванических анодов для испытаний были использованы пластмассовые ведра емкостью 5 галлонов (20 литров). На дно каждого пластмассового ведра была помещена фильтровальная ткань, и в дне пластмассового ведра было просверлено отверстие, чтобы можно было сливать смоделированный водный раствор в порах бетона.

Раствор в порах бетона

Смоделированный раствор в порах бетона был приготовлен из смеси:

7 кг цемента

31 кг водопроводной воды

1,4 кг 10% раствора NaCl.

Смесь была перемешана и оставлена для отстаивания. Декантированная жидкость была профильтрована и использована как смоделированный водный раствор в порах бетона для всех процедур оценки образцов гальванического анода. Содержание хлорида натрия в моделированном водном растворе в порах соответствует содержанию хлорида в 9 кг NaCl на 2300 кг/м³ бетона. Это содержание хлорида было выбрано в качестве достаточно жесткого внешнего воздействия, которое обычно может встречаться в областях, причем армирующая сталь будет корродировать.

Катод из стальной сетки

Корродируемая стальная сетка (McMaster-Carr 9243Т381), включающая в себя сверхжесткую ткань из нелегированной стали, имеющую отверстия размером дюйма (12,7 мм) из проволоки диаметром 0,135 дюйма (3,4 мм), с общей площадью живого сечения в 62% была выбрана в качестве катода для оценок гальванического анода. Стальная сетка была выбрана, исходя из большой площади поверхности в небольшом пространстве, и поскольку все отверстия делают возможным доступ ко всем поверхностям сетки. Стальная сетка была нарезана на куски размером 30×30 см. Нарезанные стальные сетки были изогнуты, чтобы помещаться в 5-галлонное ведро. Стальная сетка была подготовлена путем пескоструйной обработки и травления в 10% растворе гидроокиси натрия при 60°С в течение 24 часов с последующей промывкой в деионизированной воде и ацетоне.

Песок

Катод из стальной сетки помещен в контейнер для образца (например, пластмассовое ведро), и ведро заполнено песком. Песок является подходящей средой для оценки гальванических анодов, поскольку он является дешевым, остается влажным, предоставляет достаточное количество кислорода для протекания коррозии и может быть удален для визуального осмотра образцов анода.

Электрохимическая ячейка

Сплошной медный проволочный ввод диаметром 1,63 мм (14 калибров (gauge)) был прикреплен к верхней проволоке стальной сетки путем намотки с последующей пайкой и покрытием соединения эпоксидной смолой (доступная для приобретения у BASF Corporation - Building Systems под торговой маркой CONCRESIVE 1420). Площадь поверхности анода из стальной сетки была вычислена равной 0,157 м², что составляет примерно 1/6 от площади стали, рекомендованной для размера анода при использовании имеющихся в настоящее время в продаже гальванических анодов (1 анод с площадью поверхности цинка 0,0271 м² на 0,5 м² площади армирующей стали, или отношение площади поверхности стали к площади поверхности цинка равное 18,4). Отношение площади поверхности стали к площади поверхности цинка называется катодно-анодным отношением. На основании веса катода из стальной сетки равного 1241 г при полном окислении железа до валентности +3 согласно закону Фарадея может быть высвобождено 289455 кулон.

Испытательные образцы

Для оценки были приготовлены четыре опытных образца ядра гальванического анода. Они включали в себя две конфигурации анода (из металлического цинка и гибридный) и два способа присоединения (защищенный и незащищенный).

Два опытных образца ядра гальванического анода были приготовлены из цинковой проволоки длиной 13 дюймов (333 мм), имеющей диаметр 0,125 дюйма (3,125 мм), которая была отформована в катушку диаметром приблизительно 15 мм и длиной 75 мм. Это ядро гальванического анода приводит к катодно-анодному отношению равному 48,3. Масса цинка была равна 18,6 г, соответствуя 54874 кулонам, и имела площадь поверхности равную 3266 мм².

Каждый опытный образец ядра анода был обернут двумя направленными в противоположном направлении (спираль, навитая по часовой стрелке и против часовой стрелки) кусками стальной вязальной проволоки, которая была подвергнута пескоструйной обработке, протравлена в каустической соде и промыта ацетоном аналогично процессу приготовления катода из стальной сетки. Электрические соединители была подсоединены к сплошному медному проволочному вводу диаметром 1,63 мм (14 калибров) посредством навивки, пайки и покрытия эпоксидной смолой соединения, которое затем было использовано для наблюдения за поляризацией анода и током коррозии в электрохимической ячейке. Площадь поверхности цинка составляет примерно 38% от рекомендованного катодно-анодного отношения, основанного на размере имеющегося в продаже анода BASF EMACO Intact CP 150 для данной площади поверхности армирующей стали.

Один из опытных образцов ядра цинкового гальванического анода был расположен примерно в 1 мм от катода из стальной сетки путем использования пластикового хомутика из найлона для изолирования ядра анода от электрического контакта с катодом из стальной сетки. Это образец обозначен как цинковый незащищенный (Zinc-Unshielded).

Другой по существу идентичный образец ядра цинкового гальванического анода был изолирован от катода из стальной сетки путем использования куска ленты шириной 4 см из бутилкаучука и двухсторонней вспененной ленты для имитации экранирования. Это образец обозначен как цинковый защищенный (Zinc-Shielded).

Оба образца ядра цинкового анода были прикреплены к катоду из стальной сетки с помощью хомутика из нейлона для надежного прикрепления анода к стали катода.

Два дополнительных образца ядра анода были изготовлены из магния и цинка. Была изготовлена катушка из цинковой проволоки длиной 220 мм, имеющей диаметр 0,091 дюймов (2,31 мм) и весящей 6,5 г, с прямой цинковой проволокой длиной 70 мм, имеющей диаметр 0,125 дюйма (3,125 мм), для получения суммарного веса цинка 10,4 г, и магниевая пластина размером 10×95×1,1 мм весом 2 г. Суммарная площадь поверхности цинка была равна 2288 мм², и площадь поверхности магния была равна 2148 мм², давая суммарную площадь в 4435 мм² и суммарный вес анода в 12,4 г. Это соответствует 46736 кулонам для гибридного цинко-магниевого анода (30682 кулона от цинка 16054 кулона от магния) и катодно-анодному отношению, равному 35,5. Площадь поверхности цинка составляет примерно 50% от рекомендованного катодно-анодного отношения, основанного на размере имеющегося в продаже анода BASF ЕМАСО Intact CP 150 для данной площади поверхности армирующей стали.

Один из образцов ядра гибридного цинко-магниевого гальванического анода был расположен примерно в 1 мм от катода из стальной сетки путем использования пластикового хомутика из найлона для изолирования ядра анода от электрического контакта с катодом из стальной сетки. Это образец обозначен как гибридный незащищенный (Hybrid-Unshielded).

Другой по существу идентичный образец ядра гибридного цинко-магниевого гальванического анода был изолирован от катода из стальной сетки путем использования куска ленты шириной 4 см из бутилкаучука и двухсторонней вспененной ленты для имитации экранирования. Это образец обозначен как гибридный защищенный (Hybrid-Shielded).

Оба образца ядра гибридного цинко-магниевого анода были прикреплены к катоду из стальной сетки с помощью хомутика из нейлона для надежного прикрепления анода к стали катода.

После сборки четырех анодно-катодных образцов они были помещены в предназначенные для этого пластмассовые ведра, и песок был увлажнен смоделированным раствором в порах бетона. В течение первых 24 часов анод и катод были оставлены не соединенными для создания коррозионного окружения вокруг анодно-катодных узлов. Соединительные провода от анода к катоду были соединены, и анод начал обеспечивать защиту катода.

Для каждого образца были получены результаты измерений потенциала полуячейки относительно электрода сравнения «медь/сульфат меди» (CSE) для катода и анода и ток коррозии. Потенциал полуячейки требуется для сравнения напряжения поляризации в соответствии с NACE (Национальная ассоциация инженеров-коррозионистов). Действующий документ NACE SP0169-2007 Section 61 выделяет три критерия катодной защиты (CP), а именно (1) -850 мВ относительно насыщенного электрода «медь/сульфат меди» с приложенным током коррозионной защиты или равный -850 мВ потенциал в подключенном состоянии, учитывающий падение напряжения (IR), (2) равный -850 мВ потенциал в отключенном состоянии или поляризационный потенциал, и (3) 100 мВ поляризация.

Объектом оценки было достижение частичной защиты катода из стальной сетки для форсирования выхода тока анода через неблагоприятное анодно-катодное отношение в окружающей среде, допускающей коррозию (например, комнатная температура, высокая влажность и присутствие хлоридов выше порогового уровня хлоридной коррозии). В дополнение к измерениям потенциала полуячейки и тока коррозии измерялись температура, рН и удельное сопротивление каждого катодно-анодного образца. Поскольку коррозия является электрохимической реакцией, то повышение температуры будет увеличивать скорость реакции, в данном случае ток коррозии. рН контролировали для обеспечения того, что катодно-анодные образцы остаются щелочными для моделирования нормальных условий, существующих при помещении в ремонтный бетон. Удельное сопротивление измерялось для того, чтобы быть уверенным, что имелась достаточная влажность для того, чтобы в системе происходила коррозия.

Результаты оценки

Потенциал анода

Все четыре образца катодно-анодных узлов оценивались в течение 56 дней. Измеренная разность между потенциалом в момент отключения и потенциалом в подключенном состоянии >100 мВ указывает на адекватную работу расходуемого анода. Отсутствие разности между величинами в момент отключения и в подключенном состоянии указывает на то, что намеренно неблагоприятное отношение площади поверхности катода к аноду не позволяет обеспечить достаточную защиту катода посредством предпочтительной коррозии расходуемого анода. Результаты этих измерений нанесены на графики, показанные на фиг. 5-8.

Фиг. 8-12 являются графиками, отображающими потенциал анода в подключенном состоянии и в момент отключения для каждого испытуемого образца. разность между измеренными потенциалами указывает на более высокий выход по току анода. Интервалы, причем две линии на графике сливаются, относятся к деполяризации, причем анод и катод оставались неподключенными на некоторый период времени для измерения восстановления анода во время цикла отключения, как это будет происходить в условиях замерзания или высыхания при установке в полевых условиях. Как показано на графиках, все четыре опытных образца расходуемых анодов (цинковый незащищенный, цинковый защищенный, гибридный цинко-магниевый незащищенный, гибридный цинко-магниевый защищенный) продемонстрировали разницу между потенциалом подключенного и неподключенного анода, пригодную для обеспечения защиты анода из стальной сетки. Отмечено, что защищенные варианты осуществления цинкового и гибридного цинко-магниевого анодов показали большую разность между потенциалом неподключенного и подключенного анода.

На фиг. 13 показано сравнение потенциалов анода цинкового незащищенного, цинкового защищенного, гибридного цинко-магниевого незащищенного, гибридного цинко-магниевого защищенного опытных образцов расходуемого анода с сокращенной шкалой времени.

Ток коррозии

Ток коррозии является другой мерой выхода тока анода и является функцией скорости гальванического расхода металла. Если ток коррозии достигает нуля, значит анод перестал функционировать или из-за расхода расходуемого материала, или пассивации (например, вследствие образования нерастворимой пленки продукта окисления на поверхности расходуемого металла или вследствие создания продуктом окисления короткого замыкания между анодом и катодом). График на фиг. 14 показывает результаты измерения тока коррозии цинкового незащищенного, цинкового защищенного, гибридного цинко-магниевого незащищенного, гибридного цинко-магниевого защищенного опытных образцов расходуемых анодов. На фиг. 15 показан дополнительный начальный ток, обеспечиваемый расходуемым магнием из гибридного цинко-магниевого анода, в течение сокращенного периода времени. Отмечено, что гибридный цинко-магниевый защищенный анод проявляет слегка более низкий ток, но в течение большего периода времени, чем гибридный цинко-магниевый незащищенный анод.

Несмотря на то, что анодный узел, система катодной защиты и способ были описаны в связи с разными иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что могут быть использованы другие подобные варианты осуществления или в описанные варианты осуществления могут быть внесены изменения и дополнения для выполнения раскрытых здесь функций без отклонения от них. Описанные выше варианты осуществления не обязательно являются альтернативными, поскольку разные варианты осуществления могут комбинироваться для обеспечения желательных характеристик. Следовательно, система катодной защиты и способ не должны ограничиваться любым одним вариантом осуществления, а скорее должны истолковываться в объеме и рамках согласно прилагаемым пунктам формулы изобретения.

Изобретение относится к области защиты металлов от коррозии. Расходуемый анод содержит по меньшей мере одну винтовую катушку, содержащую расходуемый металл и имеющую продольную ось, по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный с винтовой катушкой и намотанный винтовым образом вокруг по меньшей мере части продольной оси по меньшей мере одной винтовой катушки с обеспечением его соединения с указанной винтовой катушкой во множестве точек, и материал оболочки, окружающий по меньшей мере часть по меньшей мере одной винтовой катушки и, факультативно, часть по меньшей мере одного удлиненного электрического проводника. Расходуемый анод является легко изготавливаемым и занимает минимальный объем в армированной сталью бетонной конструкции, защищая от коррозии максимальную площадь поверхности. 4 н. и 33 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Расходуемый анод, содержащий:

по меньшей мере одну винтовую катушку, содержащую расходуемый металл и имеющую продольную ось,

по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный с винтовой катушкой и намотанный винтовым образом вокруг по меньшей мере части продольной оси по меньшей мере одной винтовой катушки с обеспечением его соединения с указанной винтовой катушкой во множестве точек, и

материал оболочки, окружающий по меньшей мере часть по меньшей мере одной винтовой катушки и, факультативно, часть по меньшей мере одного удлиненного электрического проводника.

2. Расходуемый анод по п. 1, причем расходуемый металл является более электрохимически активным, чем сталь.

3. Расходуемый анод по п. 2, причем расходуемый металл включает в себя магний, цинк, алюминий и/или их сплавы.

4. Расходуемый анод по п. 1, причем расходуемый металл включает в себя создающий электродвижущую силу металл или металлический сплав.

5. Расходуемый анод по п. 1, содержащий также экран, примыкающий к внешней поверхности винтовой катушки.

6. Расходуемый анод, содержащий:

винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и имеющую продольную ось,

второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь,

по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный по меньшей мере с одним из первого и второго расходуемых металлов и намотанный винтовым образом вокруг по меньшей мере части продольной оси по меньшей мере одной винтовой катушки с обеспечением его соединения с указанной винтовой катушкой во множестве точек, и

материал оболочки, окружающий по меньшей мере часть первого и второго расходуемых металлов и, факультативно, часть по меньшей мере одного удлиненного электрического проводника.

7. Расходуемый анод по п. 6, причем второй расходуемый металл включает в себя вторую винтовую катушку, имеющую продольную ось.

8. Расходуемый анод по п. 7, причем первая винтовая катушка чередуется со второй винтовой катушкой.

9. Расходуемый анод по п. 8, содержащий также экран, примыкающий к внешним поверхностям чередующихся винтовых катушек.

10. Расходуемый анод по п. 6, причем второй расходуемый металл представляет собой сплошную массу, имеющую продольную ось, расположенную в непосредственном контакте с внешней поверхностью винтовой катушки.

11. Расходуемый анод по п. 10, причем электрический проводник намотан вокруг по меньшей мере части продольной оси винтовой катушки и сплошной массы для прикрепления сплошной массы к винтовой катушке.

12. Расходуемый анод по п. 6, причем первый расходуемый металл включает в себя магний или магниевый сплав.

13. Расходуемый анод по п. 6, причем второй расходуемый металл включает в себя цинк или цинковый сплав.

14. Расходуемый анод по п. 6, причем первый расходуемый металл включает в себя магний или магниевый сплав, а второй расходуемый металл включает в себя цинк или цинковый сплав.

15. Расходуемый анод по п. 11, содержащий дополнительно экран, примыкающий к внешним поверхностям чередующихся винтовых катушек.

16. Система для защиты от коррозии стальной арматуры в бетонной конструкции, содержащая:

расходуемый анод, содержащий по меньшей мере одну винтовую катушку, имеющую продольную ось, причем винтовая катушка содержит расходуемый металл, более электрохимически активный, чем сталь,

по меньшей один электрический проводник, электрически соединяющий расходуемый анод с элементом из армирующей стали и намотанный винтовым образом вокруг по меньшей мере части продольной оси по меньшей мере одной винтовой катушки с обеспечением его соединения с указанной винтовой катушкой во множестве точек, и

материал оболочки, окружающий по меньшей мере часть первого и второго расходуемых металлов и, факультативно, часть по меньшей мере одного удлиненного электрического проводника.

17. Система по п. 16, причем расходуемый металл включает в себя магний, цинк и/или их сплавы.

18. Система по п. 16, причем материал оболочки является пористым строительным раствором.

19. Система по п. 16, причем удлиненные электрические проводники электрически соединены с расходуемым анодом и выступают из противоположных сторон материала оболочки.

20. Система по п. 16, причем первая винтовая катушка содержит первый расходуемый металл и имеет продольную ось, а вторая винтовая катушка содержит второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь.

21. Система по п. 20, причем первая винтовая катушка чередуется со второй винтовой катушкой.

22. Система по п. 21, причем по меньшей мере один удлиненный электрический проводник винтовым образом намотан вокруг по меньшей мере части продольной оси первой и второй винтовых катушек.

23. Система по п. 22, содержащая также изолирующую прокладку, примыкающую к внешней поверхности чередующихся винтовых катушек.

24. Система по п. 23, причем второй расходуемый металл представляет собой сплошную массу, имеющую продольную ось, расположенную в непосредственном контакте с внешней поверхностью винтовой катушки.

25. Система по п. 16, содержащая винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и имеющую продольную ось, и сплошную массу из второго расходуемого металла, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь.

26. Система по п. 25, причем первый расходуемый металл включает в себя магний или магниевый сплав.

27. Система по п. 25, причем второй расходуемый металл включает в себя цинк или цинковый сплав.

28. Система по п. 25, причем первый расходуемый металл включает в себя магний или магниевый сплав, а второй расходуемый металл включает в себя цинк или цинковый сплав.

29. Система по п. 28, содержащая также изолирующую прокладку, примыкающую к внешней поверхности сплошной массы из второго расходуемого металла.

30. Способ коррозионной защиты стальной арматуры в бетонной конструкции, характеризующийся тем, что со стальной арматурой в армированной сталью бетонной конструкции электрически соединяют расходуемый анод, содержащий по меньшей мере одну винтовую катушку, имеющую продольную ось и содержащую расходуемый металл, который является более электрохимически активным, чем сталь, причем расходуемый анод по меньшей мере частично покрыт материалом оболочки и соединен по меньшей мере с одним удлиненным проводником, намотанным винтовым образом вокруг по меньшей мере одной винтовой катушки с обеспечением его соединения с указанной винтовой катушкой во множестве точек.

31. Способ по п. 30, также включающий вставление анода в отверстие, отформованное в бетонной конструкции.

32. Способ по п. 31, также включающий расположение расходуемого анода вблизи стальной арматуры.

33. Способ по п. 30, причем анод также содержит второй расходуемый металл, менее электрохимически активный, чем первый расходуемый металл.

34. Способ по п. 30, причем по меньшей мере одна винтовая катушка включает в себя первую винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл, и вторую винтовую катушку, содержащую второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, и причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь.

35. Способ по п. 34, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл включают в себя создающие электродвижущую силу металлы или сплавы металлов.

36. Способ по п. 35, причем создающие электродвижущую силу металлы включают в себя литий, калий, кальций, натрий, магний, алюминий, цинк, хром и их комбинации или сплавы.

37. Способ по п. 36, также включающий обеспечение расходуемого анода по меньшей мере из двух расходуемых металлов из разных материалов, причем один из них является магнием, в эффективном количестве для инициирования миграции хлорид-ионов от стальной арматуры бетонной конструкции.