УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОДОВ СРАВНЕНИЯ В МОРСКИХ УСЛОВИЯХ Российский патент 2019 года по МПК G01N17/02 C23F13/16 

Изобретение относится к области электрохимической защиты трубопроводного транспорта, в частности к испытательному оборудованию, предназначенному для проведения испытаний электродов сравнения длительного действия различных типов, обеспечивающих контроль защитных потенциалов металлических сооружений, эксплуатируемых в морской воде.

В настоящее время подбор электродов сравнения производится в соответствии с проектной документацией без возможности опробования эффективности работы образцов электродов сравнения в натурных условиях эксплуатации.

Существующие установки для испытаний электродов сравнения для определения их работоспособности основаны на лабораторных методах и не позволяют получить достоверную оценку работоспособности электродов сравнения.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является установка для испытаний электродов сравнения, описанная в рекомендациях PCRA 005, май 2007 - версия 1 (https://www.cefracor.org/doc/PCRA-005-en.pdf).

Недостатками известной установки является следующее:

- испытания электродов сравнения проводятся в условиях электрохимической лаборатории;

- отсутствуют сведения по биметаллическим электродам сравнения;

- ограниченность по количеству одновременно испытываемых электродов сравнения.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание установки для испытаний электродов сравнения, обеспечивающей проведение натурных испытаний в морских условиях необходимого количества электродов сравнения всех известных типов любой геометрической формы, длительностью до нескольких лет.

Техническим результатом изобретения является увеличение точности оценки эксплуатационных характеристик электродов сравнения и отбора наиболее работоспособных образцов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в создании реальных условий испытаний, идентичных эксплуатационным, с учетом температурных режимов, химического состава морской среды, механического воздействия водных масс, а также влияния морских микроорганизмов. Создание равных условий позволит оценить точность показателей каждого образца в отдельности, а агрессивность морской среды выявит наиболее адаптивные виды конструкций применяемых электродов сравнения.

Изобретение поясняется чертежами:

- фиг. 1 - принципиальная схема установки для испытаний электродов сравнения в морских условиях;

- фиг. 2 - номограмма критических значений потенциалов электродов сравнения в морской воде.

Позициями на фиг. 1 обозначены следующие составные части установки:

- станция катодной защиты 1;

- анодное заземление 2;

- измерительная площадка 3;

- электроды сравнения 4;

- первая силовая кабельная линия 5,

- вторая силовая кабельная линия 6;

- измерительные кабельные линии 7;

- клеммный шкаф 8;

- ввод от внешнего электроснабжения 9;

- контрольный электрод сравнения 10;

- клеммная панель 11;

- площадка заземлителей 12.

Станция катодной защиты 1 выполняет функцию источника питания стабилизированного тока, она размещена на подготовленной площадке причальных сооружений и подключена к вводу от внешнего электроснабжения 9 с соблюдением всех требований электробезопасности.

Посредством первой силовой кабельной линии 5 отрицательный вывод станции катодной защиты 1 подключен к измерительной площадке 3, а посредством второй силовой кабельной линии 6 положительный вывод - к анодному заземлению 2. Кабельные линии 5, 6 имеют изоляционное покрытие и обеспечивают неразрывность цепи, а также надежные контакты в точках подключения.

Анодное заземление 2 может представлять из себя как одиночные, так и групповые анодные заземлители, обеспечивающие стекание защитного тока катодной защиты в морскую среду. Анодное заземление 2, как правило, представляет собой электрод цилиндрической формы, выполненный из малорастворимых сплавов металлов.

Наиболее ответственным элементом установки является измерительная площадка 3, которая предназначена для размещения и защиты от внешних воздействий электродов сравнения 4. Измерительная площадка 3 установлена стационарно на дне акватории в непосредственной близости от береговой линии.

Измерительная площадка 3 представляет собой прямоугольную конструкцию с плоским основанием, выполненную из прокатного профиля (двутавр или швеллер). Используемый материал - углеродистая либо низколегированная сталь с защитным антикоррозионным покрытием (лакокрасочное, термореактивное, горячее цинкование). Размеры и металлоемкость измерительной площадки 3 выбирают из расчета обеспечения необходимой плотности защитного тока, а также устойчивого размещения на дне акватории. Так, например, для измерительной площадки 3 размерами 3×3 м необходимо создать электрический ток силой 0,03 А, при рекомендуемой плотности тока до 0,01 А/м² для металлоконструкций с защитным покрытием в условиях морской среды.

Для размещения необходимого количества испытываемых образцов электродов сравнения 4 площадка имеет поперечные перегородки. Для крепления электродов сравнения 4 на площадке измерительной 3 по ее периметру или на поперечных перегородках с помощью сварки или болтовых соединений устанавливаются вертикальные стойки (на фиг. 1 не показаны), выполненные из стального уголка.

Экспериментально установлено, что высота вертикальных стоек должна быть в диапазоне от 0,5 Н_обр до 1 Н_обр, где Н_обр - высота образца электрода сравнения 4.

Крепление электродов сравнения 4 к вертикальным стойкам осуществлено с помощью пластиковых хомутов (на фиг. 1 не показаны), толщиной не менее 3 мм, либо обжатием стальной полосой с болтовым соединением через диэлектрическую проставку. Такое крепление обеспечивает надежное размещение электродов сравнения 4, без возможности их перемещения относительно самих вертикальных стоек и без создания избыточных нагрузок на корпус электродов сравнения 4.

Электроды сравнения 4 размещены на измерительной площадке 3 в вертикальном верхнем положении, что дает возможность рабочим элементам - мембранам электродов сравнения 4 находиться в контакте с испытательной средой по всей площади поверхности, без ограничения доступа элементами конструкции измерительной площадки 3 и дном акватории.

Кроме электродов сравнения 4 на измерительной площадке размещен контрольный электрод сравнения 10, прошедший предварительные лабораторные испытания и имеющий стабильные показания.

От каждого испытываемого электрода сравнения 4 и контрольного электрода сравнения 10 проложены отдельные измерительные линии 7, которые введены в клеммный шкаф 8, расположенный на берегу. Клеммный шкаф 8 служит для выполнения измерений потенциалов от электродов, установленных на измерительной площадке 3. В клеммном шкафе 8 имеется возможность установки системы дистанционного контроля (на фиг. 1 не показана), позволяющей в автоматическом режиме получать, хранить и обрабатывать измеряемые показатели.

Все измерительные кабельные линии 7, а также первая 5 и вторая 6 силовые кабельные линии собраны в плети с помощью пластиковых хомутов и проложены по дну акватории без перегибов и натяжений.

Внутри клеммного шкафа 8 установлена клеммная панель 11, на которой имеются измерительные разъемы от электродов сравнения 4, контрольного электрода сравнения 10 и от защищаемого сооружения, роль которого выполняет измерительная площадка 3. Клеммный шкаф 8, так же как и станция катодной защиты 1, расположен на подготовленной площадке причальных сооружений.

Анодное заземление 2 установлено на площадке заземлителей 12, при этом оно выполнено изолированным от открытых элементов металлических частей площадки.

Установка для испытаний электродов сравнения в морских условиях работает следующим образом.

При подаче напряжения через ввод от внешнего электроснабжения 9 и включении в работу станции катодной защиты 1 происходит протекание тока катодной защиты в цепи «анодное заземление 2 - площадка измерительная 3». При этом происходит катодная поляризация измерительной площадки 3 до момента, пока не будет достигнуто установившееся значение защитного потенциала измерительной площадки 3 относительно контрольного электрода сравнения 10. При использовании хлор-серебряного контрольного электрода сравнения защитный потенциал находится в диапазоне от минус 0,80 В до минус 1,10 В (минимальный и максимальный защитные потенциалы обозначены на фиг. 2 пунктирными линиями).

Параметры работы станции катодной защиты 1 (выходное напряжение и ток) контролируют, обеспечивая номинальный режим работы и стабильность его во времени.

После достижения стабильного режима установки, который характеризуется постоянством защитного потенциала измерительной площадки 3, выходного напряжения и тока станции катодной защиты 1, производят систематическое выполнение измерений следующих показателей:

- значение защитного потенциала измерительной площадки 3 относительно каждого отдельного электрода сравнения 4;

- значения электродного потенциала каждого отдельного электрода сравнения 4 относительно контрольного электрода сравнения 10.

Измерения производят с применением регистрирующих устройств системы дистанционного контроля либо вольтметра (на фиг. 1 не показаны).

Экспериментально установлено, что для получения достаточной информации необходимо проведение измерений с периодичностью, составляющей одно измерение в сутки.

Основными показателями, позволяющими оценить работоспособность электродов сравнения 4 являются:

- стабильность показаний потенциала измерительной площадки 3 относительно электрода сравнения 4 во времени;

- минимальное отклонение значений потенциала электрода сравнения 4 от значений потенциала контрольного электрода сравнения 10.

В качестве контрольного электрода сравнения 10 используется хлорсеребряный электрод сравнения. Потенциал испытываемых образцов электродов сравнения 4 относительно контрольного электрода сравнения 10 при одинаковых условиях в соответствии с номограммой критических значений потенциала электродов сравнения в морской воде (фиг. 2) должен составлять:

- для медно-сульфатного электрода плюс 50±10 мВ;

- для хлорсеребряного плюс 0±4 мВ;

- для цинкового электрода минус 1050±5 мВ;

- для биметаллического электрода минус 350±10 мВ.

Указанные выше соотношения значений потенциалов различных электродов сравнения 4 необходимы для приведения к единой системе измерений и оценки показаний защитных потенциалов измерительной площадки 3.

Номограмма критических значений потенциала электродов сравнения различных типов (медно-сульфатный, хлорсеребряный, цинковый, биметаллический) в морской воде составлена по данным нормативных документов (РД 31.35.07-83 Руководство по электрохимической защите от коррозии металлоконструкций морских гидротехнических сооружений в подводной зоне, ISO 15589-2-2012 Petroleum, petrochemical and natural gas industries - Cathodic protection of pipeline transportation systems - Part 2: Offshore pipelines - Second Edition, http://docs.cntd.ru/) и эксперимента:

Стабильность собственного потенциала испытываемого образца электрода сравнения 4 выражается в изменении во времени собственного потенциала электрода относительно начального значения. Указанный показатель не должен превышать 5 мВ от начального значения за сутки.

Предварительная обработка результатов испытаний производится по мере получения данных измерений, полученных с регистрирующих устройств. Окончательная обработка результатов измерений производится по завершении испытаний. В случае отказа какого-либо из испытываемых образцов в процессе испытаний, возможна окончательная обработка результатов по данному образцу до завершения эксперимента.

Вывод об отказе испытываемого образца делается на основании анализа результатов измерений.

Испытываемый образец электрода сравнения 4 считается работоспособным при условиях:

- разность потенциалов испытываемого электрода сравнения 4 и контрольного электрода сравнения 10 не превышает 100 мВ;

- суммарное электрическое сопротивление испытываемого электрода сравнения 4 и измерительной площадки 3 не должно превышать 20 кОм.

Для получения достоверных данных получаемых при реализации изобретения длительность натурных испытаний должна составлять не менее 1 года.

Проведение испытаний позволит оценить эксплуатационные характеристики электродов сравнения и выявить наиболее работоспособные образцы.

Изобретение относится к области электрохимической защиты трубопроводного транспорта, в частности к испытательному оборудованию, предназначенному для проведения испытаний электродов сравнения длительного действия различных типов, обеспечивающих контроль защитных потенциалов металлических сооружений, эксплуатируемых в морской воде. Установка для испытаний электродов сравнения в морских условиях включает станцию катодной защиты, измерительную площадку с установленными на ней испытываемыми образцами электродов сравнения и контрольным электродом сравнения, площадку заземлителей с установленным на ней анодным заземлением, клеммный шкаф с клеммной панелью, измерительные разъемы которой с помощью измерительных кабельных линий соединены с испытываемыми образцами электродов сравнения, контрольным электродом и измерительной площадкой, при этом станция катодной защиты подключена к вводу от внешнего электроснабжения, отрицательный вывод станции катодной защиты с помощью первой силовой кабельной линии подключен к измерительной площадке, а положительный вывод станции катодной защиты с помощью второй силовой кабельной линии подключен к анодному заземлению. Установка позволяет выявить наиболее работоспособные образцы электродов сравнения. Техническим результатом при реализации заявленного решения является создание установки для испытаний электродов сравнения, обеспечивающей проведение натурных испытаний в морских условиях необходимого количества электродов сравнения всех известных типов любой геометрической формы, длительностью до нескольких лет, что влечет увеличение точности оценки эксплуатационных характеристик электродов сравнения и отбора наиболее работоспособных образцов. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка для испытаний электродов сравнения в морских условиях, включающая станцию катодной защиты, измерительную площадку с установленными на ней испытываемыми образцами электродов сравнения и контрольным электродом сравнения, площадку заземлителей с установленным на ней анодным заземлением, клеммный шкаф с клеммной панелью, измерительные разъемы которой с помощью измерительных кабельных линий соединены с испытываемыми образцами электродов сравнения, контрольным электродом сравнения и измерительной площадкой, при этом станция катодной защиты подключена к вводу от внешнего электроснабжения, отрицательный вывод станции катодной защиты с помощью первой силовой кабельной линии подключен к измерительной площадке, а положительный вывод станции катодной защиты с помощью второй силовой кабельной линии подключен к анодному заземлению.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что измерительная площадка выполнена из двутавра или швеллера в виде прямоугольной конструкции с плоским основанием, при этом конструкция изготовлена из углеродистой или низколегированной стали с защитным антикоррозионным покрытием.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что размеры и металлоемкость измерительной площадки выбраны с возможностью обеспечения необходимой плотности защитного тока, а также устойчивого размещения на дне акватории.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что измерительная площадка имеет поперечные перегородки и вертикальные стойки, при этом вертикальные стойки выполнены из стального уголка и имеют высоту, составляющую 0,5-1,0 от высоты образца электрода сравнения.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что измерительная площадка имеет вертикальные стойки из стального уголка, выполненные с возможностью установки по периметру или на поперечных перегородках измерительной площадки с помощью сварки или болтовых соединений.

6. Установка по п. 4 или 5, отличающаяся тем, что крепление электродов сравнения к вертикальным стойкам осуществлено с помощью пластиковых хомутов толщиной не менее 3 мм либо обжатием стальной полосой с болтовым соединением через диэлектрическую проставку.

7. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что клеммный шкаф выполнен с возможностью установки для измерений потенциалов вольтметра или системы дистанционного контроля, позволяющей в автоматическом режиме получать, хранить и обрабатывать измеряемые показатели, при этом периодичность проведения измерений составляет одно измерение в сутки.

8. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что анодное заземление выполнено с возможностью изоляции от открытых элементов металлических частей площадки заземлителей.

9. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве контрольного электрода сравнения используется хлорсеребряный электрод сравнения, при этом потенциал испытываемых образцов электродов сравнения относительно контрольного электрода сравнения при одинаковых условиях в соответствии с номограммой критических значений потенциала электродов сравнения в морской воде должен составлять:

- для медно-сульфатного электрода плюс 50±10 мВ;

- для хлорсеребряного плюс 0±4 мВ;

- для цинкового электрода минус 1050±5 мВ;

- для биметаллического электрода минус 350±10 мВ.

10. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что испытываемый образец электрода сравнения определяют работоспособным, если разность потенциалов испытываемого электрода сравнения и контрольного электрода сравнения не превышает 100 мВ и суммарное электрическое сопротивление испытываемого электрода сравнения и измерительной площадки не превышает 20 кОм.