Система электрохимической защиты судна от коррозии Российский патент 2023 года по МПК C23F13/02 

Изобретение относится к электрохимической защите от коррозии, в частности, к системам защиты от коррозии корпусов судов, находящихся в морской воде. Может использоваться на морских гражданских и военных кораблях, как во время их стоянок, так и во время движения.

Для работы на морских судах требуется отсутствие пульсаций переменного тока. При работе системы электрохимической защиты (ЭХЗ) судна преобразуют переменный ток в постоянный и регулируют его величину. При этом на выходе остается некоторая величина переменной составляющей тока, допускающая количество пульсаций около 3%. В системах электрохимической защиты кораблей аноды и электрод сравнения имеют своеобразную конструкцию и крепятся к корпусу корабля ниже ватерлинии. Пульсации тока, которые попадают в воду и на корпус нарушают естественный электромагнитный фон и могут быть зафиксированы. Это нарушает скрытность судна. По этой причине в настоящее время системы катодной защиты включают только во время стоянки судна. Во время движения систему ЭХЗ на военных кораблях отключают, для сохранения электромагнитной нейтральности корпуса судна.

Известна станция защиты от коррозии импульсным током по патенту РФ на полезную модель №130313, C23F 13/02, 2013. Станция содержит один или множество источников постоянного тока, подключаемых к соответствующим защищаемым сооружениям или к аноду ключами, и средство для измерения выходного тока. В качестве ключей используют биполярные транзисторы с изолированным затвором, которые подсоединены к схеме управления частотой и длительностью импульсов тока. Параллельно выходу каждого источника постоянного тока подключен накопительный конденсатор большой емкости, обеспечивающий выходной ток, превышающий зарядный ток этого конденсатора. На выходе импульсного устройства установлена схема контроля, представляющая собой светодиодный индикатор выхода и приборы контроля поступления импульсов тока к защищаемому сооружению. В качестве источника постоянного тока используют безтрансформаторный стабилизированный блок питания с ограничением выходного тока, предназначенный для зарядки накопительного конденсатора большой емкости. В качестве конденсатора большой емкости используют молекулярный накопитель энергии (ионистор). Использование данной станции защиты от коррозии невозможно на морских судах, т.к., при использовании импульсного тока корабль становится источником переменного электрического поля, которое нарушает скрытность корабля.

Известна система катодной защиты корабля по патенту на полезную модель CN202380093, C23F 13/06, 2012. Система состоит из основного источника питания и модулей питания, вспомогательных анодов и электродов сравнения, расположенных на локальных площадках. Множество независимых модулей питания подключено к основному источнику питания. Положительные полюсы каждого модуля питания подключены к независимым вспомогательным анодам. Вспомогательные аноды, расположены на поверхности корпуса корабля. Вспомогательные аноды и электроды сравнения могут быть установлены с левого и правого бортов корабля, в кормовой части у подруливающих элементов, гребных винтов, рулей, обтекателей и т. д. Отрицательный электрод основного источника питания подключены к корпусу. К модулям питания и электродам сравнения подключен ПЛК - программируемый логический контроллер. Контроллер ПЛК получает значения потенциалов с каждого электрода сравнения и регулирует выходное напряжение каждого модуля питания. Недостатком является то, что использование в системе катодной защиты основного источника питания и множества подключенных к нему модулей питания создает электромагнитные пульсации на корпусе корабля. Это приводит к заметности корабля.

Известна система катодной защиты от коррозии металлоконструкций по патенту РФ на изобретение №2110617, C23F 13/02, 1998. Система используется для корпусов судов, находящихся в морской воде. Система катодной защиты содержит управляемый источник постоянного тока, отрицательный выход которого соединен с корпусом судна, положительный выход соединен с анодом, а вход подключен к выходу блока управления. Система содержит также электрод сравнения, двухполярный источник уставки защитного потенциала и детектор полярности электрода сравнения. В блоке управления напряжение с выхода двухполярного источника уставки защитного потенциала сравнивается с напряжением между корпусом судна и электродом сравнения. По результату сравнения на выходе блока управления вырабатываются импульсы управления, которые поступают на вход управляемого источника постоянного тока. Происходит регулировка величины тока, протекающего между корпусом судна и анодами, поддерживается необходимый защитный потенциал корпуса судна. Недостатком является возникновение на корпусе судна и в воде электромагнитных пульсаций, которые могут быть зафиксированы, что нарушает скрытность судна.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрана система катодной защиты от коррозии корпуса корабля, находящегося в морской воде по патенту РФ на изобретение №2618968, C23F 13/04, 2017. Система катодной защиты от коррозии корпуса корабля содержит источник эталонного напряжения, отрицательный выход которого соединен с корпусом корабля, электрод сравнения и аноды. Источник эталонного напряжения соединен с одним входом дифференциального операционного усилителя, второй вход которого соединен с электродом сравнения, а выход соединен с первым входом измерительного операционного усилителя, второй вход которого соединен с выходом опорного напряжения фазосдвигающего ШИМ-конвертора. Вход ШИМ-конвертора соединен с выходом измерительного ОУ, выходы которого через последовательно включенный разделительный конденсатор соединены с первичной обмоткой высокочастотного трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора через последовательно соединенные выпрямитель и фильтр соединена положительным выводом с анодами, а отрицательным выводом - с корпусом корабля. Недостатком является то, что за счет использования широтно-импульсной модуляции, преобразователя и фильтра на выходе системы катодной защиты уменьшаются пульсации выходного тока, но не исчезают совсем. Это объясняется тем, что на выходе конденсационного фильтра остается некоторая величина переменной составляющей тока, при которой наблюдается около 3% пульсаций, которые могут быть зафиксированы, после чего могут быть определены координаты нахождения корабля.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение скрытности корабля за счет устранения пульсаций выходного тока в системе электрохимической защиты судна от коррозии.

Технический результат достигается за счет того, что в системе электрохимической защиты корпуса судна от коррозии, содержащей преобразователь, связанный с генератором переменного тока судна, анод, связанный с положительным выходом источника тока, и изолированный от корпуса, связанного с отрицательным выходом источника тока, согласно изобретению, в качестве источника тока для анода и для корпуса используют одно из устройств накопления электроэнергии, устройства накопления электроэнергии параллельно соединены между собой, каждое из них снабжено ключом подключения к аноду, устройства накопления электроэнергии выполнены с возможностью попеременного подключения к преобразователю посредством переключающего ключа, устройства накопления энергии снабжены датчиками уровня заряда, связанными с контроллером, с контроллером связаны переключающий ключ и ключи подключения устройств накопления электроэнергии к аноду, последовательное переключение на анод которых запрограммированно с временной задержкой открытия одного ключа после закрытия второго.

Кроме того, устройства накопления электроэнергии могут быть выполнены в виде электрических аккумуляторов.

Кроме того, устройства накопления электроэнергии могут быть выполнены в виде ионисторов.

Технический результат обеспечивается тем, что в систему электрохимической защиты корпуса судна от коррозии введены устройства накопления электроэнергии большой емкости. В качестве таких устройств могут использовать аккумуляторы электрической энергии или ионисторы, на выходе которых исключено появление переменной составляющей тока. Устройства накопления электроэнергии параллельно соединены между собой и каждое из них снабжено ключом подключения к аноду, это позволяет попеременно подключать их к аноду, находящемуся в воде, не вызывая при этом пульсации электрического тока. Выполнение устройств накопления электроэнергии с возможностью попеременного подключения к преобразователю посредством переключающего ключа позволяет попеременно заряжать их электроэнергией и использовать в качестве источника постоянного тока для анода и для корпуса в системе ЭХЗ судна. При этом анод связан с положительным выходом источника тока, корпус судна связан с отрицательным выходом источника тока. Использование датчиков уровня заряда и контроллера, связанного с ними, с переключающим ключом и ключами подключения устройств накопления электроэнергии к аноду позволяет осуществлять бесперебойное течение постоянного электрического тока в сети ЭХЗ судна. Это исключает пульсации тока, связанные с отключением и повторным включением системы. Выполнение ключей подключения устройств накопления электроэнергии к аноду с возможностью их последовательного переключения с временной задержкой позволяет исключить момент, при котором оба ключа оказываются открытыми и анод не подключен к источнику постоянного тока. Временная задержка, осуществляемая с помощью программы контроллера, позволяет разомкнуть соединение с анодом одного устройства накопления электроэнергии только после того, как замкнулось соединение с анодом другого устройства накопления электроэнергии. За счет этого не происходит размыкания электрической цепи и исключается возникновение пульсаций тока, связанных с выключениями/включениями системы ЭХЗ судна. Отсутствие пульсаций тока на аноде системы ЭХЗ судна, на корпусе и в воде повышает скрытность корабля.

На фигуре схематично представлена система электрохимической защиты корпуса судна от коррозии.

Система электрохимической защиты корпуса 1 судна от коррозии содержит преобразователь 2 переменного тока в постоянный, соединенный с генератором 3 электрического тока судна. Преобразователь 1 включает выпрямитель и фильтр на выходе. Система ЭХЗ корпуса судна содержит анод 4 и электрод сравнения (на чертеже не показан), содержит дополнительные источники тока, которыми являются параллельно включенные в цепь два устройства накопления электроэнергии 5 и 6 большой емкости. В качестве которых могут использоваться аккумуляторы типа СТ-200 емкостью 200А/Ч, или ионисторы емкостью 100 Ф. В зависимости от размеров корабля могут использоваться несколько соединенных параллельно аккумуляторов. И так же в зависимости от размеров корабля могут использоваться несколько штук параллельно и последовательно соединенных ионисторов. Устройства накопления электроэнергии 5 и 6 соединены линией связи с преобразователем 2. На линии связи установлен переключатель 7 с ключом К₁ для возможности соединения устройства 5 или 6 с преобразователем 2. Параллельно соединенные устройства накопления электроэнергии 5 и 6 соединены с анодом 4 линией связи, снабженной переключателем 8. В переключателе 8 установлен ключ подключения К₂ для соединения устройства накопления 5 с анодом 4 и установлен ключ подключения К₃ для соединения устройства накопления 6 с анодом 4. Анод 4 закреплен на корпусе 1, но электрически изолирован от него слоем из диэлектрического материала, находится в воде и соединяется посредством переключателя 8 с положительным выходом одного из устройств накопления электроэнергии 5 или 6. Корпус 1 корабля соединяется с отрицательными выходами устройств накопления электроэнергии 5 и 6 и преобразователя 2. Устройства накопления электроэнергии 5 и 6 снабжены датчиками уровня заряда 9. Система электрохимической защиты корпуса 1 судна содержит контроллер 10. Контроллер 10 связан с ключом переключения К₁ переключателя 7. Так же контроллер 10 связан с ключом подключения К₂ и ключом подключения К₃ переключателя 8, с датчиками уровня заряда 9 устройств накопления электроэнергии 5 и 6.

Система электрохимической защиты корпуса судна от коррозии работает следующим образом.

Выпрямитель преобразователя 2 преобразовывает входной электрический переменный ток от генератора 3 электроэнергии корабля в пульсирующий ток постоянного направления с напряжением в 12-48В с силой тока до 400А, фильтр преобразователя 2 сглаживает пульсации тока, часть пульсаций - 3% на выходе преобразователя остается. С контроллера 10 поступает сигнал на переключающий ключ К₁, с помощью которого замыкается линия связи преобразователя 2 с аккумулятором или ионистором 5. Происходит зарядка устройства накопления электроэнергии 5. Силу тока рассчитывают для каждого корпуса специально, его величина может лежать в пределах до 400А. По окончании зарядки, сигнал о котором поступает с датчика уровня заряда 9 в контроллер 10 происходит переключение ключа К₁ и замыкается участок цепи, соединяющий выход преобразователя 2 с устройством накопления электроэнергии 6. Далее с контроллера 10 поступает сигнал на закрытие ключа подключения К_2, после чего, на анод 4, соединенный с положительным полюсом устройства 5, подают постоянный ток, в котором исключено появление пульсаций. Отрицательный полюс аккумулятора или ионистора 5 связан с корпусом 1 корабля. Значение защитного потенциала на корпусе 1 устанавливается автоматически с помощью контроллера 10, который сравнивает для этого напряжением между корпусом 1 судна и электродом сравнения. Ток протекает от плюса устройства накопления энергии 5 на анод 4, далее через воду на корпус 1 корабля, а затем на минус устройства накопления энергии 5. Во время питания анода 4 от устройства накопления энергии 5 происходит зарядка устройства накопления электроэнергии 6. По мере расхода накопленной энергии, при уменьшении уровня заряда устройства 5 до заданного значения происходит автоматическое переключение ключей К₂ и К₃ переключателя 8. Замыкается ключ К₃ и происходит подключение устройства накопления электроэнергии 6 к аноду 4. После замыкания ключа К₃ происходит размыкание ключа К₂. Время задержки открытия ключа К₂ определяется переходными процессами и может лежать в пределах нескольких микросекунд. Далее вновь автоматически переключается ключ К₁ и происходит зарядка аккумулятора или ионистора 5. Далее процесс повторяется.

Пример 1.

Переменный ток напряжением в 220В поступающий с генератора преобразуют в постоянный с напряжением в 48В с силой тока 400А с пульсациями 3%, производят зарядку ионистора первого до величины напряжения 48 В, подают это напряжение на анод и на корпус корабля, при этом первый ионистор уже отключен от преобразователя и у него пульсации тока отсутствуют. Производят зарядку второго ионистора. При уменьшении уровня заряда до значения когда защитный потенциал на первом ионисторе подходит к своему минимально допустимому значению -0.85 В, производят переключение ключей К₂ и К₃ с временной задержкой в 10 микросекунд. Подают на анод напряжение от второго ионистора, в это время заряжают первый ионистор. Далее процесс повторяют. В ходе процесса катодной защиты потенциал на корпусе смещается от-0.85 В до-1.1 В. В результате чего происходит уменьшение или полный останов процесса коррозии корпуса судна, при этом отсутствуют пульсации выходного тока, электромагнитный фон корпуса корабля сохраняется нейтральным.

Пример 2.

Переменный ток напряжением в 220В, частотой в 50Гц поступающий с генератора преобразуют в постоянный с напряжением в 12В с силой тока 250А с пульсациями 3%, производят зарядку первого ионистора до величины напряжения 12 В. Отключают первый ионистор от преобразователя. Подают напряжение на анод и на корпус корабля. При этом пульсации тока отсутствуют. Соединяют преобразователь со вторым ионистором, заряжают второй ионистор. При уменьшении уровня заряда первого ионистора до значения, когда защитный потенциал подходит к своему минимально допустимому значению -0.85 В, производят переключение ключей К₂ и К₃ с временной задержкой в 10 мсек. Подают на анод напряжение от второго ионистора, в это время заряжают первый ионистор. Далее процесс повторяется. В ходе процесса катодной защиты потенциал на корпусе смещается от-0.85 В до-1.1 В.

Пример 3.

Переменный ток напряжением в 220В поступающий с генератора преобразуют в постоянный 12-48 вольт до 400А с пульсациями 3%, производят зарядку первого аккумулятора, заряжают его до величины 12-48 вольт, отключают от преобразователя, подают напряжение на анод. Подключают преобразователь ко второму аккумулятору, производят его зарядку. При уменьшении уровня заряда первого аккумулятора до значения, при котором защитный потенциал на корпусе корабля достигает -0.85 В производят переключение ключей К₂ и К₃ с первого аккумулятора на второй с временной задержкой открытия ключа К₂ 10мсек. Подают на анод напряжение второго аккумулятора, в это время заряжают первый аккумулятор. Далее процесс повторяется. В ходе процесса катодной защиты потенциал на корпусе смещается от-0.85 В до до-1.1 В. Происходит процесс защиты корпуса судна от коррозии при этом отсутствуют пульсации выходного тока.

Основным информационным признаком корабля, на использовании которого построены различные активные системы наведения большинства противокорабельных ракет, считается заметность корабля в различных частотных диапазонах электромагнитного излучения. Полное исключение пульсаций тока на аноде, в воде и на корпусе корабля, за счет применения в системе ЭХЗ судна зарядных устройств большой емкости, позволяет избежать электромагнитного излучения и обнаружения корабля.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить скрытность корабля за счет устранения пульсаций выходного тока в системе электрохимической защиты судна от коррозии.

Изобретение относится к системам электрохимической защиты от коррозии корпусов судов, находящихся в морской воде. В системе в качестве источника тока для анода и для корпуса используют одно из устройств накопления электроэнергии. Устройства накопления электроэнергии параллельно соединены между собой, каждое из них снабжено ключом подключения к аноду. Устройства накопления электроэнергии выполнены с возможностью попеременного подключения к преобразователю посредством переключающего ключа. Устройства накопления энергии снабжены датчиками уровня заряда, связанными с контроллером. С контроллером связаны переключающий ключ и ключи подключения устройств накопления электроэнергии к аноду. Последовательное переключение на анод ключей подключения запрограммировано с временной задержкой открытия одного ключа после закрытия второго. Технический результат: повышение скрытности корабля за счет устранения пульсаций выходного тока в системе электрохимической защиты судна от коррозии. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

1. Система электрохимической защиты корпуса судна от коррозии, содержащая преобразователь, выполненный с возможностью подключения к генератору электрического тока судна, анод, связанный с положительным выходом преобразователя и изолированный от корпуса, связанного с отрицательным выходом преобразователя, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного источника тока для анода и для корпуса используют одно из устройств накопления электроэнергии, устройства накопления электроэнергии параллельно соединены между собой, каждое из них снабжено ключом подключения к аноду, устройства накопления электроэнергии выполнены с возможностью попеременного подключения к преобразователю посредством переключающего ключа, устройства накопления энергии снабжены датчиками уровня заряда, связанными с контроллером, с контроллером связаны переключающий ключ и ключи подключения устройств накопления электроэнергии к аноду, последовательное переключение на анод которых запрограммировано с временной задержкой открытия одного ключа после закрытия второго.

2. Система электрохимической защиты судна от коррозии по п.1, отличающаяся тем, что устройства накопления электроэнергии выполнены в виде аккумуляторов электрического тока.

3. Система электрохимической защиты судна от коррозии по п.1, отличающаяся тем, что устройства накопления электроэнергии выполнены в виде ионисторов.