Анодный заземлитель

 

Изобретение относится к электрохимической защите подземных сооружений от коррозии. Анодный заземлитель выполнен в виде полосы из электропроводящей углеродистой ткани, а контактные узлы размещены на углеродистой ткани через одинаковые промежутки. Контактные узлы выполнены в виде двух полос из титана, которые вместе с углеродистой тканью стянуты болтами и изолированы изоляционным компаундом. Глубинный анодный заземлитель содержит несущую трубу из полиэтилена, поверх которой установлена углеродистая ткань, и контактные узлы. Приведен вариант анодного заземлителя для условий вечной мерзлоты и варианты контактных узлов. Анодный заземлитель обладает высокой эффективностью из-за большой площади соприкосновения с грунтом и экологически чист, поскольку не загрязняет почву и грунтовые воды. 5 з.п. ф-лы, 18 ил.

Изобретение относится к электрохимической защите подземных металлических сооружений от коррозии и может быть использовано в установках катодной защиты.

Известны анодные заземлители, выполненные в виде металлических стержней, труб, пластин, установленных в грунте.

Указанные анодные заземлители имеют ограниченный срок службы из-за их анодного растворения в электролите грунтов. Кроме того, эти анодные заземлители при их анодном растворении ухудшают экологическую обстановку почв, приводят к увеличению солей железа в грунтовых водах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является анодный заземлитель, содержащий тело заземлителя, контактный узел с соединительным проводом подключенного к телу заземлителя, выполненного из эластичного проводящего материала.

Недостатками известного анодного заземлителя является его низкая эффективность из-за малой переходной проводимости поверхность тела заземлителя - грунт, а также его износ и разрушение из-за процессов электролиза и продуктов электролиза в почвенном электролите, связанное с выделением хлора, кислорода, водорода.

Цель изобретения - повышение эффективности заземлителя, а также экологической безопасности за счет увеличения поверхности соприкосновения с грунтом и исключения уноса материала анодного заземлителя и загрязнения грунтовых вод и почвы.

На фиг.1 приведен предлагаемый заземлитель и его подключение к установке катодной защиты трубопровода; на фиг.2 - вариант последовательного соединения секций анодного заземлителя; на фиг.3 - контактный узел; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.3; на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.6 и 7 - схема укладки в грунт протяженного анодного заземлителя; на фиг.8 - схема подключения секционированного анодного заземлителя к установке катодной защиты трубопровода; на фиг.9 - схема размещения секционированного анодного заземлителя по периметру трубопровода; на фиг.10 - глубинный анодный заземлитель; на фиг. 11 - разрез В-В на фbu.10; на фиг.12 - вариант ленточного глубинного анодного заземлителя; на фиг.13 - схема подключения анодного заземлителя к установке катодной защиты для условий вечной мерзлоты; на фиг.14 - вариант ленточного анодного заземлителя; на фиг.15 - контактный узел для ленточного анодного заземлителя; на фиг.16 - разрез Г-Г на фиг.15; на фиг. 17 - вариант выполнения контактного узла для ленточного анодного заземлителя; на фиг.18 - разрез Д-Д на фиг.17.

Анодный заземлитель содержит тело 1 заземлителя, выполненное в виде ленты с установленными на ней контактными узлами 2 с подключенными к ним соединительными проводами 3. Контактные узлы 2 размещены на теле 1 анодного заземлителя через одинаковые расстояния по всей его длине. В качестве материала для тела анодного заземлителя используется электропроводящая углеродистая ткань. Соединительные провода 3 всех контактных узлов 2 объединены в один узел 4 коммутации, который соединен с плюсовой клеммой станции 5 катодной защиты, а минусовая клемма станций 5 катодной защиты соединена с защищаемым трубопроводом 6. Узел 4 коммутации обеспечивает параллельное соединение всех секций тела 1 анодного заземлителя, разделенных контактными узлами 2. Соединение контактных узлов 2 (фиг.2) с помощью соединительных проводов 3 последовательно и с положительной клеммой станции 5 катодной защиты не требует установки узла коммутации. Контактные узлы 2 соединены между собой последовательно с помощью соединительных проводов 3.

Контактный узел содержит две металлические пластины 7 из титана, между которыми закреплена с помощью титановых заклепок 8 или болтов углеродистая электропроводящая ткань тела 1 анодного заземлителя. В конце одной из металлических пластин 7 с помощью зажима 9 закреплена токоведущая жила 10 соединительного провода 3. Токоведущая жила 10 вместе с зажимом 9 и конец металлической пластины 7 изолированы изоляционным компаундом 11. Вместо изоляционного компаунда 11 может использоваться термоусадочная муфта. Контактный узел покрывают битумной мастикой 12 или другим изоляционным компаундом, обладающим стойкостью в среде хлора, кислорода, водорода и влаги. Поверхность углеродистой ткани, соприкасающаяся с титановыми пластинами 7, покрывают тонким слоем титана. Покрытие углеродистой ткани слоем титана производят путем плазменного напыления в инертной среде или в вакууме. Толщина плазменно напыленного слоя титана составляет 5-10 мкм. Углеродистая ткань тела 1 анодного заземлителя может быть покрыта слоем титана только со стороны одной пластины 7. В этом случае вторая пластина контактного узла может быть выполнена из изоляционного материала, стойкого к действию продуктов электролиза и обладающего требуемыми механическими свойствами (оргстекло, полиэтилен, эбонит, винипласт и др.). В случае, когда титановые пластины 7 недостаточно жестки (малая толщина пластин), поверх пластин 7 устанавливают текстолитовые шины (или другого стойкого к продуктам электролиза материала), которые стягиваются титановыми болтами (или заклепками). В этом случае наружная изоляция контактного узла с помощью изоляционного компаунда 12 выполняют только в области подключения токоведущей жилы 10 к титановой пластине 7.

Вместо плазменного напыления титаном электропроводящая углеродистая ткань тела 1 анодного заземлителя в месте контакта с пластинами 7 может быть покрыта слоем электропроводящей пасты,- стойкой к продуктами электролиза почвенного электролита.

Анодный заземлитель укладывают в траншею 13, имеющую глубину больше глубины промерзания грунта в данной климатической зоне. На дно траншеи ровным слоем засыпают песок, а затем укладывают анодный заземлитель. Верхнюю поверхность анодного заземлителя, уложенного в траншею, также посыпают слоем песка, а затем засыпают траншею.

Секционированный анодный заземлитель содержит несколько (в зависимости от требуемого сопротивления растекания и проводимости грунта) идентичных секций заземления. Каждая секция содержит тело 1 анодного заземлителя, выполненного в виде электропроводящей углеродистой ткани, по двум краям которой установлены контактные узлы 2. Все контактные узлы 2 соединены между собой и с помощью соединительного провода 3 подключены к плюсовой клемме станции 5 катодной защиты.

Размещение секционированного анодного заземлителя по периметру трубопровода позволяет учитывать реальное коррозионное состояние трубопровода. При этом каждая секция анодного заземлителя устанавливается в грунте в окрестности коррозионного участка трубопровода, что позволяет осуществить локальную катодную защиту участка трубопровода с поврежденной изоляцией. Установка анодных заземлителей используется для катодной защиты крановых узлов газопроводов, коммуникаций, компрессорных станций и др.

Глубинный анодный заземлитель содержит тело 1 анодного заземлителя, выполненного из электропроводящей углеродистой ткани и имеющего форму цилиндра (чулка). Внутри тела 1 анодного заземлителя установлена несущая труба 14. На несущей трубе 14 поверх тела 1 анодного заземлителя через равные промежутки установлены контактные узлы 2, выполненные в виде хомута 15, охватывающие наружную поверхность тела 1 анодного заземлителя и несущую трубу 14. Соединительный провод 3 подключен к хомуту 15 с помощью болта, который одновременно служит и для натяжения хомута. Хомут 15 выполнен из титановой полоски, а место соединения токоведущей жилы 10 с хомутом 15 изолировано изоляционным компаундом 11. Несущая труба 14 изготовлена из полиэтилена, винипласта или другого материала, стойкого к продуктам электролиза, почвенного электролита. Собранный на поверхности земли глубинный анодный заземлитель устанавливают в скважину 16, которую затем заливают глиняным раствором. В месте размещения хомутов 15 углеродистую ткань покрывают слоем титана. Покрытие титаном углеродистой ткани производят методом плазменного напыления в инертной среде или в вакууме. Соединительные провода 3 от каждого контактного узла 2 подключены к узлу 4 коммутации, а затем к положительной клемме станции 5 катодной защиты, отрицательная клемма которой соединена с подземным трубопроводом 6.

Ленточный глубинный анодный заземлитель содержит тело 1 анодного заземлителя, выполненного в виде ленты из углеродной электропроводящей ткани, на котором через равные промежутки установлены контактные узлы 2. Для установки глубинного анодного заземлителя в скважину 16 к нижнему контактному узлу 2 подвешивают груз 17, а затем скважину заливают глиняным раствором.

Для условий вечной мерзлоты анодный заземлитель подключают по схеме фиг.13. Каждая секция анодного заземлителя снабжена двумя контактными узлами 2, расположенными по концам тела 1 анодного заземлителя. Одноименные контактные узлы с помощью соединительных проводов 3 соединены между собой (на фиг. 13 верхние контактные узлы соединены между собой и нижние контактные узлы соединены между собой), образуя два общих вывода - первый 18 и второй 19. Первый вывод анодного заземлителя соединен с положительной клеммой станции 5 катодной защиты и с началом вспомогательной обмотки 20 станции 5. Обмотка 20 выполнена секционированной, выводы каждой секции которой подключены к соответствующим входам коммутатора 21. Выход коммутатора 21 соединен с вторым выводом 19 анодного заземлителя. Отрицательная клемма станции 5 катодной защиты соединена с защищаемым трубопроводом 6.

Вспомогательная обмотка 20 является источником питания, служащим для подогрева тела 1 анодных заземлителей. При прохождении переменного тока от обмотки 20 через анодные заземлители (продольный ток) в них выделяется тепло, что обеспечивает надежный контакт с вечно мерзлым грунтом и требуемое сопротивление растекания.

Ток подогрева секций анодного заземлителя регулируют с помощью коммутатора 21, который с помощью блока 29 управления коммутатора, измерительного преобразователя 23 и датчика 24 тока изменяет напряжение на секциях анодного заземлителя в зависимости от величины тока станции 5 катодной защиты. При уменьшении этого тока увеличивается напряжение, подаваемое на секциях анодного заземлителя. Наличие подогрева анодного заземлителя для условий вечной мерзлоты позволяет уменьшить сопротивление растекания заземлителя и резко сократить расход энергии на катодную защиту.

В ленточном анодном заземлителе (фиг.14-16) углеродистая ткань тела 1 анодного заземлителя выполнена в виде ленты, которая через равные промежутки стягивается контактными узлами 2, соединенными через соединительные провода 3 с узлом 4 коммутации. Контактный узел для ленточного анодного заземлителя представляет собой упругую скобу 25, выполненную из полосы нержавеющей стали или титана, которая с помощью болта стягивает углеродистую ткань тела 1 анодного заземлителя. Токоведущая жила 10 соединительного провода 3 подключена к упругой скобе 25 и вместе с ней изолирована термоупругой муфтой или изоляционным компаундом 11.

Для обеспечения электрического контакта между скобой 25 и углеродистой тканью внутри скобы 25 установлена вставка 26, выполненная из полиэтилена или другого материала, стойкого к продуктам электролиза.

Для заливки контактного узла изоляционным компаундом используются специальные пресс-формы, имеющие соответствующие конфигурации.

Контактный узел содержит две плоские обоймы 27, охватывающие вместе с углеродистой тканью трубчатую вставку 28. Плоские обоймы 27, выполненные из нержавеющей стали или титана, взаимно стягиваются болтами. Трубчатая вставка 28 выполнена из полиэтилена или другого материала, стойкого к продуктам электролиза грунтового электролита. Электрический контакт между углеродистой тканью и токопроводящей жилой 10 соединительного провода 3 обеспечивается за счет прижима плоских обойм 27 к трубчатой вставке 28. Токопроводящая жила 10 с помощью болта подключена к обоймам 27, а место контакта вместе с обоймами 27 заливают изоляционным компаундом.

Работа анодного заземлителя совместно с станцией катодной защиты сводится к обеспечению требуемой величины тока для катодной защиты трубопровода (или другого катодно защищаемого подземного или подводного сооружения). Поскольку тело 1 анодного заземлителя выполнено из электропроводящей углеродистой ткани с толщиной каждой нити в 5-20 мкм, то суммарная площадь соприкосновения анодного заземлителя с грунтом и с грунтовым электролитом резко возрастает. Пространства между элементарными нитями углеродистой ткани для грунтового электролита выполняют функции капиляров и углеродистая ткань пропитывается грунтовым электролитом.

По сравнению с углеродистой пластиной (например выполненная из графита) углеродистая ткань той же площади дает в 10³-10⁴ раз больше площадь контакта с грунтом в зависимости от характеристик углеродистой ткани. Поэтому эффективность анодного заземлителя, тело которого выполнено из электропроводящей углеродистой ткани, высока. Углеродистая ткань является химически стойкой к грунтовым электролитам и к продуктам электролиза, поэтому работая в режиме анода не уносится в грунт и не загрязняет грунтовые воды. Графитовые аноды уносятся в процессе электролиза и загрязняют грунт. Выполнение контактных узлов 2 из титановых пластин позволяет исключить их износ при катодной защите подземного сооружения.

Анодные заземлители из углеродистой ткани могут быть использованы в любых грунтах, а также для катодной защиты морских сооружений. Это объясняется высокой химической и механической стойкостью волокон углеродистой ткани, изготовляемых из полимеров с последующей химической температурной и механической обработкой. Анодный заземлитель обладает малым весом. Суммарный вес одного анодного заземлителя для катодной защиты с током 20-30 А в песчаных грунтах составляет 1-1,5 кг) и высокой механической прочностью (вдоль волокон ткани). Ввиду отсутствия уноса материала тела анодного заземлителя и контактного узла продуктами электролиза отсутствует загрязнение грунтовых вод. По этой же причине анодный заземлитель имеет практически неограниченный срок службы.

Механические свойства электропроводящей углеродистой ткани позволяют устанавливать анодные заземлители в любой точке на поверхности защищаемого трубопровода, осуществить локальную катодную защиту участка трубопровода с поврежденной изоляцией. Особенно это эффективно в местах скопления подземных сооружений, где имеет место взаимное экранированное катодно защищаемых сооружений.

Формула изобретения

1. АНОДНЫЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЬ, содержащий тело анодного заземлителя, контактный узел, соединительный провод, подключенный к телу анодного заземлителя, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности заземлителя и экологической безопасности, тело анодного заземлителя выполнено в виде полосы из электропроводящей углеродистой ткани и имеет дополнительные контактные узлы, расположенные на теле анодного заземлителя через одинаковые интервалы и выполненные в виде двух титановых пластин, между которыми проложена углеродистая ткань, причем титановые пластины скреплены между собой титановыми болтами или заклепками по всей длине пластин, соединительный провод подключен к одному из выступающих концов титановых пластин и выступает за ширину углеродистой ткани, а соединение соединительного провода с титановыми пластинами выполнено с изоляцией в виде термоусадочной муфты и изоляционного компаунда.

2. Заземлитель по п.1, отличающийся тем, что в месте контакта углеродистой ткани с титановыми пластинами контактного узла углеродистая ткань выполнена с покрытием в виде слоя титана путем плазменного напыления в инертной среде или в вакууме.

3. Заземлитель по п.1, отличающийся тем, что в месте контакта углеродистой ткани с титановыми пластинами контактного узла углеродистая ткань выполнена с покрытием в виде электропроводящей мастики.

4. Заземлитель по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что углеродистая ткань тела анодного заземлителя выполнена в виде цилиндра, внутри которого установлена несущая труба из материала, стойкого к продуктам электролиза грунтового электролита, контактные узлы расположены на несущей трубе через одинаковые расстояния и выполнены в виде хомутов из полосок титана, охватывающих наружную поверхность несущей трубы и углеродистой ткани, при этом соединительный провод соединен с хомутом в месте его стягивания, соединение провода с хомутом выполнено с изоляцией в виде компаунда, стойкого к продуктам электролиза грунтового электролита.

5. Заземлитель по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что контактный узел выполнен в виде упругой скобы из металлической полосы из нержавеющей стали или титана, которая посредством болта стягивает углеродистую ткань тела анодного заземлителя, соединительный провод соединен с упругой скобой, соединение провода со скобой выполнено с изоляцией в виде термоусадочной муфты и изоляционного компаунда.

6. Заземлитель по пп. 1,2,3 и 5, отличающийся тем, что контактный узел выполнен из плоских обойм из нержавеющей стали или титана, охватывающих вместе с углеродистой тканью тела анодного заземлителя трубчатую вставку, при этом плоские обоймы прикреплены одна к другой с помощью болтов, а токопроводящая жила соединительного провода прикреплена к одной из обойм под болт или сварку, причем контактный узел вместе с соединительным проводом залит изоляционным компаундом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18