Устройство катодной защиты от атмосферной коррозии

 

Изобретение относится к устройствам катодной защиты от атмосферной коррозии. Сущность изобретения: устройство катодной защиты от атмосферной коррозии содержит входной фильтр 1, ключевой элемент 2, модулятор длительности 3, таймер 4, катушку индуктивности 5, индуктивно связанную с обмоткой трансформатора, два выходных фильтра 6 и 10, схему 7 сравнения и управления, обмотку 8 трансформатора напряжения, выпрямитель 9, демпфирующий диод 11, элемент индикации 12, разделительные диоды 13, резисторы 14 и защитные электроды 15. 1-2-5-6-13-15; 8-9-10-14-15; 5-7-3-2; 4-3; 6-12. 1 ил.

Изобретение относится к электрохимическим средствам защиты металлов от коррозии, вызванной атмосферными осадками или различными агрессивными средами, и может быть использовано для защиты различных металлических изделий подверженных воздействию атмосферной коррозии.

Наиболее распространенным средством защиты металлов от коррозии является покрытие их поверхностей специальными защитными пленками, предотвращающими непосредственный контакт металлов с корродирующей средой электролитом [1] Однако данное средство пассивной защиты обладает существенным недостатком практически невозможно контролировать сохранность защитной пленки, особенно в труднодоступных местах.

Поэтому более предпочтительным является применение активных средств защиты металлов от коррозии.

Атмосферная коррозия является электрохимическим процессом, связанным с прохождением как минимум двух сопряженных окислительно-восстановительных реакций, протекающих на поверхности корродируемого металла.

При контакте металлической поверхности с водными растворами такими реакциями могут быть восстановление ионов водорода и ионизация (растворение) металла.

В результате протекания сопряженных реакций корродирующий металл приобретает определенный коррозионный потенциал. Скорость растворения металла характеризуется величиной плотности коррозионного тока. Сдвиг от коррозионного потенциала в отрицательную сторону (создание защитного потенциала) вызывает ускорение реакции выделения водорода и замедление реакции ионизации металла.

Создание защитного потенциала может осуществляться с помощью различных методов и средств.

Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее электронный блок формирования защитных токов и напряжений, первый вход которого подключается к положительному полюсу источника постоянного напряжения, и по крайней мере один защитный электрод, соединенный с выходом электронного блока. Электрод изолированно закрепляется на защищаемой металлической поверхности, которая также соединяется с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения, подключаемым также ко второму входу электронного блока.

При попадании на защищаемую поверхность электролита (например, при конденсации на ней атмосферной влаги) образуется замкнутая электрическая цепь: защитный электрод (+) -электролит защищаемый металл (-), так как защищаемая поверхность подсоединена к отрицательному полюсу источника питания потенциал ее сдвигается в отрицательную сторону, что способствует выделению водорода на ней и препятствует растворению (коррозии) металла.

Однако реализация этого принципа электрохимической защиты металлических поверхностей в прототипе имеет ряд существенных недостатков, связанных с созданием на его выходе постоянных напряжений, величина которого не зависит от параметров коррозионной среды, что не позволяет создать на защищаемом металле требуемых для эффективной защиты величин защитных потенциалов из-за активных процессов газовыделения.

Задача изобретения создание устройства катодной защиты металлических поверхностей объекта от атмосферной коррозии, которое за счет импульсных электрических воздействий на защищаемый металл, амплитуда которых изменяется в зависимости от параметров коррозионной среды, обеспечение необходимый величины защитного потенциала защищаемой поверхности во всем диапазоне изменений состава коррозионных сред при минимизации процессов газовыделения.

Задача решается тем, что устройство катодной защиты от атмосферной коррозии, содержащее блок формирования защитных токов и напряжений, выход которого соединен с не менее чем одним защитным электродом, каждый из которых выполнен с возможностью изолированного закрепления на защищаемой поверхности, а первый вход выполнен с возможностью подключения к положительному полюсу источника напряжения, отрицательный полюс которого выполнен с возможностью соединения с защищаемой поверхностью и вторым входом блока формирования защитных токов и напряжений, и элемента индикации, подключенного к блоку формирования защитного потенциала, согласно изобретению блок формирования защитных токов и напряжений выполнен в виде последовательно соединенных входного фильтра, ключевого элемента, катушки индуктивности и первого выходного фильтра, последовательно соединенных обмотки трансформатора напряжения, выпрямителя и второго выходного фильтра, а также таймера, модулятора длительности, выход которого подключен к управляющему входу ключевого элемента, а первый вход соединен с выходом таймера, схемы сравнения и управления, выходы которой подключены соответственно к входу первого выходного фильтра и второму входу модулятора длительности, и демпфирующего диода, катод которого подключен к выходу ключевого элемента, при этом вход входного фильтра является первым входом блока формирования защитного потенциала, выход первого выходного фильтра соединен с элементом индикации и через введенные разделительные диоды с защитными электродами, которые также соединены, через введенные резисторы, с выходом второго выходного фильтра, вход схемы сравнения и управления и анод демпфирующего диода объединены и являются вторым входом блока формирования защитных токов и напряжений, а обмотка трансформатора напряжения индуктивно связана с катушкой индуктивности.

На чертеже изображена блок-схема устройства катодной защиты от атмосферной коррозии.

Устройство катодной защиты от атмосферной коррозии содержит входной фильтр 1, препятствующий проникновению электромагнитных помех в цепь источника питания, ключевой элемент 2, например транзистор, модулятор 3 длительности, таймер 4, катушку 5 индуктивности, первый выходной фильтр 6, схему 7 сравнения и управления, обмотку трансформатора 8 напряжения выпрямитель 9, второй выходной фильтр 10, демпфирующий диод 11, элемент 12 индикации, например светодиод, разделительные диоды 13, резисторы 14 и защитные электроды 15, выполненные из материалов, имеющих стабильный электрохимический потенциал.

Выходные фильтры 6 и 10 служат для снижения уровня пульсаций.

Для избежания повреждений, вызванных возможными перегрузками и коротким замыканием между защитными электродами и защищаемой поверхностью, устройство может быть снабжено схемой защиты от короткого замыкания и перегрузки по току.

Элементы устройства соединяются друг с другом по схеме, приведенной на чертеже, при этом вход входного фильтра 1 подсоединяется к положительному входу источника напряжения 16, защитные электроды 15 изолированно закрепляются на поверхности 17, подлежащей защите, а сама поверхность подключается к отрицательному полюсу и источника напряжения 16.

Устройство катодной защиты от атмосферной коррозии работает следующим образом.

В начальный момент времени транзистор ключевого элемента 2 открыт, демпфирующий диод 11 закрыт, ток в катушке индуктивности 5 увеличивается. Ток через катушку индуктивности и первый выходной фильтр 6 подается на элемент 12 индикации и через разделительные диоды 13 к защитным электродам 15, а также заряжает конденсатор фильтра 6. Выходное напряжение увеличивается до тех пор, пока не превысит опорное напряжение на выходе схемы 7 сравнения и управления. В этот момент схема 7 сравнения и управления даст сигнал модулятору длительности, который выключает ключевой элемент 2. Энергия, запасенная в катушке 5 индуктивности, обеспечивает возникновение импульса напряжения, имеющего отрицательную полярность. Этот импульс поглощается открытым демпфирующим диодом 11. Ток катушки 5 индуктивности подается на элемент 12 индикации и через диоды 13 к защитным электродам. Когда ток в катушке индуктивности упадет ниже тока нагрузки, конденсатор фильтра 6 начнет разряжаться, и выходное напряжение (а следовательно, и напряжение на входе схемы 7 сравнения и управления) уменьшится. Когда напряжение на входе схемы 7 сравнения и управления станет ниже опорного, модулятор 3 длительности включит ключевой элемент 2, и цикл повторится.

Токи, протекающие через катушки 5 индуктивности, наводят в обмотке трансформатора 8 переменное напряжение, которое после детектирования выпрямителем 9 и фильтрации фильтром 10 через резисторы 11 подводится к защитным электродам 15. За счет трансформации это напряжение больше, чем выходное напряжение катушки индуктивности 5. Разделительные диоды 13 находятся в смещенном состоянии, к защитным электродам 15 подводится только высокое напряжение через резисторы 14. Ток, протекающий через элемент 12 индикации, необходим для обеспечения наличия тока в обмотке трансформатора 8 при закрытых диодах 13, и соответственно обеспечивает запас по току, подаваемому к защитным электродам 15. Задающий генератор (таймер) 4 периодически включает и выключает устройство, обеспечивая тем самым периодический режим его работы, формируя необходимую частоты и скважность электрического воздействия.

При отсутствии электролита между защитными электродами 15 и защищаемой поверхностью 17 ток между ними не протекает и на электродах создается определенный высокий потенциал по отношению к защищаемой поверхности.

При появлении электролита (с некоторой электропроводностью) на защищаемой поверхности замыкается электрическая цепь между электродами 15 и защищаемой поверхностью 17, возникают токи, протекающие через электролит и резисторы 14, при этом напряжение на электродах 15 уменьшается до значения, при котором разделительные диоды 13 открываются и стабилизированное напряжение с выходного фильтра 6 поступает на защитные электроды 15.

В случае увеличения проводимости жидкости между электродами 15 и поверхностью 17 увеличивается частота переключения ключевого элемента 2, обеспечивая постоянство выходного напряжения с выхода фильтра 6. При этом напряжение на защитных электродах 15 остается постоянным, обеспечивая необходимый электрохимический потенциал на защищаемой поверхности.

В любой момент времени, когда защищаемый металл находится под корродирующим воздействием электролита, устройство создает в электрической цепи (защищаемый металл-электролит-защитный электрод) токи таких плотностей, которые способны вызвать изменение потенциала защищаемого металла по сравнению с его коррозионным потенциалом до величин, необходимых для эффективной компенсации коррозионных токов.

Из практики известно, что для обеспечения надежной катодной защиты (когда к защищаемому металлу подсоединяется отрицательный полюс источника тока и он по отношению к защитному электроду является катодом) необходимо обеспечить плотность защитного тока, в 7-10 раз превышающую плотность коррозионных токов, свойственную для данного металла в экстремальных условиях атмосферного воздействия.

В целях выявления степени влияния параметров электрического воздействия (частота, амплитуда, скважность и форма импульсов на величины потенциалов защищаемого материала и защитного электрода) и выбора оптимальных параметров электрического воздействия проведены потенциостатические и потенциодинамические исследования, результаты которых при реализации катодной защиты позволили выявить оптимальные значения данных параметров для всего диапазона возможных сопротивлений коррозионной среды в естественных условиях эксплуатации. При этом установлено, что значения защитных потенциалов на защищаемом металле изменяются в широком диапазоне в зависимости от химического состава коррозионной среды (вода, кислые и солевые растворы, влажная грязь и т.д.) и автоматически устанавливаются на необходимом для эффективной защиты от коррозии уровне при электрических воздействиях, создаваемых предлагаемым устройством защиты от коррозии.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ АТМОСФЕРНОЙ КОРРОЗИИ, содержащее блок формирования защитных токов и напряжений, выход которого соединен с не менее чем одним защитным электродом, каждый из которых выполнен с возможностью изолированного закрепления на защищаемой поверхности, а первый вход выполнен с возможностью подключения к положительному полюсу источника напряжения, отрицательный полюс которого выполнен с возможностью соединения с защищаемой поверхностью и с вторыми входами блока формирования защитных токов и напряжений и элемента индикации, подключенного к блоку формирования защитных токов и напряжений, отличающееся тем, что блок формирования защитных токов и напряжений выполнен в виде последовательно соединенных входного фильтра, ключевого элемента, катушки индуктивности и первого выходного фильтра, последовательно соединенных обмотки трансформатора напряжения, выпрямителя и второго выходного фильтра, а также таймера, модулятора длительности, выход которого подключен к управляющему входу ключевого элемента, а первый вход соединен с выходом таймера, схемы сравнения и управления, выходы которой подключены соответственно к входу первого выходного фильтра и к второму входу модулятора длительности, и демпфирующего диода, катод которого подключен к выходу ключевого элемента, при этом вход входного фильтра является первым входом блока формирования защитного потенциала, выход первого выходного фильтра соединен с элементом индикации и через введенные разделительные диоды с защитными электродами, которые также соединены через введенные резисторы с выходом второго выходного фильтра, вход схемы сравнения и управления и анод демпфирующего диода объединены и являются вторым входом блока формирования защитных токов и напряжений, а обмотка трансформатора напряжения индуктивно связана с катушкой индуктивности.

РИСУНКИ

Рисунок 1