Составной расходуемый анод и способ его изготовления

Группа изобретений относится к составным расходуемым анодам, в частности, но не исключительно, изготовленным на основе магния, и к способам их производства. Анод, предназначенный для погружения в коррозионную среду, содержит множество отливок из расходуемого материала, каждая из которых расположена вокруг соответствующего электрического соединителя, для присоединения к защищаемой структуре, по меньшей мере, часть поверхности каждого сегмента защищена от коррозионной среды благодаря тому, что ее располагают рядом с, по меньшей мере, одним другим сегментом, в котором отливки соединяют вместе электрически только через их электрические соединители. Способ содержит литье множества сегментов из расходуемого материала, каждый из которых находится в контакте с соответствующим электрическим соединителем, причем каждый соединитель, по меньшей мере, частично расположен внутри соответствующего отдельного сегмента и соединение сегментов электрически вместе выполняют только через их электрические соединители, при этом вес составного анода превышает 10 кг. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к составным расходуемым анодам, в частности, но не исключительно, изготовленным на основе магния, и к способам их производства.

Расходуемые аноды из магния или магниевого сплава в течение многих лет используют для обеспечения катодной защиты от коррозии конструкционных элементов из железа и стали, в частности, в нефтяной промышленности. Эту технологию используют для защиты трубопроводов, морских нефтяных установок, судов и других крупных стальных конструкций, которые подвержены воздействию коррозийной окружающей среды, такой как море или влажный грунт.

Анод погружают в коррозионную среду и электрически соединяют с защищаемой структурой с использованием физического соединения или через электрический соединитель, такой как провод, или электропроводный болт, или полоса.

Степень защиты от коррозии, обеспечиваемую анодом, можно измерять двумя способами: потенциал (напряжение) анода и выходная емкость анода, измеряемая в ампер-часах на килограмм расходуемого магниевого сплава.

В настоящее время обычно используют три магниевых сплава, которые удовлетворяют требованиям стандарта ASTM B843-93, а именно (а) магний с 0,5-1,3% мас. марганца, который обеспечивает напряжение 1,7 В, (b) магний с 5,3-6,1% мас. алюминия, 2,5-3,5% мас. цинка и 0,15-0,7% мас. марганца и (с) магний с 2,5-3,5% мас. алюминия, 0,6-1,4% мас. цинка и 0,2-1,0% мас. марганца, при этом сплавы (b) и (с) обеспечивают напряжение 1,5 В.

На выходную емкость влияет как состав используемого сплава, так и способ изготовления анода. В частности, было определено, что важно поддерживать требуемую скорость охлаждения металла во время его отверждения (Juarez-Islas и др., 1993). Теоретическое значение выходной емкости магниевых сплавов составляет 2400 А·ч/кг. Однако было отмечено, что типично аноды имеют эффективность только на уровне 30-35%.

Настоящее изобретение будет описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

на фигуре 1 показан вид сбоку и вид с торца обычного анода,

на фигуре 2 показан вид в перспективе составного анода в соответствии с настоящим изобретением, и

на фигуре 3 схематично показан вид сбоку литейного устройства, предназначенного для формирования сегмента анода по фигуре 2.

В настоящее время используют литые магниевые аноды "D"-образной формы такого типа, как показано на фиг 1. Анод (1) изготовляют путем отливки расходуемого магниевого сплава (2) вокруг установленной по центру уложенной горизонтально вставки (3) в открытую постоянную форму, обычно изготовленную из чугуна. Вставка (3) обеспечивает одновременно механическое и электрическое соединение между сформированным таким образом анодом (1) и защищаемой структурой (не показана). Торцевую часть анода (1) покрывают битумной мастикой (4) в том месте, где вставка (3) продолжается из сплава (2), для предотвращения преждевременной коррозии расходуемого сплава (2) в области его соединения со вставкой (3). "D"-образное поперечное сечение облегчает удаление отливки из формы. При таком обычном способе изготовления, как правило, получают переменную скорость охлаждения металла как в отдельных анодах, так и между анодами в одной партии.

В случае крупных анодов, то есть размером больше 10 кг, или очень крупных анодов, то есть размером больше 100 кг, например, порядка 5 тонн скорость отверждения в центре анода будет существенно ниже, чем на его краю. В результате получается одновременно плохая и переменная электрохимическая эффективность обычных анодов.

Настоящее изобретение относится к расходуемым анодам, в частности, из магния или магниевого сплава, которые обладают улучшенными рабочими характеристиками в отношении выходной емкости, в частности, крупных и очень крупных анодов.

Эта цель достигается путем, по существу разделения крупного анода на меньшие части, каждую из которых предпочтительно изготавливают в тщательно контролируемых условиях. Каждую часть такого составного анода устанавливают так, что она функционирует самостоятельно, но вместе части действуют, как единый анод. Части должны быть соединены вместе таким образом, чтобы их коррозия проходила, по существу, только на их внешних открытых поверхностях. В частности, следует обеспечить отсутствие преждевременной коррозии расходуемого материала в области его электрического соединителя с защищаемой структурой до полной коррозии материала, расположенного на удалении от этого соединителя, в частности, когда электрический соединитель установлен в материале со смещением, то есть расположен не по центру.

В US 5,294,396 описан сегментированный анод, предназначенный для непосредственного соединения с защищаемым трубопроводом.

В отличие от этого, аноды в соответствии с настоящим изобретением соединяют электрически с защищаемой структурой только опосредованно через их электрический соединитель, без прямого электрического контакта расходуемого материала анода со структурой.

В соответствии с настоящим изобретением предложен составной расходуемый анод, предназначенный для погружения в коррозийную среду, содержащий множество отливок расходуемого материала, каждая из которых расположена вокруг соответствующего электрического соединителя, предназначенного для соединения с защищаемой структурой, причем часть поверхности каждого сегмента защищена от коррозионной среды, благодаря тому, что она расположена рядом, по меньшей мере, с одним другим сегментом, в котором отливки соединены вместе электрически только через их электрические соединители.

Благодаря соединению с защищаемой структурой через электрический соединитель, каждая отливка ведет себя как часть или сегмент большого составного анода. Физическое, но не электрическое соединение между составным анодом и защищаемой структурой может быть обеспечено с помощью тросов, ремней, клеящих материалов или подобных средств в соответствии с необходимостью.

Предпочтительно каждый электрический соединитель расположен в своей соответствующей отливке в направлении литья, и расходуемый материал каждой отливки защищен от внешней коррозии в области его соединения с соединителем.

Настоящее изобретение также направлено на способ производства составного расходуемого анода, предназначенного для погружения в коррозионную среду и имеющего электрическое соединение, предназначенное для соединения с защищаемой структурой, причем этот способ содержит литье множества сегментов расходуемого материала, каждый из которых находится в контакте с соответствующим электрическим соединителем, причем каждый соединитель расположен, по меньшей мере, частично внутри своего соответствующего отдельного сегмента, и электрическое соединение сегментов вместе выполняют только через их электрические соединители.

Сегменты составного анода могут быть сгруппированы вместе с использованием множества различных компоновок, таких как цепь или круг, но для обеспечения максимального срока службы составного анода сегменты предпочтительно расположены в форме блока, в котором каждый сегмент расположен рядом, по меньшей мере, с двумя другими сегментами. Электрическая изоляция между соседними сегментами может быть обеспечена тем, что их устанавливают на некотором расстоянии друг от друга с установкой между ними изолирующего слоя, например, с нанесением защитного покрытия из изолирующей смолы или мастики. Внешняя форма составного анода может быть кубической, прямоугольной, цилиндрической или он может иметь любую другую правильную или неправильную сплошную форму, в зависимости от конкретной коррозионной среды, в которую предполагается погружать анод, в частности, если требуется устанавливать его внутри или вокруг структуры, для защиты которой он предназначен. Форма каждого сегмента может изменяться в соответствии со сплошной формой составного анода и формой расположенных рядом друг с другом сегментов. Соответствующие формы сегмента представляют собой куб, прямоугольник, сектор и конус.

Каждый электрический соединитель предпочтительно выполнен, по существу, прямым и полностью совмещен с направлением литья своего сегмента, хотя возможны некоторые отклонения. Каждый соединитель, в общем, выполнен гладким, хотя некоторая шероховатость, волнистость, бороздки и т.п. могут обеспечить хорошее электрическое и физическое соединение с расходуемым материалом. Отдельный соединитель также может быть выполнен в форме множества отдельных соединителей, внедренных в одну и ту же отливку.

В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения устойчивую к воздействию воды мастику или смолу используют для покрытия поверхности сегментов вокруг их открытых соединителей, где соединители расположены на поверхности сегментов или рядом с ней. Предпочтительно каждый сегмент выполнен идентично, и их собирают вместе с другими сегментами для формирования составного анода в форме блока, причем образующиеся зазоры в промежутках между сегментами заполняют электрически изолирующей устойчивой к воздействию воды мастикой или смолой для исключения коррозии внутри составного анода. Обычно при такой компоновке отдельные соединители отливают в позиции, смещенной от центра каждого сегмента, так что при сборке вместе соединители устанавливаются плотно друг к другу, что, таким образом, упрощает их соединение.

Предпочтительно внутри составного анода отсутствуют полости, то есть сегменты продолжаются, по существу, до центра анода, причем любое внутреннее пространство между сегментами заполняют мастикой или смолой.

Благодаря установке на каждом сегменте собственного электрического соединителя и совместному соединению отдельных электрических соединителей обеспечивается электрическая цепь между каждым сегментом анода и защищаемой структурой в течение срока коррозии каждого сегмента.

Дополнительные физические соединения могут быть обеспечены между различными сегментами, например, путем связывания их вместе одной или больше лентами, но любое такое дополнительное соединение должно быть неэлектропроводным и не должно приводить к образованию полостей между сегментами, в которые может попадать коррозийная среда во время коррозии составного анода. Устойчивая к воздействию воды мастика или смола, поэтому, должна заполнять любые зазоры, предпочтительно полностью, между этими сегментами так, что, даже когда сегменты хорошо корродируют, их дальнейшая коррозия продолжается, по существу, только на их внешних поверхностях, а не между ними. Обычно в качестве электроизолирующей мастики или смолы используют асфальт или полиуретановую смолу.

В наиболее предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения каждый сегмент, выполненный, предпочтительно, из магния или магниевого сплава, отливают с использованием бесслитковой технологии литья (БЛ, DC). Этот способ производства используют в настоящее время для получения магниевых слябов или плашек, как описано, например, в Grandfield J. и McGlade P. "DC Casting of Aluminium: Process Behaviour Magnesium Technology", Materials Forum Australia, Volume 20, 1996, p.29-51. Предпочтительный способ литья представляет собой модификацию этого известного способа производства, который позволяет вводить электропроводную вставку в отливаемую плашку или сляб из магния или магниевого сплава для получения анода. Схематично это показано на фигуре 3 и будет описано более подробно ниже, при этом каждую вставку, предпочтительно, устанавливают со смещением от цента рядом со стенкой формы и совмещают с направлением литья.

Каждая вставка, смещенная от центра, предпочтительно представляет собой гальванизированную прямую, гладкую пластину из мягкой стали, которая выступает из ее соответствующей отливки так, что, когда сегменты составного анода собирают вместе, их соответствующие вставки могут быть соединены вместе для обеспечения как механического, так и электрического соединения с защищаемой структурой. Обычно выступающие края вставок сваривают вместе и соединяют с основным соединителем, таким как клемма кабеля, который выполнен как единая с ним деталь, или с использованием другого способа прикрепляют к вставкам, например, с помощью сварки для обеспечения электрического соединения с защищаемой структурой.

Один вариант выполнения настоящего изобретения будет описан ниже в качестве примера со ссылкой на прилагаемые фигуры 2 и 3.

Составной анод (10) в форме прямоугольного блока с квадратным поперечным сечением состоит из четырех прямоугольных сегментов (12) с квадратным поперечным сечением, которые составлены вместе в форме блока. Каждый сегмент (12) сформирован путем непрерывного литья расходуемого магниевого сплава, как будет описано ниже. Для предотвращения коррозии внутри анода (10) расположенные рядом друг с другом поверхности сегментов (12) покрывают изолирующей мастикой или смолой (14) перед сборкой вместе для формирования блока. Четыре сегмента (12) располагают рядом друг с другом так, что они не касаются непосредственно друг друга вдоль их длины внутри анода (10). Каждый сегмент (12) содержит вставку в форме стальной полосы (17 на фигуре 3), которая продолжается через всю длину соответствующего сегмента и выходит за пределы обеих торцевых поверхностей соответствующего сегмента (12). Пластины установлены со смещением, и все четыре пластины соединены друг с другом в их открытом месте, где они продолжаются из своих сегментов, с использованием сварки.

К одному из приваренных соединений приварена кабельная клемма (15), и на обоих торцах соединенных сегментов сварные соединения дополнительно покрыты мастикой (14а) так, что открыта только кабельная клемма (15). Электрический провод или кабель (не показан) затем прикрепляют к открытой кабельной клемме (15) для соединения составного анода (10) с защищаемой структурой (не показана).

Как показано на фигуре 3, устройство для непрерывного литья сегментов (12) по фигуре 2 содержит обычную подвижную литейную платформу (31), форма (32) и кольца (33) распыления воды расположены обычным образом для бесслиткового литья.

Расплавленный расходуемый магниевый (16) сплав подают в форму из резервуара (34). Расплавленный металл охлаждают в управляемых условиях с использованием воды, подаваемой через разбрызгивающие кольца (33), по мере того как литейную платформу (31) опускают для формирования отлитого сегмента (12).

Для обеспечения электрического соединения с каждым отлитым сегментом (12) заостренную стальную вставку (17) удерживают вертикально в литейной форме (32) так, что сплав (16) отливают вокруг пластины (17). Пластина (17) расположена со смещением от центра, но совмещена с направлением литья, что упрощает ее соединение с пластинами других сегментов (12), как показано на фигуре 2.

Для обеспечения совместного соединения соответствующих краев четырех пластин (17) четырех сегментов (12) пластина (17), которую отливают, как показано на фигуре 3, слегка выступает за пределы основания подвижной литейной формы (35) и также остается выступающей наружу из верхней части сегмента (12) после окончания литья.

Использование такого способа БЛ для отливки сегментов (12) позволяет организовать однородный, управляемый процесс с быстрым охлаждением каждого сегмента с использованием управляемого непосредственного охлаждения отливки путем распыления воды. В результате обеспечивается улучшенная электрохимическая эффективность композитного анода по сравнению с анодом с таким же размером, отлитым в постоянную литейную форму.

В таблице представлены типичные значения выходной емкости анодов, отлитых обычным способом, по сравнению с анодами, полученными способом БЛ.

Типичные значения энергетической емкости литых анодов по сравнению с анодами, полученными способом БЛ литья.
Тип анода	Энергетическая емкость (А·ч/кг)
Обычное литье	700-1000
БЛ литье	1200-1700

Настоящее изобретение в особенности пригодно для изготовления очень крупных анодов, например, порядка 5 тонн. Благодаря комбинированию двух или больше секций анодов вместе, составной анод проявляет поведение одного большого анода. Секции, используемые в составном аноде, могут быть изготовлены с использованием БЛ литья или обычного литья в постоянную форму. В любом случае изготовленный анод обеспечивает улучшенную электрохимическую эффективность по сравнению с единым анодом, отлитым в постоянной форме, с таким же размером, поскольку при этом обеспечиваются лучшее охлаждение и более высокая скорость отверждения отдельных сегментов и с большей степенью контроля, чем в случае отливки всего одновременно анода.

Благодаря совместному соединению вставок каждого сегмента и герметизации промежутков между ними с использованием, предпочтительно, асфальта, обеспечивается коррозия составного анода только снаружи, и, следовательно, обеспечивается электрическое напряжение и ток, эквивалентные аноду, выполненному в виде единого блока.

1. Составной расходуемый анод, предназначенный для погружения в коррозионную среду, содержащий множество отливок из расходуемого материала, каждая из которых расположена вокруг соответствующего электрического соединителя, предназначенного для соединения с защищаемой структурой, часть поверхности каждой отливки защищена от коррозионной среды благодаря тому, что ее располагают рядом с, по меньшей мере, одной другой отливкой, при этом отливки соединяют электрически вместе только через их соответствующие электрические соединители, и в котором вес составного анода превышает 10 кг.

2. Анод по п.1, в котором составной анод выполнен в форме блока.

3. Анод по п.2, в котором блок выполнен круглым, квадратным или прямоугольным в поперечном сечении.

4. Анод по любому из пп.1-3, вес которого превышает 100 кг.

5. Анод по п.1, в котором отливки соединяют вместе с помощью устойчивой к воздействию воды мастики или смолы.

6. Анод по п.5, в котором устойчивой к воздействию воды мастикой или смолой покрывают поверхность каждой отливки вокруг ее электрического соединителя.

7. Анод по п.1, в котором каждый электрический соединитель выполнен, по существу, прямым.

8. Анод по п.5, в котором мастикой или смолой полностью заполняют все зазоры между отливками.

9. Анод по п.1, в котором отливки выполнены идентичными.

10. Анод по п.1, состоящий из от двух до шести отливок.

11. Анод по п.1, в котором расходуемый материал представляет собой магний или сплав магния.

12. Анод по п.11, в котором расходуемый материал представляет собой сплав, состоящий, по существу, из магния и от 0,15 до 1,3 мас.% марганца.

13. Способ изготовления составного расходуемого анода, предназначенного для погружения в коррозионную среду и имеющего электрическое соединение для соединения с защищаемой структурой, содержащий литье множества сегментов из расходуемого материала, каждый из которых находится в контакте с соответствующим электрическим соединителем, причем каждый соединитель расположен, по меньшей мере, частично внутри своего соответствующего отдельного сегмента, соединение сегментов вместе для формирования составного анода так, что часть поверхности каждого сегмента защищена от коррозионной среды благодаря тому, что ее помещают рядом с, по меньшей мере, одним другим сегментом, и электрическое соединение сегментов вместе осуществляется только через их электрические соединители, при этом вес составного анода превышает 10 кг.

14. Способ по п.13, в котором составной анод выполнен в форме блока.

15. Способ по п.14, в котором блок имеет круглое, квадратное или прямоугольное поперечное сечение.

16. Способ по любому из пп.13-15, в котором вес составного анода превышает 100 кг.

17. Способ по п.13, в котором отливки соединяют вместе с помощью устойчивой к воздействию воды мастики или смолы.

18. Способ по п.17, в котором устойчивую к воздействию воды мастику или смолу наносят так, что она покрывает поверхность каждого сегмента вокруг его электрических соединителей.

19. Способ по п.13, в котором каждый электрический соединитель выполнен, по существу, прямым.

20. Способ по п.17, в котором мастикой или смолой полностью заполняют все зазоры между отливками,

21. Способ по п.13, в котором каждый сегмент выполнен идентичным.

22. Способ по п.13, в котором анод состоит из от двух до шести сегментов.

23. Способ по п.13, в котором каждый сегмент сформирован путем непрерывного литья.

24. Способ по п.23, в котором каждый сегмент принудительно охлаждают.

25. Способ по п.24, в котором охлаждение обеспечивают с использованием воды.

26. Способ по п.13, в котором литье выполняют с использованием бесслиткового литья.

27. Способ по п.13, в котором расходуемый материал представляет собой магний или сплав магния.

28. Способ по п.27, в котором расходуемый материал представляет собой сплав, состоящий, по существу, из магния и от 0,15 до 1,3 мас.% марганца.