CC BY
54УДК 620.197
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ АНОДНЫХ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ Зенцов В.Н., Асташина М.В., Лапшакова И.В.
ФГОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» 450044, г. Уфа, Космонавтов 1,aqua_ufa@mail.ru
Аннотация. Анодные заземлители служат для подачи тока в грунт при защите подземного сооружения. Они должны обладать простотой установки, большим сроком службы и наименьшей стоимостью материала. Изучены химический состав и технические характеристики отвала Башкирского медно-серного комбината (БМСК). Предложены составы активатора БМСК для магниевых и цинковых анодных заземлителей. Дана сравнительная характеристика глубинных анодных заземлителей и анодных заземлителей малого заложения. Представлена конструкция анодных заземлителей малого заложения с активатором БСМК. Введение в смесь в активатора гипса, глины, глауберовой соли улучшает качество анодных заземлителей. Использование анодного заземлителя малого заложения с активатором БМСК позволит повысить надежность и долговечность системы катодной защиты, уменьшить затраты на сборку и монтаж. Ключевые слова: глубинный анодный заземлитель, анодный заземлитель малого заложения, катодная защита, активатор анодных заземлителей.
ВВЕДЕНИЕ
Внешняя поверхность подземных
металлических сооружений подвергается
электрохимической коррозии, которая в
зависимости от условий может быть вызвана
взаимодеиствием наружной поверхности металла с почвой или грунтом (почвенная коррозия) или взаимодействием на металл блуждающих токов (коррозия блуждающими токами,
электорокоррозия).
Как известно, одними из главных составляющих средств катодной защиты подземных сооружений и коммуникаций от коррозии являются анодные заземлители. До определенного времени их изготавливали преимущественно из остатков металлических конструкций, арматуры и другого металлолома. Такой подход не способствовал точному прогнозированию свойств изготавливаемого анода и степени катодной защиты. Кроме того, решение проблемы долговечности анодных заземлителей
Таблица 1. Состав анодных заземлителей Table 1. Composition of anode earthing
при стекании с них постоянного тока могло идти по единственному пути - замена стали иными материалами [1-6].
Условия работы анодного заземлителя существенно отличаются от условий работы остальных узлов системы катодной защиты. Это обусловлено тем, что все металлические элементы заземлителя находятся под положительным потенциалом относительно грунта. Поэтому при недостаточно высоком качестве изоляции или ухудшении ее качества в процессе эксплуатации эти элементы подвергаются электрокоррозии стекающим с них током [4].
ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ АНОДНОГО ЗАЗЕМЛИТЕЛЯ
При выборе материалов для анодов в установках катодной защиты часто останавливаются на наиболее простом и доступном материале, который не был бы дорогостоящими и не требовал бы частой замены[1].
Удельное Масса активатора, 100%
сопротивление Магниевые аноды Цинковые аноды
грунта .f^, Ом м Гипс, Бентонит, Трепел, Na2 SOir Гипс, Бентонит, N аг SO
% % % % % % %
До 20 65 15 15 5 25 75 -
25 75 - - 50 45 5
От 20 до 100 70 10 15 5 75 20 5
75 20 - 5 - - -
50 40 - 10 - - -
Свыше 100 65 10 10 15 - - -
25 50 - 25 - - -
Одним из таких материалов, отвечающий всем выше перечисленным требованиям является отвал Башкирского медно-серного комбината (БМСК). Удельное сопротивление сухого отвала определенное по четырехэлектродной схеме и составляет 20 Омм, рН водной вытяжки 3,5 - 4,5. При влажности 25% и более удельное сопротивление отвала резко снижается и не превышает 1,0 Омм.
Химический состав отвала включает в себя до 30% сернистых соединений, а также в небольших количествах медь, цинк, вольфрам, молибден, свинец, кобальт, кадмий и некоторые другие металлы. Плотность отвала БМСК (в дальнейшем активатор БМСК) составляет 1,9 г/см3 [7-11].
В таблице 1 приведены типовые составы активатора для магниевых и цинковых анодных заземлителей.
Глубинные анодные заземлители
Существует сотни типоразмеров анодных заземлителей, каждый из которых выполняет определенную функцию. Для защиты от коррозии различных объектов и сооружений в различных условиях эксплуатации применяют различные типы анодных заземлителей с активатором. Наиболее широко применяемые скважные или глубинные анодные заземлители (рис. 1) [12].
Рис. 1. - Глубинный анодный заземлитель: а - общий вид; б - сечение А - А.:1 - анодный заземлитель; 2 -центральный металлический электрод; 3 - длинномерные пластины; 4 - слой активатора; 5 - цилиндр; 6 - торцы; 7 -промежутки между торцами цилиндра.
Fig. 1. - Depth anode earthing device: a - general view; b - section A-A .: 1 - anodic earth electrode; 2 - central metal electrode; 3 - long plates; 4 - activator layer; 5 - cylinder; 6 - end faces; 7 - gaps among ends of the cylinder
Глубинные анодные заземлители имеют такие достоинства, как меньшая зависимость сопротивления от атмосферных осадков и меньшие размеры площадки под заземление. Существенными недостатками является трудность выполнения заземления ввиду необходимости забивки труб на глубину до 40 м, а также значительные потери электрического тока, так как анодный заземлитель находится за значительном расстоянии от линии трубопровода при работе всей системы катодной защиты. Кроме того, стекая с глубинного заземлителя, электрический ток может «натекать» на подземные сооружения находящиеся рядом с защищаемым объектом. Глубинные анодные заземлители конструктивно достаточно металлоемкие, так как содержат две
концентрически расположенные стальные трубы. [6, 13-16].
Анодные заземлители малого заложения с активатором БСМК
Было предложено использовать анодные заземлители малого заложения с активатором БСМК. Они представлют собой вертикальный анодный заземлитель длиной Ьа.з=825 мм; длина цилиндра активатора Ьц.а=790 мм; диаметр цилиндра активатора ^а.з = 123 мм; диаметр электрода ^=30 мм; длина элемента 4=700 мм (рис.2).
Рис. 2. - Анодный заземлитель малого заложения:1 - анодный заземлитель; 2 - центральный металлический электрод; 3 - длинномерные пластины; 4 - слой активатора; 5 - цилиндр; 6 - торцы.
Fig. 2. - Anode grounding device of small laying: 1 - anodic earth electrode; 2 - central metal electrode; 3 - long plates; 4 - activator layer; 5 - cylinder; 6 - end faces
Полной заводской готовности к применению анодный заземлитель малого заложения состоит из анодного заземлителя 1, центрального металлического электрода 2, металлических элементов в виде длинномерных пластин 3. Электрод 2 и элементы 3 окружены слоем активатора 4 в виде цилиндра 5 с торцами 6.
Элементы 3 закреплены вдоль образующих электрода 2 равномерно по окружности и имеют с электродом 2 гарантированную электрическую и механическую связи. Электроды 2 анодных заземлителей 1 соединены между собой и образуют единый электрический проводник и равнопрочный по длине стержень. Промежутки 7 между торцами цилиндров 5 активатора 4 заполнены активатором БСМК 4 вплоть до поверхности цилиндров 5. Активатор БСМК 4 обладает значительной адгезией по отношению к металлу электрода 2 и элементов 3.
Добавление в смесь активатора гипса способствует равномерному износу заземлителя
малого заложения. Гипс имеет значительно меньшую адгезию, чем №2804 благодаря чему в активаторе поддерживается постоянная
концентрация сульфат-ионов. Бентонит и трепел (кизельгур) вводят для поддержания в активаторе влаги, кроме того глина замедляет растворение солей грунтовыми водами, сохраняя постоянную проводимость и удлиняя срок службы активатора.
Глауберова соль (№2804-10^0) дает легкорастворимые соединения с продуктами коррозии, тем самым обеспечивает постоянство потенциала анодного заземлителя и резко уменьшает удельное сопротивление грунта, окружающего его. Путем увеличения в активаторе №2804 в высокоомных грунтах можно снизить удельное сопротивление грунта, окружающего протектор. Для магниевых анодов в качестве активатора можно также применить смеси сернокислых солей с глиной (таблица 2) [7, 8, 10, 11].
Таблица 2. Состав активатора Table 2. Composition of the activator
Состав активатора, %(вес)
Сернокислый магний Сернокислый натрий Сернокислый кальций Глина
35 - 15 50
20 15 15 50
25 - 25 50
Анодный заземлитель малого заложения собирается из отдельных анодных заземлителей 1, изготовленных на заводе, полностью готовых к применению как в гирлянде глубинного анодного заземлителя, так и отдельно. Подсоединение кабеля к электроду 2 возможно с двух концов, в другом
случае один конец глушится изоляцией. Соединение электродов 1 между собой производят при сборке анодного заземлителя малого заложения последовательно. Также
последовательно заполняют промежуток 7 шириной 1п между торцами 6 цилиндра 5
активатора 4, активатором 4. Промежуток между поверхностью цилиндра 5 и стенками скважины заполняют гравием, песком и т. п.
При подсоединении анодного заземлителя малого заложения к катодной станции возникает электрический ток между заземлителем и защищаемым сооружением, под воздействием которого протекает электрохимический процесс на анодном заземлителе. Газовые продукты свободно проходят через активатор 4, поскольку он наделен для этого необходимой степенью пористости. Цилиндр 5 активатора 4 увеличивает площадь контакта заземлителя с грунтом. Активатор 4 обладает необходимой прочностью,
гарантированно удерживается на электроде 2, за счет его адгезии к металлу, гарантированно обеспечивается и электрический контакт с электродом 2 и элементами 3.
Необходимости в металлическом или из иного материала кожухе для удержания активатора нет. Элементы 3 способствуют равномерному растеканию тока с электрода 2 и в первую очередь подвергаются электрохимической коррозии, защищая тем самым электрод 2, что позволяет выбрать диаметр электрода 2 ёэ наименьшим из всех вариантов, что вкупе с отсутствием кожуха, трубчатого элемента как у прототипа, позволяет значительно сэкономить расход металла. Активатор 4 по физико-механическим свойствам подобен асфальту, при низких отрицательных температурах теряет пластичность и склонен к хрупкому излому, к тому же он имеет большую изгибную жесткость, чем его предшественник глубинный анодный заземлитель. А это в свою очередь, уменьшает вероятность возникновения непредвиденных изгибных нагружений при транспортировке и монтаже к прогибу анодного заземлителя 1 и образованию трещины в активаторе 4, оголению электрода 2, и в конечном счете к преждевременному выходу из строя анодного заземлителя малого заложения в целом. Установка элементов 3 в виде длинномерных пластин вдоль образующих электрода 2 позволяет повысить жесткость электрода 2 до необходимого уровня и избегать последствий подобных ситуаций.
ВЫВОДЫ
Защитный эффект при использовании активатора БМСК с цинковым анодом составляет не менее 92% (без активатора 76%). Коэффициент полезного использования анодного заземлителя малого заложения с активатором БМСК составляет 99%(без активатора 40%)
Применение анодных заземлителей малого заложения возможно использовать совместно с катодными станциями трансформаторного и инверторного (высокочастотного) типов, таких ведущих научно-производственный предприятий как ООО ПП «Континиум» г. Уфа. Они позволят повысить надежность и долговечность системы катодной защиты, с малыми затратами на сборку и
монтаж, и с высокими качественными характеристиками.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Курас, М. В. Основы коррозии и защита объектов водоснабжения и водоотведения [Текст] : учеб.пособие / М. В. Курас, В. Н. Зенцов, М. С. Клявлин ; Уфим. гос. нефт. техн. ун-т. - Уфа : УГНТУ, 2013. - 141 с.
2. Зенцов В.Н. О методах защиты заземленных сооружений от почвенной коррозии /Лапшакова И.В., Зенцов В.Н.//Проблемы строительного комплекса России. Материалы VI Международной научно-технической конференции при VI Международной специализированной выставке «Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство - 2002»/ 2002. С. 169-170.
3. Современные системы защиты от электрохимической коррозии подземных коммуникаций Рахманкулов Д.Л., Кузнецов М.В., Габитов А.И., Зенцов В.Н., Кузнецов А.М. - Уфа, 1999. Том 1 катодная защита густоразветвленной сети подземных трубопроводов.
4. Противокоррозионная защита трубопроводов и резервуаров: Учеб.для вузов/М.В.Кузнецов, В.Ф.Новоселов, П.И.Тугунов, В.Ф.Котов. - М.:Недра, 1992. - 238 с.
5. Зенцов В.Н. О методах защиты заземленных сооружений от почвенной коррозии /Зенцов В.Н., Лапшакова И.В.// Проблемы строительного комплекса России Материалы VI Международной научно-технической конференции при VI Международной специализированной выставке "Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство - 2002"/. 2002. С. 169-170.
6. Исторические аспекты разработки и производств анодных заземлителей для защиты от электрохимической коррозии Зенцов В.Н. автореферат дис. ... кандидата технических наук / Уфа, 2000
7. Состав для изготовления анодных заземлителей. Зенцов В.Н., Кузнецов М.В., Абызгильдин Ю.М. патент на изобретение RUS 2229537 23.12.2002.
8. Состав для изготовления анодных заземлителей. Зенцов В.Н., Зенцова Э.В., Пинегина А.Н., Рахманкулов Д.Л патент на изобретение RUS 2299274 12.12.2005.
9. Глубинный анодный заземлитель и активатор глубинного анодного заземлителя. Зенцов В.Н., Исламов Р.Р., Рабаев Р.У., Кускильдин Р.А. патент на изобретение RUS 2452796 28.02.2011.
10. Состав для изготовления анодных заземлителей. Зенцов В.Н., Исламов Р.Р., Рабаев Р.У., Исламов А.Р., Ахметов А.Ф. патент на изобретение RUS 2453633 12.11.2010.
11. Состав для изготовления анодных заземлителей Зенцов В.Н., Ахметов А.Ф., Рабаев Р.У., Исламов Р.Р., Ивушкина Д.В. патент на изобретение RUS 2455393 03.05.2011.
12. Патент РФ №2196190, 10.01.2003. Зенцов В.Н., Акульшин М.Д., Рахманкулов Д.Л., Кузнецов
A.М., Соловьев Р.А.Глубинный анодный заземлитель//Патент России №2196190, 2003.
13. Глубинный скважинный анодный заземлитель. Зенцов В.Н., Акульшин М.Д., Кузнецов А.М., Лапшакова И.В Патент на изобретение RUS 2210628, 13.05.2002 .
14. Глубинный анодный заземлите ль стержневой (варианты) Зенцов В.Н., Акульшин М.Д., Кузнецов А.М. патент на изобретение RUS 2210629 13.05.2002.
15. Скважинный анодный заземлитель Зенцов
B.Н., Акульшин М.Д., Кузнецов А.М., Соловьев Р.А. патент на изобретение RUS 2216608 13.05.2002.
16. Способ повышения качества глубинного анодного заземления и устройство для его осуществления. Зенцов В.Н., Акульшин М.Д., Рахманкулов Д.Л., Пинегина А.Н., Зенцова Э.В., Хайретдинов А.Н. патент на изобретение RUS 2280100 02.02.2005.
17. Зенцов В.Н. Анодные заземлители малого заложения /Лапшакова И.В., Асташина М.В. // Водоснабжение, водоотведение и системы защиты окружающей среды Статьи и тезисы. /2017. С. 181184.
REFERENCES
1. Kuras M.V. Basics of corrosion and protection of water supply and sanitation facilities. [Text]: textbook / M.V. Kuras, V.N. Zentsov, M.S. Klyavlin; Ufa State Petroleum Technological University. - Ufa: USPTU, 2013. - 141 p.
2. Zentsov V.N. About methods of protection of grounded constructions from soil corrosion / Lapshakova I.V., Zentsov V.N. // Problems of a building complex of Russia. Materials VI International Scientific and Technical Conference at the VI International Specialized Exhibition "Construction, Architecture, Public Utilities - 2002" / 2002. P. 169170.
3. Modern systems of protection against electrochemical corrosion of underground communications. Rakhmankulov D.L., Kuznetsov M.V., Gabitov A.I., Zentsov V.N., Kuznetsov A.M. -Ufa, 1999. Volume 1. Сathodic protection of a dense branched network of underground pipelines.
4. Anticorrosive protection of pipelines and tanks: Textbook for higher education institutions / M.V. Kuznetsov, V.F. Novoselov, P.I. Tgugunov, V.F.Kotov. - Moscow: Nedra, 1992. - 238 p.
5. Zentsov V.N. On methods of protecting grounded structures from soil corrosion / Zentsov V.N., Lapshakova I.V. // Problems of the Russian
construction complex. Materials VI International Scientific and Technical Conference at the VI International specialized exhibition "Construction, Architecture, Public Utilities - 2002". 2002. pp. 169170.
6. Historical aspects of the development and production of anode earthing switches for protection against electrochemical corrosion. Zentsov V.N. Abstract of the dis. . Candidate of Technical Sciences. - Ufa, 2000.
7. Composition for the manufacture of anode earthing. Zentsov V.N., Kuznetsov M.V., Abyzgildin Yu.M. patent for invention RUS 2229537 23.12.2002.
8. Composition for the manufacture of anode earthing. Zentsov V.N., Zentsova E.V., Pinegina A.N., Rakhmankulov D.L. patent for the invention RUS 2299274 12.12.2005.
9. Depth anode grounding rod and activator of deep anode earthing. Zentsov V.N., Islamov R.R., Rabaev R.U., Kuskildin R.A. patent for invention RUS 2452796 28.02.2011.
10. Composition for the manufacture of anode earthing. Zentsov VN, Islamov RR, Rabayev RU, Islamov AR, Akhmetov AF patent for invention RUS 2453633 12.11.2010
11. Composition for the manufacture of anode grounders Zentsov V.N., Akhmetov A.F., Rabayev R.U., Islam R.R., Ivushkina D.V. patent for invention RUS 2455393 03.05.2011.
12. Patent of the Russian Federation No. 2196190, January 10, 2003. Zentsov V.N., Akulshin M.D., Rakhmankulov D.L., Kuznetsov A.M., Soloviev R.A. A deep anode earth electrode .- Patent of Russia No. 2196190, 2003.
13. Deep Well Anode Ground. Zentsov V.N., Akulshin M.D., Kuznetsov A.M., Lapshakova I.V. Patent for the invention RUS 2210628, May 13, 2002.
14. Deep anodic rod earth rod (variants) Zentsov V.N., Akulshin M.D., Kuznetsov A.M. patent for invention RUS 2210629 05.13.2002.
15. Downhole anode earthing device Zentsov V.N., Akulshin M.D., Kuznetsov A.M., Soloviev R.A. patent for invention RUS 2216608 05.13.2002.
16. Method for improving the quality of the external anomalous earthing and the device for its implementation. Zentsov V.N., Akulshin M.D., Rakhmankulov D.L., Pinegina A.N., Zentsova E.V., Khayretdinov A.N. patent for invention RUS 2280100 02.02.2005.
17. Zentsov V.N. Anode grounding switches of small laying / Lapshakova I.V., Astashina M.V. // Water supply, water disposal and environmental protection systems Articles and abstracts./ 2017. P.p. 181-184/
IMPROVEMENT OF ANODE EARTH CONSTRUCTION Zentsov V.N., Astashina M.V, Lapshakova I.V.
Summary Anode grounders serve to supply current to the ground while protecting an underground structure. They should have easy installation, long service life and the lowest material cost. The chemical composition and technical characteristics of the Bashkir Copper and Sulfur Combine (BCSC) are studied. Compositions of BCSC activators for magnesium and zinc anode grounders are proposed. The comparative characteristic of deep anodized earthing switches and anode earthing switches of shallow is given. The design of anode earthing switches of small capacity with activator BCSC is presented. The introduction of gypsum, clay, Glauber's salt into the mix improves the quality of anode earthing. The use of an abnormal shallow earthing switch with an activator of the BCSC allows increasing the reliability and durability of the cathodic protection system, reducing the cost of assembly and installation.
Key words: deep anode earthing electrode, anode low earth electrode, cathodic protection, activator of anode earthing.
