анодный заземлитель

Формула изобретения

1. Анодный заземлитель, содержащий последовательно установленные друг на друге малорастворимые электроды, имеющие в нижнем торце цилиндрическую полость с коническим входом, причем верхний конец каждого электрода входит в полость вышерасположенного электрода и образует с поверхностью полости линейный или точечный контакт, электрод с токовводом, размещенным в сводовой части полости электрода, и токоподводящий провод, соединенный с электродом через токоввод, отличающийся тем, что электроды выполнены с утолщением в зоне расположения полости, верхний торец каждого из электродов, кроме электрода, расположенного ниже электрода с токовводом, выполнен с острой кромкой, контактирующей с поверхностью конического входа полости вышерасположенного электрода, а верхний торец электрода, расположенного ниже электрода с токовводом, снабжен заостренным наконечником, контактирующим с поверхностью сводовой части полости электрода с токовводом.

2. Анодный заземлитель по п.1, отличающийся тем, что заостренный наконечник электрода, расположенного ниже электрода с токовводом, выполнен из коррозионно-стойкого металла или снабжен коррозионно-стойким электропроводным покрытием.

3. Анодный заземлитель по п.1, отличающийся тем, что токоввод выполнен в виде оголенной жилы токоподводящего провода, погруженной в легкоплавкий металл, например, свинец, в расплавленном состоянии, и расположен в сводовой части полости электрода.

4. Анодный заземлитель по п.1, отличающийся тем, что электроды снабжены центральным армирующим стальным стержнем, причем заостренный наконечник электрода, расположенного ниже электрода с токовводом, прикреплен к выступающему из электрода концу армирующего стержня.

5. Анодный заземлитель по п.4, отличающийся тем, что в электроде с токовводом нижний конец армирующего стержня снабжен боковыми выступами, например, в виде резьбы и выходит в полость электрода.

6. Анодный заземлитель по п.4, отличающийся тем, что верхняя часть армирующего стержня электрода, расположенного ниже электрода с токовводом, выполнена из коррозионно-стойкой стали и приварена к основной части армирующего стержня.

7. Анодный заземлитель по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены с различной площадью поперечного сечения и/или из материалов с различной анодной стойкостью, причем в интервалах грунта с высокой электропроводностью размещены электроды с более высокими, а в интервалах с низкой электропроводностью - электроды с более низкими значениями площади поперечного сечения и/или анодной стойкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к катодной защите подземных сооружений от коррозии и передаче электроэнергии постоянного тока по системе "провод - земля", а именно к заземляющим устройствам постоянного тока, и найдет применение во многих отраслях промышленности.

Известен глубинный анодный заземлитель, содержащий гирлянду из последовательно соединенных между собой и соединенных с магистральным кабелем электродных блоков. Электродные блоки размещены в заполненном активатором металлическом корпусе и состоят из двух соединенных между собой анодов, жестко связанных с корпусом (пат. РФ №2138106, кл. H 01 R 4/66, C 23 F 13/00 от 16.10.98 г.).

Недостатком заземлителя является сложность конструкции, особенно при большом количестве электродных блоков, т.е. при большой необходимой длине заземлителя, и низкая надежность из-за наличия электрических соединений электродов между собой и с магистральным кабелем, требующих тщательной изоляции твердеющим компаундом (смолой, лаком или битумом). Надежность заземлителя может снизиться также из-за того, что металлический корпус и другие металлические элементы крепления анодов в процессе работы заземлителя быстро разрушаются под действием стекающего с электродов анодного тока. При этом электроды смещаются вниз и начинают удерживаться только за счет магистрального кабеля и соединяющих электроды электрических проводов, что может привести к их повреждению.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является анодный заземлитель, содержащий последовательно установленные друг на друге электроды, имеющие в нижнем торце цилиндрическую полость с коническим входом, причем верхний конец каждого электрода, выполненный коническим, входит в полость вышерасположенного электрода и образует с поверхностью полости линейный или точечный контакт, и электрод с токовводом, размещенным в сводовой части полости электрода. Верхний конец каждого из электродов, кроме верхнего, выполнен заостренным для создания точечного контакта между острием конца электрода и поверхностью полости. В другом варианте полости электродов выполнены с острым выступом, взаимодействующим с боковой поверхностью суженного конца электрода с образованием линейного контакта (пат. РФ №1226561, кл. H 01 R 4/66 от 29.11.83 г.).

В этом заземлителе электроды имеют непосредственный контакт друг с другом под действием веса вышерасположенных электродов. Причем контакт носит линейный или точечный характер, что предотвращает попадание в контакт непроводящих частиц грунта, которые не только повышают продольное сопротивление заземлителя, но и изменяют характер проводимости между электродами - вместо электронной появляется ионная проводимость, которая сопровождается анодным растворением контактной зоны одного из электродов. Питающий кабель подводится только к электроду с токовводом. Причем в варианте с заостренными электродами токоввод расположен в верхней части полости электрода, являющейся по сути перевернутым стаканом, в который не может проникать вода.

Недостатком этого заземлителя является недостаточная надежность, обусловленная тем, что при транспортировке заостренные концы электродов повреждаются, особенно у электродов из такого хрупкого малорастворимого металла, как ферросилид. Это приводит к ухудшению контактов между электродами (появляется площадка в месте контакта двух электродов, куда могут попасть частицы грунта). Низкая надежность варианта с электродами, имеющими острые выступы в полости, обусловлена невозможностью размещения токоввода в водонепроницаемой полости, т.к. кабель будет препятствовать контактированию острых выступов с конической боковой поверхностью суженного конца электрода. Токоввод в этом варианте размещен в верхнем конце электрода и требует тщательной изоляции и ее сохранения при транспортировке и эксплуатации, т.к. при нарушении изоляции токоввода к нему попадает вода и начинается ускоряющееся во времени (за счет разрушающего изоляцию напора продуктов растворения металла, объем которых больше объема растворившегося металла) анодное растворение жилы кабеля.

Задачей изобретения является повышение надежности анодного заземлителя.

Поставленная задача решается тем, что в анодном заземлителе, содержащем последовательно установленные друг на друге малорастворимые электроды, имеющие в нижнем торце цилиндрическую полость с коническим входом, причем верхний конец каждого электрода входит в полость вышерасположенного электрода и образует с поверхностью полости линейный или точечный контакт, электрод с токовводом, размещенным в сводовой части полости электрода, и токоподводящий провод, соединенный с электродом через токоввод, согласно изобретению электроды выполнены с утолщением в зоне расположения полости, верхний торец каждого из электродов, кроме электрода, расположенного ниже электрода с токовводом, выполнен с острой кромкой, контактирующей с поверхностью конического входа полости вышерасположенного электрода, а верхний торец электрода, расположенного ниже электрода с токовводом, снабжен заостренным наконечником, контактирующим с поверхностью сводовой части полости электрода с токовводом.

Электроды могут быть снабжены центральным армирующим стальным стержнем, причем заостренный наконечник электрода, расположенного ниже электрода с токовводом, прикреплен к выступающему из электрода концу армирующего стержня.

Кроме того, токоввод может быть выполнен в виде оголенной жилы токоподводящего провода, погруженной в легкоплавкий металл, например свинец, в расплавленном состоянии, и расположен в сводовой части полости электрода. Причем в электроде с токовводом нижний конец армирующего стержня может быть снабжен боковыми выступами, например, в виде резьбы и выходит в полость электрода.

Верхняя часть армирующего стержня электрода, расположенного ниже электрода с токовводом, может быть выполнена из коррозионно-стойкой стали и приварена к основной части армирующего стержня.

Заостренный наконечник электрода, расположенного ниже электрода с токовводом, также может быть выполнен из коррозионно-стойкого металла или снабжен коррозионно-стойким электропроводным покрытием.

Электроды могут быть выполнены с различной площадью поперечного сечения и/или из материалов с различной анодной стойкостью, причем в интервалах грунта с высокой электропроводностью размещены электроды с более высокими, а в интервалах с низкой электропроводностью - электроды с более низкими значениями площади поперечного сечения и/или анодной стойкости.

В предлагаемом заземлителе верхние концы электродов не имеют конического сужения, что исключает возможность повреждения контактирующих точек. Если острые кромки верхних концов электродов при транспортировке и будут скалываться, то точечное или линейное контактирование будет происходить по неповрежденным частям кромок, т.е. возможные сколы кромок не оказывают влияния на надежность контакта двух электродов. Снабжение электрода, располагаемого под электродом с токовводом, заостренным наконечником позволяет осуществлять контакт этих электродов с образованием необходимого для пропуска питающего кабеля зазора между этими электродами. Это позволяет размещать токоввод в полости электрода, являющейся водонепроницаемой. Выполнение верхней части армирующего стержня и заостренного наконечника электрода, расположенного под токовводом, из коррозионно-стойкой стали исключает возможность атмосферной коррозии этих элементов в газонаполненной полости, где газ имеет практически стопроцентную влажность.

Выполнение электродов с различной площадью поперечного сечения и/или из материалов с различной анодной стойкостью, в зависимости от электропроводности окружающего электроды грунта, позволяет исключить ускоренное разрушение электродов в высокопроводящих интервалах грунта. Все это повышает надежность заземлителя.

На чертеже представлен продольный разрез анодного заземлителя (фиг.1) и вид А наконечника электрода, расположенного под токовводом (фиг.2).

Заземлитель состоит из основных электродов 1 (фиг.1), количество которых зависит от проектной длины заземлителя (на представленном чертеже показан только один из таких электродов), электрода 2 с токовводом и электрода 3 с заостренным наконечником 4 (фиг.2), расположенного под электродом 2 с токовводом. Все электроды имеют утолщенные нижние концы, в которых выполнены цилиндрические полости с коническим входом. Электроды по всей длине или по концам снабжены армирующим стержнем 5 из углеродистой стали. Верхняя часть 6 армирующего стержня электрода 3 с заостренным наконечником и сам наконечник 4 выполнены из коррозионно-стойкой стали. Наконечник 4 навернут по резьбе на выступающий из электрода конец армирующего стержня, причем для исключения проникновения влаги (конденсата, образующегося в газовой полости электрода 2 с токовводом) к армирующему стержню между наконечником и торцом электрода 3 размещают последовательно уплотнительную эластичную прокладку 7 и коррозионно-стойкую шайбу 8 (см. фиг.2).

Токоввод размещен в сводовой части полости электрода 2, в которую выходит нижний конец армирующего стержня 5. Электрический контакт жилы токоподводящего провода 9 с телом электрода в токовводе осуществляет свинцовая заливка 10. Для улучшения механической фиксации элементов токоввода конец армирующего стержня снабжен боковыми выступами в виде обычной резьбы, а конец жилы провода загнут или сплющен.

Заземлитель спущен в вертикальную скважину (шурф) 11. Кольцевое пространство между заземлителем и стенкой скважины заполнено электропроводным субстратом 12 (водой, глинистым раствором, земляной пульпой или коксовой мелочью). Верхнюю часть скважины, выше головки заземлителя, заполняют крупнопористым сыпучим материалом 13, например гравием, для облегчения выхода выделяющегося при работе заземлителя газа.

В грунтах с резкой послойной неоднородностью по удельной электропроводности напротив слоев грунта с высокой электропроводностью целесообразно устанавливать электроды с более высокой анодной стойкостью, или с большим поперечным сечением, или с большими стойкостью и поперечным сечением одновременно. В общем случае сечение S _i и анодная стойкость, определяемая скоростью анодного растворения материала анода q_i (чем меньше скорость анодного растворения, тем выше анодная стойкость), электродов в слоях грунта с удельной электропроводностью _i рассчитываются по формуле:

где S_i - площадь поперечного сечения электрода в i-м слое грунта, м² ; q_i - скорость анодного растворения материала электрода в i-м слое, кг/(А·год); _i - удельная электропроводность i-го слоя грунта, (Ом·м)^-1; S, q, - средние значения соответствующих параметров, рассчитываемые для однородного грунта.

Если поперечные сечения и скорости анодного растворения электродов в слоях грунта с различной электропроводностью удовлетворяют приведенной выше зависимости, то относительное анодное растворение (в % от начальной массы) всех электродов будет примерно одинаковым, что повышает срок службы заземлителя.

Анодный заземлитель работает следующим образом.

Постоянный электрический ток от источника (на чертеже не показан) по токоподводящему проводу 9 через токоввод 10 подается к электроду 2 и через наконечник 4 - к электроду 3. Часть тока стекает с электродов 2 и 3 в грунт через электропроводный субстрат 12, а оставшаяся часть тока через электрический контакт между электродами 1 и 3 перетекает в электрод 1 и стекает с него в грунт. В процессе стекания постоянного тока с малорастворимых электродов 1-3 на их рабочей поверхности происходит электрохимическая реакция разложения воды, сопровождаемая выделением молекулярного кислорода. Выделяющийся с поверхности электродов газ, поднимаясь вверх, заполняет все полости электродов, вытесняя из них воду. Это устраняет утечку тока с мест контактирования электродов между собой и места соединения провода с токовводом. Поэтому анодного растворения металлических элементов токоввода и электродов в зоне их контакта под действием стекающего с них тока не происходит. Эти элементы могут подвергаться только коррозии в атмосфере влажного газа. Для исключения этой коррозии достаточно выполнять элементы токоввода из коррозионно-стойкой стали (например, 08Х18Н10Т) или из стойких к атмосферной коррозии цветных металлов (свинца, олова, меди и ее сплавов и т.п.). Можно также выполнять некоторые из этих элементов (например, наконечник 4) из углеродистой стали, покрытой коррозионно-стойким электропроводным покрытием.

Предложенный заземлитель прошел длительные (более 5 лет) испытания в реальных условиях эксплуатация в ОАО "Татнефть" при электрохимической защите подземных сооружений и показал высокую надежность и работоспособность.