Станция защиты от коррозии импульсным током
Станция защиты от коррозии импульсным током предназначена для применения на промплощадках газоперекачивающих компрессорных станций, дожимных насосных станций нефтепроводов, для защиты от коррозии городских коммуникаций, железобетонных фундаментов домов, спортивных сооружений и других металлических объектов, где имеется большое количество металлических конструкций, например, трубопроводов, экранирующих друг друга при защите постоянным током. При защите этих объектов импульсным током вследствие эффекта растекания заряд, сообщенный металлическому сооружению, равномерно распределяется по его поверхности даже на те участки, которые были недоступны при прохождении постоянного тока. Станция защиты от коррозии импульсным током металлических сооружений, отличается тем, что параллельно выходу каждого источника постоянного тока подключен накопительный конденсатор большой емкости, обеспечивающий выходной импульсный ток во много раз превышающий зарядный ток этого конденсатора, а в качестве ключа, через который подаются импульсы тока на нагрузку, применяется мощный полевой транзистор, между этим транзистором и выходной клеммой установлен сильноточный диод, разделяющий внешнюю нагрузку и импульсную схему. Параллельно выходным клеммам импульсной схемы подсоединено устройство защиты от перенапряжений, предохраняющее станцию защиты от коррозии импульсным током от грозовых разрядов вблизи защищаемых сооружений, анодного заземлителя и подводящих к ним проводов, а на вводе в станцию защиты от коррозии импульсным током установлено еще одно устройство защиты от перенапряжений, предохраняющее станцию защиты от коррозии импульсным током от скачков напряжения в сети переменного тока и от грозовых разрядов вблизи подводящих переменное напряжение проводов.
Области техники
Станция защиты от коррозии импульсным током относится к устройствам катодной защиты и предназначена для защиты от коррозии протяженных объектов, как зарытых в землю, так и расположенных на опорах: газопроводов, нефтепроводов, нефтепродуктопроводов, водопроводов, нефтехранилищ и других емкостей, имеющих контакт с землей, железобетонных фундаментов и других инженерных сооружений.
Предшествующий уровень техники
Широко применяющиеся в настоящее время станции катодной защиты питаются от сети переменного тока 380/220 В частотой 50 Гц и выдают регулируемый постоянный ток [см., например, патент РФ 
2053432, М.Кл8. C23F 13/00, от 22.06.1995]. Однако в ряде случаев оказывается невозможным защищать вышеперечисленные объекты постоянным током: посторонние металлические конструкции, реки и ручьи (в том числе подземные) экранируют целые участки защищаемых объектов от тока, текущего от анодного заземлителя. Поэтому на станции катодной защиты приходится задавать повышенное напряжение и ток, чтобы продлить зону охвата катодной защитой протяженного объекта на эти участки. В этом случае при защите постоянным током вблизи точки подключения станции к защищаемому объекту (точки дренажа) выделяется водород, который проникает в материал трубы, постепенно охрупчивая его. Выделение водорода приводит также к отслаиванию защитного покрытия, сокращая тем самым его межремонтный интервал. Трубопроводы воздушной прокладки вообще не могут быть защищены постоянным током. Импульсный способ коррозионной защиты [см., патент РФ 2172087, М.Кл8. F16L 58/00, от 20.01.2000] лишен указанных недостатков.
Одним из первых импульсных устройств было устройство катодной защиты лодок [см., например, патент США 3242064, М.Кл8. C23F 13/00, от 22.03.1966]. Однако таким устройством нельзя было защищать от коррозии протяженные объекты.
В изобретении американского исследователя Т.Донигвиана [см., например, патент США 5324405, М.Кл8. C23F 13/00, от 28.06.1994] предлагается метод и система импульсной катодной защиты короткими (5-100 мкс) высокочастотными (1-5 кГц) импульсами железных металлических сооружений, таких как трубопроводы и обсадные колонны скважин, расположенные в проводящей среде. Однако высокая частота следования импульсов, примененная в данной системе, уменьшает зону защиты, а высокое напряжение недопустимо на нефтепроводах и газопроводах из соображений безопасности, что ограничивает область применения этого метода.
Наиболее близким техническим решением к предложенной станции катодной защиты импульсным током является импульсная система катодной защиты американского изобретателя Тадеуша Донигвиана [см. патент США RE 38581, C23F 13/00, от 14.09.2004]. В этой системе использовано устройство, состоящее из одного или нескольких источников постоянного тока (по числу раздельно защищаемых сооружений), которые питают источники импульсного тока, подсоединенные к непосредственно к защищаемым сооружениям и к одной сборке анодных заземлителей, общей для всех защищаемых сооружений. Всеми источниками импульсного тока управляет одна схема управления, обеспечивая тем самым синхронность работы всех источников импульсного тока. Схему управления можно настраивать по частоте и длительности импульса по своему усмотрению. Величину тока каждого источника импульсного тока также можно регулировать по своему усмотрению в зависимости от геометрических размеров и расстояния до защищаемого сооружения. Контроль за выходным током осуществляет специальное устройство, входящее в схему стабилизации постоянного тока. Схема управления позволяет регулировать длительность импульса от 5 до 100 мкс и величину среднего тока - до 15 А. Однако система катодной защиты протяженных сооружений на высокой частоте (несколько килогерц) обладает высоким индуктивным сопротивлением, которое пропорционально квадрату частоты, поэтому импульсным источники тока при защите протяженных сооружений должны иметь высокое напряжение (100-300 В), что недопустимо на трубопроводах, транспортирующих горючие вещества (газ, конденсат, нефть, нефтепродукты). Таким образом, высокое напряжение, применяемое в импульсных источниках тока, ограничивает область их применения.
Раскрытие полезной модели
С целью устранения отмеченных выше недостатков, предложено в станции защиты от коррозии импульсным током металлических сооружений, содержащих один или несколько источников постоянного тока, подсоединенных к одному или нескольким источникам импульсного тока, подключаемых к отдельным сооружениям или аноду ключами, в качестве которых применяются биполярные транзисторы с изолированными затворами, которые присоединены к схеме управления частотой и длительностью импульса тока, применять инфранизкие частоты 0,07-0,18 Гц и длительности импульсов не менее 1 с, для чего параллельно выходу каждого источника постоянного тока подключается накопительный конденсатор большой емкости, обеспечивающий выходной импульсный ток во много раз превышающий зарядный ток этого конденсатора, а в качестве ключа, подающего импульсы тока на нагрузку, применяется мощный полевой транзистор, для предотвращения попадания избыточного напряжения в источник импульсного тока, например, вследствие грозы или блуждающих токов, между этим транзистором и выходной клеммой установлен сильноточный диод, разделяющий нагрузку и импульсную схему.
На выходе импульсного устройства установлена схема контроля, представляющая собой светодиодный индикатор выхода. Индикаторный светодиод может быть дополнительно дооснащен другими приборами контроля, образуя в общем случае приборы контроля поступления импульсов тока к защищаемому сооружению. На выходе каждого импульсного источника тока установлена своя молниезащита, предохраняющая станцию защиты от коррозии импульсным током от наводок в трубопроводах, анодном заземлителе или проводах, соединяющих их со станцией защиты от коррозии импульсным током. На входе станции защиты от коррозии импульсным током также установлено устройство защиты от перенапряжений в сети, одновременно выполняющее функцию защиты от попадания молнии и наводок от молнии в сетевых проводах.
Краткое описание фигур чертежей
На фиг.1 показана функциональная схема одного канала станции защиты от коррозии импульсным током.
Лучший вариант осуществления полезной модели
Одним из оптимальных вариантов выполнения полезной модели является станция защиты от коррозии импульсным током, функциональная схема которой показана на фиг.1. Учитывая предыдущий опыт эксплуатации станций защиты от коррозии, выходивших из строя большой частью по причине грозы и превышения напряжения в питающей сети, в предлагаемом варианте большое внимание уделено грозозащите. Помимо штатного автомата ввода 1 установлено устройство защиты от перенапряжения 2 в сети, выполняющее одновременно функцию молниезащиты. Выходы каждого канала станции защиты от коррозии импульсным током также защищены от попадания молнии в защищаемые сооружения и анодный заземлитель, а также от наводок в проводах и блуждающих токов специальным устройством 10. В качестве источника постоянного тока 3 наиболее подходящим оказался безтрансформаторный стабилизированный блок питания с ограничением выходного тока, поскольку предназначен для зарядки накопительного конденсатора большой емкости 4. При сильном разряде этого конденсатора источник питания постоянного тока будет работать практически на короткозамкнутую нагрузку. При таких условиях эксплуатации источник питания другого типа немедленно выйдет из строя. Применение накопительного конденсатора большой емкости 4 обусловлено необходимостью получения довольно продолжительных (свыше 1 с) импульсов тока величиной до 100 А. Применение в качестве конденсатора большой емкости 4 молекулярного накопителя энергии (ионистора) позволило отказаться от применения тяжелых и крупногабаритных трансформаторных блоков питания. При необходимости молекулярные накопители энергии позволяют получать импульсные токи величиной до 400 А и более, необходимые, например, при защите морских подводных переходов. Транзисторный ключ 5, через который накопительный конденсатор большой емкости частично разряжается на нагрузку, работает в режиме насыщения, поэтому даже при большом токе падение напряжения на нем мало и, следовательно, на нем выделяется совсем небольшая мощность, поэтому для охлаждения транзистора можно использовать малогабаритный радиатор. Транзисторные ключи 5 одного или нескольких импульсных источников тока управляются одной схемой управления, представляющий собой задающий генератор прямоугольных импульсов 6, выполненный на микроконтроллере и нескольких транзисторах. Доступным для оператора является только один регулятор - регулятор частоты следования импульсов 7. Как показала практика, необходимости оперативной регулировки длительности импульсов нет: на инфранизких частотах заряд успевает растекаться равномерно по всей поверхности защищаемого сооружения в промежутках между импульсами. При необходимости, как длительность импульса, так и частоту следования импульсов можно изменять с помощью программатора или компьютера. Регулировка амплитуды импульсов осуществляется блоком диодно-резестивным, который в состав станции защиты от коррозии импульсным током не входит, а устанавливается отдельно на каждое защищаемое сооружение. Хотя технически такую регулировку можно осуществить, установив линейный режим усиления для каждого выходного транзистора, и с помощью потенциометра изменять амплитуду выходного напряжения. Но при этом многократно пришлось бы увеличивать размеры радиаторов и, что самое главное, такое техническое решение снизило бы показатели надежности работы устройства. При большой длительности импульса контроль за работой каждого канала станции защиты от коррозии импульсным током возможно осуществлять с помощью простого светодиодного индикатора 8. Переключатель режима работы 9 позволяет отдельно заряжать накопительный конденсатор большой емкости 4 при отключенном задающем генераторе импульсов 6, отключать зарядку накопительного конденсатора большой емкости 4 и задающий генератор импульсов 6, включать зарядку накопительного конденсатора большой емкости 4 и одновременно задающий генератор импульсов 6. Сильноточный диод 11 защищает полевой транзистор 5 от ЭДС самоиндукции, возникающих при прерывании тока на выходных клеммах Т и А от протяженных металлических устройств и от блуждающих токов.
Промышленная применимость
Наиболее целесообразно предложенную модель станции защиты от коррозии импульсным током применять на промплощадках газоперекачивающих компрессорных станций, дожимных насосных станциях нефтепроводов, городских коммуникаций, железобетонных фундаментов домов, спортивных сооружений и других металлических объектов, где имеется большое количество трубопроводов, экранирующих друг друга от защитного тока станцией катодной защиты постоянным током. При защите этих объектов импульсным током вследствие эффекта растекания заряд, сообщенный металлическому сооружению, равномерно распределяется по его поверхности даже на те участки, которые были недоступны при прохождении постоянного тока.
Станция защиты от коррозии импульсным током металлических сооружений, содержащая, по крайней мере, один или множество источников постоянного тока, подключаемых к соответствующим защищаемым сооружениям или к аноду ключами, в качестве которых применяются биполярные транзисторы с изолированным затвором, которые подсоединены к схеме управления частотой и длительностью импульсов тока, средство для измерения выходного тока, отличающаяся тем, что параллельно выходу каждого источника постоянного тока подключен накопительный конденсатор большой емкости, обеспечивающий выходной ток, превышающий зарядный ток этого конденсатора, в качестве ключа, через который подаются импульсы тока на нагрузку, применяется мощный полевой транзистор, между этим транзистором и выходной клеммой установлен сильноточный диод, разделяющий внешнюю нагрузку и импульсную схему, параллельно выходным клеммам импульсной схемы подсоединено устройство защиты от перенапряжений, предохраняющее станцию защиты от коррозии импульсным током от грозовых разрядов вблизи защищаемых сооружений, анодного заземлителя и подводящих к ним проводов, и на ее вводе установлено еще одно устройство защиты от перенапряжений, предохраняющее станцию защиты от коррозии импульсным током от скачков напряжения в сети переменного тока и от грозовых разрядов вблизи подводящих переменное напряжение проводов.
