Способ и устройство для осуществления контакта блока контроля параметров электрохимической защиты с трубой с нанесенным утяжеляющим бетонным покрытием

Изобретение относится к системе мониторинга коррозионных процессов на стальных подземных и подводных сооружениях, находящихся под слоем бетона, для определения опасности коррозии стали и контроля эффективности электрохимической защиты. Заявленный способ включает создание герметичного контакта блока контроля параметров электрохимической защиты с трубой, имеющей утяжеляющее бетонное покрытие. Устройство для осуществления способа создает герметичный контакт с применением расширяющейся при воздействии капсулы. Блок контроля параметров электрохимической защиты в составе устройства для осуществления контакта содержит утяжелитель, в котором размещены два электрода сравнения с датчиками потенциала и два индикатора скорости коррозии. В частном случае блок контроля параметров электрохимической защиты может располагаться в слое утяжеляющего покрытия и иметь экран для отображения параметров электрохимической защиты.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения коррозионных характеристик трубной стали, а также осуществление оценки защищенности трубы от коррозии и эффективности электрохимической защиты одновременно. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к системе мониторинга коррозионных процессов на стальных подземных и подводных сооружениях, находящихся под слоем бетона, для определения опасности коррозии стали и контроля эффективности электрохимической защиты.

Наиболее близким к данному техническому решению является «способ контроля состояния арматуры подземной части железобетонных опор контактной сети» (см. патент РФ №2324920, МПК G01N 17/00 от 26.06.2006 г.). Сущность изобретения состоит в том, что контроль состояния арматуры подземной части железобетонных опор осуществляют индикаторным образцом. Индикаторный образец изготовлен из того же материала, что и арматура опоры. Оценку состояния арматуры определяют по толщине индикаторного образца и промежутку времени до момента его разрушения. Индикаторный образец размещают вокруг арматуры и создают контакт с ней в одной точке. К концам индикаторного образца присоединяют изолированные проводники, концы которых выводят на поверхность опоры выше уровня закопки. Момент разрушения индикаторного образца определяют путем периодического измерения его сопротивления.

Недостатками известного способа являются:

- ненадежность контакта индикаторного образца с арматурой;

- трудность определения момента разрушения индикаторного образца;

- недостаток получаемых данных о коррозионном состоянии арматуры, в частности невозможность определения временной зависимости скорости коррозии во времени.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание способа и устройства для осуществления контакта блока контроля параметров электрохимической защиты с трубой с нанесенным утяжеляющим бетонным покрытием, обеспечивающих повышение надежности контакта блока контроля параметров электрохимической защиты с трубой с утяжеляющим бетонным покрытием, повышение точности определения коррозионных характеристик трубной стали, являющейся модельным элементом трубы, а также осуществление оценки защищенности трубы от коррозии и эффективности электрохимической защиты одновременно.

Поставленная задача решается следующим образом.

На наружной поверхности трубы с использованием синтетических хомутов-зажимов крепят стальную фиксирующую площадку. В нее устанавливают закладную гайку, в которую вворачивают специальный болт-вороток с режущей частью сверла для сверления утяжеляющего покрытия. Вращая вороток, сверлят утяжеляющее покрытие с изоляционным покрытием до осуществления контакта режущей части сверла с металлом трубы. Выводят сверло из отверстия и заменяют закладную гайку второй закладной гайкой, с другим воротком. В отверстие устанавливают капсулу с кабелем, выходящим наружу. Поверх капсулы помещают металлическую шайбу. Капсула изготовлена из резины в виде цилиндра, внутрь которого помещен контактный узел с конической и цилиндрической резьбовой частью. Коническая часть предназначена для осуществления контакта с трубой при сжатии капсулы винтом. На резьбовой части крепят оголенную часть кабеля. Капсула изготовлена таким образом, что весь контактный узел находится внутри резинового цилиндра и полностью изолирован от внешней среды.

После установки капсулы в отверстие в утяжеляющем покрытии, вращением винта сжимают капсулу до осуществления устойчивого контакта кабеля с трубой. Герметичность контакта обеспечивается за счет размещения всех частей контактного узла внутри резинового цилиндра и вытеснения жидкости из окружающего контакт пространства.

Блок контроля параметров электрохимической защиты кубической формы состоит из утяжелителя, изготовленного из того же материала, что и утяжелитель на трубе, внутрь которого помещены элементы, контролирующие параметры защиты: два индикатора контроля скорости коррозии и два электрода сравнения с датчиками потенциала. Один индикатор контроля скорости коррозии и один датчик потенциала электрода сравнения подключены к трубопроводу посредством кабеля, выведенного от контакта капсулы к блоку контроля параметров электрохимической защиты. Второй индикатор контроля скорости коррозии и второй датчик потенциала второго электрода сравнения к трубопроводу не подключают.

Благодаря такому подключению происходит моделирование дефектов изоляционного покрытия с оголением металла трубы, окруженного утяжеляющим покрытием.

На этих смоделированных дефектах с использованием датчиков потенциала электродов сравнения и датчиков скорости коррозии измеряют стационарный (естественный) и поляризационный потенциал, а также скорость коррозии без и при наличии электрохимической защиты.

Путем последующих расчетов определяют эффективность действия электрохимического метода защиты и защищенность от коррозии.

Технический результат может быть достигнут с помощью настоящего изобретения за счет создания герметичного контакта металла трубы и кабеля, присоединяемого к блоку контроля параметров электрохимической защиты, а также применением особого набора датчиков (двух электродов сравнения с датчиками потенциала и двух индикаторов скорости коррозии), обеспечивающих определение оценки защищенности трубы от коррозии и эффективности электрохимической защиты одновременно.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен внешний вид трубы со стальной фиксирующей площадкой, закрепленной синтетическими хомутами.

На фиг.2 представлена закладная гайка с болтом-воротком в фиксирующей площадке.

На фиг.3 представлена вторая закладная гайка с болтом-воротком, глухое отверстие и капсула.

На фиг.4 изображен вид сверху второго воротка, капсула и кабель.

На фиг.5 изображена капсула до (слева) и после воздействия.

На фиг.6 изображена труба, закладная гайка с вторым воротком и утяжелитель.

На фиг.7 изображен блок контроля параметров электрохимической защиты.

На фиг.8 изображена труба с подключенным к ней блоком контроля параметров электрохимической защиты.

На фиг.9 изображен экран и питающие элементы.

Установка, изображенная на фиг.1, состоит из трубы 1, синтетических хомутов-зажимов 2, стальной фиксирующей площадки 3, имеющей прорезь 4 и пазы 5.

Закладная гайка с болтом-воротком, представленная на фиг.2, состоит из закладной гайки 6 с уступами 7, входящими в пазы 5 стальной фиксирующей площадки 3, болта-воротка 8 с режущей частью сверла 9. Болт-вороток контактирует с тремя слоями: утяжеляющим покрытием 10, изоляционным покрытием 11 и металлом трубы 12.

На фиг.3 изображено глухое отверстие 13, вторая закладная гайка 14, второй болт - вороток 15, капсула 16 и режущая часть сверла 17 второго болта-воротка 15.

На фиг.4 изображена прорезь 4, видимая часть второй закладной гайки 14, второй вороток 15, капсула 16, кабель 18 и шайба 19.

На фиг.5 представлена капсула 16 в виде резинового цилиндра 20, металлическая шайба 19, контактный узел 21, состоящий из конической части 22 и цилиндрической резьбовой части 23, оголенная часть 24 кабеля 18. Справа представлен дополнительно металлический контакт 25 конической части 22 и металла трубы 12.

На фиг.6 представлена труба 1, синтетические хомуты-зажимы 2, стальная фиксирующая площадка 3, кабель 18 и утяжелитель 26.

Блок контроля параметров электрохимической защиты, представленный на фиг.7, состоит из утяжелителя 26, индикаторов скорости коррозии 27 и 28, двух электродов сравнения 29 и 30 с датчиками потенциала 31, 32, выводов от индикаторов скорости коррозии 33, 34, выводов от электродов сравнения 35-39, вольтметров 40, 41, амперметра 42.

На фиг.8 представлена труба 1 со слоем утяжеляющего покрытия 10, в котором с помощью кабеля 18 закреплен блок контроля параметров электрохимической защиты 26 с экраном 43.

На фиг.9 представлен экран 43 и питающие элементы 44.

Способ осуществления контакта и устройство, позволяющее создать контакт можно описать следующим образом.

На наружной поверхности трубы 1 с использованием синтетических хомутов-зажимов 2 крепят стальную фиксирующую площадку 3. До средины фиксирующей площадки выполнена прорезь 4 с изготовленными пазами 5 типа «ласточкин хвост» по обе стороны паза. В прорезь с пазом устанавливают закладную гайку 6 с уступами 7, входящими в пазы 5 стальной фиксирующей площадки 3 до упора в окончание прорези 4. В гайку 6 вворачивают специальный болт-вороток 8, в нижней части которого путем сварки закреплена режущая часть сверла 9. Режущая часть сверла 9 предназначена для сверления утяжеляющего покрытия 10. Вращая болт-вороток 8, сверлят утяжеляющее покрытие 10 с изоляционным покрытием 11 до осуществления контакта режущей части сверла 9 с металлом трубы 12. После того, как изготовлено глухое отверстие 13 в утяжеляющем покрытии 10, вращая вороток 8 в обратном от сверления направлении, выводят сверло 9 из отверстия и заменяют закладную гайку 6 второй закладной гайкой 14, с другим воротком 15. Перед установкой второй закладной гайки 14 очищают изготовленное отверстие 13 от остатков продуктов сверления и устанавливают в него капсулу 16. Капсулу устанавливают таким образом, чтобы кабель 18 выходил наружу. Поверх капсулы помещают металлическую шайбу 19, диаметр которой равен диаметру изготовленного отверстия 13 в утяжеляющем покрытии 10. Шайба 19 предназначена для предотвращения выдавливания части резинового цилиндра 20 наружу при его деформации во время (и после) его сжатия винтом 17.

Капсула 16 изготовлена из резины в виде цилиндра 20, внутрь которого помещен контактный узел 21. Контактный узел 21 имеет коническую часть 22 и цилиндрическую резьбовую часть 23. Коническая часть 22 предназначена для осуществления контакта с трубой 1 при сжатии капсулы 16 винтом 17. На резьбовой части 23 крепят оголенную часть 24 кабеля 18. Капсула 16 изготовлена таким образом, что весь контактный узел 21 (с оголенной частью 24 кабеля 18) находится внутри резинового цилиндра 20 и полностью изолирован от внешней среды.

После установки капсулы 16 в отверстие 13, изготовленное в утяжеляющем покрытии 10, установки закладной гайки 14 с винтом 17 и шайбы 19, вращением винта 17 сжимают капсулу 16 до осуществления устойчивого контакта кабеля 18 с трубой 1. Контроль контакта кабеля 18 с трубой 1 контролируют по сопротивлению, которое (за вычетом сопротивления кабеля 18 и трубы 1) должно быть равно не более 0,1 Ом (осуществление измерения сопротивления на рисунке не показано).

При сжатии капсулы 16 винтом 17 в первоначальный момент происходит увеличение капсулы 16 в диаметре и уплотнение наружной поверхности капсулы 16 к стенкам отверстия 13. При этом происходит вытеснение жидкости из полости между стенкой отверстия 13 в утяжеляющем покрытии 10 и наружной поверхностью капсулы 16. С увеличением осевого усилия сжатия капсулы 16 увеличивается радиальное усилие уплотнения. Кроме того, коническая часть контакта 22, под действием возрастающего осевого усилия от воротка 15, вытесняется за пределы внутренней части капсулы 16 наружу и осуществляет контакт с наружной частью стенки трубы 12.

Герметичность контакта обеспечивается за счет размещения всех частей контактного узла 21 внутри резинового цилиндра 20 и вытеснения жидкости из окружающего контакт 25 пространства.

Таким образом, создают герметичный контакт металла трубы с кабелем, который затем подключают к блоку контроля параметров электрохимической защиты.

Блок контроля параметров электрохимической защиты предназначен для контроля работы ЭХЗ на трубах с нанесенным утяжеляющим покрытием. Устройство устанавливается в непосредственной близости с трубой и представляет собой набор элементов, предназначенных для контроля параметров катодной защиты.

Блок кубической формы состоит из утяжелителя 26, изготовленного из того же материала, что и утяжелитель 10 на трубе 1, внутрь которого помещены элементы, контролирующие параметры защиты: два индикатора контроля скорости коррозии 27 и 28, два электрода сравнения 29, 30 с датчиками потенциала 31 и 32. Один индикатор контроля скорости коррозии 27 посредством вывода 33 и один датчик потенциала 32 электрода сравнения 30 посредством вывода 39, подключены к трубопроводу 1 посредством кабеля 18. Второй индикатор контроля скорости коррозии 28 и второй датчик потенциала 31 второго электрода 29 сравнения к трубопроводу 1 не подключают.

Благодаря такому подключению происходит моделирование дефектов изоляционного покрытия 11 с оголением металла трубы 12, окруженного утяжеляющим покрытием 10. Датчики потенциала 31, 32 и индикаторы контроля коррозии 27 и 28 становятся модельными дефектами в изоляционном покрытии 11, т.е. приобретают свойства металла трубы 12.

Таким образом, утяжелитель 26 моделирует утяжелитель 10.

С использованием индикаторов контроля скорости коррозии 27 и 28 производится контроль скорости коррозии металла 12 наружной стенки трубы 1 под утяжеляющим покрытием 10 при воздействии катодной защиты (индикатор скорости коррозии 27) и без нее (индикатор скорости коррозии 28).

С использованием электрода сравнения 29 с датчиком потенциала 31 производится контроль стационарного потенциала трубы 1 в коррозионноагрессивной среде размещения трубопровода, т.е. под утяжеляющим покрытием 26, которое моделирует покрытие 10. Измерение стационарного потенциала осуществляется следующим образом. Высокоомный вольтметр 40 подключают между выводами 35 и 36 от электрода сравнения (на рисунке не показан) и датчика потенциала 31.

С использованием электрода сравнения 30 с датчиком потенциала 32, производится контроль поляризационного потенциала трубы 1 в коррозионноагрессивной среде размещения трубопровода, т.е. под утяжеляющим покрытием 26, которое моделирует покрытие 10. Измерение поляризационного потенциала осуществляется следующим образом. Высокоомный вольтметр 41 подключается между выводами 37 и 38 от электрода сравнения (на рисунке не показан) и датчика потенциала 32. Измерение плотности катодного тока осуществляется подключением амперметра 42 в разрыв цепи датчик потенциала 32-вывод 39.

В частном случае блок контроля параметров электрохимической защиты 26 может располагаться в слое утяжеляющего бетонного покрытия 10 на трубе 1. В этом случае кабель 18 от контакта 25 может также располагаться в слое утяжеляющего бетонного покрытия 10. Внешний вид трубы 1 при этом не изменяется. Но при этом в утяжеляющем покрытии 10 появляются элементы, позволяющие оценивать защищенность от коррозии. Вольтметры, коррозиметры (на рисунке не показаны) могут иметь экран 43 с индикацией параметров и эффективности электрохимической защиты и питающие экран 43 светочувствительные элементы 44, активизирующиеся при наличии света. Например, к трубе 1 подплывает робот (на рисунке не показан), освещает экран 43 и светочувствительные элементы 44, и на нем появляются данные о поляризационном, стационарном потенциалах, скорости коррозии при защите и в отсутствии защиты, а также уровень защищенности от коррозии. В частном случае экран может питаться от химических источников тока, таких как батареи, аккумуляторы. В частном случае экран может питаться от ЭДС, вырабатываемой между стальной фиксирующей площадкой и протектором с потенциалом более отрицательным, чем потенциал стальной фиксирующей площадки.

Эффективность действия электрохимического метода защиты характеризуется степенью защиты Р, % [Красноярский В.В. Электрохимический метод защиты металлов от коррозии. М.: Машгиз, 1961, 56 с.]

$$P=\frac{{К}_{кор}+{К}_{к}}{{К}_{кор}}\cdot 100\left(1\right)$$

где К_кор - скорость коррозии при стационарном потенциале, мм/год;

К_к - скорость коррозии при катодной защите, мм/год.

В нашем случае К_кор - это скорость коррозии, которую показывает индикатор скорости коррозии 28, не подключенный к системе катодной защите, а К_к - скорость коррозии, индицируемая индикатором 27, подключенным к системе катодной защиты.

С использованием формулы 2, при разности потенциалов ΔЕ между потенциалом катодной поляризации (поляризационным потенциалом) и стационарным потенциалом более 100 мВ, степень защиты находится на уровне 99% и не зависит от дальнейшего смещения потенциала в отрицательную сторону [Красноярский В.В. Электрохимический метод защиты металлов от коррозии. М.: Машгиз, 1961. 56 с.].

$$\Delta Е={Е}_{поляр}-{Е}_{стац}\left(2\right)$$

В нашем случае Е_поляр - это потенциал датчика потенциала 32, подключенного к системе катодной защиты, а Е_стац - это потенциал датчика коррозии 31, не подключенного к системе катодной защиты.

Для необходимой и достаточной защиты от коррозии необходимо достичь 99% защищенности от коррозии. Последнюю можно определить с использованием двух индикаторов коррозии или двух электродов сравнения. Если две пары показывают степень защиты на уровне не менее 99%, можно считать трубу защищенной от коррозии.

В качестве электродов сравнения с датчиками потенциала предпочтительнее применять электроды сравнения, позволяющие напрямую измерять поляризационный потенциал, с использованием обычного высокоомного вольтметра, без применения особых измерительных приборов.

В качестве индикаторов скорости коррозии предпочтительнее применять дискретные интеллектуальные индикаторы скорости коррозии, состоящие из n-го количества пластин и показывающие изменение скорости коррозии во времени и общей глубины коррозии. Возможно применение датчиков скорости коррозии, работающих по принципу линейного поляризационного сопротивления.

Способ осуществления контакта с использованием стальной фиксирующей площадки предпочтителен при создании контакта под водой, например, на переходах трубопроводов через водные преграды (реки, болота) или в морской воде.

В данном случае контакт может быть осуществлен на трубе, имеющей следующее строение (с внешней стороны - внутрь): утяжеляющее бетонное покрытие, изоляционное покрытие, металл трубы.

В частном случае контакт может быть осуществлен на трубе, имеющей следующее строение: металлополимерная оболочка (например, оцинкованная стальная обечайка с изоляционным покрытием), утяжеляющее бетонное покрытие, изоляционное покрытие, металл трубы.

Способ осуществления контакта, при котором блок контроля параметров электрохимической защиты находится заподлицо бетонной поверхности, предпочтителен на заводе-изготовителе трубной продукции.

Повышение надежности контакта блока контроля параметров электрохимической защиты с трубой с утяжеляющим бетонным покрытием достигается созданием герметичного контакта с применением расширяющейся при воздействии капсулы.

Повышение точности определения коррозионных характеристик трубной стали, являющейся модельным элементом трубы, а также осуществление оценки защищенности трубы от коррозии и эффективности электрохимической защиты достигается одновременным применением двух электродов сравнения с датчиками потенциала и двух индикаторов скорости коррозии.

1. Способ для осуществления контакта блока контроля параметров электрохимической защиты с трубой с нанесенным утяжеляющим бетонным покрытием, в котором осуществляют контакт блока контроля параметров электрохимической защиты с трубой, имеющей утяжеляющее бетонное покрытие, отличающийся тем, что на трубе с утяжеляющим бетонным покрытием закреплена хомутами-зажимами стальная фиксирующая площадка, имеющая прорезь и пазы для закрепления в них закладной гайки с болтом-воротком, имеющим режущую часть сверла, которая при вращении болта-воротка проходит последовательно слой утяжеляющего бетонного покрытия, изоляционное покрытие, оголяя металл трубы, затем болт-вороток вынимают, в глухое отверстие вставляют капсулу с кабелем, на конце которого находится блок контроля параметров электрохимической защиты, на капсулу помещают шайбу, в фиксирующую площадку вставляют вторую закладную гайку со вторым болтом-воротком с режущей частью сверла, при вращении второго болта-воротка сжимают капсулу до осуществления контакта кабеля капсулы с трубой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что режущая часть сверла при вращении болта-воротка проходит последовательно слой металлополимерной оболочки, слой утяжеляющего бетонного покрытия, изоляционное покрытие, оголяя металл трубы.

3. Устройство для осуществления контакта блока контроля параметров электрохимической защиты с трубой с нанесенным утяжеляющим бетонным покрытием, содержащее стальную фиксирующую площадку, имеющую прорезь и пазы и закрепленную на трубе с помощью хомутов-зажимов, отличающееся тем, что в прорезь и пазы стальной фиксирующей площадки устанавливают закладную гайку с болтом-воротком, состоящую из закладной гайки с уступами, входящими в пазы стальной фиксирующей площадки, болта-воротка с режущей частью сверла, капсулы с шайбой и кабелем, причем капсула представлена в виде цилиндра и состоит из контактного узла с конической частью, контактирующей с трубой и цилиндрической резьбовой частью, в которой находится оголенная часть кабеля, который выходит к блоку контроля параметров электрохимической защиты.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что расположено заподлицо к поверхности утяжеляющего бетонного покрытия и имеет экран с индикацией параметров, который питается от светочувствительных элементов.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что расположено заподлицо к поверхности утяжеляющего бетонного покрытия и имеет экран с индикацией параметров, который питается от химических источников тока.

6. Блок контроля параметров электрохимической защиты в составе устройства для осуществления контакта блока контроля параметров электрохимической защиты с трубой с нанесенным утяжеляющим покрытием, содержащий утяжелитель, подключенный посредством кабеля к трубе, отличающийся тем, что в утяжелителе расположены два электрода сравнения, каждый с датчиком потенциала, и два индикатора скорости коррозии, причем один из датчиков потенциала одного электрода сравнения и один индикатор скорости коррозии подключены посредством кабеля к трубе, между выводом от электрода сравнения и выводом от датчика потенциала электрода сравнения с датчиком потенциала номер 1 подключен вольтметр, между выводом от электрода сравнения и одним из двух выводов от датчика потенциала электрода сравнения с датчиком потенциала номер 2 подключен вольтметр, в разрыв цепи датчик потенциала электрода сравнения с датчиком потенциала номер 2-кабель подключен амперметр.