устройство для защиты металлических поверхностей объекта от атмосферной коррозии

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБЪЕКТА ОТ АТМОСФЕРНОЙ КОРРОЗИИ, содержащее блок формирования защитного потенциала, выход которого соединен с защитными электродами, выполненными с возможностью изолированного закрепления на защищаемой поверхности, а вход выполнен с возможностью подключения к одному из полюсов источника напряжения, отличающееся тем, что оно снабжено электродами сравнения, подключенными к общей шине и выполненными с возможностью изолированного закрепления на защищаемой поверхности, блок формирования защитного потенциала выполнен в виде последовательно соединенных импульсного стабилизатора напряжения и схемы защиты от короткого замыкания, двух схем сравнения, двух компараторов, широтно-импульсного модулятора, выход которого подключен к модулирующему входу импульсного стабилизатора, схемы включения, схемы отключения, вторичного преобразователя постоянного напряжения, стабилизатора напряжения, источника опорного напряжения, последовательно соединенных источников тока, схемы ограничения тока, резистора и аналогового коммутатора, а также последовательно соединенных схемы запуска, генератора импульсов, делителя частоты и генератора управляемого напряжением, выход которого подключен к управляющему входу аналогового коммутатора, при этом вход импульсного стабилизатора напряжения, вход вторичного преобразователя постоянного напряжения, первый вход первого компаратора и первый вход схемы запуска выполнены с возможностью подключения к одному из полюсов источника напряжения, второй вход схемы запуска через введенную линейку резисторов подключен к защитным электродам, каждый из которых соединен с соответствующим выходом аналогового компаратора первый выход вторичного преобразователя постоянного напряжения подключен к входу источника тока, а второй и третий выходы подключены соответственно к первому входу стабилизатора напряжения и к общей шине, первый вход второго компаратора подключен к выходу схемы ограничения тока и выходу схемы защиты от короткого замыкания, выход источника опорного напряжения подключен к первым входам первой и второй схем сравнения и вторым входам схемы защиты от короткого замыкания, схемы ограничения тока, второго компаратора и стабилизатора напряжения, выход которой выполнен с возможностью подключения к защищаемой поверхности, выходы первого и второго компараторов подключены соответственно к первым входам схемы отключения и схемы включения, вторые входы которых подключены к выходу генератора импульсов, а выходы подключены соответственно к управляющему входу вторичного преобразователя постоянного напряжения и первому входу широтно-импульсного модулятора, второй вход которого подключен к выходу первой схемы сравнения, второй вход которой подключен к выходу схемы защиты от короткого замыкания, выход второй схемы сравнения подключен к второму входу генератора, управляемого напряжением, вторые входы второй схемы сравнения и первого компаратора включены между резистором и аналоговым компаратором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрохимическим средствам защиты металлов от коррозии, а также может быть использовано для определения наличия процессов коррозии и выявления степени их интенсивности.

Наиболее распространенным средством защиты металлов от коррозии является покрытие их поверхностей специальными защитными пленками, предотвращающими непосредственный контакт металлов с корродирующей средой электролитом [1]

Однако данное средство пассивной защиты обладает существенным недостатком практически невозможно контролировать сохранность защитной пленки, особенно в труднодоступных местах.

Поэтому более предпочтительным является применение активных средств защиты металлов от коррозии.

Известно устройство для катодной защиты металлических деталей от коррозии, содержащее электронный блок формирования защитного потенциала, вход которого подключается к положительному полюсу источника постоянного напряжения, и по крайней мере один защитный электрод, соединенный с выходом электронного блока. Электрод изолированно закрепляется на защищаемой металлической поверхности, которая также соединяется с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения [2]

При попадании на защищаемую поверхность электролита между ним и металлической поверхностью образуется замкнутая электрическая цепь. При этом постоянный ток, переходящий с электролита на защищаемый металл, препятствует оттоку положительных ионов металла с его поверхности.

Иными словами, электролит, находящийся на поверхности металла (точнее на границе раздела фаз электрод-электролит), доводится до положительного по отношению к защищаемому металлу потенциала и ток, текущий через него на поверхность металла, лишенную защитного слоя, противодействует переходу положительных ионов металла.

Однако реализация этого принципа электрохимической защиты металлических поверхностей имеет ряд существенных недостатков: невозможность контроля за процессом защиты металла и корректировки плотности защитного тока в зависимости от изменения фактической площади поверхности обнаженного металла, контактирующей с электролитом, и от изменения агрессивности электролитических растворов.

Задача изобретения создание устройства защиты металлических поверхностей объекта от атмосферной коррозии, которое за счет контроля за процессом защиты металла, проводимого по величине потенциала защищаемой поверхности, выявления на поверхности объекта зон повышенной коррозионной активности и соответствующего увеличения времени воздействия в этих зонах, автоматического включения и отключения устройства позволило бы регулировать минимальную защитную плотность тока, добиваясь постоянства заданной величины защитного потенциала.

Поставленная задача решается тем, что устройство для защиты металлических (электропроводящих) поверхностей объекта от атмосферной коррозии, содержащее блок формирования защитного потенциала, выход которого соединен с защитными электродами, выполненными с возможностью изолированного закрепления на защищаемой поверхности, а вход выполнен с возможностью подключения к одному из полюсов источника напряжения, согласно изобретению снабжено электродами сравнения, подключенными к общей шине и выполненными с возможностью изолированного закрепления на защищаемой поверхности, блок формирования защитного потенциала выполнен в виде последовательно соединенных импульсного стабилизатора напряжения и схемы защиты от короткого замыкания, двух схем сравнения, двух компараторов, широтно-импульсного модулятора, выход которого подключен к модулирующему входу импульсного стабилизатора, схемы включения, схемы отключения, вторичного преобразователя постоянного напряжения, стабилизатора напряжения, источника опорного напряжения, последовательно соединенных источников тока, схемы ограничения тока, резистора и аналогового коммутатора, а также последовательно соединенных схемы запуска, генератора импульсов, делителя частоты и генератора управляемого напряжением, выход которого подключен к управляющему входу аналогового коммутатора, при этом вход импульсного стабилизатора напряжения, вход вторичного преобразователя постоянного напряжения, первый вход первого компаратора и первый вход схемы запуска выполнены с возможностью подключения к одному из полюсов источника напряжения, второй вход схемы запуска через введенную линейку резисторов подключен к защитным электродам, каждый из которых соединен с соответствующим выходом аналогового коммутатора, первый выход вторичного преобразователя постоянного напряжения подключен к входу источника тока, а второй и третий выходы подключены соответственно к первому входу стабилизатора напряжения и общей шине, первый вход второго компаратора подключен к выходу схемы ограничения тока и выходу схемы защиты от короткого замыкания, выход источника опорного напряжения подключен к первым входам первой и второй схем сравнения и к вторым входам схемы защиты от короткого замыкания, схемы ограничения тока второго компаратора и стабилизатора напряжения, выход которой выполнен с возможностью подключения к защищаемой поверхности, выходы первого и второго компараторов подключены соответственно к первым входaм схемы отключения и схемы включения, вторые входы которых подключены к выходу генератора импульсов, а выходы подключены соответственно к управляющему входу вторичного преобразователя постоянного напряжения и к первому входу широтно-импульсного модулятора, второй вход которого подключен к выходу первой схемы сравнения, второй вход которой подключен к выходу схемы защиты от короткого замыкания, выход второй схемы сравнения подключен к второму входу генератора, управляемого напряжением, вторые входы второй схемы сравнения и первого компаратора включены между резистором и аналоговым компаратором.

На чертеже изображена структурная схема устройства.

Устройство для защиты металлических поверхностей от атмосферной коррозии содержит электронный блок формирования защитного потенциала, выполненный в виде вторичного преобразователя 1 постоянного напряжения, источника 2 тока, схемы 3 ограничения тока, импульсного стабилизатора 4 напряжения, схемы 5 защиты от короткого замыкания, широтно-импульсного модулятора 6, генератора 7 импульсов, схемы 8 отключения, схемы 9 включения, источника 10 опорного напряжения, двух компараторов 11 и 12, двух схем 13 и 14 сравнения, генератора 15, управляемого напряжением, схемы допуска аналогового коммутатора 16, резистора 17, стабилизатора 18 напряжения, схемы 19 запуска, делителя 20 частоты и линейки резисторов 21.

Устройство также содержит комплект защитных электродов 22 и комплект электродов 23 сравнения.

Устройство работает следующим образом.

Защитные электроды 22 и электроды 23 сравнения попарно закрепляются на защищаемой поверхности (изолированно от нее) в местах, подверженных действию атмосферных осадков и/или других электролитов. Электроды 22 подключают к выходу блока формирования защитного потенциала, а именно к соответствующим выходам аналогового коммутатора 16.

Вход блока формирования защитного потенциала, который в данном случае представляет собой объединенные входы вторичного преобразователя 1 постоянного напряжения, импульсного стабилизатора 4 напряжения и первые входы первого компаратора 11 и схемы 19 запуска, подключается к одному из полюсов источника напряжения. Знак полюса подключения определяется видом защиты анодной или катодной. В варианте, приведенном на чертеже, проиллюстрирована катодная защита, когда полюс подключения источника напряжения выбирается положительным.

Подключение может производиться через двухканальную схему подключения, один из каналов которой предназначен для подключения к источнику постоянного напряжения, а другой, содержащий выпрямитель 24 переменного напряжения, предназначен для подключения к источнику переменного напряжения.

К защищаемой поверхности подключается выход стабилизатора 18 напряжения, имеющий знак противоположный знаку подключенного полюса источника напряжения, что обеспечивается за счет подключения его входа к нулевому выходу вторичного преобразователя 1 напряжения.

При отсутствии электролита на защищаемой поверхности устройство находится в ждущем режиме без потребления энергии.

При появлении электролита (влаги) на защищаемой поверхности схема определения наличия влаги, представляющая собой линейку резисторов 21, каждый из которых подключен между соответствующими выходами аналогового коммутатора 16 и защитными электродами 22, через схему 18 запуска включает генератор 7 импульсов.

Прямоугольные импульсы, вырабатываемые генератором 7, поступают на соответствующие входы схемы 8 отключения и схемы 9 включения. Схема 8 отключения при этом находится в нормальном включенном состоянии, и импульсы с генератора 7 проходят через нее, поступая на модулирующий вход вторичного преобразователя 1 постоянного напряжения. Вторичный преобразователь 1 постоянного напряжения преобразует постоянное напряжение внешнего источника напряжения в двуполярное постоянное напряжение высокого уровня, которое подается через положительный выход на источник 2 тока, связанный через схему 3 ограничения тока и аналоговый коммутатор 16 с защитными электродами 22.

При этом схема 9 включения находится в выключенном состоянии и не пропускает импульсы генератора 7.

При возрастании активности электролита (при его большом количестве или высокой концентрации) плотности тока, протекающего через электрическую цепь (защищаемый металл электролит защитный электрод), становится недостаточно для формирования заданной величины защитного потенциала. В этом случае компаратор 12 подает на соответствующий вход схемы 9 включения управляющий сигнал, который переводит ее во включенное состояние, при котором импульсы с генератора 7 начинают проходить на соответствующий вход широтно-импульсного модулятора 6, который запускает импульсный стабилизатор 4 напряжения через его модулирующий вход. На выходе импульсного стабилизатора 4 напряжения формируется заданное значение потенциала, соответствующее величине защитного потенциала.

При появлении этого потенциала на электродах 22, компаратор 11, сравнив напряжения на входе и выходе блока формирования защитного потенциала, дает сигнал схеме 8 отключения на прекращение пропускания импульсов генератора 7 на модулирующий вход вторичного преобразователя 1 постоянного напряжения.

В случае дальнейшего развития коррозионных процессов импульсный стабилизатор 4 напряжения обеспечивает увеличение тока в нагрузке при сохранении постоянной величины защитного потенциала на электродах 22.

Схема 13 сравнения вырабатывает сигнал, управляющий длительностью управляющих импульсов широтно-импульсного модулятора 6, обеспечивая постоянство выходного напряжения импульсного стабилизатора 4 напряжения.

При недопустимом увеличении тока или при коротком замыкании между электродами 22 и защищаемой поверхностью срабатывает схема 5 защиты от короткого замыкания, ограничивая протекающий ток. При этом может включаться индикатор короткого замыкания (не показан).

Для повышения надежности блока при наличии короткого замыкания в любой момент времени одновременно срабатывают схема 5 защиты от короткого замыкания и схема 3 ограничения тока, порог срабатывания которых устанавливается источником 10 опорного напряжения. Величина напряжения источника 10 используется также компараторами 11 и 12, схемой 14 сравнения и стабилизатором 18 напряжения.

Для более эффективного использования возможностей устройства за счет учета неравномерности процессов коррозии на различных участках защищаемой поверхности используются последовательно соединенные делитель 20 частоты и генератор 15, управляемый напряжением. Вход делителя 20 подключен к выходу генератора 7 импульсов, а выход генератора, управляемого напряжением, подключен к входу управления аналогового коммутатора 16.

При этом вход управления генератора 15 подключен к выходу второй схемы 14 сравнения.

Защитные электроды подключаются к выходу блока формирования защитного потенциала последовательно через резистор 17 и коммутатор 16. В зависимости от степени активности коррозионных процессов изменяется величина тока, протекающего через коммутируемый электрод. Пропорционально величине этого тока схема 14 сравнения вырабатывает напряжение, которое подается на управляемый вход генератора 15, управляемого напряжением, который определяет время подключения каждого защитного электрода. При этом устройство может быть снабжено индикатором номера коммутируемого электрода и регистратором степени активности коррозионных процессов (не показаны).

В любой момент времени, когда защищаемый металл находится под корродирующим воздействием электролита, устройство создает в электрической цепи (защищаемый металл электролит защитный электрод) токи таких плотностей, которые способны вызвать изменение потенциала защищаемого металла по сравнению с его стационарным значением до величин, необходимых для эффективной компенсации коррозионных токов.

Из практики известно, что для обеспечения надежной катодной защиты (когда к защищаемому металлу подсоединяется отрицательный полюс источника тока и он по отношению к защитному электроду является катодом) необходимо обеспечить плотность защитного тока, в 7-10 раз превышающую плотность коррозионных токов, свойственную для данного металла в экстремальных условиях атмосферного воздействия. При анодной защите, которая является более перспективной при защите пассивирующих металлов, например железа и его низколегированных сплавов, необходимые плотности защитного тока значительно меньше.

С целью определения величин катодного и анодного защитных потенциалов, а также интервалов потенциалов, в которых наблюдается минимальная коррозия защищаемого металла, снимались потенциостатическим и потенциодинамическим методами поляризационные кривые. Проведенные исследования показали, что при реализации катодной защиты, потенциал защищаемой поверхности следует поддерживать в интервале от -0,55 до -0,8 В (относительно водородного электрода сравнения). В этом интервале практически полностью подавляется как "сквозная", так и "равномерная" коррозия. Увеличение потенциала защищаемого металла отрицательнее 0,8 В нецелесообразно, так как это не приводит к дальнейшему снижению скорости коррозии, но вызывает бурное выделение водорода, что может служить причиной отслаивания защитных неметаллических покрытий на поверхности металла.

При реализации анодной защиты оптимальную защиту металла обеспечивает защитный потенциал, соответствующий величине потенциала пассивации, при котором скорость образования пассивного (защитного) слоя, блокирующего металла, становится равной скорости его растворения.

Одной из основных трудностей при реализации электрохимической защиты является обеспечение стабильности поддержания защитного потенциала относительно потенциала защищаемого металла. Особенно это существенно при реализации анодной защиты. Эта трудность обусловлена тем, что при активном развитии коррозии меняется потенциал защищаемого металла и, следовательно, меняется величина разности потенциалов между защитными электродами и защищаемым металлом, которая и определяет защитный потенциал.

Для решения этой проблемы необходимо ввести электроды 23 сравнения, которые изолированно закрепляются на поверхности защищаемого металла. Электроды сравнения через общую шину подключаются к вторичному преобразователю напряжения, который уже с учетом потенциала электрода сравнения формирует защитный потенциал, соответствующий заданному значению разности потенциалов между защитными электродами и защищаемым металлом.