Разработка глубиннх анодных заземлителей новой конструкции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Минестерство науки и высшего образования Российской Федерации

Филиал Федерального госадрственного бюджетного образовательного учреждения вышего образования

“Уфимский государственный нефтяной технический университет”

В г. Октярьском

Кафедра нефтепромыслового мехамического оборудования

РЕФЕРАТ

По дисциплине: “Современные проблемы защиты от коррозии нефтегазовых объектов”

На тему: “Разработка глубиннх анодных заземлителей новой конструкции”

Выполнин ст. Гр. ГРзс 20-12 Д.С. Флигентов

Проверила преподователь О.В. Давыдова

Октябрьский 2021

ВВЕДЕНИЕ

Внешняя поверхность подземных металлических сооружений подвергается электрохимической коррозии, которая в зависимости от условий может быть вызвана взаимодействием 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 преимущ.ественно 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 при стекании с них постоянного тока могло идти по единственному пути - замена стали иными материалами. 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.

Изобретение относится к защите подземных сооружений и трубопроводов от электрохимической коррозии, в частности, к способу сборки глубинных анодных заземлителей. Технический результат заключается в увеличении срока службы глубинного анодного заземлителя за счет обеспечения прочности соединений между отдельными анодными заземлителями полной заводской готовности на весь период эксплуатации. Способ сборки глубинного анодного заземлителя включает сборку в гирлянду электрически и механически соединенных между собой отдельных, полной заводской готовности анодных заземлителей, каждый из которых содержит центральный электрод со слоем активатора вокруг него в виде соосного ему цилиндра. Причем сборку в гирлянду осуществляют путем стягивания сопряженных концов центральных электродов смежных анодных заземлителей с конической наружной резьбой металлической муфтой с коническими внутренними резьбами по концам, затем между муфтой и электродом с двух концов муфты устанавливают резиновые или фторопластовые уплотнительные кольца либо сваривают или припаивают концы муфты с электродом для обеспечения герметизации мест резьбового соединения смежных анодных заземлителей.

Наружный диаметр муфты выбирают такой величины, чтобы обеспечить равнопрочность кольцевого сечения муфты сечению электрода с учетом величины электрохимического износа, а пространство между концами цилиндров активатора, выполняемых в виде наружных конусов с острым углом конусности в месте соединения смежных анодных заземлителей, заполняют активатором или родственным ему материалом вплоть до общей наружной поверхности цилиндров. 4 ил.

Формула изобретения

Способ сборки глубинного анодного заземлителя, включающий сборку в гирлянду электрически и механически последовательно соединенных между собой отдельных полной заводской готовности анодных заземлителей, каждый из которых содержит центральный электрод со слоем активатора вокруг него, выполненного в виде соосного ему цилиндра, отличающийся тем, что сборку в гирлянду осуществляют путем стягивания сопряженных концов центральных электродов смежных анодных заземлителей с конической наружной резьбой металлической муфтой с коническими внутренними резьбами по концам, затем между муфтой и электродом с двух концов муфты устанавливают резиновые кольца либо сваривают или припаивают концы муфты с электродом для обеспечения герметизации мест резьбовых соединений смежных анодных заземлителей, причем наружный диаметр муфты выбран из условия обеспечения равнопрочности кольцевого сечения муфты и сечения электрода с учетом величины электрохимического износа, а пространство между концами цилиндров активатора, выполняемых в виде наружных конусов с острым углом конусности в месте соединения смежных анодных заземлителей, заполняют активатором или родственным ему материалом вплоть до общей наружной поверхности цилиндров.

Описание

Изобретение относится к защите подземных сооружений и трубопроводов от электрохимической коррозии, в частности, к способу сборки глубинного анодного заземлителя.

Известен способ сборки глубинного анодного заземлителя, описанный в Авт. свид. СССР 852969, C 23 F 13/00, БИ 29, 1981 г.

Известный способ сборки заключается в том, что две концентрически расположенные стальные трубы собирают по длине последовательно в гирлянду путем сварки отдельных трубных элементов ограниченной длины, величина которых определяется сортаментом поставляемых промышленностью труб, пространство между трубами заполняют коксовой мелочью, причем к внутренней трубе по всей длине ее рабочей части приваривают стальные элементы, выполненные, например, в виде дисков, охватывающих трубу. При этом приварку дисков, засыпку коксовой мелочью и изоляцию труб производят по мере спуска заземлителя в скважину.

Недостатком известного способа сборки глубинного анодного заземлителя является то, что сварной шов между отдельными трубными элементами не обеспечивает надежной электрической и механической связи по длине глубинного анодного заземлителя, так как при любом виде сварки: электродуговой, контактной, трением, лазерной, давлением, электронной и пр. всегда имеют место подрезы, непровары, поры, раковины, резкие переходы от сварного шва к основному металлу, то есть всегда вероятны сопряжения поверхностей, образующих острые грани, которые являются не только концентраторами механических напряжений, но и концентраторами электрических потенциалов, что ведет к интенсификации электрохимической коррозии в этом месте по сравнению с остальной гладкой частью трубных элементов и к ускоренному разрушению сварного шва, что приводит в конечном счете к нарушению электрической и механической связей между отдельными трубными элементами и преждевременному разрушению глубинного анодного заземлителя в целом. Упомянутая в известном техническом решении установка изоляции, возможно предусматривающая защиту сварных швов от прямого воздействия электролита грунта и тем самым от интенсивной электрохимической коррозии, неэффективна по причинам: во-первых, электрическая изоляция без специально предпринятых мер, о чем в описании нет упоминания, не обеспечивает гарантированной герметизации места изоляции, и поэтому возможен доступ электролита к сварному шву, а во-вторых, наложение изоляции сокращает эффективную рабочую длину глубинного анодного заземлителя, что противоречит цели создания глубинного анодного заземлителя.

Поэтому установка изоляции в данном случае не может быть признана самодостаточным способом защиты от преждевременного разрушения сварного шва.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ сборки скважинного анодного заземлителя (Авт. свид. СССР 1339164, C 23 F 13/00, БИ 35, 1987 г.), включающий сборку в гирлянду электрически и механически последовательно соединенных между собой анодных заземлителей. Сборку осуществляют следующим образом. В предварительно пробуренную скважину опускают центральный электрод, затем на него последовательно нанизывают необходимое количество анодных заземлителей. Между наружной поверхностью заземлителя и внутренней поверхностью скважины нагнетается электропроводный бетон, который проникает также в стык между сеток, с помощью которых закрывают торцы отдельных заземлителей между внутренней поверхностью тонкостенного кожуха и наружной поверхностью трубчатого элемента, и которые являются перегородкой между заземлителями, предохраняющей от высыпания активатора (коксовой обсыпки). Собранный таким образом глубинный анодный заземлитель представляет собой единый проводник электрического тока.

Недостатком известного способа сборки является небольшой срок службы заземлителя из-за невозможности сохранения прочности соединений между отдельными анодными заземлителями полной заводской готовности, из которых собран глубинный анодный заземлитель, на весь период его работы (что обусловлено разрушением сварных швов центрального электрода электрохимической коррозией), так как электропроводный бетон, нагнетаемый между наружной поверхностью скважины, в силу своей гигроскопичности не способен предотвратить проникновение электролита грунта в стык между анодными заземлителями и далее к сварным швам центрального электрода.

Технической задачей данного изобретения является увеличение срока службы глубинного анодного заземлителя за счет обеспечения прочности соединений между отдельными анодными заземлителями полной заводской готовности на весь период эксплуатации.

Техническая задача решается тем, что в способе сборки глубинного анодного заземлителя, включающем сборку в гирлянду электрически и механически последовательно соединенных между собой отдельных полной заводской готовности анодных заземлителей, каждый из которых содержит центральный электрод со слоем активатора вокруг него в виде соосного ему цилиндра. Согласно изобретению сборку в гирлянду осуществляют путем стягивания сопряженных концов центральных электродов смежных анодных заземлителей с конической наружной резьбой металлической муфтой с коническими внутренними резьбами по концам, затем между муфтой и электродом с двух концов муфты устанавливают резиновые или фторопластовые уплотнительные кольца либо сваривают или припаивают концы муфты с электродом для обеспечения герметизации мест резьбовых соединений смежных анодных заземлителей, причем наружный диаметр муфты выбирают такой величины, чтобы обеспечить равнопрочность кольцевого сечения муфты сечению электрода с учетом величины электрохимическго износа, а пространство между концами цилиндров активатора, выполняемых в виде наружных конусов с острым углом конусности в месте соединения смежных анодных заземлителей, заполняют активатором или родственным ему материалом вплоть до общей наружной поверхности цилиндров.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где изображен общий вид и фрагменты соединения отдельных анодных заземлителей: на фиг.1 - общий вид, на фиг. 2 - фрагмент фиг.1, изображающий верхний конец глубинного анодного заземлителя с сечением муфты и уплотнительными кольцами, на фиг.3 - фрагмент фиг.1, изображающий соединение смежных анодных заземлителей с сечением муфты с уплотнительными кольцами, на фиг.4 - фрагмент фиг.1, изображающий соединение смежных анодных заземлителей, с сечением муфты и сваркой ее с электродами.

Глубинный анодный заземлитель собирают из отдельных полной заводской готовности анодных заземлителей 1, которые имеют центральный электрод 2 со слоем активатора 3 вокруг него в виде соосного с ним цилиндра 4; концы электрода 2 имеют коническую наружную резьбу 5, при этом следует отметить, что профили конических резьб: дюймовой, трубной или буровой, применяемых в настоящее время, имеют вершины и впадины плавных очертаний, описанных радиусами; нижний конец электрода 2 имеет также лыски 6, предназначенные для инструмента при монтаже.

Электроды 2 анодных заземлителей 1 собирают между собой с помощью металлических муфт 7 в гирлянду последовательно, обеспечивая механическую и электрическую связи между анодными заземлителями 1. Муфты 7 для облегчения монтажных работ имеют проточку 9 и лыски 10. Сопряжение концов электродов 2 и муфты 7 герметизируют резиновыми или фторопластовыми уплотнительными кольцами 11 в одном случае; в другом - сварным или паяным швом 12. Герметизация надежно защищает резьбовое сопряжение от проникновения электролита грунта.

Сопряжение наружных конических резьб 5 на концах электрода 2 с внутренними коническими резьбами 8 муфты 7 обеспечивает равнопрочность соединения электрода 2. Наружный диаметр муфты 7 выбирают такой величины, чтобы обеспечить равнопрочность кольцевого сечения муфты 7 электроду 2 с учетом величины электрохимического износа.

Пространство между коническими концами 13 цилиндров активатора 4 смежных анодных заземлителей 1 заполняют массой активатора 14 таким образом, чтобы образовать непрерывную цилиндрическую поверхность 15 между смежными цилиндрами активатора 4.

Способ сборки глубинного анодного заземлителя и реализация способа в эксплуатации осуществляется следующим образом.

Глубинный анодный заземлитель собирают последовательно в гирлянду из отдельных полной заводской готовности анодных заземлителей 1 с помощью металлической муфты 7. Соединение обеспечивает механическую и электрическую связи между анодными заземлителями 1. Каждый отдельный анодный заземлитель 1 может служить как самостоятельный анод в системе электрохимической защиты. Для этого его на заводе оснащают муфтой 7, навинченной на верхний конец электрода 2, и уплотнительным кольцом 11 или же сварным (паяным) швом 12 между муфтой 7 и электродом 2. При ввинчивании нижнего конца электрода 2 верхнего анодного заземлителя 1 в муфту 7 на верхнем конце нижнего анодного заземлителя 1 устанавливают уплотнительное кольцо 11 между муфтой 7 и электродом 2 или же сваривают (паяют) муфту 7 с электродом 2. Тем самым герметизируют равнопрочное резьбовое соединение муфты 7 с электродами 2 смежных анодных заземлителей 1 от проникновения электролита грунта, и прочность этого соединения не нарушается электрохимической коррозией весь срок эксплуатации. При таком способе защиты соединения само место соединения не исключается из работы глубинного анодного заземлителя, в отличие от аналога. Затем пространство между коническими торцами 13 цилиндров активатора 4 смежных анодных заземлителей 1 заполняют массой активатора 14, что позволяет обеспечить слой активатора 3 на всю длину глубинного анодного заземлителя без разрывов, щелей и пор. При усадке заполняемой массы активатора 14 перемещение ее частиц на границе конического торца 13 цилиндров активатора 4 (см. фиг.4) направлено по стрелке N под углом б^°к оси, определяемому геометрическим сложением усадок: по радиусу К и по оси L, но этому препятствует коническая поверхность торца 13, в результате чего масса активатора 14 ложится на коническую поверхность торца 13 с натягом без щелей и зазоров. Для достижения данного эффекта угол конусности торца в^°выбирают такой величины, чтобы обеспечить неравенство б^°>>1/2в^°. В практике величина б^°редко приближается к значению 45^o, поэтому величину в^°выбирают значительно меньшей 90^o, т. е. остроугольной.

Верхний конец самого верхнего анодного заземлителя 1 в гирлянде оканчивает муфтой 7 с уплотнительным кольцом 11, что предоставляет возможность установки токоввода и грузового кольца для удержания глубинного анодного заземлителя в скважине на весу.

Нижний конец самого нижнего анодного заземлителя 1 в гирлянде заканчивается концом электрода 2 с наружной конической резьбой 5, что дает возможность подключения дополнительного токоподвода к глубинному анодному заземлителю. Нижний конец изолируют активаторной массой 14 по аналогии с изоляцией мест соединения на месте монтажа глубинного анодного заземлителя или же на заводе по месту изготовления отдельных анодных заземлителей 1.

Применение способа позволит получать работоспособный на весь предполагаемый технически и экономически обоснованный срок эксплуатации глубинный анодный заземлитель.

Известно, что наиболее эффективным способом защиты металлических сооружений от подземной коррозии наряду с изолирующими покрытиями является электрохимическая (катодная) защита, основу которой составляет анодное заземление. Анализ причин выхода из строя установок электрохимической защиты показал, что 50% отказов происходит из-за повреждений анодных заземлителей.

Анодные заземлители являются наиболее ответственным, сложным и дорогостоящим элементом системы катодной защиты. Одним из основных материалов, из которых изготавливают современные анодные заземлители, является ферросилид - материал, отличающийся низкой скоростью растворения, стабильностью работы в течение длительного времени, низким удельным сопротивлением, обеспечивающим равномерное растворение заземлителя; прочностными характеристиками, достаточными для сохранности элементов заземлителя в условиях изготовления, транспортировки и монтажа.

Все конструкции ферросилидовых заземлителей базируются на стрежневых электродах, изготовленных, как правило, методом литья и отличающиеся геометрическими размерами, а также конструкцией контактного узла - места крепления кабеля к рабочему электроду. На основе ферросилидовых электродов разработано несколько вариантов конструкций анодных заземлителей. Однако все эти конструкции имеют один недостаток - они не являются универсальными, т. к. при размещении ферросилидовых заземлителей в высокоомных грунтах с целью снижения переходного сопротивления необходимо использовать коксовую засыпку или другой электропроводящий наполнитель.

Очевидно, что использование коксовой засыпки в конструкции заземлителя приведет к значительному упрощению технологии монтажа анодного заземления, а также сокращению времени на его проведение.

Идея использования коксового наполнителя в конструкции анодного заземлителя реализована в комплектных анодных заземлителях. Комплектный заземлитель представляет собой контейнер, в котором размещён ферросилидовый электрод, а свободное пространство заполнено коксовой засыпкой. Контейнер является корпусом заземлителя и предназначен для удобства транспортировки и монтажа. В процессе эксплуатации корпус заземлителя растворяется.

В качестве коксовой засыпки в конструкции комплектных заземлителей используется коксо-минеральный активатор КМА (патент № 2161853). КМА состоит из смеси коксовой мелочи фракций до 10 мм и кокса фракций 10 - 25 мм и безгалогенидного минерального активатора.

Комплектные заземлители выпускаются двух типов: поверхностные и глубинные. Поверхностные комплектные заземлители предназначены для установки в высокоомных грунтах (ргрунта > 30 Ом-м). Поверхностные заземлители устанавливают ниже глубины промерзания грунта в скважины (при вертикальной установке) или в траншеи (при горизонтальной укладке).

Установка глубинных заземлителей может быть только вертикальной (в скважины). Для снижения переходного сопротивления и повышения токовой нагрузки конструкцией предусмотрено соединение блоков в гирлянду. Каждая гирлянда заземлителей снабжается газоотводной трубкой, выходящей вместе с кабелем на дневную поверхность. Газоотводная трубка имеет перфорацию по высоте гирлянды и поставляется под конкретный заказ из расчета одна трубка на одну гирлянду заземлителей, устанавливаемых в одной скважине.

Как показывает опыт эксплуатации, комплектные заземлители отличаются минимальным временем выхода на рабочие режимы, а также низким значением сопротивления растеканию. Монтажные организации отмечают высокую степень заводской готовности комплектных заземлителей, что в совокупности с отсутствием операции по доставке и отсыпке коксовой постели, способствует сокращению времени на проведение монтажных работ и значительно упрощает технологию монтажа анодных заземлений. анодный заземлитель трубопровод электрохимическая коррозия

Таким образом, комплектные анодные заземлители являются универсальными заземлителями, эффективно работающими как в низкоомных, так и в высокоомных грунтах.

Литература

1. Зорин А.А., Пякин А.И., Католикова Н.М., Лаптев В.М., Федоров. Д.Ю. Глубинное анодное заземление. Коррозия Территории Нефтегаз.- ноябрь, 2008 г.

2. Косачев В.Б., Гулидов А.П. Коррозия металлов. Новости теплоснабжения. -2002. -№1.

3. Малахов А.И., Жуков А.П. Основы материаловедения и теории коррозии: Учебник для машиностроительных техникумов.- М.: Высшая школа, 1978. - 192 с.

Размещено на Allbest.ru