RU130313U1

RU130313U1 - CORROSION PROTECTION STATION BY PULSE CURRENT

Info

Publication number: RU130313U1
Application number: RU2012149995/02U
Authority: RU
Inventors: Виктор Сергеевич Петухов; Юрий Владимирович Сулимин; Елена Юрьевна Сулимина
Original assignee: Юрий Владимирович Сулимин
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-07-20

Abstract

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.Station of protection against corrosion by pulsed current of metal structures containing at least one or many DC sources connected to the corresponding protected structures or to the anode with keys, which are used bipolar transistors with an insulated gate, which are connected to a frequency and duration control circuit current pulses, means for measuring the output current, characterized in that a storage capacitor is connected parallel to the output of each DC source a capacitor providing an output current exceeding the charging current of this capacitor, a powerful field-effect transistor is used as a key through which current pulses are applied to the load, a high-current diode is installed between this transistor and the output terminal, separating the external load and the pulse circuit parallel to the output terminals surge protection device is connected to the surge protection device, which protects the corrosion protection station by impulse current from lightning discharges near the protected structures, the anode gap mlitelya and of lead wires thereto, and at its input ascertained another overvoltage protection device that protects against corrosion protection station pulsed current surge in the AC network and the lightning near alternating voltage of supply wires.

Description

Области техникиAreas of technology

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.Corrosion protection station by pulsed current refers to cathodic protection devices and is designed to protect extended objects from corrosion, both buried in the ground and located on poles: gas pipelines, oil pipelines, oil pipelines, water pipelines, oil storage tanks and other containers that have contact with the ground, reinforced concrete foundations and other engineering structures.

Предшествующий уровень техникиState of the art

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.Currently widely used cathodic protection stations are powered by an alternating current network 380/220 V at a frequency of 50 Hz and produce an adjustable direct current [see, for example, RF patent No. 2053432, M. Kl ⁸ . C23F 13/00, dated June 22, 1995]. However, in some cases it is impossible to protect the above objects with direct current: extraneous metal structures, rivers and streams (including underground ones) shield entire sections of the protected objects from the current flowing from the anode ground electrode. Therefore, at the cathodic protection station, it is necessary to set an increased voltage and current in order to extend the coverage area of the extended object to the cathodic protection in these areas. In this case, with direct current protection, hydrogen is released near the point of connecting the station to the protected object (drainage point), which penetrates the pipe material, gradually embrittling it. Hydrogen evolution also leads to peeling of the protective coating, thereby reducing its overhaul interval. Pipelines of an air laying cannot be protected at all by a direct current. The pulse method of corrosion protection [see, RF patent No. 2172087, M. Cl ⁸ . F16L 58/00, from 01.20.2000] devoid of these shortcomings.

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.One of the first pulsed devices was the cathodic protection of boats [see, for example, US patent No. 3242064, M. Cl ⁸ . C23F 13/00, dated 03.22.1966]. However, such a device could not protect extended objects from corrosion.

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.In the invention of the American researcher T. Donigviana [see, for example, US patent No. 5324405, M. Cl ⁸ . C23F 13/00, dated June 28, 1994] a method and system of pulsed cathodic protection are proposed by short (5-100 μs) high-frequency (1-5 kHz) pulses of iron metal structures, such as pipelines and casing strings of wells located in a conductive medium. However, the high pulse repetition rate used in this system reduces the protection zone, and high voltage is unacceptable in oil pipelines and gas pipelines for safety reasons, which limits the scope of this method.

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.The closest technical solution to the proposed pulsed current cathodic protection station is the pulsed cathodic protection system of the American inventor Tadeusz Donigvian [see US patent RE 38581, C23F 13/00, dated 09/14/2004]. This system uses a device consisting of one or several direct current sources (according to the number of separately protected structures), which feed pulsed current sources connected directly to the protected structures and to one assembly of anode grounding conductors common to all protected structures. All sources of pulse current are controlled by a single control circuit, thereby ensuring the synchronism of operation of all sources of pulse current. The control circuit can be adjusted according to the frequency and duration of the pulse as you wish. The current value of each pulse current source can also be adjusted at its discretion, depending on the geometric dimensions and the distance to the protected structure. The output current is controlled by a special device included in the DC stabilization circuit. The control circuit allows you to adjust the pulse duration from 5 to 100 μs and the average current value to 15 A. However, the cathodic protection system of extended structures at a high frequency (several kilohertz) has a high inductive resistance, which is proportional to the square of the frequency, therefore, pulsed current sources when protecting extended facilities must have a high voltage (100-300 V), which is unacceptable on pipelines transporting combustible substances (gas, condensate, oil, oil products). Thus, the high voltage used in pulsed current sources limits their scope.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

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.In order to eliminate the drawbacks noted above, it is proposed in the station for protection against corrosion by pulsed current of metal structures containing one or more direct current sources connected to one or more pulsed current sources connected to individual structures or anode with switches, using bipolar transistors with insulated gates that are connected to the control circuit of the frequency and duration of the current pulse, apply infra-low frequencies of 0.07-0.18 Hz and pulse duration at least 1 s, for which a high-capacity storage capacitor is connected in parallel with the output of each DC source, providing an output pulse current many times higher than the charging current of this capacitor, and a powerful field-effect transistor is used as a key supplying current pulses to the load, for to prevent excess voltage from entering the pulse current source, for example, due to a thunderstorm or stray currents, a high-current diode is installed between this transistor and the output terminal, section load and impulse circuit.

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.At the output of the pulse device, a control circuit is installed, which is an LED indicator of the output. The indicator LED can be additionally equipped with other control devices, forming, in the general case, devices for monitoring the flow of current pulses to the protected structure. At the output of each pulsed current source, its own lightning protection is installed, which protects the corrosion protection station with a pulsed current from interference in pipelines, an anode ground electrode, or the wires connecting them to a corrosion protection station with a pulsed current. A surge protection device in the network is also installed at the inlet of the corrosion protection station with a pulse current, which simultaneously performs the function of protecting against lightning and lightning pickups in network wires.

Краткое описание фигур чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 показана функциональная схема одного канала станции защиты от коррозии импульсным током.Figure 1 shows a functional diagram of one channel of a corrosion protection station by a pulse current.

Лучший вариант осуществления полезной моделиThe best option for implementing a utility model

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.One of the optimal embodiments of the utility model is a station for protection against corrosion by pulsed current, a functional diagram of which is shown in figure 1. Considering the previous experience in operating corrosion protection stations, which were mostly damaged due to a thunderstorm and overvoltage in the supply network, in the proposed version, much attention is paid to lightning protection. In addition to the standard input automaton 1, an overvoltage protection device 2 is installed in the network, which simultaneously performs the function of lightning protection. The outputs of each channel of the corrosion protection station with a pulse current are also protected from lightning entering the protected structures and the anode ground electrode, as well as against interference in the wires and stray currents with a special device 10. As a direct current source 3, a transformer-free stabilized power supply with output limitation turned out to be the most suitable current, since it is intended for charging a storage capacitor of large capacity 4. With a strong discharge of this capacitor, the DC power source will be Operate practically on a short-circuited load. Under these operating conditions, another type of power supply will immediately fail. The use of a large-capacity storage capacitor 4 is caused by the need to obtain rather long (over 1 s) current pulses of up to 100 A. The use of a molecular energy storage device (ionistor) as a large-capacity capacitor 4 has made it possible to abandon the use of heavy and large-sized transformer power supplies. If necessary, molecular energy storage devices make it possible to obtain pulsed currents of up to 400 A or more, which are necessary, for example, when protecting underwater underpasses. The transistor switch 5, through which a large-capacity storage capacitor is partially discharged to the load, operates in saturation mode, so even with a large current the voltage drop across it is small and, therefore, very small power is allocated to it, so a small-sized radiator can be used to cool the transistor. The transistor switches 5 of one or more pulsed current sources are controlled by a single control circuit, which is a master rectangular pulse generator 6, made on a microcontroller and several transistors. Only one regulator is available for the operator - the pulse repetition rate regulator 7. As practice has shown, there is no need for operational adjustment of the pulse duration: at infralow frequencies, the charge manages to spread evenly over the entire surface of the protected structure in between the pulses. If necessary, both the pulse duration and the pulse repetition rate can be changed using a programmer or computer. The pulse amplitude is controlled by a diode-resistive block, which is not included in the corrosion protection station by a pulse current, but is installed separately for each protected structure. Although technically this adjustment can be done by setting a linear gain mode for each output transistor, and using the potentiometer to change the amplitude of the output voltage. But at the same time, the size of the radiators would have to be increased many times and, most importantly, such a technical solution would reduce the reliability of the device. With a long pulse duration, it is possible to control the operation of each channel of the corrosion protection station with a pulsed current using a simple LED indicator 8. The mode switch 9 allows you to separately charge a high-capacity storage capacitor 4 with the driving pulse generator 6 turned off, and disconnect the charging of a high-capacity storage capacitor 4 and a driving pulse generator 6, include charging a storage capacitor of high capacity 4 and simultaneously driving a pulse generator 6. A high-current diode 11 protects the field-effect transistor 5 from the self-induction EMF that occurs when the current at the output terminals T and A is interrupted from extended metal devices and from stray currents.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

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.It is most advisable to apply the proposed model of a corrosion protection station with pulse current at industrial sites of gas pumping compressor stations, booster pumping stations for oil pipelines, urban utilities, reinforced concrete foundations of houses, sports facilities and other metal objects, where there are a large number of pipelines that shield each other from the protective current by the cathodic station DC protection. When protecting these objects with a pulsed current due to the spreading effect, the charge communicated to the metal structure is evenly distributed on its surface even to those areas that were inaccessible during the passage of direct current.

Claims

Station of protection against corrosion by pulsed current of metal structures containing at least one or many DC sources connected to the corresponding protected structures or to the anode with keys, which are used bipolar transistors with an insulated gate, which are connected to a frequency and duration control circuit current pulses, means for measuring the output current, characterized in that a storage capacitor is connected parallel to the output of each DC source a capacitor providing an output current exceeding the charging current of this capacitor, a powerful field-effect transistor is used as a key through which current pulses are applied to the load, a high-current diode is installed between this transistor and the output terminal, separating the external load and the pulse circuit parallel to the output terminals surge protection device is connected to the surge protection device, which protects the corrosion protection station by impulse current from lightning discharges near the protected structures, the anode gap mlitelya and of lead wires thereto, and at its input ascertained another overvoltage protection device that protects against corrosion protection station pulsed current surge in the AC network and the lightning near alternating voltage of supply wires.