Анодное заземление: виды, принцип действия, конструкция и монтаж

Принципы работы анодных заземлителей

Примерно в середине 20 века ученые поняли, что преодолеть развитие коррозии металлических конструкций, находящихся под землей, только за счет защитных покрытий не представляется возможным. Из-за неоднородной структуры, высокой влажности и кислотности почвы на поверхности металла появляются участки противоположных электродных потенциалов. В результате возникают образования гальванической коррозии.

Коррозионное разрушение металла дополнительно провоцируется действием блуждающих токов. Такие токи время от времени появляются в почве, по поверхности которой проходит электротранспорт, располагаются электрические подстанции, вышки сотовой связи и т.п.

Во избежание коррозионных процессов применяют установки катодной защиты. Объект находится в условиях отрицательной поляризации, где он действует как катод. Роль анода отводится специальному заземляющему устройству.

Находясь в электролитной среде, разные виды металлов имеют разные электродные потенциалы. Если запустить минус от источника постоянного тока в стальной трубопровод, а рядом с трубой установить электрод из цинка, алюминия или магния с подключенным к нему плюсом, то цветной металл будет выступать в роли анода. Реакция электролиза на поверхности металла запускает процессы экстракции, ржавчина становится менее интенсивной, анод разрушается. Такие аноды называются жертвенными электродами.

По этой схеме защищают все виды подземных металлоконструкций, в том числе резервуары, столбы, трубопроводы. Для организации эффективной защиты важно не только правильно подобрать анодный заземлитель, но и аккуратно провести монтажные работы.

В условиях плотной застройки городов часто невозможно разместить анодный заземлитель горизонтально. Есть вероятность негативного воздействия на окружающие предметы. В связи с этим американские ученые выдвинули предложение о возможности установки заземляющих устройств на больших глубинах в вертикальном положении. Первое воплощение идеи увидело свет в 1952 году в США. Анодный заземлитель был установлен на глубине 90 метров.

Позже на практике было доказано, что глубинные заземлители пригодны не только для городов, но и для использования в районах, где верхние слои грунта отличаются повышенным удельным сопротивлением. По мере удаления от поверхности сопротивление должно уменьшаться. Технология глубокого заземления применима не только для скал и заболоченных территорий.

Устройство

Анодные заземлители работают следующим образом. Находясь в электролите, различные металлы имеют отличные электродные потенциалы. Поэтому, если по трубопроводу пропустить «-» от источника постоянного тока, а в непосредственной близости от трубы, к которой будет подключаться «+», поместить электрод, состоящий из алюминия магния или цинка, эти металлы по отношению к обычная сталь в электролите будет выполнять функцию анода.

Этот элемент в этой электрохимической системе будет саморазрушаться в почве, тем самым защищая катод, то есть газопровод или другую коммуникацию, от коррозии.

Точно так же можно защитить от разрушения подземные металлические резервуары и другие объекты из коррозионно-активных материалов. Для обеспечения защиты подземных металлических объектов на должном уровне необходимо не только выбрать качественную систему анодных заземлителей, но и правильно провести монтажные работы.

Виды анодных заземлителей

Катодная защита объектов из металла осуществляется не только глубинными, но и поверхностными заземлителями.

Поверхностное анодное заземление находится на одном уровне с защищаемой конструкцией. Такие заземлители отличаются компактностью и ограниченным радиусом действия. Поверхностная система представляет собой электрод из сплава цинка или магния, соединенный кабелем с источником питания.

Чтобы получить более дешевую конструкцию и не потерять в качестве, современные устройства изготавливают из железокремниевого материала, устойчивого к ржавчине. Системы поверхностного заземления чаще всего имеют вид стержня с круглой формовкой и изолированными участками для соединения контактного проводника с заземлителем.

Примечание! Количество узлов анодного заземления определяется специалистом на основании анализа ряда факторов внешней среды.

Стержни соединяются с основной сеткой методом термитной сварки или специальными зажимами. Срок службы поверхностного заземлителя достигает 35 лет, если корпус обсыпать смесью кокса и других минеральных веществ. Такая смесь замедляет процессы распада анодов в почве.

Установки глубинного заземления используются для тех же целей, что и наземные установки. Однако установка и конструкция глубинных систем существенно различаются. Глубинные аноды намного дороже, а потому их применение оправдано только при невозможности установки поверхностной системы.

Глубинные системы отличаются большой массой за счет дополнительного элемента – коксово-минеральной смеси, нанесенной на анодный заземлитель. Глубина залегания достигает 40 и более метров. Это еще одна причина дороговизны монтажных работ: требуется механизированное бурение с использованием буровых установок.

Несмотря на высокую стоимость, глубинное заземление намного эффективнее поверхностного при защите больших площадей. В условиях плотной городской застройки зачастую проще установить один заземляющий электрод, чем создавать множество наземных систем. Еще один аргумент в пользу глубокого заземления — более низкие энергозатраты, которые обеспечиваются значительным радиусом действия системы.

Примечание! Сопротивление в заземлителе анода не зависит от времени года. Электрод размещают на такой глубине, где исключено промерзание грунта. Стабильное сопротивление – весомый аргумент в пользу использования именно этой методики.

Глубинные петли грунта характеризуются более коротким сроком службы по сравнению с поверхностными петлями. Объясняется это высоким давлением грунта на конструкцию. В среднем глубинная система работает три десятилетия.

Технология монтажа анодного заземления

Монтаж глубинного анодного заземления заключается в бурении скважины для анодного заземления, размещении в ней металлического проводника и последующем заполнении скважины от устья до дна неметаллическим токопроводящим материалом. Обычно в качестве такого материала выступает графит или дробленый кокс.

Среди недостатков этого метода можно отметить высокую стоимость металлического проводника из-за большого расхода металла, процессов проходки, засыпки, утрамбовки неметаллического токопроводящего материала и низкий ресурс анода из-за его разрушения вследствие недостаточной цементации и высокой растворимости токопроводящих материалов.

Иногда в качестве неметаллического проводящего материала используют электропроводящий цементный раствор. При заполнении колодца раствором применяют метод вертикально движущейся трубы. В верхнюю часть лунки помещают металлический проводник до застывания раствора. В качестве металлического проводника можно использовать арматурный стальной стержень или нагнетательную трубу.

Стоимость этого метода невелика, но срок службы анода остается низким из-за просадок грунта и, как следствие, просадок грунта. Кроме того, при таком способе нельзя ремонтировать и демонтировать установку.

При монтаже анодных заземлителей поверхностным способом заземлители укладывают горизонтально в траншею, бурение скважины не требуется. При монтаже глубинным или свайным способами установки необходимо бурение скважины.

Классификация

При изучении темы анодных заземлителей важно понимать их функции и классификацию. Условно изделия делятся по нескольким критериям.

По расположению

Анодные заземлители различаются по положению относительно защищаемого объекта или рабочего органа.

По расположению по отношению к охраняемому объекту они бывают:

1. Глубокий – несколько электродов, объединенных кабелями. Они расположены на глубине около 40 м, покрыты коксо-минеральным составом, что значительно увеличивает вес изделия. Для монтажа привлекаются буровые установки, что удорожает работу. Несмотря на высокую стоимость, заземлители с глубоким анодом имеют повышенный радиус действия, а их сопротивление не зависит от времени года. Средняя продолжительность жизни около 30 лет.
2. Surface — выполняют те же функции, но устанавливаются на том же уровне, что и защищенные продукты. Отличается компактностью и сравнительно небольшим радиусом действия. Он представляет собой электрод из сплава цинка, магния или железа с кремнием. Последний вариант чаще всего используется из-за более дешевой цены и высокой эффективности. Имеют форму круглого стержня с точками для соединения с кабельной продукцией.
3. Удлиненные — анодные заземлители, выполненные в виде токоведущего троса с размещенным вокруг него проволочным электродом. На поверхность последнего наносится покрытие из группы оксидов металлов. Конструкция обернута коксовой крошкой, которая используется в качестве заземляющего электрода. Удлиненные заземлители применяются во всех типах грунта, их размещают в одном приямке с защищаемым металлическим объектом.

   Читайте также: Соотношение масла к бензину для двухтактных двигателей, смесь бензина для лодочного двигателя

   

4. Внутренние — анодные заземлители, используемые для защиты металлических емкостей, труб и других изделий. Их особенность заключается в установке в охраняемом объекте вертикально или горизонтально. Конструктивно они представляют собой электрод, снабженный устойчивым к коррозии кабелем и помещенный в специальный диэлектрический цилиндрический экран. Монтаж заземлителей осуществляется вручную без применения дополнительных приспособлений и оборудования.

Твердотельное реле, устройство и принцип работы, схема, подключение, управление

При размещении по отношению к рабочему органу анодные заземлители могут располагаться:

• вертикально;
• по горизонтали;
• наклонный;
• в комбинированном варианте – сочетание всех рассмотренных выше видов.

По материалу

При выборе анодных заземлителей необходимо учитывать материал, из которого изготовлен рабочий элемент.

Здесь доступно несколько решений:

• чугун;
• стали;
• графит и пластик;
• железо и кремний;
• композитный полимер;
• токопроводящий эластомер;
• комбинированный клапанный металл и так далее

Условно материалы бывают металлические и неметаллические, но на этом вопросе мы остановимся ниже.

По форме поперечного сечения

При изготовлении заземлителя анода могут использоваться разные формы электродов.

Доступные Варианты:

• прямоугольник;
• цилиндр;
• сфера;
• винт;
• угол;
• плоский экран;
• полая труба;
• провод;
• основной;
• сетка с мелкими ячейками.

В зависимости от формы изделия меняются подходы к монтажу и характеристики готовой конструкции, поэтому эти вопросы необходимо учитывать при проектировании и монтаже.

По характеру засыпки прианодной области

При монтаже подходы к заполнению пространства возле анодного наполнителя могут различаться.

Здесь доступны следующие варианты заполнения:

• специальный активатор для снижения дисперсионной стойкости;
• уголь и графит;
• минеральный состав кокса;
• токопроводящая засыпка;
• шунгит;
• грунтовка.

При выборе заливки учитываются тип защищаемого объекта и его свойства.

По расстоянию

В зависимости от ситуации анодный заземлитель может быть установлен на разном расстоянии от защищаемого объекта.

Доступные Варианты:

• дистанционное управление;
• приблизительный;
• распределенный.

По конструкции

При выборе изделия важно учитывать конструктивные особенности.

Основные типы:

• расширенный;
• слабо растворим;
• распределенный;
• концентрированный (например, ворс).

На практике могут использоваться и другие типы заземлителей анодов. Выбор типа и функций осуществляется при проектировании.

По климатическому исполнению

На этапе создания проекта необходимо учитывать регион, с климатом которого будет установлена ​​система анодного заземлителя.

Учитывая этот факт, выбирается один из следующих вариантов:

• для использования на суше — ГОСТ-15150;
• эксплуатация в море — категория В (5).

Отличительные особенности продукции в части климатического исполнения указаны в технических условиях и стандартах.

Особенности проектирования и установки

Проектирование и монтаж устройства глубинного заземлителя осуществляется с соблюдением определенных правил:

1. Электроды, входящие в состав венца, устанавливаются исключительно ниже уровня промерзания грунта. Особенно отчетливо это условие должно наблюдаться в районах с многолетнемерзлыми грунтами.
2. Если сила тока на катодной станции превышает 25 Ампер, на венец потребуется установить перфорированную трубу для отвода газов, выделяющихся при работе оборудования. В противном случае газовая оболочка, возникающая вблизи анода, увеличивает сопротивление и уменьшает радиус действия системы.
3. Для продления срока службы электродов скважину засыпают не грунтом, а коксовой стружкой.

Где нужно использовать анодное заземление

Возникновение коррозионных процессов и нарушение целостности труб и других деталей становится основной причиной аварийных ситуаций на линиях различных коммуникаций. Чтобы продлить их эффективную жизнь, важно организовать их защиту.

Действует как эффективный и необходимый способ защиты и обслуживания таких предметов:

• нефтепроводы и все подземные компоненты для завершения и хорошей эксплуатации;
• газопроводы, находящиеся под землей;
• трубопроводы и большое количество различных коммуникаций и элементов различных конструкций, которые могут подвергаться коррозионным процессам.

Какие материалы используются для создания анодных заземлителей

Для организации заземления газопровода и большого количества других коммуникаций используются следующие основные материалы и комплектующие:

• сплавы железа – материалы не часто используются для таких целей в условиях близости к грунтовым водам и наличия других факторов, влияющих на срок службы конструкции;
• графит – один из самых практичных и популярных элементов, так как относится к группе плохо растворимых материалов;
• полимеры – недорогие и искусственные компоненты, которые хорошо справляются со своей задачей;
• платиновые элементы и другие компоненты.

Выбор того или иного вида оборудования будет напрямую зависеть от особенностей конкретного объекта и условий использования металлических деталей.

История создания

До использования современных анодных заземлителей использовались старомодные «жертвенные электроды» или установки катодной защиты. Защищаемый объект играл роль катода, а земля – анода. В результате металлоконструкции служили дольше, но анодный заземлитель быстро повреждался и требовал замены.

Раньше такие аноды располагались горизонтально, но в городских условиях такой подход реализовать сложно.

Решение проблемы придумал Роберт Кун, который предложил устанавливать заземлитель на большую глубину и вертикально. При первой проверке в 1952 году удалось установить анод на высоте 90 метров.

Со временем специалисты пришли к выводу, что такой способ защиты металлоконструкций лучше подходит для городских условий.