PL226794B1 - Sposób iukład ochrony katodowej obiektu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ ochrony katodowej obiektu. Znajduje on zastosowanie wszędzie tam, gdzie podziemne obiekty, np. zbiorniki metalowe, rurociągi narażone są na korozję, która skraca ich żywotność i z tego względu powinny być wyposażone w przeciwkorozyjny system ochrony elektrochemicznej.

W znanych typowych rozwiązaniach układy elektrolitycznej ochrony katodowej zawierają anodę umieszczoną w pobliżu chronionego metalowego obiektu i spolaryzowaną za pomocą zewnętrznego źródła stałego prądu lub napięcia. Źródło to włączone jest pomiędzy anodą i chronionym obiektem, tworząc podstawowy obwód przepływu prądu ochrony między katodą, którą jest chroniona metalową konstrukcją, a anodą. Za pomocą zewnętrznego źródła ustala się określony potencjał elektryczny chronionego obiektu, dzięki czemu w układzie takim nie zachodzi utlenianie, czyli korozja metalu. Układy elektrolitycznej ochrony katodowej wyposażone są także w elektrodę pomiarową, będącą elektrodą odniesienia, która służy do przeprowadzania pomiarów, na podstawie których ocenia się skuteczność ochrony. W znanych rozwiązaniach pomiary parametrów ochrony wykonywane są okresowo przez chwilowe wyłączenie prądu ochrony katodowej i zmierzenie wartości potencjału zbiornika względem elektrody odniesienia. Tak zmierzona wartość potencjału ochrony obiektu porównywana jest z wymaganiami normowymi, co pozwala na ocenę skuteczności działania zabezpieczenia przeciwkorozyjnego. W najprostszych układach pomiary parametrów ochrony wykonywane są co określony czas przez operatora. Znanych jest także wiele układów wyposażonych w oprogramowane sterowniki, np. mikrokontrolery, za pomocą których sterowany jest automatycznie klucz, który cyklicznie odłącza prąd polaryzacji. Zaawansowane systemy wyposażane są dodatkowo w różnego rodzaju układy i elementy pozwalające na automatyczne dokonywanie pomiarów i przetwarzanie ich wyników, co pozwala na ocenę jakości ochrony. Znany jest z europejskiego zgłoszenia patentowego opublikowanego pod nr EP 2655690 sposób i system ochrony katodowej, w którym chroniona metalowa struktura w postaci rury połączona jest z układem zawierającym źródło prądu stałego i anodę oraz aparaturę monitorującą. Aparatura monitorująca ma stację centralną usytuowaną na powierzchni w sąsiedztwie źródła polaryzacji elektrod oraz narzędzie umieszczone wewnątrz rury. Stacja centralna zawiera procesor, pamięć oraz miernik prądu polaryzacji, a także miernik umożliwiający pomiar różnicy potencjału między chronionym obiektem a testowym miejscem, w którym znajduje się struktura pełniąca rolę elektrody odniesienia. Rozwiązanie służy do oceny efektywności ochrony poprzez pomiar potencjału ochrony. W różnych wariantach i odmianach rozwiązania przewidziane są środki do pomiaru potencjału chronionej struktury w odniesieniu do potencjału otoczenia w miejscach położonych w różnej odległości od miejsca połączenia rury ze źródłem prądowym, a także środki do przesyłania danych i sygnałów.

Elektrochemiczna ochrona katodowa jest skuteczna, jeżeli potencjał ochrony mieści się w ustalonym dla danego obwodu przedziale odporności na korozję. W znanych układach elektrochemicznej ochrony katodowej obiektów usytuowanych w ziemi, jako źródła polaryzacji stosuje się źródła napięciowe ze stałym potencjałem ochrony obiektu, albo źródła prądowe ze stałym prądem polaryzacji obiektu. Układy takie realizują więc dwa różne sposoby ochrony katodowej: jeden polega na utrzymywaniu stałego potencjału ochrony, a drugi na dostarczaniu stałego prądu polaryzacji. W metodach ochrony ze stałym potencjałem problemem są gwałtowne, bardzo szybkie i duże zmiany wartości prądu polaryzacji wywołane zmieniającymi się warunkami ochrony i zakłóceniami, co jest przyczyną niestabilności urządzeń. Urządzenia wykorzystywane w metodzie ochrony ze stałym prądem polaryzacji są stabilne, ale nie reagują na zmiany potencjału ochrony spowodowane zmianami warunków ochrony, wywołanymi, np. zmianami pogodowymi (opady deszczu, śniegu, susza, zamarznięcie gleby itp.). Wtedy potencjał ochrony ulega zmianie i może być poza przedziałem odporności na korozję: jeżeli ustawiony prąd polaryzacji jest zbyt wysoki zachodzi niekorzystna nadmierna ochrona, natomiast przy zbyt niskim prądzie polaryzacji - niedostateczna ochrona.

Sposób ochrony katodowej obiektu polegający na wywołaniu pożądanych reakcji chemicznych na powierzchni obiektu poprzez połączenie go w układzie wyposażonym w mikrokontroler z umieszczoną w jego sąsiedztwie anodą za pośrednictwem źródła prądowego polaryzującego anodę i pomiarze w założonych odstępach czasowych bieżących parametrów ochrony według wynalazku charakteryzuje się tym, że do mikrokontrolera wprowadza się zadaną wartość nominalnego prądu polaryzacji pochodzącego ze źródła prądowego i jego wartości graniczne oraz wartość nominalnego potencjału ochrony, a następnie dokonuje się pomiarów chwilowych wartości bieżącego potencjału ochrony i bieżącego prądu polaryzacji i wprowadza się je również do mikrokontrolera, gdzie następuje ich

PL 226 794 B1 przetwarzanie i porównanie z zadanymi wartościami nominalnego potencjału ochrony obiektu i nominalnego prądu polaryzacji, w wyniku czego generuje się i wyprowadza z mikrokontrolera do źródła prądowego sygnał sterujący, za pomocą którego zmienia się wartość bieżącego prądu polaryzacji.

Ochronę katodową uruchamia się ustawiając jako wartość początkową wartość nominalnego prądu polaryzacji, a po wykryciu różnicy między bieżącym potencjałem ochrony i wartością nominalnego potencjału ochrony zmienia się bieżący prąd polaryzacji do momentu osiągnięcia jednej z jego ustalonych wartości granicznych i utrzymuje się tę wartość graniczną do czasu, gdy do uzyskania nominalnego potencjału ochrony wymagana jest zmiana bieżącego prądu polaryzacji.

Układ ochrony katodowej obiektu mający anodę połączoną z obiektem za pośrednictwem źródła prądowego, przetwornika prądowo-napięciowego i klucza odłączającego oraz elektrodę pomiarową i zawierający mikrokontroler z dołączonym do niego interfejsem komunikacyjnym i sygnalizatorem oraz wyposażony w znane bloki zasilaczy według wynalazku charakteryzuje sie tym, że między obiektem i elektrodą pomiarową włączony jest wzmacniacz różnicowy, którego wyjście dołączone jest do przetwornika analogowo-cyfrowego w mikrokontrolerze, do którego także dołączone jest wyjście przetwornika prądowo-napięciowego, a wyjście mikrokontrolera połączone jest ze źródłem prądowym, natomiast jego wejście połączone jest z blokiem programowania.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest utrzymywanie bieżącego potencjału ochrony w przedziale odporności na korozję, niezależnie od zmian warunków otoczenia.

Wynalazek jest bliżej objaśniony na przykładzie zilustrowanym rysunkiem, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu, fig. 2 - wykresy czasowe bieżącego potencjału ochrony i bieżącego prądu polaryzacji w rozwiązaniu według wynalazku, a fig. 3 - odpowiednie wykresy czasowe dla systemów ochrony katodowej bez sterowania źródłem prądowym.

Sposób ochrony katodowej obiektu w przykładowej realizacji polega na przeprowadzanej automatycznie, na bieżąco, regulacji wartości bieżącego prądu polaryzacji I, w zależności od wyników bieżących pomiarów parametrów ochrony. System ochrony katodowej zawiera: źródło prądowe 1, przetwornik prądowo-napięciowy 2, klucz odłączający 3, wzmacniacz różnicowy 4, mikrokontroler 5 z przetwornikiem analogowo-cyfrowym, blok programowania 6, sygnalizator 7, interfejs komunikacyjny 8, wewnętrzny zasilacz 9, obiekt 10 stanowiący katodę, elektrodę pomiarową 11, anodę 12, zewnętrzny zasilacz 13 oraz zewnętrzne urządzenie komunikacyjne 14. Przed uruchomieniem systemu do pamięci nieulotnej mikrokontrolera 5 wprowadza się za pomocą bloku programowania 6 następujące dane: wartość nominalną potencjału ochrony EN, wartość nominalną prądu polaryzacji IN i wartości graniczne prądu polaryzacji - minimalny prąd polaryzacji Imin, maksymalny prąd polaryzacji Imax. Wartość nominalna prądu polaryzacji zawarta jest w przedziale między jego wartością minimalną i maksymalną. System ochrony uruchamia się ustalając jako prąd polaryzacji jego wartość nominalną IN. Podczas pracy systemu mierzy się za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego w mikrokontrolerze wartość bieżącą prądu polaryzacji I. Cyklicznie, co zadany odcinek czasowy, w momentach odłączenia od obiektu 10 prądu polaryzacji przez klucz odłączający 3, mierzy się także wartość bieżącego potencjału ochrony E, występującego między obiektem 10 i elektrodą pomiarową 11. Wszystkie mierzone wartości zamienia się na sygnały cyfrowe i przetwarza się w mikrokontrolerze 5. Jeżeli wartość bieżącego potencjału ochrony E jest różna od wartości nominalnej potencjału ochrony EN, generuje się z oprogramowanego mikrokontrolera sygnał wyjściowy i podaje jako sygnał sterujący do źródła prądowego 1, który zmienia wartość prądu dostarczanego przez źródło prądowe tak, aby różnica między bieżącym potencjałem ochrony E i nominalnym potencjałem ochrony EN była bliska zera. Mikrokontroler 5 oprogramowany jest tak, aby regulował wartość prądu polaryzacji źródła prądowego w sposób proporcjonalno całkujący. Kiedy prąd ze źródła prądowego 1 zwiększa się i osiąga wartość równą zadanej wartości maksymalnej lmax, dalsze zwiększanie prądu jest wstrzymane, źródło prądowe 1 ustala prąd polaryzacji na poziomie wartości maksymalnej Imax i utrzymuje tę wartość do czasu, gdy niższa wartość prądu polaryzacji jest wymagana do osiągnięcia nominalnego potencjału ochrony EN. Kiedy prąd polaryzacji ze źródła prądowego zmniejsza się i jego wartość bieżąca I osiąga założoną wartość minimalną Imin, dalsze zmniejszanie prądu zostaje wstrzymane, źródło prądowe 1 ustala wartość bieżącą prądu polaryzacji I na poziomie wartości minimalnej Imin i utrzymuje na tym poziomie do czasu, gdy wyższa wartość prądu polaryzacji jest wymagana do osiągnięcia nominalnego potencjału ochrony EN. Jak pokazano na wykresach na fig. 2, ilustrujących przykładowe przebiegi czasowe prądu polaryzacji i potencjału ochrony, gdy wartość bieżącego prądu polaryzacji I regulowana jest metodą według wynalazku i zmienia się w założonych granicach między przyjętymi wartościami granicznymi: minimalnym prądem polaryzacji Imin i maksymalnym prądem polaryzacji Imax, bieżący potencjał ochrony E zasadniczo

PL 226 794 B1 znajduje się w przedziale odporności na korozję, określonym przez wartości graniczne E1, E2. Wyjątkiem są chwilowe zakłócenia w momentach t1, t2, krótkim przedziale t3-t4 oraz t5-t6. Porównanie podobnych przebiegów czasowych bez regulacji źródła prądowego, tj. gdy bieżący prąd polaryzacji I jest stały, pokazanych dla ilustracji na fig. 4, wyraźnie wskazuje na znacznie dłuższe odcinki czasowe, gdy bieżący potencjał ochrony jest poza przedziałem odporności na korozję.

W przykładowej realizacji pokazanej na fig. 1 układ według wynalazku posiada źródło prądowe 1 dołączone z jednej strony do anody 12, a z drugiej strony, poprzez przetwornik prądowo-napięciowy 2 i klucz odłączający 3, do obiektu 1, który stanowi katodę w układzie ochrony katodowej, zawierającym także elektrodę pomiarową 11. Pomiędzy obiektem 10 i elektrodą pomiarową 11 włączony jest wzmacniacz różnicowy 4. Wyjścia przetwornika prądowo-napięciowego 2 i wzmacniacza różnicowego 4 dołączone są do przetwornika analogowo-cyfrowego w mikrokontrolerze 5, którego jedno z wyjść połączone jest z kluczem odłączającym 3, a inne wyjście połączone jest ze źródłem prądowym 1. Mikrokontroler 5 połączony jest także z blokiem programowania 6, sygnalizatorem 7 i poprzez interfejs komunikacyjny 8 z zewnętrznym urządzeniem komunikacyjnym 14. Układ zawiera także wewnętrzny zasilacz 9 dostarczający napięcie stałe niezbędne do zasilania poszczególnych bloków, który połączony jest zewnętrznym zasilaczem 13. Sygnalizator 7 oraz urządzenie komunikacyjne 14 mogą stanowić dowolne, korzystne i wymagane dla konkretnego zastosowania urządzenia, za pomocą których mogą być sygnalizowane i przekazywane parametry stanu ochrony obiektu.

W układzie prąd polaryzacji płynący ze źródła prądowego 1 do chronionego obiektu 10 jest wprowadzany do przetwornika prądowo-napięciowego 2 i dalej przerywany kluczem odłączającym 3 sterowanym sygnałem z mikrokontrolera 5. Wartość bieżącego prądu polaryzacji I mierzona jest przez przetwornik analogowo-cyfrowy w mikrokontrolerze 5, za pomocą którego mierzona jest także na wyjściu wzmacniacza różnicowego 4, w chwili odłączenia prądu polaryzacji, wartość bieżącego potencjału ochrony E, jako różnica potencjałów między obiektem 1 i elektrodą pomiarową 11. Na podstawie danych wprowadzonych przy pomocy bloku programowania 6 oraz wyników bieżących pomiarów, w mikrokontrolerze następuje przetwarzanie danych według zadanego algorytmu i generowane są sygnały sterujące do klucza odłączającego 3 oraz do źródła prądowego 1. Źródło prądowe 1 regulowane jest w taki sposób, aby różnica między bieżącym potencjałem ochrony E i nominalnym potencjałem ochrony EN była bliska zeru.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na minimalizację wpływu zakłóceń i zmian warunków ochrony na stabilność systemu ochrony katodowej.

Claims (3)

1. Sposób ochrony katodowej obiektu polegający na wywołaniu pożądanych reakcji chemicznych na powierzchni obiektu poprzez połączenie go w układzie wyposażonym w mikrokontroler, z umieszczoną w jego sąsiedztwie anodą, za pośrednictwem źródła prądowego polaryzującego anodę i pomiarze w założonych odstępach czasowych bieżących parametrów ochrony, znamienny tym, że do mikrokontrolera (5) wprowadza się zadaną wartość nominalnego prądu polaryzacji (IN) pochodzącego ze źródła prądowego (1) i jego wartości graniczne oraz wartość nominalnego potencjału ochrony (EN), a następnie dokonuje się pomiarów chwilowych wartości bieżącego potencjału ochrony (E) i bieżącego prądu polaryzacji (I) i wprowadza się również do mikrokontrolera (5), gdzie następuje ich przetwarzanie i porównanie z zadanymi wartościami nominalnego potencjału ochrony obiektu (EN) i nominalnego prądu polaryzacji (IN), w wyniku czego generuje się i wyprowadza z mikrokontrolera (5) do źródła prądowego (1) sygnał sterujący, za pomocą którego zmienia się wartość bieżącego prądu polaryzacji (I).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ochronę katodową uruchamia się ustawiając jako wartość początkową wartość nominalnego prądu polaryzacji (IN), a po wykryciu różnicy między bieżącym potencjałem ochrony (E) i wartością nominalnego potencjału ochrony (EN) zmienia się bieżący prąd polaryzacji (I) do momentu osiągnięcia jednej z jego ustalonych wartości granicznych i utrzymuje się tę wartość graniczną do czasu, gdy do uzyskania nominalnego potencjału ochrony (EN) wymagana jest zmiana bieżącego prądu polaryzacji (I).

3. Układ ochrony katodowej obiektu mający anodę połączoną z obiektem za pośrednictwem źródła prądowego, przetwornika prądowo-napięciowego i klucza odłączającego oraz elektrodę pomiarową i zawierający mikrokontroler z dołączonym do niego interfejsem komunikacyjnym i sygnalizatorem oraz wyposażony w znane bloki zasilaczy, znamienny tym, że między

PL 226 794 B1 obiektem (10) i elektrodą pomiarową (11) włączony jest wzmacniacz różnicowy (4), którego wyjście dołączone jest do przetwornika analogowo-cyfrowego w mikrokontrolerze (5), do którego także dołączone jest wyjście przetwornika prądowo-napięciowego (2), a wyjście mikrokontrolera (5) połączone jest ze źródłem prądowym (1), natomiast jego wejście połączone jest z blokiem programowania (6).