RU2216608C1

RU2216608C1 - Well anode grounding device

Info

Publication number: RU2216608C1
Application number: RU2002112561/02A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Зенцов; М.Д. Акульшин; А.М. Кузнецов; Р.А. Соловьев
Original assignee: Уфимский государственный нефтяной технический университет
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2002-05-13
Publication date: 2003-11-20
Also published as: RU2002112561A

Abstract

FIELD: equipment of systems for cathode protection against corrosion, namely well anode grounding devices. SUBSTANCE: grounding device includes single central steel electrode onto which constructional members of grounding device are stringed in the form of garland. Each member has steel tubular pipe coated with layer of electrically conductive concrete embraced by layer of coke charge and housed in steel thin-wall casing with steel gauze on its ends. On ends of tubular pipes there are inner cone turnings for placing steel thin-wall cone slit sleeves in the form of collet chuck with conicity degree no more than 1 : 50, said sleeves may be joined with turning and with central electrode. Gap is provided between walls of well where grounding device is mounted and casings; said gap is filled with electrically conducting concrete. EFFECT: enhanced operational reliability, increased useful life period of device. 3 dwg

Description

Изобретение относится к оборудованию систем катодной защиты подземных сооружений, трубопроводов и коммуникаций от электрохимической коррозии, в частности к анодным заземлителям. The invention relates to the equipment of cathodic protection systems of underground structures, pipelines and communications from electrochemical corrosion, in particular to anode grounding conductors.

Известен анодный заземлитель (SU а.с. 1516509 А1, С 23 F 13/00), содержащий токоввод и последовательно соединенные электроды, каждый из которых выполнен в виде концентрично расположенных стержня и тонкостенного металлического кожуха, пространство между которыми заполнено электропроводным бетоном, снабжен фланцами и анкерными болтами, причем стержни выполнены с кольцевыми ребрами жесткости, размещенными равномерно по их длине, а концы каждого стержня выполнены в виде раструбных колец, в одном из которых смонтирован токоввод, в другом - анкерный болт, а фланцы укреплены на наружной поверхности колец. Known anode earthing switch (SU AS 1516509 A1, C 23 F 13/00) containing a current lead and series-connected electrodes, each of which is made in the form of a concentric rod and a thin-walled metal casing, the space between which is filled with conductive concrete, equipped with flanges and anchor bolts, the rods being made with ring stiffeners evenly spaced along their length, and the ends of each rod made in the form of bell-shaped rings, in one of which a current lead is mounted, in the other an anchor bolt t, and the flanges are fixed to the outer surface of the rings.

Недостатками известного анодного заземлителя являются:
- сложность конструкции, требующая значительного объема монтажных работ: соединение анодных заземлителей попарно посредством свинчивания анкерных болтов между собой муфтой, а также сборка болтовыми соединениями между собой кожухов;
- недостаточно надежная силовая связь между парами анодных заземлителей при их сборе в глубинный анодный заземлитель: силовая связь между парами осуществляется металлическими кожухами, которые растворяются в первую очередь, в результате чего пары удерживаются в скважине на весу только электропроводящими кабелями;
- конструктивное исполнение соединения стержней между собой анкерными болтами с помощью муфты из винипласта и наличие фланцев из неэлектропроводного материала сокращают эффективную рабочую длину глубинного анодного заземлителя, что противоречит самой идее глубинного анодного заземлителя;
- за счет увеличения длины заземлителя улучшить его характеристики.The disadvantages of the known anode ground electrode system are:
- the complexity of the design, requiring a significant amount of installation work: connecting anode grounding conductors in pairs by screwing anchor bolts to each other with a sleeve, as well as assembling the housings by bolting to each other;
- insufficiently reliable power connection between the pairs of anode ground electrodes when they are assembled into a deep anode ground electrode: power communication between the pairs is carried out by metal casings, which dissolve in the first place, as a result of which the pairs are held in the well by weight only with conductive cables;
- the design of connecting the rods to each other with anchor bolts using a vinyl-plastic coupling and the presence of flanges of non-conductive material reduce the effective working length of the deep anode ground electrode, which contradicts the idea of a deep anode ground electrode;
- by increasing the length of the ground electrode to improve its characteristics.

Известен скважинный анодный заземлитель (SU а.с. 1339164 А1, С 23 F 13/00), выполненный в виде гирлянды электрически и механически последовательно соединенных между собой анодных заземлителей, каждый из которых содержит центральный стальной электрод, слой активатора в виде коксовой засыпки, упакованные в металлический тонкостенный кожух, причем каждый анодный заземлитель снабжен насаженным на центральный электрод электропроводным трубчатым элементом и слоем электропроводного бетона, расположенным между трубчатым элементом и слоем активатора, при этом центральный электрод выполнен общим для всех заземлителей, между отдельными заземлителями расположены перегородки в виде металлической сетки, а зазор между стенкой скважины и наружным кожухом заполнен электропроводным бетоном. Known borehole anode earthing switch (SU AS 1339164 A1, C 23 F 13/00), made in the form of a garland of anode earthing switches electrically and mechanically connected in series with each other, each of which contains a central steel electrode, an activator layer in the form of coke charge, packaged in a metal thin-walled casing, each anode ground electrode equipped with an electrically conductive tubular element mounted on a central electrode and a layer of conductive concrete located between the tubular element and the activator layer, in this case, the central electrode is made common to all ground electrodes, partitions in the form of a metal mesh are located between the individual ground electrodes, and the gap between the well wall and the outer casing is filled with electrically conductive concrete.

Недостатком известного скважинного анодного заземлителя является ненадежность электрического соединения между центральным электродом и трубчатым элементам, которая может привести к выходу из строя как заземлителей, так и всей гирлянды в целом. Это объясняется следующими причинами:
- плотный металлический контакт между центральным электродом и трубчатым элементом из-за гарантированного между ними зазора по диаметру теоретически возможен только по линии, да и то лишь при соблюдении абсолютных геометрических прямолинейности и параллельности образующих электрода и цилиндрического отверстия трубчатого элемента, фактически же металлический контакт осуществляется в нескольких точках;
- электропроводный бетон в силу своего функционального назначения гигроскопичен и поэтому пропускает к месту металлического контакта электрода и трубчатого элемента электролит грунта, что приводит к электрохимической коррозии поверхностей контакта и, как следствие, в лучшем случае к повышению омического сопротивления контакта, в худшем - к полному исчезновению электрической связи между электродом и трубчатым элементом.A disadvantage of the known borehole anode ground electrode system is the unreliability of the electrical connection between the central electrode and the tubular elements, which can lead to failure of both the ground electrode system and the entire garland as a whole. This is due to the following reasons:
- tight metal contact between the central electrode and the tubular element due to the diameter gap guaranteed between them is theoretically possible only along the line, and even then, subject to absolute geometric straightness and parallelism of the generatrix of the electrode and the cylindrical hole of the tubular element, in fact, the metal contact is carried out in several points;
- conductive concrete, due to its functional purpose, is hygroscopic and therefore passes soil electrolyte to the place of metal contact of the electrode and the tubular element, which leads to electrochemical corrosion of the contact surfaces and, as a result, in the best case leads to an increase in the ohmic resistance of the contact, in the worst case to complete disappearance electrical connection between the electrode and the tubular element.

Данный скважинный анодный заземлитель является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату. This borehole anode ground electrode is the closest to the invention in terms of technical nature and the achieved result.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение надежности и увеличение срока службы заземлителя. The problem solved by the invention is to increase reliability and increase the service life of the ground electrode.

Техническая задача решается тем, что в скважинном анодном заземлителе, содержащем размещенные в скважине с зазором, заполненным электропроводным бетоном, центральный стальной электрод и составляющие заземлитель элементы, выполненные в виде стальных трубчатых элементов, покрытых слоем электропроводного бетона, окруженных слоем активатора в виде коксовой засыпки и заключенных в стальной тонкостенный кожух со стальной сеткой по торцам, насаженные на электрод в виде гирлянды и электрически, и механически последовательно соединенные между собой, согласно изобретению трубчатые элементы снабжены стальными тонкостенными коническими разрезными втулками в виде цанг с конусностью не более 1:50, сопряженными с выполненными по торцам трубчатых элементов внутренними коническими расточками и поверхностью центрального электрода. The technical problem is solved in that in the borehole anode earthing switch containing a central steel electrode placed in the well with a gap filled with conductive concrete, the elements made up of steel tubular elements coated with a layer of conductive concrete surrounded by a layer of activator in the form of coke backfill and enclosed in a steel thin-walled casing with a steel mesh at the ends, mounted on an electrode in the form of a garland and electrically, and mechanically connected in series between According to the invention, the tubular elements are provided with steel thin-walled conical split sleeves in the form of collets with a taper of not more than 1:50, mating with the inner conical bores made at the ends of the tubular elements and the surface of the central electrode.

Изобретение поясняется чертежами:
фиг.1 - продольный по оси разрез заземлителя;
фиг.2 - продольный разрез и вид сверху конической втулки;
фиг.3 - выноска с продольного разреза заземлителя.The invention is illustrated by drawings:
figure 1 is a longitudinal along the axis section of the ground electrode;
figure 2 is a longitudinal section and a top view of a conical sleeve;
figure 3 - leader with a longitudinal section of the ground electrode system.

Скважинный анодный заземлитель состоит из единого центрального стального электрода 1, имеющего на конце заходной конус 2. На центральный электрод насажены в виде гирлянды отдельные заземлители 3. Между наружной поверхностью заземлителей 3 и внутренней поверхностью скважины закачан электропроводный бетон 4. Верхний конец центрального электрода 1, расположенный в колодце 5, соединен кабелем 6 с катодной станцией. Каждый отдельный заземлитель 3 состоит из трубчатого элемента 7, выполненного из стали, внутренний диаметр которого больше с гарантированным зазором диаметра центрального электрода 1 для обеспечения свободной сборки. Вокруг трубчатого элемента 7 равномерным слоем расположен слой электропроводного бетона 8, а затем слой коксовой засыпки 9, заключенные в тонкостенный металлический кожух 10. Торцы отдельных заземлителей 3 между кожухом 10 и трубчатым элементом 7 закрыты металлической сеткой 11, предотвращающей высыпание коксовой засыпки 9. По торцам трубчатого элемента 7 выполнены внутренние конические расточки 12, в которых расположены тонкостенные разрезные конические втулки 13, выполненные в виде цанги. Конусность расточки 12 и втулки 13 выбрана величиной не более 1: 50, что, как известно из техники (см. П.И. Орлов. Основы конструирования. Кн. 2. - М.: Машиностроение, 1988), обеспечивает самозаклинивание конического сопряжения, препятствующее самопроизвольному выходу втулки 13 из расточки 12. Втулка 13 сопрягается одновременно с расточкой 12 трубчатого элемента 7 и поверхностью центрального электрода 1, обеспечивая электрическую связь между электродом 1 и заземлителями 3. За счет распирающего действия конического сопряжения при приложении нагрузки вдоль оси создаются надежные поверхностные контакты между центральным электродом 1 и втулкой 13, втулкой 13 и расточкой 12 трубчатого элемента 7. Для обеспечения равномерности давления по площади поверхностных металлических контактов втулка 13 выполнена тонкостенной разрезной (с разрезом 14 по образующей на всю длину втулки 13) в виде цанги (с несколькими равномерно расположенными по окружности втулки 13 надрезами 15 вдоль ее оси, образующими цанговые лепестки 16). Втулки 13 двух соседних заземлителей 3 в гирлянде направлены конусами в разные стороны и упираются друг в друга тупыми торцами. The borehole anode earthing switch consists of a single central steel electrode 1 having an entry cone 2 at the end. Separate earthing switches are mounted in the form of a garland 3. Electrically conductive concrete 4 is pumped between the outer surface of the earthing switches 3 and the inner surface of the well 4. The upper end of the central electrode 1, located in well 5, connected by cable 6 to the cathode station. Each individual ground electrode 3 consists of a tubular element 7 made of steel, the inner diameter of which is larger with a guaranteed gap of the diameter of the central electrode 1 to ensure free assembly. Around the tubular element 7, a layer of electrically conductive concrete 8 is located, and then a layer of coke backfill 9 enclosed in a thin-walled metal casing 10. The ends of the individual grounding conductors 3 between the casing 10 and the tubular element 7 are closed with a metal mesh 11, which prevents the coke backfill from spilling out 9. 9. At the ends the tubular element 7 is made of internal conical bores 12, in which are located thin-walled split conical bushings 13 made in the form of a collet. The taper of the bore 12 and the sleeve 13 is selected with a value of not more than 1: 50, which, as is known from the technique (see PI Orlov. Fundamentals of Design. Book 2. - M.: Mashinostroenie, 1988), provides self-locking of the conical interface, preventing the spontaneous exit of the sleeve 13 from the bore 12. The sleeve 13 is mated simultaneously with the bore 12 of the tubular element 7 and the surface of the central electrode 1, providing electrical connection between the electrode 1 and the ground electrodes 3. Due to the bursting action of the conical interface when applying load along l axis creates reliable surface contacts between the central electrode 1 and the sleeve 13, the sleeve 13 and the bore 12 of the tubular element 7. To ensure uniformity of pressure across the surface of the surface metal contacts, the sleeve 13 is made thin-walled split (with a cut 14 along the generatrix for the entire length of the sleeve 13) in in the form of a collet (with several notches 15 evenly spaced along the circumference of the sleeve 13 along its axis, forming collet petals 16). The bushings 13 of two adjacent ground electrodes 3 in the garland are directed by cones in different directions and abut against each other with blunt ends.

Скважинный анодный заземлитель работает следующим образом. Анодные заземлители 3 в гирлянде собственным весом и при необходимости дополнительным внешним усилием вгоняют втулки 13 по оси в расточки 12 труб трубчатых элементов 7. Распорное усилие на стенки расточки 12 и поверхность центрального электрода 1 от конической втулки 13 в 10 раз больше осевого усилия, действующего на втулку 13, и достигает значительных величин, плотно прижимающих лепестки 16 втулки 13 к поверхности электрода 1 с одной стороны и к поверхности расточки 12 с другой. В случае несоответствия геометрических форм втулки 13 геометрическим формам поверхностей электрода 1 и расточки 12 из-за отклонения размеров в пределах допуска на изготовление распорное усилие деформирует податливые тонкостенные узкие лепестки втулки 13 до полного соответствия геометрических форм поверхностей сопрягаемых элементов 1, 12, 13, образующие плотные поверхностные металлические контакты элементов электрод 1 - втулка 13; втулка 13 - расточка 12 трубчатого элемента 7. Шлифование поверхностей сопрягаемых элементов 1, 12, 13 обеспечивает плотность и прижатие металлических контактов, предотвращающие проникновение электролита грунта в контакт и создающие условия для диффузионной сварки сопрягаемых элементов 1, 12, 13. Downhole anode earthing operates as follows. Anode grounding electrodes 3 in the garland with their own weight and, if necessary, additional external force drive the bushings 13 along the axis into the bores 12 of the tubular elements 7. The force exerted on the walls of the bore 12 and the surface of the central electrode 1 from the conical sleeve 13 is 10 times greater than the axial force acting on the sleeve 13, and reaches significant values, tightly pressing the petals 16 of the sleeve 13 to the surface of the electrode 1 on one side and to the surface of the bore 12 on the other. If the geometric shapes of the sleeve 13 do not match the geometric shapes of the surfaces of the electrode 1 and the bore 12 due to dimensional deviations within the manufacturing tolerance, the spacer force deforms the flexible thin-walled narrow petals of the sleeve 13 until the geometric shapes of the surfaces of the mating elements 1, 12, 13 fully match, forming dense surface metal contacts of the elements electrode 1 - sleeve 13; the sleeve 13 is the bore 12 of the tubular element 7. The grinding of the surfaces of the mating elements 1, 12, 13 ensures the density and pressing of the metal contacts, preventing the penetration of soil electrolyte into the contact and creating conditions for diffusion welding of the mating elements 1, 12, 13.

Таким образом, создается надежная электрическая связь между центральным электродом 1 и анодным заземлителем 3, проводимость которого в 2 и более раз превышает проводимость самого электрода 1. Thus, a reliable electrical connection is created between the central electrode 1 and the anode ground electrode 3, the conductivity of which is 2 or more times higher than the conductivity of the electrode 1 itself.

Центральный электрод 1 кабелем 6 подсоединяют к клемме "+" катодной станции, а ее клемма "-" присоединяется к защищаемому соединению. При электрохимическом процессе, возникающем при протекании тока, электрод 1, трубчатые элементы 7 и кожуха 10 разрушаются с образованием продуктов коррозии и свободных электронов. В слое электропроводного бетона образуются свободные электроны за счет анионов электролита грунта и выделения газов - кислорода, хлора и др. Материал электрода из электропроводного бетона не принимает участия в электрохимическом процессе, однако частично окисляется выделенными газами, которые значительной частью мигрируют через коксовую засыпку. Слой коксовой засыпки кроме электропроводящей функции выполняет функции дренажа для отвода образующихся газов, увеличивает площадь контакта заземлителя. The central electrode 1 is connected with a cable 6 to the terminal “+” of the cathode station, and its terminal “-” is connected to the protected connection. In the electrochemical process that occurs during the flow of current, the electrode 1, the tubular elements 7 and the casing 10 are destroyed with the formation of corrosion products and free electrons. Free electrons are formed in the layer of electrically conductive concrete due to anions of soil electrolyte and gas evolution - oxygen, chlorine, etc. The material of the electrode from electrically conductive concrete does not participate in the electrochemical process, however, it is partially oxidized by the released gases, which migrate to a large extent through coke charge. The coke backfill layer, in addition to the electrically conductive function, performs the functions of drainage to remove the generated gases, increases the contact area of the ground electrode.

Применение конической втулки 13 обеспечивает исключительно надежный электрический контакт между центральным электродом 1 и анодным заземлителем 3, что значительно повышает надежность и ресурс всего скважинного анодного заземлителя в целом. The use of a conical sleeve 13 provides an extremely reliable electrical contact between the central electrode 1 and the anode ground electrode 3, which significantly increases the reliability and life of the entire borehole anode ground electrode as a whole.

Использование изобретения позволит применять индустриальный способ изготовления заземлителя на заводе, экономить энергию, металлы, повысить эффективность анодного процесса, обеспечить надежность и большой срок службы заземления. The use of the invention will make it possible to apply an industrial method of manufacturing an earthing switch at a plant, save energy, metals, increase the efficiency of the anode process, ensure reliability and a long service life of grounding.

Claims

A borehole anode earthing switch, comprising a central steel electrode placed in a well with a gap filled with electrically conductive concrete, and elements comprising an earthing switch made of steel tubular elements coated with a layer of electrically conductive concrete, surrounded by an activator layer in the form of coke backfill and enclosed in a steel thin-walled casing with steel end faces, mounted on an electrode in the form of a garland and electrically and mechanically connected in series with each other, characterized in that they are tubular e elements are provided with thin-walled steel split bushing conical collets in the form of a taper no more than 1: 50, conjugates made with the ends of the tubular elements and the inner surface of the conical bores of the center electrode.