CN102808185A - 一种用于阴极保护系统的阳极组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于外加电流阴极保护系统的阳极组件。所述阳极组件设置为置于水体的水床上，以保护相关建筑物。所述阳极组件包括阳极、阳极支架和基极。所述阳极组件设置为通过电导体与所述阴极保护系统电连接，所述基极为加重构件，例如充满混凝土的玻璃纤维空心体。所述阳极呈球形，包括具有混合金属氧化物镀层且充满非导电材料的钛制空心体，所述阳极支架最好是包括从所述基极向上突出且具有顶部的钛制伸长构件(例如伸长管)的整体式构件。所述阳极安装(例如焊接)至所述伸长构件的所述顶部，因此置于所述水体的所述水床上方。通过包括电连接器的插座完成所述阳极组件与所述电导体的连接，所述电连接器安装在所述阳极支架组件的盒子内。

Description

一种用于阴极保护系统的阳极组件

相关申请的交叉引用

本发明申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2011年5月31日申请的临时申请号为61/491,363、标题为《用于海洋应用的阴极保护系统(Cathodic ProtectionSystem for Marine Applications)》的权利。本临时申请的全部内容均以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明通常涉及阴极保护系统，更具体地涉及用于保护海洋应用中的建筑物的外加电流阴极保护系统。

背景技术

阴极保护用于保护海上建筑物和水中建筑物时，采用各种牺牲阳极系统和外加电流阳极系统。外加电流阳极系统用于需要较高直流电的应用以及用于海上石油平台及钢结构和其他金属结构的浸水部分等现有设施的改进。

外加电流阴极保护海上阳极的现有技术通常称为阳极栅。基本概念是使用标准阳极，例如现有形状的非海洋应用的阳极，并将阳极安装在例如加重混凝土和某种栅上。阳极与铁路钢轨一样简单，近期采用硅铁阳极、石墨阳极、镀铂阳极和混合金属氧化物阳极。阳极通常呈管状，在某些应用中呈板状。现有技术阳极与一条或多条电缆连接，由于阳极的形状和结构，通常必须在将其安装在栅上之前在工厂使其与电缆连接。大部分现有技术阳极必须完全组装，在某些情况下，从工厂运送阳极组件之前，必须浇铸混凝土来加重支撑材料。连接电缆和可能浇铸混凝土的要求增加了阳极成本和运费，同时还限制阳极布线的灵活性。

本发明受让人宾夕法尼亚州Doylestown的Matcor，Inc.公司提供了海上应用的各种阳极组件。所述组件称为海底阳极或海床阳极，主要使用安装在垂直方向或水平方向的实心棒状和管状阳极。阳极是包含阳极电缆连接和混凝土加重材料的组件的组成部分。尽管混凝土材料可现场浇铸，但是这比较困难，所以建议进行工厂连接。阳极栅的成品重量范围介于1000磅到5000多磅之间。

在重载情况下更希望采用现有技术阳极栅，以防止阳极栅在海底移位或移动。如果阳极栅容易移动，阳极栅可从受保护建筑物移动较远距离，从而损坏或断开连接阳极栅的电力电缆。采用海洋阳极栅的另一个问题是将活性阳极保持在海底上方。如果阳极栅下沉或被泥或砂覆盖，阳极的性能会受到影响，保护直流电可能不会流至预计保护的建筑物。

尽管上述阳极系统运行良好，其性能和耐用性也有限制。在许多应用中，直流电输出要求可达几百到一千安培或更多。传统管状、棒状或板状阳极的电流输出限于阳极表面区域。为了补偿各阳极的电流限制，必须使用更多阳极和更长的阳极。然而，为了使阳极之间不产生干扰，额外阳极不能相互间隔太近。为了使传统阳极间隔更远，需要更大的阳极栅组件。由于上述原因，一般做法是使用额外阳极栅。

传统栅型阳极组件的另一个限制是海洋环境中各元素的物理阻力，特别是当现有技术阳极栅放置在海底，受到激烈水流、碎片和冰的作用时。直流电需求可能要求阳极表面区域大于任何一个管状阳极，具有两个、三个或多个混合金属氧化物阳极很正常，每个阳极直径一英寸，达五英寸长。所述阳极的支架和固定阳极所需的混凝土平台可能较大，并且具有较大的水流阻力，因此会受到碎片和潮汐作用的损坏。为了使阳极远离海底污泥并将其保持在海底污泥上方，某些阳极栅具有提升阳极的结构。所述结构会发生力矩臂损坏或在链上自由浮动，所述安装类型的应力也可能造成故障。

因此，目前需要克服现有技术缺点的海洋阳极。本发明解决所述要求。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种用于外加电流阴极保护系统等阴极保护系统的阳极组件，以保护置于海洋等具有水床的水体中的建筑物。所述阳极组件设置为置于所述水体的所述水床上，以保护所述建筑物，所述阳极组件包括阳极、阳极支架和基极。所述阳极组件设置为通过电导体与所述阴极保护系统电连接。所述阳极组件的所述基极包括一种加重构件，例如充满混凝土的玻璃纤维空心体，且设置为置于所述水体的所述水床上。所述阳极呈球形，包括具有外球面的空心体。所述阳极支架最好是包括从所述基极向上突出且具有顶部的伸长管等伸长构件的整体式构件。所述阳极安装(例如焊接)至所述伸长构件的所述顶部，因此所述阳极置于所述水体的所述水床上方。

附图说明

图1为根据本发明构造且显示为置于海床上的阳极组件的一个示例性实施例的侧视正视图；

图2为如图1所示的阳极组件的等距视图；

图3为形成图1和图2所示阳极组件的一部分的阳极与阳极支架整体式组件的放大侧视正视图(局部为垂直剖视图)；

图4为沿图3中线4-4截取的剖视图；

图5为形成图1和图2所示阳极组件的一部分的接线插座的放大侧视正视图；

图6为如图5所示的接线插座的俯视平面图。

具体实施方式

现参考各附图，其中相同的参考符号表示相同的部件，图1显示用于外加电流阴极保护系统(仅显示其导电电缆10)的阳极组件20。所述系统可用于保护海洋环境中的任何建筑物，例如海上钻井平台、码头、支墩、水下管道等。阳极组件20主要包括阳极22、阳极支撑结构24和加重基极或栅26。阳极22安装在阳极支撑结构24顶部。加重基极26包括空心构件28，例如玻璃纤维外壳或者外罩，所述阳极支撑结构的一部分置入空心构件28内，所述空心构件充满压载物，例如混凝土30，以形成设置为置于海床上的加重基极或栅，因此所述阳极位于所述海床上方的水中。

如所属领域的技术人员所了解，根据上述描述，本发明的阳极组件20是一种具有比现有技术更多优点的高效改进外加电流阳极系统。特别的是，所述阳极组件构造非常简单，容易组装且安装在海洋位置。另外，非常重要的是，所述阳极组件包括球形阳极。所述布置具有许多优点。例如，球形活性阳极是最具有电效率的阳极，且在容积计量结构中形成最大可用表面区域。为了通过使用管或平板(如传统海洋阳极系统中可见)制成成型表面区域，需要更大的实际平面区域。另外，本发明的球形阳极具有最低水流物理阻力且受水中残留物损坏的风险较低。更进一步的是，所述阳极组件的构造考虑到较小空间的较高直流电输出。由于本发明阳极的直流电额定值可高于现在使用的传统海洋阳极的直流电额定值，很少阳极组件可用于保护特定建筑物。

如上文所述，阳极组件20包括整体支撑结构24。所述结构最好由焊件(由各种钛或其他金属部件构成)组成。所述阳极及其焊件钛制支撑结构的整体组件大大减少了阳极组件基极所需的零件数量。另外，本发明阳极组件的结构并入插座32，将在下文参考图5和图6描述插座32，插座32用作端口，以实现直流供电电缆10至阳极组件20的连接。连接端口的构造使得可进行连接，并且可在现场有效实现防水密封。容纳金属阳极支撑结构24的玻璃纤维外壳28也用作现场浇筑加重和支撑混凝土30的模具。事实上，所述玻璃纤维模具可连同用于额外加重或加高混凝土的现场组装模具一起使用。最后，安装比采用旧型栅阳极的安装容易。

根据本发明的一个优选方面，球形阳极22的直径可为1英尺、3英尺或更大或更小。另外，所述阳极最好(但非强制性)为壁厚较薄(例如0.25英寸)的空心体，而且最好充满非导电性填料，例如环氧树脂、玻璃纤维化合物、树脂或聚合物、致密固体泡沫等，使其具有硬度和强度。

示例性实施例显示所述阳极由钛制成，其外球面为混合金属氧化物34镀层，例如通常用于外加电流阴极保护阳极。阳极基极材料也可为铌或其他贵金属，活性阳极镀层可为铂或氧化铂。

最佳如图3可见，阳极22最好是整体式组件的一部分，例如钛等金属材料制成的较大焊件。所述较大焊件包括此前确定的支撑结构24。示例性实施例中显示所述支撑结构主要包括直立管状构件36，直立管状构件36具有牢固固定(例如焊接)至球形阳极22底部的顶部38以及牢固固定(例如焊接)至大体平面板42的底部40。若干角撑板44牢固固定于管状构件36的相应部分与板42的相应部分之间，以使所述支撑组件具有硬度。为了提供额外硬度，直立管状构件36可充满硬化填料和钢筋条，例如玻璃纤维棒(未显示)。

根据本发明的一个优选方面，直立构件36、板42和角撑板44均由钛形成。与阳极22不同，直立构件36、板42和角撑板44没有混合金属氧化物镀层，因为直立构件36、板42和角撑板44不需要形成所述阳极的一部分或用于放电。直立构件36、板42和角撑板44的唯一作用是使阳极22保持在海床46(图1)上方的固定距离，并具有耐蚀性。为此，如上文所述，支撑结构24设置成部分置于空心外壳28内，形成所述组件的基极26。所述外壳可呈任何合适的形状。示例性实施例中显示所述外壳呈具有锥形顶部的大致平行六面体。所述外壳的所述顶部打开，使所述外壳能通过所述开口充满混凝土。为了将阳极支撑结构24固定在外壳28内的所需位置(高度)，所述外壳包括若干玻璃纤维构件48，例如玻璃纤维棒，玻璃纤维构件48从所述外壳的侧壁内表面向内突出。支撑结构24的板42置于如图1和图2所示的突出物上。

应注意的是，可考虑采用除钛以外的某些材料制造阳极支撑结构24，尽量优选钛，因为钛容易焊接至钛阳极22。特别地，所述支撑结构可由钢形成。然而，如果所述支撑结构由钢形成，应提供小型牺牲阳极(未显示)耦合至所述支撑结构，以防止所述支撑结构在海洋环境中腐蚀。如所属领域的技术人员所了解，使用钛制支撑结构时，不需要此类牺牲阳极，因为钛能耐海洋腐蚀。另外，由于部分所述支撑结构将置入基极构件26外壳28的水泥30中，没有人愿意所述部分形成电化学反应的任何部分，因此，所述部分可能使混凝土劣化。因此，如上文所述，阳极支撑结构24的任何部件上不包括混合金属氧化物、铂或氧化铂镀层。

阳极22设置为通过导电电缆10与所述外加电流阴极保护系统的整流器/变压器或直流电源(未显示)连接。为此，最佳如图1、图5和图6所示，阳极组件20包括安装在所述阳极支撑结构的板42上的特殊连接插座32。插座32最佳如图5和图6所示，主要包括接线盒52、底部安装板54、连接器56、应变消除构件58和防水化合物60。盒子32由钛形成，尽管盒子32可由其他金属或非金属化合物(例如玻璃纤维)形成。所述盒子顶部打开，所述盒子的底部是底部安装板54。所述板焊接至支撑结构24的所述接线盒及底板。连接器32作为组成导电电缆10(例如直流供电电缆)的一对裸铜电缆12A和12B的插座。所述电缆的铜绞线通常分成两组，且置于连接器32内。所述电缆固定，通过由钛或其他金属形成的固定螺钉和辅助螺栓62实现电连接。如果所述连接器由钛制成，所述连接器可焊接至所述底板。应变消除构件58安装至所述接线盒，类似应变消除构件用于所述组件和混凝土的玻璃纤维外壳28上。所述应变消除构件保护电缆10，电缆10在所述应变消除构件处分别脱离接线盒52和玻璃纤维外壳28。防水化合物60用于保护电连接，可为环氧树脂或其他非导电和不吸水化合物。其用于防水连接，及防止所述裸电缆和连接器暴露于自然环境和腐蚀环境。

现将描述所述阳极与电连接器(电缆)10的连接方式。为此，阳极组件22出厂时，接线盒52和连接器56安装(焊接)于支撑结构板42。所述阳极组件也可包括密封化合物试剂盒。在现场使电缆通过玻璃纤维外壳28上的应变消除构件48插入，然后剥去电缆10的末端，以露出一短截铜导体。所述铜导体的绞线分成两组12A和12B，并插入连接器56。固定螺钉和螺栓62紧固在所述导体组12A和12B上，以牢牢固定所述导体，从而完成基本电连接。然后完成应变消除。通常特别采用火炬加热各个应变消除构件实现所有应变消除，因此应变消除构件收缩。也可采用其他类型的应变消除。然后混合绝缘化合物60，并将其倒入接线盒52，以使接线盒52充满化合物。

所述化合物凝固后，可完成阳极装置平衡。为此，将阳极支撑结构24置于玻璃纤维外壳28的空心内部，且完成电连接之后，在水中进行安装/布置之前，在现场通过外壳28的开口顶部使外壳28充满混凝土30。若需要，也可将玻璃纤维基极安装在额外基极(未显示)上，以增加重量或将所述阳极提升至海底上方。所述阳极置于(布置在)海床或海底上，并通过电缆10与外加电流阴极保护系统的直流电源连接。

在无进一步详细描述的情况下，所述内容也如此充分地说明了本发明，其他人员可在各种使用情况下运用现有或未来知识使用本发明。

Claims (25)

1.一种用于阴极保护系统以保护置于具有水床的水体中的建筑物的阳极组件，所述阳极组件包括阳极、阳极支架和基极，所述阳极组件设置为通过电导体与所述阴极保护系统连接，所述阳极组件的所述基极包括设置为置于所述水体的所述水床上的加重构件，所述阳极支架包括从所述基极向上突出且具有顶部的伸长构件，所述阳极呈球形并安装在所述伸长构件的所述顶部，因此，所述阳极组件置于所述水体的所述水床上时，所述阳极置于所述水体的所述水床上方。

2.根据权利要求1所述的阳极组件，其中所述阳极包括具有外球面的空心体。

3.根据权利要求2所述的阳极组件，其中所述空心体充满非导电材料。

4.根据权利要求2所述的阳极组件，其中所述阳极由钛、铌或其他贵金属构成。

5.根据权利要求4所述的阳极组件，其中所述外球面包括混合金属氧化物镀层或铂镀层或氧化铂镀层。

6.根据权利要求1所述的阳极组件，其中所述阳极支架包括由钛、铌或其他贵金属构成的伸长管状构件。

7.根据权利要求2所述的阳极组件，其中所述阳极和所述阳极支架包括整体式组件，其中所述支架包括焊接至所述阳极的伸长管状构件。

8.根据权利要求7所述的阳极组件，其中所述阳极和所述伸长管状构件均由钛构成。

9.根据权利要求7所述的阳极组件，其中所述阳极和所述伸长管状构件由铌或其他贵金属构成。

10.根据权利要求8所述的阳极组件，其中所述外球面包括混合金属氧化物镀层、铂镀层或氧化铂镀层。

11.根据权利要求9所述的阳极组件，其中所述外球面包括混合金属氧化物镀层、铂镀层或氧化铂镀层。

12.根据权利要求7所述的阳极组件，其中所述阳极支架还包括板和若干加强角撑板，所述板焊接至所述空心管状构件底部，所述角撑板均焊接至所述空心管状构件的相应部分和所述板的相应部分。

13.根据权利要求1所述的阳极组件，其中所述基极包括设置为充满压载物的空心体。

14.根据权利要求13所述的阳极组件，其中所述压载物包括混凝土。

15.根据权利要求13所述的阳极组件，其中所述基极的所述空心体包括玻璃纤维。

16.根据权利要求14所述的阳极组件，其中所述基极的所述空心体包括玻璃纤维。

17.根据权利要求13所述的阳极组件，其中所述阳极支架包括伸长管状构件、板和若干加强角撑板，所述板焊接至所述管状构件底部，所述阳极焊接至所述管状构件顶部，所述角撑板均焊接至所述管状构件的相应部分和所述板的相应部分。

18.根据权利要求17所述的阳极组件，其中所述基极的所述空心体包括形成支撑面的若干突出物，所述板置于所述支撑面上。

19.根据权利要求18所述的阳极组件，其中所述基极的所述空心体充满混凝土。

20.根据权利要求19所述的阳极组件，其中所述基极的所述空心体包括玻璃纤维。

21.根据权利要求1所述的阳极组件，还包括适于与所述电导体连接的连接插座。

22.根据权利要求21所述的阳极组件，其中所述阳极支架包括伸长管状构件和板，所述板焊接至所述管状构件底部，所述阳极焊接至所述管状构件顶部，其中所述连接插座位于所述板上。

23.根据权利要求22所述的阳极组件，其中所述连接插座包括容纳连接器的盒子。

24.根据权利要求23所述的阳极组件，其中所述连接插座还包括设置为与所述电导体耦合的应变消除构件。

25.根据权利要求24所述的阳极组件，还包括置于所述盒子内的防水化合物。

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