有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置及制备方法

摘要

本发明公开了一种有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置及制备方法。本发明提供的装置，由包括牺牲阳极支撑腿(1)的牺牲阳极(11)和电流监测探头(15)组成，电流监测探头(15)组装于牺牲阳极支撑腿(1)上；电流监测探头(15)包括：霍尔传感器组件、水密电缆(5)、填充材料(6)、绝缘封装壳体(7)和磁屏蔽外护套(8)；霍尔传感器组件由霍尔传感器(2)、导磁环(3)和霍尔传感器电路(4)组成；导磁环套设于牺牲阳极支撑腿上；霍尔传感器设于导磁环的开口中；霍尔传感器电路与霍尔传感器电连接；霍尔传感器组件封装于绝缘封装壳体内；绝缘封装壳体套设于牺牲阳极支撑腿上；磁屏蔽外护套包覆于绝缘封装壳体外；水密电缆一端与霍尔传感器电路电连接，另一端伸出磁屏蔽外套；除了霍尔传感器组件，所述密封腔内充满填充材料。本发明克服了现有装置的缺陷，无需破坏牺牲阳极的结构，非介入式对牺牲阳极发生电流监测，即使监测探头发生故障，也不影响牺牲阳极正常工作。

权利要求

1.有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置的制备方法，是在牺牲阳极支撑腿(1)上组装一个电流监测探头(15)，组装步骤如下：

1)将具有一个开口的导磁环(3)套设于牺牲阳极支撑腿(1)上；

2)将霍尔传感器(2)和霍尔传感器电路(4)进行电连接；将霍尔传感器电路(4)与水密电缆(5)的一端进行电连接，水密电缆(5)的另一端游离；将霍尔传感器(2)置于导磁环(3)的开口中并固定在牺牲阳极支撑腿(1)上；

3)将设有开口(10)的绝缘封装壳体套设于牺牲阳极支撑腿(1)上，形成空腔体，将由霍尔传感器(2)、导磁环(3)和霍尔传感器电路(4)组成的霍尔传感器组件封装于绝缘封装壳体内；

4)将填充材料(6)通过所述开口(10)灌满所述空腔体；

5)填充材料(6)凝固后，将磁屏蔽外护套(8)包覆在绝缘封装壳体(7)外，磁屏蔽外护套(8)不分流通过牺牲阳极支撑腿的电流；水密电缆(5)的游离端伸出磁屏蔽外护套(8)；

得到装有一个电流监测探头(15)的有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中的导磁环(3)和步骤2)中的霍尔传感器(2)是通过支架(9)固定在牺牲阳极支撑腿(1)上的；

所述导磁环(3)的材质为软铁、硅钢或坡莫合金；所述填充材料(6)为环氧树脂；所述绝缘封装壳体的材质为聚氯乙烯；所述磁屏蔽外护套(8)的材质为D36钢、DH36钢、软铁或硅钢。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述导磁环(3)的材质为硅钢；所述磁屏蔽外护套(8)的材质为D36钢或DH36钢。

4.有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置的制备方法，是分别在两个牺牲阳极支撑腿(1)上各组装一个电流监测探头(15)，每个电流监测探头(15)的组装步骤如下：

1)将具有一个开口的导磁环(3)套设于牺牲阳极支撑腿(1)上；

2)将霍尔传感器(2)和霍尔传感器电路(4)进行电连接；将霍尔传感器电路(4)与水密电缆(5)的一端进行电连接，水密电缆(5)的另一端游离；将霍尔传感器(2)置于导磁环(3)的开口中并固定在牺牲阳极支撑腿(1)上；

3)将设有开口(10)的绝缘封装壳体套设于牺牲阳极支撑腿(1)上，形成空腔体，将由霍尔传感器(2)、导磁环(3)和霍尔传感器电路(4)组成的霍尔传感器组件封装于绝缘封装壳体内；

4)将填充材料(6)通过所述开口(10)灌满所述空腔体；

5)填充材料(6)凝固后，将磁屏蔽外护套(8)包覆在绝缘封装壳体(7)外，磁屏蔽外护套(8)不分流通过牺牲阳极支撑腿的电流；水密电缆(5)的游离端伸出磁屏蔽外护套(8)；

得到装有两个电流监测探头(15)的有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤1)中的导磁环(3)和步骤2)中的霍尔传感器(2)是通过支架(9)固定在牺牲阳极支撑腿(1)上的；

所述导磁环(3)的材质为软铁、硅钢或坡莫合金；所述填充材料(6)为环氧树脂；所述绝缘封装壳体的材质为聚氯乙烯；所述磁屏蔽外护套(8)的材质为D36钢、DH36钢、软铁或硅钢。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述导磁环(3)的材质为硅钢；所述磁屏蔽外护套(8)的材质为D36钢或DH36钢。

说明书

有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置及制备方法。

背景技术

[0002] 为了保护钢结构物在海洋环境中免遭腐蚀破坏，通常利用牺牲阳极对全浸区和海泥区钢结构(即阴极)进行阴极保护(见图1)。由于结构形式和环境条件对材料的腐蚀行为影响很大，特别是对于缺乏腐蚀实测数据的新开发海区，现有的牺牲阳极阴极保护设计标准与实际情况往往会有一定出入，造成阴极保护系统设计上的缺陷。为了验证和检验阴极保护设计是否合理、工作状态是否正常，现阶段最有效的技术手段是在牺牲阳极腿上安装电流探头，对牺牲阳极的发生电流进行监测，以便了解牺牲阳极能否在初始极化、维持和末期三个阶段，达到设计规定的保护电流密度。

[0003] 在现有的海洋石油平台阴极保护监测系统中，监测装置均采用分流器(标准电阻)法测量牺牲阳极发生电流，即通过测量流经标准电阻的电压降求得牺牲阳极发生电流。由于测量时必须使牺牲阳极工作电流全部流经分流器，才能准确地测得牺牲阳极发生电流，安装时必须首先切断牺牲阳极与被保护钢结构(即阴极)之间的电连接(见图2)，将牺牲阳极发生电流先接入电流监测探头13，流经探头内的分流器后，再流入作为阴极的被保护体(见图3)，对阴极实施防腐保护。海洋钢结构(即阴极)的牺牲阳极都是通过与结构同材质的阳极腿焊接到钢结构上的，为了切断牺牲阳极与被保护钢结构(即阴极)之间的电连接，必须分别将牺牲阳极两端与导管架连接的钢结构阳极腿从中间割断，再在截断的阳极腿断面两端焊接上绝缘法兰，利用绝缘法兰将截断的阳极腿接续好，使牺牲阳极重新坐落在被保护的钢结构上。电流探头的连线分别连接到绝缘法兰的两端，使保护电流流经跨接在绝缘法兰的电流探头后，再进入被保护体，实施保护。上述介入式测量方法有以下两个方面的缺陷：

[0004] 1)由于牺牲阳极、电流探头以及阴极之间是串联连接，牺牲阳极发生电流必须先流经电流探头才能进入被保护体，一旦电流探头损坏，特别是暴露在海水中的探头电缆发生断裂时，直接造成牺牲阳极和被保护结构之间的电连接断路，使牺牲阳极无法对被保护结构实施保护，导致所设计的阴极保护系统失效，从而降低结构的设计寿命。

[0005] 2)切割阳极腿，利用绝缘法兰对阳极腿实施连接，直接破坏了牺牲阳极整体结构，降低了牺牲阳极本身的结构强度。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置及制备方法。

[0007] 为实现上述目的，本发明可以采用以下技术方案：有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置，由包括牺牲阳极支撑腿1的牺牲阳极11和一个电流监测探头15组成，其特征在于：所述电流监测探头15组装于牺牲阳极支撑腿1上；

[0008] 所述电流监测探头15包括如下组件：霍尔传感器组件、水密电缆5、填充材料6、绝缘封装壳体7和磁屏蔽外护套8；霍尔传感器组件由霍尔传感器2、导磁环3和霍尔传感器电路4组成；

[0009] 导磁环3是具有一个开口的环体，套设于牺牲阳极支撑腿1上；霍尔传感器2设于导磁环的开口中，且固定于牺牲阳极支撑腿1上；霍尔传感器电路4与霍尔传感器2电连接；所述霍尔传感器组件封装于绝缘封装壳体7内；绝缘封装壳体7套设于牺牲阳极支撑腿1上，形成密封腔；不分流通过牺牲阳极支撑腿的电流的磁屏蔽外护套8包覆于绝缘封装壳体7外；水密电缆5一端与霍尔传感器电路4电连接，另一端伸出磁屏蔽外套8；除了所述霍尔传感器组件，所述密封腔内充满填充材料6。

[0010] 所述电流监测探头还包括将霍尔传感器和1导磁环2固定在牺牲阳极支撑腿1上的支架9。

[0011] 本发明还提供了上述有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置的制备方法。

[0012] 本发明提供的上述有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置的制备方法，是在牺牲阳极支撑腿1上组装一个电流监测探头15，组装步骤如下：

[0013] 1)将具有一个开口的导磁环3套设于牺牲阳极支撑腿1上；

[0014] 2)将霍尔传感器2和霍尔传感器电路4进行电连接；将霍尔传感器电路4与水密电缆5的一端进行电连接，水密电缆5的另一端游离；将霍尔传感器2置于导磁环3的开口中并固定在牺牲阳极支撑腿1上；

[0015] 3)将设有开口10的绝缘封装壳体套设于牺牲阳极支撑腿1上，形成空腔体，将霍尔传感器组件封装于绝缘封装壳体内；

[0016] 4)将填充材料6通过所述开口10灌满所述空腔体；

[0017] 5)填充材料6凝固后，将磁屏蔽外护套8包覆在绝缘封装壳体7外，磁屏蔽外护套8不分流通过牺牲阳极支撑腿的电流；水密电缆5的游离端伸出磁屏蔽外护套8；

[0018] 得到装有一个电流监测探头15的有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置。

[0019] 步骤1)中的导磁环3和步骤2)中的霍尔传感器2可通过支架9固定在牺牲阳极支撑腿1上。

[0020] 为实现上述目的，本发明还可以采用以下技术方案：有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置，由包括牺牲阳极支撑腿1的牺牲阳极11和两个电流监测探头15组成，其特征在于：所述两个电流监测探头15分别组装于两个牺牲阳极支撑腿1上；

[0021] 所述电流监测探头15包括如下组件：霍尔传感器组件、水密电缆5、填充材料6、绝缘封装壳体7和磁屏蔽外护套8；霍尔传感器组件由霍尔传感器2、导磁环3和霍尔传感器电路4组成；

[0022] 导磁环3是具有一个开口的环体，套设于牺牲阳极支撑腿1上；霍尔传感器2设于导磁环的开口中，且固定于牺牲阳极支撑腿1上；霍尔传感器电路4与霍尔传感器2电连接；所述霍尔传感器组件封装于绝缘封装壳体7内；绝缘封装壳体7套设于牺牲阳极支撑腿1上，形成密封腔；不分流通过牺牲阳极支撑腿的电流的磁屏蔽外护套8包覆于绝缘封装壳体7外；水密电缆5一端与霍尔传感器电路4电连接，另一端伸出磁屏蔽外套8；除了所述霍尔传感器组件，所述密封腔内充满填充材料6。

[0023] 所述电流监测探头还包括将霍尔传感器和1导磁环2固定在牺牲阳极支撑腿1上的支架9。

[0024] 本发明还提供了上述有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置的制备方法。

[0025] 本发明提供的有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置的制备方法，是分别在两个牺牲阳极支撑腿1上各组装一个电流监测探头15，每个电流监测探头15的组装步骤如下：

[0026] 1)将具有一个开口的导磁环3套设于牺牲阳极支撑腿1上；

[0027] 2)将霍尔传感器2和霍尔传感器电路4进行电连接；将霍尔传感器电路4与水密电缆5的一端进行电连接，水密电缆5的另一端游离；将霍尔传感器2置于导磁环3的开口中并固定在牺牲阳极支撑腿1上；

[0028] 3)将设有开口10的绝缘封装壳体套设于牺牲阳极支撑腿1上，形成空腔体，将霍尔传感器组件封装于绝缘封装壳体内；

[0029] 4)将填充材料6通过所述开口10灌满所述空腔体；

[0030] 5)填充材料6凝固后，将磁屏蔽外护套8包覆在绝缘封装壳体7外，磁屏蔽外护套8不分流通过牺牲阳极支撑腿的电流；水密电缆5的游离端伸出磁屏蔽外护套8；

[0031] 得到装有两个电流监测探头15的有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置。

[0032] 步骤1)中的导磁环3和步骤2)中的霍尔传感器2可通过支架9固定在牺牲阳极支撑腿1上。

[0033] 任何市售的牺牲阳极均可使用。

[0034] 任何用于霍尔测量的导磁材料均可用于制备所述导磁环，如软铁、硅钢或坡莫合金，优选硅钢。

[0035] 任何满足如下条件的材料均可用作填充材料：绝缘胶状液体，加入固化剂一定时间后可以凝固成固体，且不影响磁场，不与其他部件发生化学反应，凝固后可起到水密和抗压作用。所述填充材料具体可为环氧树脂；所述环氧树脂可以采用购买的环氧树脂也可以采用任何常规方法配制的环氧树脂。

[0036] 所述绝缘封装壳体的材质具体可为聚氯乙烯PVC；

[0037] 所述磁屏蔽外护套的材质可为D36钢、DH36钢、软铁或硅钢，优选为D36钢或DH36钢。

[0038] 所述磁屏蔽外护套由导电材料制成，所述磁屏蔽外护套上设有阻断其分流通过牺牲阳极支撑腿的电流的缝隙。

[0039] 所述装置中，导磁环的内径，绝缘封装壳体、磁屏蔽外护套、支架的大小均取决于牺牲阳极支撑腿的管径。霍尔传感器电路可选厂家提供的与传感器配套的电路装置，也可以根据实际需要自行开发。

[0040] 为了防止环氧树脂凝固之前流出壳体，在灌注环氧树脂之前可以用密封垫填塞牺牲阳极支撑腿和封装壳体之间因加工误差造成的空隙。

[0041] 使用本发明的装置时，将水密电缆游离的一端与水下其它传输电缆对接，最终将信传入阳极附近的阴极保护监测系统分线盒。

[0042] 本发明提供的装置中，各组件的作用如下：

[0043] 1)导磁环3

[0044] 将流经牺牲阳极支撑腿中的电流所产生的磁场聚集起来，以提高感应灵敏度和测量精度。

[0045] 2)霍尔传感器2和霍尔传感器电路4

[0046] 利用霍尔效用测量流经牺牲阳极支撑腿的牺牲阳极发生电流。

[0047] 3)水密电缆5

[0048] 将传感器电路处理过的电信号传送到水面上的信号采集设备。

[0049] 4)绝缘封装壳体7

[0050] 对霍尔传感器起保护作用；同时使测量位置的电流通路(密闭段牺牲阳极支撑腿)以及感应该段通路电流磁场的霍尔传感器与磁衰减强的海水介质隔离，确保霍尔元件能够测得到经海水衰减之前磁场，以提高测量的精度和灵敏度。

[0051] 5)填充材料6

[0052] 确保绝缘封装壳体形成的密封腔水密、同时为壳体提供支撑并提高其水下抗压强度。

[0053] 6)磁屏蔽外护套8

[0054] 作用：防止外部磁场干扰测量，并保护壳体免遭碰撞。

[0055] 本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

[0056] 1)由于采用霍尔传感器组件检测通过牺牲阳极腿的电流(即牺牲阳极发生电流)，所以不需切割阳极腿、不改变牺牲阳极和被保护结构之间的机械连接，因此不会破坏牺牲阳极结构。

[0057] 2)由于在装置中采用霍尔传感器组件检测通过牺牲阳极腿的电流(即牺牲阳极发生电流)，所以不改变牺牲阳极和被保护结构之间的电连接通路，即使探头发生故障或损坏，也不会影响牺牲阳极的正常工作，不会导致阴极保护系统失效。

[0058] 3)由于在装置中采用霍尔传感器组件检测通过牺牲阳极腿的电流(即牺牲阳极发生电流)，所以不需要切割阳极腿，大大降低了重工作业和焊接作业量，降低了施工成本和安全成本。

[0059] 本发明的装置是基于霍尔效应原理设计的，霍尔效应原理如下：当把通有小电流Ic的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中时，半导体内的载流子受洛仑兹力作用批而发生偏转，使半导体两侧产生电势差(见图4)，该电势差即为霍尔电压Vh，满足如下关系式： 式中Rh为霍尔系数，d为霍尔器件厚度。

[0060] 根据毕奥-萨伐尔定律，当牺牲阳极发生电流经钢材料柱状支撑腿流向平台导管架结构时，将在支撑腿周围产生磁场，磁场强度与电流大小成正比。这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应出电流的大小，即：I∝B∝Vh。其中I为通过导线的电流，B为导线通电流后产生的磁场，Vh为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压。

[0061] 本发明提供了一种有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置，由牺牲阳极和组装于牺牲阳极支撑腿上的电流监测探头组成，电流监测探头采用霍尔组件，无需破坏牺牲阳极的结构，即可非介入式测量牺牲阳极的发生电流。使用本发明的阴极保护装置，可以在不降低阴极保护装置设计安全的前提下，实施阴极保护，并且即使电流监测探头发生故障或损坏，也不会影响牺牲阳极的正常工作。

[0062] 以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。

附图说明

[0063] 图1为现有牺牲阳极阴极保护系统结构示意图

[0064] 图2为切割牺牲阳极支撑示意图。

[0065] 图3为应用现有探头接入式测量牺牲阳极发生电流示意图。

[0066] 图4为霍尔效应原理示意图。

[0067] 图5为电流监测探头15的正视图。

[0068] 图6为电流监测探头15的AA剖视图。

[0069] 图7为电流监测探头15的BB剖视图。

[0070] 图8为绝缘封装壳体示意图

[0071] 图9为应用本发明的阴极保护装置进行阴极保护的示意图。

具体实施方式

[0072] 如图5-图7所示，电流监测探头15包括霍尔传感器组件、水密电缆5、填充材料6、绝缘封装壳体7、磁屏蔽外护套8和支架9；霍尔传感器组件由霍尔传感器2、导磁环3和霍尔传感器电路4组成；导磁环3是具有一个开口的环体，套设于牺牲阳极支撑腿1上，通过支架9固定；霍尔传感器2设于导磁环的开口中，且通过支架9固定于牺牲阳极支撑腿1上；霍尔传感器电路4与霍尔传感器2电连接；所述霍尔传感器组件封装于绝缘封装壳体7内；绝缘封装壳体7套设于牺牲阳极支撑腿1上，绝缘封装壳体上有一个开口10；不分流通过牺牲阳极支撑腿的电流的磁屏蔽外护套8包覆于绝缘封装壳体7外；水密电缆5一端与霍尔传感器电路4电连接，另一端伸出磁屏蔽外套8；除了所述霍尔传感器组件，所述绝缘封装壳体7内充满填充材料6。

[0073] 下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

[0074] 实施例1、有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置的组装和应用[0075] 一、有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置的组件的准备[0076] 霍尔传感器：购自南京中霍传感器科技有限公司；

[0077] 导磁环：材质为硅钢，为两个半环型的导磁环；

[0078] 霍尔传感器电路：购自南京中霍传感器科技有限公司；

[0079] 水密电缆：购自沈阳自动化研究所；

[0080] 填充材料：通用型灌封胶系列环氧树脂201，购自东莞市金鑫化工有限公司；

[0081] 绝缘封装壳体：材质为PVC，为两个半壳体，其中一个半壳体上具有一个开口(见图8)；

[0082] 磁屏蔽外护套：材质为D36钢，为两个半壳体。

[0083] 支架：材质为D36钢。

[0084] 二、有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置的组装和应用[0085] 在陆地上进行安装，分别在牺牲阳极11的两个牺牲阳极支撑腿1上各组装一个电流监测探头15。

[0086] 1、利用紧固螺丝将支架固定在Al-Zn-In牺牲阳极支撑腿上(支撑腿直径和壁厚为114φ×8.5)上。

[0087] 2、将两个半环形的导磁环套设于支架上，形成具有一个开口的导磁环。

[0088] 3、将霍尔传感器和霍尔传感器电路进行电连接；将霍尔传感器电路与水密电缆的一端进行电连接。

[0089] 4、将霍尔传感器置于导磁环的开口中并固定在支架上。

[0090] 5、利用螺丝将硬塑料绝缘封装壳体的两个部分套设于牺牲阳极支撑腿上，形成空腔体，将霍尔传感器组件封装于包装绝缘封装壳体内，开口朝上。

[0091] 6、将环氧树脂沿封装壳体上的开口慢慢灌入，直至灌满空腔体。

[0092] 7、待环氧树脂基本凝固后，将磁屏蔽外护套的两部分分别安装封装壳体上，形成磁屏蔽外护套，外护套上设有防止牺牲阳极发生电流流经磁屏蔽外护套而造成分流的缝隙。两部分之间留有空隙，确保两部分断路。水密电缆的游离端伸出磁屏蔽外护套8。

[0093] 得到有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置。应用时，将牺牲阳极11的两个牺牲阳极支撑腿分别与保护阴极12连接(见图9)，将水密电缆伸出磁屏蔽外护套的一端接入被监测阳极附近的阴极保护监测系统分线盒。两个监测探头测量的电流和即为牺牲阳极的发生电流。

[0094] 三、有牺牲阳极发生电流监测功能的阴极保护装置的组装和应用[0095] 在陆地上进行安装，将牺牲阳极11的一个牺牲阳极支撑腿截断后又用绝缘法兰连接，在牺牲阳极11的另一个牺牲阳极支撑腿1上组装一个电流监测探头15。

[0096] 电流监测探头的组装方法同步骤二。

[0097] 应用时，将牺牲阳极11的两个牺牲阳极支撑腿分别与保护阴极12连接，将水密电缆伸出磁屏蔽外护套的一端接入被监测阳极附近的阴极保护监测系统分线盒。监测探头测量的电流即为牺牲阳极的发生电流。