Ochrona przed korozj w praktyce WOJCIECH SOKÓLSKI SPZP CORRPOL Gda sk ochrona przed korozja 5/2014 Prosimy cytowa jako: Ochr. Przed Koroz., 2014, 57, 5, (195-200) Please cite as: Ochr. Przed Koroz., 2014, 57, 5, (195-200) Inteligentny drena elektryczny koncepcja i realizacja Pr dy b dz ce up ywaj ce do ziemi z obwodów powrotnych trakcji elektrycznych pr du sta ego (kolejowych i tramwajowych), pomimo stosowania nowych technologii uk adania torowisk i izolowania konstrukcji podziemnych, nadal stanowi najwi ksze zagro enie korozyjne dla stalowych obiektów eksploatowanych w ziemi ruroci gów czy zbiorników. Ocena stopnia zagro enia korozyjnego oraz skuteczno ci dzia ania rodków zaradczych w rejonach oddzia ywania pr dów b dz cych zawsze by y trudne, g ównie z uwagi na losowo-zmienny charakter tych pr dów. W opracowaniu przedstawiono nowatorsk koncepcj wykorzystania korelacyjnej metody badania pr dów b dz cych do bezpo redniej regulacji drena y elektrycznych. Zaprojektowano urz dzenie sk adaj ce si z drena u elektrycznego sprz gni tego z mikroprocesorem realizuj cym funkcje pomiarowe i steruj ce. Wyniki bada prototypu urz dzenia potwierdzi y zdolno samoistnego dopasowania si urz dzenia do aktualnych wymaga ochrony przeciwkorozyjnej obiektów podziemnych w zmieniaj cych si warunkach zewn trznych. S owa kluczowe: pr dy b dz ce, ochrona katodowa, drena e, pomiary, normy Intelligent electric drainage concept and realisation Stray currents flowing to earth from DC electric traction return circuits (rail and tram) still remain the greatest corrosion hazard for steel objects operated underground pipelines or tanks, in spite of applying new technologies of laying track-ways and insulating underground structures. Assessment of the corrosion hazard degree and of remedial measure effectiveness in stray current interaction regions was always difficult, mainly due to the randomly changing character of these currents. In the elaboration an innovative concept has been presented of using the stray current correlation method for direct control of electric drainage. A device has been designed made up of electric drainage coupled with a microprocessor realising measuring and control functions. Test results of the device prototype confirmed capability of automatic device adaptation to present anti-corrosion protection requirements of underground objects in changing external conditions. Keywords: stray currents, cathodic protection, drainage, measurements, standards 1. Wprowadzenie Pr dy b dz ce up ywaj ce z obwodów powrotnych trakcji elektrycznych pr du sta ego stanowi najwi ksze zagro enie korozyjne dla stalowej infrastruktury podziemnej w aglomeracjach miejskich i przemys owych. Dotyczy to przede wszystkim konstrukcji d ugich, jak wszelkiego rodzaju ruroci gów i metalowych os on kabli, ale tak e i obiektów mniejszych, np. zbiorników, konstrukcji budowlanych czy obiektów hydrotechnicznych. Pomimo tego, e w ostatnim dziesi cioleciu, dzi ki dzia alno ci normalizacyjnej Unii Europejskiej, szereg nowoczesnych rozwi za trafi o do codziennej dzia alno ci technicznej, jak wymagania dot. ograniczenia up ywu pr dów b dz cych z szyn jezdnych do ziemi [1] czy ochrony metalowych konstrukcji przed zewn trznymi oddzia ywaniami elektrycznymi [2], to nadal dynamiczny i losowo-zmienny charakter zjawiska ci gle stanowi problem w stosowaniu metod pomiarowych, oceny zagro enia korozyjnego czy skuteczno ci wybranych rodków zaradczych. Ponadto, wyra nie odmienne jest obecne podej cie do rozwi zywania tych problemów, inne od utrwalonego w latach ubieg ych w polskim rodowisku technicznym. Zgodnie z ni drena e elektryczne nie mog by obecnie ród ami pozyskiwania energii elektrycznej do realizacji ochrony katodowej, a jedynie narz dziami do eliminowania szkodliwej interferencji, jak wywo uj pr dy b dz ce na konstrukcjach podziemnych [3]. Jak wykaza a ju wieloletnia praktyka, opracowana w latach osiemdziesi tych ubieg ego wieku korelacyjna metoda badania pr dów b dz cych (tak zosta a wówczas nazwana [4, 5]) w znacz cy sposób u atwi a ocen zagro e korozyjnych stalowych konstrukcji podziemnych wywo anych przez losowo-zmienne pr dy b dz ce. Z up ywem lat spowodowa o to jej szerokie upowszechnienie w ca ej sferze technicznej zwi zanej z tego typu pr dami b dz cymi, g ównie dzi ki wykorzystaniu numerycznych metod obliczeniowych, mi dzy innymi 1. Introduction Stray currents flowing from DC electric traction return circuits (rail and tram) are the greatest corrosion hazard for steel underground infrastructure in municipal and industrial agglomerations. This primarily concerns all long structures as all types of pipelines and metal cable shields, but also smaller objects as tanks, building structures or hydrotechnical objects. In spite of the fact that as the result of standardisation activities of the European Union in the last 10 years a number of modern solutions has been introduced to everyday technical practice such as requirements concerning limiting of stray current leakage from rails to earth [1] or protection of metal structures against external electric interactions [2], the dynamic and randomly changing character of the phenomenon continuously poses a problem in application of measurement methods, assessment of corrosion hazard or effectiveness of selected remedial means. Also, the present approach to solving these problems is distinctly different from that established in previous years in the Polish technical environment. As per these approach electrical drainages at present cannot be the source of electric energy for realisation of cathodic protection, but only tools for eliminating harmful interference caused by stray currents on underground structures [3]. As shown by many years of practice, the correlation method of investigating stray currents elaborated in the eighties of the previous century (then named that way [4, 5]) facilitated in a significant way assessment of corrosion hazards of steel underground structures caused by randomly changing stray currents. With passing years it became widely applied in the technical field connected with this type of stray currents, mainly due to application of numerical calculation methods, amongst others also for assessment of device effectiveness for their elimination, i.e. electric drainage. Automation of underground metal structure anti-corrosion systems of cathodic protection, also their remote monitoring, is already being Ochrona przed Korozj, ISSN 0473-7733, vol. 57, nr 5/2014 195
tak e do oceny skuteczno ci dzia ania urz dze do ich eliminowania, tj. drena y elektrycznych. Automatyzacja systemów zabezpieczenia przed korozj podziemnych konstrukcji metalowych ochrony katodowej, a tak e ich zdalne monitorowanie wesz o ju na dobre do praktyki technicznej. Niestety w dalszym ci gu, na obecnym poziomie rozwoju techniki w tej dziedzinie, konieczna jest sta a kontrola tych urz dze przez wysoce specjalizowany personel. W szczególno ci dotyczy to ka dego indywidualnego przypadku (lokalizacji urz dzenia na chronionym obiekcie w okre lonej sytuacji terenowej) we wst pnej fazie pomiarowej oraz przy wyborze optymalnych parametrów ochrony przeciwkorozyjnej, a nast pnie weryfikowanie tych wyborów podczas eksploatacji. Wszystkie te czynno ci wymagaj obecnie przeprowadzenia d ugotrwa ych pomiarów, zazwyczaj w warunkach terenowych, wykonanie oblicze (najcz ciej wyznaczenia widm korelacji) oraz ich oceny. Z analizy omówionych niedogodno ci zrodzi a si koncepcja tzw. drena u inteligentnego [5], tj. urz dzenia, które powinno by zdolne do samodzielnego wykonania niezb dnych pomiarów, odpowiedniej interpretacji uzyskanych rezultatów, a nast pnie wykonania wymaganych czynno ci regulacyjnych w taki sposób, aby spe ni w tych okre lonych warunkach wymagane kryterium ochrony przeciwkorozyjnej. Ta zupe nie nowatorska koncepcja w sposób oczywisty usprawni i zoptymalizuje technik ochrony przeciwkorozyjnej przed pr dami b dz cymi poprzez wyeliminowanie b dów i niefachowej obs ugi drena y elektrycznych, a ponadto umo liwi instalowanie tych urz dze bez potrzeby wykonywania uprzednich specjalistycznych bada w terenie. W pracy przedstawiono zrealizowan koncepcj drena u inteligentnego, zaprezentowano ogólny algorytm jego dzia ania oraz pierwsze do wiadczenia z budowy i uruchomienia prototypu tego urz dzenia. 2. Drena elektryczny Pod poj ciem drena u elektrycznego rozumie si zarówno sposób, a tak e i odpowiednie urz dzenie, którego zadaniem jest zabezpieczanie przed szkodliwym oddzia ywaniem pr dów b dz cych metalowej konstrukcji podziemnej poprzez odprowadzanie tych pr dów z konstrukcji do ród a ich powstawania. Pr dy trakcyjne up ywaj ce do ziemi z obwodów powrotnych trakcji elektrycznych, g ównie z uziemionych na ca ej d ugo ci szyn, wp ywaj do metalowych konstrukcji w miejscach niskiej rezystancji przej cia do ziemi, np. w miejscach uszkodzonych pow ok izolacyjnych na ruroci gach, i przep ywaj tymi konstrukcjami w kierunku ujemnego bieguna podstacji zasilaj cej. W rejonie tym wyp ywaj z konstrukcji ponownie do ziemi, równie w miejscach uszkodze pow oki izoluj cej, i wp ywaj z powrotem do szyn trakcji elektrycznej zamykaj c w ten sposób obwód elektryczny pr dów b dz cych. W ka dym miejscu wyp ywu pr du z metalu do ziemi nast puje jego ubytek (korozja) zgodnie z prawem Faraday a, proporcjonalny do nat enia pr du i czasu. Zadaniem drena u elektrycznego jest niedopuszczenie do wyp ywu pr du z metalu do ziemi (elektrolitu), a wymuszenie przep ywu tego pr du drog elektronow (przewodem elektrycznym drena em) z konstrukcji metalowej do szyn trakcyjnych. Zasada dzia ania drena u przedstawiona jest w sposób uproszczony na rys. 1. Warunkiem dzia ania tak rozumianego drena u jest odpowiednio ujemna warto potencja u szyn wzgl dem zabezpieczanej konstrukcji. W konsekwencji w miejscu pod czenia drena u szkodliwe oddzia ywanie pr dów b dz cych (wzmo onej korozji) mo e by ca kowicie widely applied in technical practice. Unfortunately, at the present level of development of technology in this field, continuous inspection of these devices is necessary by highly specialised personnel. This especially concerns each individual case (location of the device on the protected object in a given field situation) in the initial measurement phase and during selection of optimum anti-corrosion protection parameters, and next verification of these selections during operation. At present all these operations require performing of long-term measurements, usually in field conditions, performing of calculations (usually determination of correlation spectra) and their analysis. The concept emerged from analysis of discussed inconveniences [5] of the so called intelligent drainage (smart drainage), i.e. of a device which should be capable of independent performing of necessary measurements, appropriate interpretation of obtained results, and next performing of required adjustment so as to meet the required anti-corrosion protection criterion in these determined conditions. This completely innovative concept will obviously improve and optimise the anti-corrosion protection technique against stray currents by elimination of errors and incompetent maintenance of electric drainage, also it will allow installing of these devices without the need of performing prior specialist tests in the field. In the paper the concept of realised intelligent drainage, the general operating algorithm and the first experience from construction and starting of this device prototype have been presented. 2. Electric drainage Electric drainage is understood as the method, as well as an appropriate device, the aim of which is protection against harmful interaction of stray currents on underground metal structures by diverting these currents from the structure to their source. Traction currents flowing to earth from electric traction return circuits, mainly from rails earthed on the whole length, flow into metal structures in places of low passage to earth resistance, e.g. in places of damaged insulation coatings on pipelines, and flow in these structures in the direction of the power substation negative pole. In this region they again flow out of the structure to earth, also in places of damaged insulating coating and flow into electric traction rails, this way closing the electric circuit of stray currents. In each metal to earth current outflow location its loss (corrosion) occurs in accordance with the Faraday law, proportional to the current and time. The aim of electric drainage is forbidding of current outflow from metal to earth (electrolyte), and forcing of electron current flow (by electric cable drainage) from the metal structure to traction rails. The drainage operation principle has been presented in a simplified way in Fig. 1. The condition for operation of such drainage is an adequately negative rail potential value versus the protected structure. As a consequence, harmful interaction of stray currents (intensive corrosion) can be completely eliminated in the drainage connection location. Due to this, electric drainage location and its operating parameters should be selected in an optimum way. This technique has been known for at least 100 years. Rys. 1. Zasada dzia ania drena u elektrycznego Fig. 1. Electric drainage operating principle 196 Ochrona przed Korozj, ISSN 0473-7733, vol. 57, nr 5/2014
wyeliminowane. Lokalizacja drena u elektrycznego i jego parametry pracy z tego powodu powinny by dobrane w sposób optymalny. Technika ta znana jest co najmniej od 100 lat. 3. Ocena szkodliwego oddzia ywania pr dów b dz cych metod korelacyjn Losowo-zmienny kierunek i nat enie pr dów b dz cych, a tym samym i oddzia ywanie o charakterze stochastycznym na procesy korozyjne na powierzchni metalowych konstrukcji podziemnych w strefach szkodliwego oddzia ywania tych pr dów, wymusi y stosowanie odpowiednich narz dzi do analizy tego typu zjawisk, z których jak wspomniano wy ej przyj a si w technice tzw. metoda korelacyjna. Odwzorowuje ona rozk ad prawdopodobie stwa mierzonych jednocze- nie napi cia konstrukcja ród o pr dów b dz cych i potencja u konstrukcji wzgl dem elektrody odniesienia. Rzut na p aszczyzn takiej trójwymiarowej funkcji zazwyczaj przedstawia si w postaci izolinii jednakowego prawdopodobie stwa, które w regularnych przypadkach stanowi szereg koncentryczne po o onych wzgl dem siebie elips. Obrys takiego widma przedstawiono na rys. 2. Zobrazowano tak e na tej ilustracji sposób tworzenia nowego uk adu wspó rz dnych nadaj cego si do interpretacji oddzia ywania pr dów b dz cych rodkiem tego uk adu wspó rz dnych jest punkt (0, Es), gdzie Es jest najbardziej prawdopodobn warto ci potencja u dla napi cia równego zeru (tak e pr du b dz cego). Taki uk ad pozwala interpretowa prawdopodobie stwo oddzia ywania zewn trznych pr dów na konstrukcj podziemn polaryzacj anodow w I wiartce nowego uk adu, za efekt odwrotny polaryzacj katodow w wiartce III. Po o enie widma w uk adzie wspó rz dnych, a tym samym i wielko oraz kierunek polaryzacji mog by ró ne w zale no ci od lokalizacji miejsca pomiaru wzgl dem ród a pr dów b dz cych. Odzwierciedla takie dwa przypadki rys. 3, na którym zilustrowano przesuni cie widma w uk adzie wspó rz dnych, jako wynik przewagi jednego z kierunków polaryzacji, co potwierdza mo liwo wykorzystania tego faktu do diagnozowania stopnia zagro enia badanej konstrukcji pr dami b dz cymi. Warto potencja u Es mo e w wyniku sta ego oddzia ywania zmienia si w czasie zarówno w kierunku rosn cym jak i malej cym, co jest równoznaczne z mo liwo ci przesuwania si widma nie tylko wzd u w asnej osi, ale tak e wzd u osi rz dnych uk adu. W szczególno ci ma na to wp yw ochrona katodowa konstrukcji na sta e przesuwaj ca jej potencja znacz co w kierunku ujemnym tak, e warto Es znajduje si w przedziale gwarantuj cym skuteczn ochron elektrochemiczn. Jak wynika z wy ej przedstawionego zaledwie zarysu mo liwo ci interpretacji widm korelacyjnych, wydaje si oczywiste, e pos uguj c si odpowiednimi narz dziami (pomiarowymi i obliczeniowymi) mo na w miar dok adnie oszacowa warunki oddzia ywania pr dów b dz cych na konstrukcj podziemn posi kuj c si pewn niewielk grup parametrów opisuj cych wielko, kszta t i po o enie w uk adzie wspó rz dnych omawianego widma korelacyjnego. W podobny sposób mo na, pos uguj c si t sam metodyk, oszacowa tak e skuteczno 3. Assessment of hazardous stray current interaction by the correlation method The randomly changing direction and intensity of stray currents, simultaneously the stochastic interaction on corrosion processes on metal underground structures in zones of harmful interaction of these currents, forced application of appropriate tools for analysis of these phenomena, of which as mentioned above the so called correlation method has been accepted in technology. It represents probability distribution of simultaneously measured structure stray current source voltage and structure potential versus the reference electrode. Projection on a plane of such a three dimensional function is usually presented in the form of equal probability isolines, which in regular cases are a series of concentrically located ellipses. The outline of such a spectrum has been presented in Fig. 2. Also the way has been shown on this illustration of forming a new coordinate system appropriate for interpretation of stray current interaction point (0,Es) is the centre of this coordinate system, where Es is the most probable potential value for a voltage equal to zero (also the stray current). Such a system allows interpretation of the probability of interaction of external currents on the underground structure anodic polarisation in quarter I of the new system, while the reverse effect cathodic polarisation in quarter III. The location of the spectrum in the coordinate system, simultaneously the polarisation magnitude and direction, can be different depending on the measurement location in relation to the source of stray currents. Fig. 3 reflects two such cases, on which shifting has been illustrated of the spectra in the coordinate system, as the result of predominance of one of the polarisation directions, confirming possibility of using this fact for diagnosing the stray current hazard degree for the investigated structure. The value of potential Es can change as the result of constant interaction in time in the positive, as well as the negative direction, this being equivalent to possibility of shifting the spectrum not only along its own axis, but also along the system ordinate axis. This is especially affected by cathodic protection of the structure permanently shifting its potential significantly in the negative direction, so that the value Es is located in the range warranting effective electrochemical protection. As results from only the outline presented above of correlation spectra interpretation possibilities, it seems obvious that using appropriate tools (measurement and calculation) one can possibly accurately estimate conditions of stray current interaction on the underground structure using a small group of parameters describing the size, shape and location in the coordinate system of the discussed correlation spectrum. In a similar way, using the same methodology, one may estimate also the effectiveness of applied means eliminating harmful stray current interaction. Rys. 2. Widmo korelacji E = f(u). Ilustracja tworzenia nowego uk adu wspó rz dnych i podzia widma w wiartkach nowego uk adu. Es najbardziej prawdopodobna warto potencja u konstrukcji przy napi ciu konstrukcja ród o pr dów b dz cych równym zeru Fig. 2. Correlation spectrum E = f(u). Illustration of a new coordinate system forming and division of the spectrum into quarters of the new system. Es the most probable structure potential value at the structure stray current source potential value equal to zero Rys. 3. Przesuni cie widma: a) w kierunku anodowym wzrost zagro enia pr dami b dz cymi, b) w kierunku katodowym zmniejszenie zagro enia pr dami b dz cymi Fig. 3. Shifting of spectrum: a) in the anodic direction - stray current hazard increase, b) in the cathodic direction - stray current hazard decrease Ochrona przed Korozj, ISSN 0473-7733, vol. 57, nr 5/2014 197
zastosowanych rodków eliminuj cych szkodliwe oddzia ywanie pr dów b dz cych. 4. Ocena metod ochrony przed pr dami b dz cymi metod korelacyjn Skoro stopie zagro enia pr dami b dz cymi uzale niony jest od polaryzacji anodowej konstrukcji wywo ywanej przez wyp ywaj cy z niej pr d b dz cy, a odpowiada temu g sto prawdopodobie stwa widma korelacyjnego w I wiartce zmodyfikowanego uk adu wspó rz dnych, to zmniejszenie lub sprowadzenie do zera tego prawdopodobie stwa jest równoznaczne z uzyskaniem oczekiwanego efektu ochronnego. O nachyleniu widma korelacyjnego w uk adzie wspó rz dnych decyduje rezystancja pomi dzy konstrukcj a ród em pr dów b dz cych. Obni enie tej rezystancji poprzez po czenie np. stalowego ruroci gu z szynami trakcji zelektryfikowanej za pomoc przewodu elektrycznego (tzw. drena u prostego) powoduje obrócenie w prawo ca ego widma wokó rodka uk adu jak na rys. 4. W szczególnych warunkach przypadek b) na rys. 4, przy odpowiednio dobranej rezystancji takiego po- czenia, mo na zapewni ca kowit niezale no zmian potencja u od napi cia szyny konstrukcja. W efekcie takiego dzia ania eliminuje si ca kowicie polaryzacj anodow powodowana przez pr d b dz cy, jednak ze wzgl du na mo liwo wywo ania niepo danej polaryzacji anodowej przez zastosowanie po czenia drena owego, co obrazuje widmo w II wiartce uk adu wspó rz dnych przypadek a) na rys. 4, metoda drena u prostego jest zabroniona w normach technicznych. Niebezpiecze stwo to eliminuje si poprzez w czenie w obwód drena u elektrycznego elementu zaporowego, np. diody, którego zadaniem jest dopuszczenie jedynie do przep ywu pr du w jednym kierunku od zabezpieczanej konstrukcji do ród a pr dów b dz cych (szyn). Na rys. 5 przedstawione zosta y widma korelacyjne uzyskiwane przy pracy tego typu drena- y elektrycznych, nazywanych drena ami polaryzowanymi, w których zastosowano ró ne elementy prostuj ce (diod, tranzystor MOSFET) oraz drena sterowany potencja em z prawid owo dobran rezystancj obwodu ochronnego. Odwo uj c si do wspó czesnych wymaga ochrony stalowych konstrukcji podziemnych przed pr dami b dz cymi, które wyra one s w normie europejskiej EN 50162 [2], jako optymalne zabezpieczenie nale y uzna takie dzia anie drena u elektrycznego, które ca kowicie ogranicza mo liwo wyst pienia polaryzacji anodowej konstrukcji, a jednocze nie nie wywo uje swoim dzia aniem polaryzacji katodowej, w takim zastosowaniu jak w technologii ochrony katodowej. Dzia anie takiego drena u odzwierciedla widmo korelacyjne przedstawione jako przypadek c) na rys. 5. Uzyskanie takiego efektu dzia ania drena u wymaga przeprowadzenia d ugotrwa ych bada i analiz celem dobrania odpowiednich elementów reguluj cych, np. rezystorów, oraz ustawicznej reakcji na zmieniaj ce si warunki zewn trzne, zale ne od pory dnia, lokalnych i sezonowych zmian pogody, zmian w pracy sieci 4. Assessment of protection methods against stray currents by the correlation method As the stray current hazard degree depends on the anodic polarisation of the structure caused by the stray current flowing out of it, and the correlation spectrum current density in quarter I of the modified coordinate system corresponds to this, then decrease or reduction to zero of this probability is equivalent to achieving the expected protection effect. The resistance between the structure and the stray current source decides on the slope of the correlation spectrum in the coordinate system. Decrease of this resistance by connecting, e.g. a steel pipeline with electric traction rails, with an electric cable (so called simple drainage) causes rotation of the whole spectrum around the centre of the coordinate system as in Fig. 4. In particular conditions case b) in Fig. 4, one may achieve complete independence of potential changes from the rail structure voltage for an appropriately selected resistance of such a connection. As the result of such activities one may completely eliminate anodic polarisation caused by stray currents, however, due to possibility of causing anodic polarisation when applying the drainage connection, as shown by the spectrum in quarter II of the coordinate system case a) in Fig. 4, the method of simple drainage is forbidden in technical standards. This danger is eliminated by inserting a barrier element in the electric drainage circuit, e.g. a diode, the aim of which is permitting current flow in only one direction from the protected structure to the stray current source (rails). In Fig. 5 correlation spectra have been presented obtained during operation of this type of electric drainage called polarised drainage, in which various rectifying elements have been applied (diode, MOSFET transistor) and potential controlled drainage with correctly selected protective circuit resistance. Modern protection requirements for steel underground structures against stray currents, expressed in European Standard EN 50162 [2], state that optimum protection should be acknowledged as such operation of electric drainage, which completely limits possibility of structure anodic polarisation occurrence and simultaneously does not cause cathodic protection by its action, in applications as in cathodic protection technology. Operation of such drainage is reflected by the correlation spectrum presented as case c) in Fig. 5. Achieving such an operation effect requires performing of long-term tests and analyses with the aim of selecting appropriate regulation elements, e.g. resistors, and continuous reaction to changing external conditions, dependent on the time of the day, local and seasonal weather changes, changes in traction network operation, etc. These conditions, having a fundamental effect on the magnitude of underground structure corrosion hazard in stray current interaction zones, cause known and applied electrochemical protection system automation methods (constant current or constant potential adjustment) to be insufficient to meet above mentioned standard requirements. Rys. 4. Obrót widma korelacji: a) zwarcie elektryczne pomi dzy konstrukcj a ród em pr du b dz cego, b) odpowiednio dobrana rezystancja drena u prostego uniezale nia zmiany potencja u (polaryzacj konstrukcji) od napi cia konstrukcja szyny Fig. 4. Correlation spectrum rotation: a) electric shorting between the structure and the stray current source, b) correctly selected simple drainage resistance causes potential changes (structure polarisation) to be independent of structure rail voltage Rys. 5. Drena e polaryzowane: a) z diod krzemow, b) sterowany z tranzystorami MOSFET, c) z optymaln regulacj pr du Fig. 5. Polarised drainage: a) with a silicon diode, b) controlled by MOSFET transistors, c) with optimum current adjustment 198 Ochrona przed Korozj, ISSN 0473-7733, vol. 57, nr 5/2014
Rys. 6. Inteligentny drena polaryzowany kontrola pracy drena u sterowanego przez mikrokontroler na podstawie bie cych pomiarów potencja u, napi cia i pr du (T1 i T2 tranzystory typu MOSFET, PWM uk ad regulacji sterowany przez mikrokontroler) Fig. 6. Intelligent polarised drainage drainage operation regulated by a microcontroller on the basis of present measurements of potential, voltage and current (T1 and T2 - MOSFET type transistors, PWM - micro-controller regulation system) trakcyjnej itp. Warunki te, maj ce zasadniczy wp yw na wielko zagro enia korozyjnego konstrukcji podziemnych w strefach oddzia ywania pr dów b dz cych powoduj, e znane i stosowane dotychczas metody automatyzacji systemów ochrony elektrochemicznej (regulacja sta opr dowa lub sta opotencja owa) nie s wystarczaj ce, aby spe ni ww. wymagania normowe. 5. Inteligentny drena koncepcja Dobrze rozpoznana metodyka oceny oddzia ywania pr dów b dz cych na konstrukcje podziemne za pomoc odpowiedniej analizy widm korelacyjnych E = f(u) pozwala na prognozowanie optymalnych warunków pracy drena u elektrycznego przed jego uruchomieniem, a po jego uruchomieniu na analiz jego pracy i dobór optymalnych parametrów regulacji celem spe nienia wymaganych kryteriów ochrony przeciwkorozyjnej. Wychodz c z takiego za o enia zrodzi a si koncepcja po czenia sterowanego drena u polaryzowanego z systemem mikrokomputerowym cz onu pomiarowego, analitycznego i wykonawczego w jednym automatycznie dzia aj cym urz dzeniu. Zadaniem mikrokomputera jest bie ce wykonywanie niezb dnych pomiarów, ich analizy wg kryteriów korelacyjnej metody badania pr dów b dz cych, obliczanie optymalnych parametrów pracy urz dzenia, generowanie sygna ów steruj cych pr dem w obwodzie drena u, ocen efektywno ci dzia ania i optymalizacja parametrów pracy drena- u oraz zapisanie w pami ci wszystkich pomiarów dokumentuj cych prac urz dzenia. Uznano, e stopie zdobytych do tej pory do wiadcze jest wystarczaj cy do tego, aby okre lone zasady badania pr dów b dz cych przekszta ci w odpowiednie algorytmy dzia ania urz dze pomiarowych i steruj cych drena u elektrycznego w taki sposób, aby urz dzenia takie mog y by instalowane do ochrony konstrukcji podziemnych bez wykonywania uprzednich z o onych bada specjalistycznych i aby same podejmowa y optymalne dzia ania indywidualnie do zastanych warunków w miejscu pracy. Tak dzia aj ce urz dzenia nazwano drena em inteligentnym. Schemat ogólny drena u inteligentnego, ilustruj cy koncepcj jego dzia ania przedstawiono na rys. 6. Uk ad po czonych elementów drena u zosta zarejestrowany w UPRP [7]. 5. Intelligent drainage concept A well recognised method of assessment of stray current interaction on underground structures with the use of respective E = f(u) correlation spectra analysis allows prognosis of optimum electric drainage operating conditions before start-up, while after start-up analysis of operation and selection of optimum regulation parameters to meet required anticorrosion protection criteria. Having in mind such an assumption a concept was developed of joining controlled polarised drainage with a microcomputer system a measuring, analytical and executive unit in one automatically operating device. The aim of the microcomputer is current performing of necessary measurements, their analysis according to correlation criteria of the stray current investigation method, calculation of device optimum operating parameters, generation of current control signals in the drainage circuit, assessment of operating effectiveness and optimisation of drainage operating parameters and recording in memory of all measurements documenting device operation. It has been acknowledged that the degree of gained experience is sufficient for transforming specific stray current investigation principles into respective operating algorithms of electric drainage measurement and control equipment, so that these devices could be installed for protection of underground structures without the need of performing prior complex specialist tests and so that they would individually undertake optimum operations depending on conditions met in the place of operation. Such operating devices have been called intelligent drainage. The general schematic diagram of electric drainage, illustrating its operating concept, has been presented in Fig. 6. The method of electric drainage element connection has been registered in the UPRP patent office [7]. Rys. 7. Widmo korelacyjne (g sto prawdopodobie stwa): a) przed w czeniem drena u, b) przekszta cone przez inteligentny drena elektryczny Fig. 7. Correlation spectrum (probability density): a) before turning on drainage, b) transformed by intelligent electric drainage Fot. 1. Prototyp inteligentnego drena u polaryzowanego Photo 1. Prototype of intelligent polarised drainage Ochrona przed Korozj, ISSN 0473-7733, vol. 57, nr 5/2014 199
6. Inteligentny drena realizacja Prototyp urz dzenia zbudowano na bazie podzespo ów polaryzowanego drena u sterowanego dostarczanego na rynek czeski przez firm KPTECh z Ostrawy typ EPD160R. Zalet przyj tego rozwi zania technicznego obwodu wykonawczego drena u polaryzowanego jest mo liwo wykorzystania zasilania uk adów elektronicznych wprost z energii ród a pr dów b dz cych. Urz dzenie zaopatrzono w mikrokontroler AVR typ AtMega128 firmy Atmel. W otoczeniu procesora zabudowane zosta o niewielkie pole odczytowe, 5-przyciskowa klawiatura do sterowania przez operatora oraz zewn trzna pami mikrosd o pojemno ci 2GB. Drena przystosowany zosta do lekkiej obudowy z laminatu typu WSKP-LA [8]. Na fot. 1. pokazany jest g ówny element prototypowego wykonania drena u wraz z do czonym mikrokontrolerem. Prac urz dzenia ilustruje rys. 7, na którym przedstawiono 24-godzinny zapis rzeczywistych zale no ci korelacyjnych E = f(u) przed i po zasymulowaniu pracy drena u. Parametry pracy urz dzenie dobra- o samodzielnie bez ingerencji operatora. Uzyskany wynik odpowiada idealnej charakterystyce drena u spe niaj cego wymagania normy (porównaj rys. 5 c). 7. Podsumowanie i wnioski Zaprezentowana nowatorska koncepcja realizacji ochrony przed pr dami b dz cymi konstrukcji podziemnych za pomoc inteligentnego drena u polaryzowanego zdaje si otwiera nowe mo liwo ci wykorzystania tej metody ochrony przeciwkorozyjnej, a w szczególno ci jej upowszechnienia w gospodarce. Wygoda stosowania, brak konieczno- ci wykonywania mudnych i wysoce specjalistycznych bada, gwarancja poprawnego dzia ania, a nade wszystko bezpiecznego, bez obawy o brak kontroli nad zmieniaj cymi si warunkami pracy urz dzenia, to oczekiwane walory u ytkowe we wspó czesnym wiecie techniki. Wykonany prototyp i przeprowadzone za jego pomoc badania potwierdzi y przyj te za o enia techniczne. Po wykonaniu ostatecznych bada eksploatacyjnych w ró nych warunkach, ten typ drena u b dzie móg by udost pniony do u ytkowania na obiektach przemys owych. Praca zrealizowana zosta a w ramach Programu Innowacyjna Gospodarka POIG.01.04-22-004/11 Opracowanie nowych rozwi za z zakresu aktywnych zabezpiecze przeciwkorozyjnych z wykorzystaniem ochrony katodowej dofinansowanego przez Uni Europejsk. LITERATURA / REFERENCES 1. PN-EN 50122-2:2002 Zastosowania kolejowe Urz dzenia stacjonarne Cz 2: rodki ochrony przed oddzia ywaniem pr dów b dz cych wywo anych przez trakcj elektryczn pr du sta ego. 2. PN-EN 50162:2006 Ochrona przed korozj wskutek pr dów b dz cych z uk adów pr du sta ego. 3. W. Sokólski: Ochrona przeciwkorozyjna konstrukcji podziemnych za pomoc drena u elektrycznego w wietle norm europejskich, Ochr. Przed Koroz., 2013, 56, 5, (243-248). 4. W. Sokólski: Metoda korelacyjna badania pr dów b dz cych. Pi tna cie lat do wiadcze, Ochr. Przed Koroz., 1997, 40, 5, (126 130). Informacje o Autorze: Dr in. Wojciech Sokólski absolwent Wydzia u Chemicznego Politechniki Gda skiej kierunku Korozja i ochrona metali (1970), wieloletni pracownik i nauczyciel akademicki w Katedrze Technologii Zabezpiecze Przeciwkorozyjnych Politechniki Gda skiej (1970-2001), wyk adowca z zakresu elektrochemicznej ochrony przed korozj, metod pomiarowych i technik komputerowych wykorzystywanych w technologii ochrony katodowej, wspó autor podr czników, licznych prac naukowych i popularno-naukowych, ekspertyz i opracowa dla przemys u oraz patentów i wdro e. Kierownik samodzielnych prac badawczych finansowanych przez Komitet Bada Naukowych. Laureat szeregu 6. Intelligent drainage realisation The device prototype was built using KPTECh type EPD160R polarised drainage sub-assemblies, supplied to the Czech market. An advantage of the adopted technical solution of the executory circuit of polarised drainage includes application of electronic system power supply directly from energy of stray current sources. The device has been equipped with an Atmel AVR micro-controller type AtMega128. A small display, a 5-key keyboard for operator control and an external microsd 2GB memory have been provided near the processor. Drainage has been adapted to a light laminate casing type WSKP-LA [8]. In photo 1 the main element has been shown of prototype drainage with connected micro-controller. Fig. 7 illustrates operation of the device, on which a 24-hour recording has been shown of real correlation dependencies E = f(u) before and after simulating drainage operation. The device independently selected operating parameters, without intervention of the operator. The obtained result corresponds to the ideal drainage characteristic meeting requirements of the standard (compare Fig. 5c). 7. Summary and conclusions The presented innovative realisation concept of underground structure protection against stray currents by intelligent polarised drainage seems to open new possibilities of using this anticorrosion protection method, especially its propagation in the economy. Convenience of use, no necessity of performing arduous and highly specialist tests, guarantee of correct, primarily safe, operation, with no fear due to lack of control over changing conditions of the device, those are the expected advantages of use in the modern world of technology. The performed prototype and conducted tests confirmed the assumed technical assumptions. After performing final operating tests in various conditions, this type of drainage could be made available for use on industrial objects. The work has been realised in the Innovative Economy Programme Program Innowacyjna Gospodarka POIG.01.04-22-004/11 Elaboration of novel solutions in the scope of active anticorrosion protection means with the use of cathodic protection, co-financed by the European Union. 5. W. Sokólski: Metoda korelacyjna badania pr dów b dz cych - technika ci gle nieznormalizowana, Ochr. Przed Koroz., 2013, 56, 8, (320-331). 6. W. Sokólski, P. Sokólski: Inteligentnie sterowany drena elektryczny, XII Krajowa Konferencja Pomiary Korozyjne w Ochronie Elektrochemicznej, PKEOpK SEP, 19-21.09.2012 Jurata, s. 155. 7. P.406777: Uk ad drena u elektrycznego konstrukcji podziemnych, UPRP, 2013. 8. SPZP CORRPOL: http://www.corrpol.pl/slupki.htm nagród Ministra Nauki i Szkolnictwa Wy szego oraz Ministra Edukacji Narodowej. Kierownik Zak adu Korozji Morskiej w Instytucie Morskim w Gda sku (1993 2003). Vice-Prezes Zarz du i Dyrektor ds. Techniki i Rozwoju SPZP CORRPOL (2002-). Specjalizacja: ochrona katodowa konstrukcji i urz dze stalowych w wodzie i ziemi, pr dy b dz ce, metody pomiarowe, wykorzystanie technik mikrokomputerowych w technologii ochrony katodowej. e-mail: wsok@corrpol.pl Corresponding author: wsok@corrpol.pl Otrzymano / Submitted for publication: 3.03.2014 Skierowano do druku / Revised and accepted: 6.03.2014 200 Ochrona przed Korozj, ISSN 0473-7733, vol. 57, nr 5/2014