智能陰極保護采集監控系統的應用與發展

和宏偉 門 程 白冬軍 馮文亮

1.北京市燃氣集團研究院，北京 100011；

2.北京市公用事業科學研究所，北京 100011

0 前言

目前在油氣管網建設中， 越來越多地采用金屬材料，金屬腐蝕問題引起了廣泛的重視［1］。陰極保護技術是一種防止金屬在電介質（海水、淡水、土壤等）中發生腐蝕的電化學保護技術［2-3］。該技術的基本原理是對被保護的金屬表面施加一定的直流電流， 使其產生陰極極化，當金屬的電位負于某一電位時，腐蝕過程就會得到有效抑制［2-4］。

陰極保護通/斷電位、自然電位、交流干擾電壓、直流雜散電流干擾程度和分布等參數影響著油氣管道的陰極保護效果。 當陰極保護效果較差時，油氣管道存在被腐蝕的風險。 在油氣管網的實際運行中，建立智能陰極保護采集監控系統（以下簡稱智能系統）對陰極保護各項參數進行實時監控是十分必要的。

1 智能系統的發展現狀

目前國內一些重點長輸管道、新建管道的陰極保護站和部分監控閥室采用了智能系統，而絕大多數管道沿線測試樁的陰極保護電位仍須人工現場檢測。 傳統人工檢測方式的局限性如下：

a）人工檢測無法對陰極保護各項參數進行實時、同步監控。 在整個管網系統中，陰極保護的測試樁很多，一般每月進行一次逐樁測試，無法對管網的陰極保護情況和腐蝕情況做出及時響應，難以對異常情況或短時強干擾實時掌握。

b） 人工檢測陰極保護各項參數不可避免地存在各種誤差。 由于外界環境的差異、人員經驗等原因，往往引起各種測量誤差甚至錯誤，從而影響數據的客觀性。

c）檢測工作量大， 人工成本高。 一般管道可以運行15 a 以上，檢測工作總量相對較大。一些長輸管道遠離鐵路、公路和人口稠密區，社會依托條件差，檢測人員為測量數據經常要徒步穿越荒野、沙漠、溝壑，既費時又費力，不能滿足現代企業管理的要求。

計算機普及之前，測量和記錄的儀器一般都為瞬態記錄器、紙質數據記錄儀等。計算機采集卡和高速芯片的應用，能從大量測量數據中同時獲得電壓、電流等數據。隨著網絡技術的發展，以太網、超文本鏈接、無線通信的應用，促進了智能系統的發展。

智能系統的基本原理：利用在管道上安裝智能采集儀和極化探頭進行相關陰極保護數據的采集，通過網絡傳輸實現在監控室中進行數據的收集、存儲、分析等工作。

智能系統主要優點如下：

a）能夠實現對陰極保護的實時監控，及時檢驗陰極保護系統的電源或陽極是否失效。 此外，連續性的電壓和電流的采集能夠快速對陰極保護故障進行識別，對出現的問題及時預警。

b）智能系統能夠對管線多個測試點進行同時監控，同步獲得數據。 及時、有效地掌握各個測試點異常情況和受雜散電流干擾情況，并做出響應。 傳統的人工檢測只能逐樁進行，不能多個測試點同時測量，測試時間無法同步，丟失檢測數據中的重要信息。

c）陰極保護各項參數的自動化采集能夠減少誤差，提高測量精度［5-7］。 在陰極保護的各項參數測量中，通過智能系統得到不同類型的數據并進行加工和分析，得到客觀可靠的結果。

d） 陰極保護各項參數的自動化采集能夠有效降低人工成本［8-9］，特別是長距離輸送管道，在自動獲得大量有效數據的同時降低檢測人員的工作強度，減少人工干預的次數，幫助管道擁有者和操作者實現采集監控的自動化，提高陰極保護管理水平，延長管道壽命，消除安全隱患。

目前許多國家的長輸油氣管道已經開始使用智能系統。 例如南美洲TBG 公司的GASBOL 長輸管道，該輸氣管道從玻利維亞到巴西，全長320 km，智能系統采用遠程終端設備（RTU）采集整流器的輸入輸出電壓和輸出電流、陰極保護電位、電流等，RTU 能夠存儲35 d 的有效數據， 還能計算出土壤的電阻值和系統可靠性。 每個RTU 通過整流器供電，利用衛星電話與控制管理中心進行通信。 智能系統中的控制管理中心見圖1。

圖1 智能系統中的控制管理中心

在控制管理中心，有一個主屏幕、一個通信屏幕和整流器監控屏幕。 整流器的監控屏幕能夠顯示整流器的狀態、陰極保護電位、電流等；通信屏幕顯示當前的通信狀態、與遠程的鏈接情況、與RTU 上次通信時間等。采用該系統，每月能為TBG 公司節省32 600 美元。

2 智能系統構成

智能系統主要由數據采集模塊、 數據傳輸模塊、評價體系模塊構成。 數據采集模塊主要包括模數（A/D）轉換器、單片機；數據傳輸模塊包括無線通信系統和存儲系統；評價體系模塊是一套軟件系統，主要參考國家標準和美國防腐工程師協會（NACE）標準，對從采集終端傳來的數據進行判斷和評估，及時發現陰極保護中的各種問題并做出響應。

2.1 數據采集模塊

數據采集（DAQ），通過管道的智能采集儀和極化探頭對陰極保護電位、陰極保護電流、雜散電流強度、土壤電阻率等相關參數進行采集，經過A/D 轉換器，將模擬量轉成數字量，再通過單片機對數字量進行處理，將得到的數據進行臨時存儲或者通過無線模塊發送到遠程客戶機上。 此外，數據采集系統能夠根據計算機或其他專用平臺軟硬件的系統要求實現靈活的、定制化的測量與采集［10］。

作為數據采集模塊的核心部件，微處理器的選擇對整個智能系統功能的實現與優化起著至關重要的作用。在陰極保護數據采集模塊的設計過程中，應該把微處理器的功耗作為優先考慮因素。 陰極保護的服役時間可能為十幾年，設計智能系統就是為節省人工成本，所以人工干預的次數越少越符合系統預期目的。 這要求陰極保護采集模塊能長時間工作且電池不斷電，特別是在犧牲陽極的保護系統（無外加電源）中。 同時考慮到陰極保護相關數據的采集密度不是很高，一般0.5 h 或1 h 采集一次，對“空閑”時間進行功耗的控制十分必要，這樣采集模塊耗電量就會減少，工作時間也就更長。 所以合理的選擇和設計數據采集模塊能有效降低采集終端的功耗，降低智能系統運行維護的次數和成本。

2.2 數據傳輸模塊

數據傳輸模塊工作方式是雙向的，一方面將采集模塊采集得到的數據通過特定方式和固定協議傳送給遠端服務器系統并進行存儲；另一方面可以將客戶端發出的指令發送給采集模塊，控制采集模塊的工作方式。

近年來，無線傳輸技術迅速發展，并在工業監控、數據采集系統等領域得到了廣泛應用，因此建立一個油氣管網的陰極保護無線數據傳輸系統是完全可行的。 國內已有多種陰極保護數據無線傳輸產品，本質差異由通信方式決定。 隨著電信技術的迅猛發展，可用于陰極保護監控管理的通訊方式一般可以分為無線集群通信方式、全球移動通信系統（GSM）短信消息和通用分組無線服務技術（GPRS）。

基于GPRS 的無線傳輸系統是目前領先的無線數據傳輸系統。 在陰極保護現場，充分利用目前的移動通信網絡，通過GPRS 與遠程計算機建立鏈接，將數據傳輸給遠程主機，在線掌握陰極保護狀態。 GPRS 的數據傳輸速率快，通信傳輸延時較小，監控覆蓋范圍廣闊，通信費用低廉［11］。通過GPRS 無線技術，還可以隨時監控遠程采集終端的工作狀態、電池電量的剩余情況等，有效保證智能系統的可靠運行。

GPRS 如果一直保持連接則終端模塊功耗較大，還可能出現信號不穩定、信號受干擾等情況，不能及時傳輸數據。 所以在設計優化終端模塊時，用閃存芯片對數據進行緩沖，如果無線傳輸不可用時，數據可以臨時存儲在緩存中。 在需要的情況下，打開無線傳輸系統將數據回調，實現數據的校檢，保證數據傳輸的可靠性。

2.3 評價體系模塊

評價體系模塊能把從遠程采集得到的陰極保護各項參數按照國家標準或NACE 標準進行判定、 分析，同時還能對查找、修正數據庫中的相關數據。

評價體系模塊可以由VC++、C# 等高級語言來進行完成開發。 根據陰極保護特點和企業狀況建造合適的數據庫，應用主程序能方便、快捷地通過開放數據庫連接（ODBC）方式進行訪問，并有條件地允許用戶進行操作控制，同時也使程序員不用具體語言就能訪問數據庫內容。 將國家標準和NACE 標準作為判據，不符合標準的參數用紅色標出，符合標準的參數用綠色標出，臨界情況用黃色標出，實時地將管道的各種狀態、相關數據顯示在屏幕上。 當出現紅色或者黃色時，系統能夠發出預定報警，根據當時情況，指明故障原因、時間、地點，并將這些信息寫入數據庫，方便查閱和存檔，為維修工作提供依據。 考慮到數據安全性的問題，整個評價軟件應采用嚴格的加密技術，防止數據丟失和篡改。 評價體系模塊通過不斷學習和相關經驗數據庫的加入，能夠實現對陰極保護各種故障的響應并提出合理的解決方案，達到陰極保護運行維護需要，降低管道腐蝕風險，保障管道安全運行的目的。

另外，可以在評價體系模塊中集成對遠程采集模塊的控制，可以設定遠程采集模塊的采樣頻率，控制采集模塊的休眠狀態，對內部存儲器數據的復制、剪切和刪除等。

3 智能系統局限性

目前我國很多油氣企業也開始采用了智能系統，對管網的陰極保護狀況和腐蝕情況有了全面了解。 全年不間斷數據的測量， 所得到的陰極保護相關數據意義重大，這是人工檢測方式無法辦到的。 但初期投入成本較高和智能系統可靠性的不可預見是智能系統面臨的局限性。

智能系統一次性投入較大， 在短期內難以回收成本。 特別是中小型企業，在管網規模較小、利潤相對低的情況下，很難選擇一整套智能系統監控管網的陰極保護狀況。 對于運行10 a 左右的管道，中小型企業選擇人工檢測的方式顯然更加節約成本。 有資金和運行能力的企業可以通過初期投入，把高速網絡、服務器、數據庫、軟件開發等相對昂貴和專業要求較高的部分以服務的形式出售給有陰極保護監控需求的企業。 這樣中小型企業只需要選擇購買相關的服務和安裝智能探頭，通過客戶端/服務器（C/S）或瀏覽器/服務器（B/S）機制可以完成對整個管網陰極保護系統的監控， 降低運行和維護成本，提高企業能動性。

智能系統的可靠性極其重要，可靠性的降低意味著需要人力、物力的成本投入。 目前智能系統可靠性主要由采集模塊與傳輸模塊決定。 影響采集模塊正常工作的因素有環境、電池等。 環境因素主要包括溫度、濕度等，過高或過低的溫度都會影響采集模塊的正常工作；目前電池能提供的電量僅能供采集模塊工作3～5 a，電池的更換會消耗大量人工成本。 網絡信號質量、外界干擾等直接影響著數據的傳輸質量，特別是野外環境，會出現盲區，導致采集數據無法傳輸到遠程服務器中，所以安裝傳輸模塊時，地點的選擇尤為重要。

隨著科學技術的進步， 以上問題必將得到解決，在降低智能系統成本的同時可靠性也會得到有效提高，會有更多的相關企業注重智能系統的發展和建設，在獲得經濟效益與社會效益的同時推動工業技術的不斷創新與發展。

4 結論

智能系統的發展與應用實現了陰極保護的集中監控與管理，降低了油氣相關企業的陰極保護運行維護成本，提高了數據采集的可靠性并能使企業實時掌握管道陰極保護狀況和腐蝕狀況，提高生產效率和管理水平。

智能系統的應用是油氣行業在陰極保護監測領域一項新的嘗試，也是信息化進步與陰極保護發展的必然要求，它成功解決了測量的實時性與同步性、測量誤差、檢測工作量大、人工成本高等問題，給陰極保護運行維護帶來的困難，為陰極保護智能化的發展道路奠定了基礎。

［1］Ahammed M，Melchers R E.Probabilistic Analysis of Pipelines Subjected to Pitting Corrosion Leaks［J］. Engineering Structures，1995，17（2）：74-80.

［2］ 胡士信. 陰極保護工程手冊 ［M］. 北京： 化學工業出版社，1999.55-56.Hu Shixin. Cathodic Protection Engineering Handbook ［M］.Beijing：Chemical Industry Press，1999.55-56.

［3］ 黃永昌. 電化學保護技術及其應用 第三講 犧牲陽極［J］. 腐蝕與防護，2000，21（5）：232-235.Huang Yongchang.Electrochemical Protection and Its Application III Sacrificial Anodes ［J］.Corrosion and Protection，2000，21（5）：232-235.

［4］Jung-Gu Kim，Yong-Wook Kim.Cathodic Protection Criteria of Thermally Insulated Pipeline Buried in Soil［J］.Corrosion Science，2001，43（11）：2011-2021.

［5］Andrade C，Alonso C.Corrosion Rate Monitoring in the Laboratory and on-Site［J］. Construction and Building Materials，1996，10（5）：315-328.

［6］Elsener B.Macrocell Corrosion of Steel in Concrete-Implications for Corrosion Monitoring ［J］. Cement and Concrete Composites，2002，24（1）：65-72.

［7］ Hoppe F J， Basu S P， Rogers G E. Design， Installation and Field Experience with Real-time Cathodic Protection Monitoring of Pipe-type Cable Systems［C］. Los Angeles：IEEE，1996.

［8］ 吳 玲， 蘭 翔， 劉 軍. 長輸管道陰極保護電位的自動檢測技術研究［J］. 天然氣與石油，2006，23（5）：17-19.Wu Ling，Lan Xiang，Liu Jun.Research on Automatic Testing Technology for Cathodic Protection Potential in Long Distance Pipeline［J］.Natural Gas and Oil，2006，23（5）：17-19.

［9］ 丁佐暖. 長輸管道陰極保護參數自動采集系統的應用［J］.寧夏石油化工，2005，24（2）：16-18.Ding Zuonuan. Application of Automatic Gathering System with Cathodic Protection Parameter in Lang Distance Pipeline［J］.Ningxia Petroleum and Chemical Industry，2005，24（2）：16-18.

［10］ 魏睛宇. 數據處理概論［M］. 北京：中國統計出版社，1994.1-5.Wei Jingyu.Data Processing Introduction［M］.Beijing：China Statistics Press，1994.1-5.

［11］ 武建宏， 姜 波. 基于GPRS 的長輸管道陰極保護無線數據采集系統［J］. 石油化工自動化，2009，44（4）：40-42.Wu Jianhong， Jiang Bo. Catholic Protection Wireless Data Acquisition System for Long Distance Pipeline Based on GPRS Technology［J］. Automation in Petro-Chemical Industry，2009，44（4）：40-42.