低功耗陰極保護智能電位采集在油氣管道中的應用

陳慧萍，馬啟強，張 昆，任利萍

（1.新疆油田油氣儲運公司，新疆維吾爾自治區 昌吉 831100；2.西部管道新疆輸油氣分公司,新疆維吾爾自治區 烏魯木齊 830011；3.北京昊科航有限責任公司，北京 100080）

近年來，油氣管網在國內大面積建設，為了減小管道的腐蝕速率，管道在建設初期往往要增加陰極保護，定期對管道陰極保護電位進行測量統計，分析管道保護狀況并采取相應的防護措施。

目前通行的電位采集方式是人工攜帶便攜式儀器現場測量，測量人員為測量數據經常要徒步穿越于荒野、溝壑之間，既費時又費力且采集數據的可靠性受人為影響因素較大，已不能滿足現代化企業管理的要求[1]。且由于方法有限，數據太少，置信度不高，無法對管道保護電位隨環境條件變化的相關數據進行分析，使管道表面看起來保護很好而實際腐蝕很嚴重的事件屢見不鮮。鑒于及時獲得管道保護數據是提前采取措施延長管道壽命的必須條件，研究一種智能采集管道電位的系統迫在眉睫。

圖1 系統結構原理圖Fig.1 Schematic diagram of system structure

1 項目概況

本項目主要研究一種基于極化探頭方式測量管道電位的低功耗智能陰極保護數據采集系統。為解決人工巡檢無法檢測的實際保護數據問題，本系統主要從極化探頭的設計開發與應用、智能數據采集儀的設計開發與應用、管理軟件的開發與應用幾個方面展開研究。本課題選擇的管線參數：天然氣管道全長22.5Km，材質為L245，管徑219mm，壁厚6mm，采用3層PE，外加電流陰極保護，共24個測試樁。

2 系統概況

2.1 系統結構原理圖

陰極保護在線監控系統軟件基于.net開發，數據庫為sql server2005，以數據庫作為系統統一的數據庫，以公共無線數據通訊和其他有線通訊相結合的方式為數據傳輸手段，實現低成本遙測和遙控。該系統實現了對管道等被保護體保護狀況的在線檢測，同時可以通過遠程監控方式隨時監視并調整恒電位儀的工作狀態，配合陰極保護在線監控專家系統進行輔助分析，可以使整個陰極保護系統處于最佳的工作狀態起到最大限度的保護作用[2]。

2.2 高性能低功耗數據采集儀

隨著電子技術的發展及新器件的不斷涌現，電子技術在手持設備、便攜儀器以及野外測試儀器等領域得到了廣泛的應用。在這些領域的應用中，由于客觀條件的限制，通常采用電池或蓄電池為儀器設備提供電源。在這種情況下，如果要實現系統長時間工作，必然對儀器設備系統功耗的要求較高。因此，低功耗系統的設計在這些應用領域中得到了廣泛重視。本項目從現場需求情況出發，針對新疆的氣候、環境研制出一種集通電電位、斷電電位、自然電位、交流干擾電壓、環境溫度、電池電量等功能于一體的低功耗智能采集儀器。

圖2 數據采集儀實物圖及安裝后的實際圖片Fig.2 Physical diagram of data acquisition instrument and actual picture after installation

本項目中，通過對主要元器件的低溫試驗來確保元器件的可靠性。采集板常用電子元件大多數都是軍品級或按相應條件篩選，制成品100%通過低溫試驗，從而確保設備在現場的高可靠性。在采集儀外觀設計方面，為了能夠方便安裝到現場檢測樁內部，本采集儀的外形為長方體，在現場通過安裝支架固定在采集樁內部接線柱的上方，將無線通信的天線引到采集樁外。

2.3 長效埋地極化探頭

采用普通參比電極和常規方法測定地埋管道的極化電位時，會因不可避免的IR降而引起誤差。為此需采用斷電測量法才能消除，但在工程上斷電測量常會因很多不便而難以實施，例如：外加電流陰極保護時，不能為逐樁測量而多次頻繁地“斷電”，而犧牲陽極法因無法全部斷開陽極與管道的連線則根本無法斷電測量，并且斷電測量的重要前提是無雜散電流干擾，當有雜散電流干擾或由防腐層缺陷差異導致產生局部宏電池時，即使采用斷電法也難以測出真實的管道極化電位。更為嚴重的是近年來隨著防腐層技術的進步，三層PE、熔結環氧粉末等新材料、新工藝已被廣泛應用，使得管道防腐層缺陷大為減少，漏點（亦俗稱“露鐵”）難尋。

IR降來源有保護電流、雜散電流和測試電流3個電流通道，因測試電流微小，影響可以忽略，而主要的通道是參比點到管道破損點的陰極保護電流和雜散電流[3]。為克服主要的IR降影響，本項目重點研制長效埋地的極化探頭，該裝置能使測量通道上的IR降減至極小（工程上可以忽略不計）且完全不受雜散干擾電流的影響并可方便地實施斷電測量。使得在雜散干擾區域和缺少漏點的管道上用常規方法無法進行的極化電位測量變得非常簡單、容易、真實、可靠。

圖3 實時采集數據表Fig.3 Collecting datasheets in real time

2.4 管理軟件

應用B/S體系構建管理軟件的好處是用戶基本不需要安裝任何的軟件，只要一臺電腦，一條網線就可以實現。無論是內部或者外部的用戶都可以隨時訪問系統，Web和Client/Server應用都可以進行同樣的業務處理，不同的應用模塊共享邏輯組件，通過現有應用系統中的邏輯可以擴展出新的應用系統，這也是目前應用系統的發展方向。

本項目管理軟件通過GPRS方式與現場采集儀通信，通過無線DTU映射虛擬串口的方式進行數據采集。下位機通信協議基于標準MODBUS協議開發，采集儀每天自動與中心服務器建立連接，并將前一天的數據按順序打包后上傳至服務器。軟件基于.net開發，數據庫為sql server2005；該軟件實現了數據實時顯示、曲線分析、設備參數配置、電子地圖展示等幾個模塊，并將上傳的數據與管道完整性管理系統進行融合，可在完整性管理系統中查詢數據。

3 系統實際應用情況

3.1 遠程采集各個測試樁點位參數

HKH-SCPS陰極保護遠程監測系統不僅采集管道測試樁的電位參數，也對設備安裝的環境溫度、電池電壓、剩余電量進行采集，為后期數據分析提供了基礎。如分析環境溫度對保護電位的影響等。

3.2 在搜狗地圖中通過API嵌入測試樁信息

本項目通過搜狗地圖提供的API，根據測試樁地理坐標，將測試樁信息嵌入到地圖頁面，根據測試樁順序在線繪制管線走向圖，并將測試樁的最新上傳參數予以展示。

3.3 手機端實時瀏覽數據

該系統為了方便管理和維護人員使用，針對經常在外上網不便的管理者開發了微信接口，使用人員通過關注微信號即可打開手機平臺的鏈接，進入后可看到和電腦端頁面相似的展示效果。

圖4 搜狗地圖頁面調用檢測樁數據Fig.4 Sogou Map page call to detect pile data

圖5 手機端瀏覽數據Fig.5 Browsing data at the phone end

3.4 保護電位報警值管理

系統根據后臺保護電位的上下限自動對比采集數據，如有超出正常保護范圍的數據自動啟動報警警示，并將報警位置的樁號信息，報警原因寫入到數據庫中，便于維護人員隨時查詢。

圖6 報警參數批量管理Fig.6 Alarm parameter batch management

4 結論

本智能陰極保護數據采集系統自2018年8月完工，到目前系統運行穩定，達到了預期效果。本系統解決了人工采集數據不準確、不及時，無法滿足管道保護真實狀態監視的問題，且針對新疆惡劣氣候下進行系統設計和實施，對系統的適應性展開研究，解決沙漠地區手機信號微弱數據無法傳輸的問題，從而實現準確穩定可靠測量到管道真實的電位數據。主要技術方案是基于極化探頭方式實現管道通電電位、斷電電位、自然電位、交流干擾電壓等一系列參數的采集、編碼、上傳、前端呈現及數據存儲，并基于這些數據判斷管道的保護狀態，給出合理性建議，為管道部門及時作出決策提供數據支撐。