基于交流阻抗技術的海水管路腐蝕監測系統

張曉東，許志雄，張聰，高新華，遲迎

1海軍工程大學艦船與海洋學院，湖北武漢430033

2中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

0 引 言

船舶海水管路腐蝕破損95%發生在易蝕部位［1-2］，通常包括：分流管件、匯流管件、分管、插管、焊縫及異種金屬耦接部位。其中異種金屬耦接部位之間的電化學腐蝕是海水管路腐蝕破損的主要形式之一。為了防止此類腐蝕，通常采取加裝絕緣墊片的措施隔離需要連接的不同金屬件［3］。隨著船舶服役時間延長，這些墊片可能發生絕緣性能下降甚至失效的情況。一旦絕緣墊片失效，將不可避免地導致耦接金屬件中的金屬件加速腐蝕，在較短時間內產生嚴重的電化學腐蝕現象，嚴重影響艦船的使用安全。因此，針對異種金屬海水管路間的電絕緣性能監測技術越來越受到關注和重視。

張海麗等［4-6］通過在工業純鈦和銅鎳合金之間串聯不同阻值的電阻并進行電偶腐蝕試驗的方法，證明了異種金屬海水管路間的電絕緣性能與絕緣墊片的電阻值有著直接的關系。雖然可通過測量絕緣墊片的電阻來評判電絕緣性能的好壞，但對絕緣墊片阻值的測量缺乏相關研究。管路在干態下（即管內無海水），可直接在管路兩端施加直流激勵，通過測量回路電流，根據歐姆定律，計算絕緣電阻值。這種方法只適用在干態情況下測量，而對于濕態下（即管路存在海水），管路、絕緣墊片和海水構成了腐蝕體系，施加直流激勵會對兩端造成電荷積聚，影響腐蝕體系的正常腐蝕狀態。本文將設計一種基于交流阻抗技術的海水異種金屬管路間電絕緣性能監測系統，實現管路在干態和濕態下均適用的電絕緣性能監測。

1 監測系統總體實現方案

采用電化學阻抗譜法（EIS）測量管段間的絕緣墊片電阻需要在絕緣法蘭中間插入一個薄金屬片，如圖1所示。圖中，WE是工作電極，安裝于絕緣墊片上，RE是輔助電極，安裝于管路上，測量裝置通過監測WE和RE之間的電位差和電流，用于計算交流阻抗。通過測量薄金屬片與A，B管路之間的交流（1～10 kHz）阻抗，即可計算出法蘭的絕緣電阻。測量過程中，將幅值100 mV左右的正弦波加載到金屬片與管段之間，測量阻抗譜，從而得到兩個管段間絕緣法蘭的電阻。這種方法將濕態問題轉變為干態問題進行處理，測量數據精確可靠，且不會對原腐蝕體系產生影響。

圖1 海水管段間絕緣墊片電絕緣性能監測系統Fig.1 Monitoring system of the electrical insulating performance for the spacer between seawater pipe sections

監測系統硬件主要包括電源模塊、單片機模塊（MCU）、DDS信號發生器和通信模塊等，如圖2所示。

圖2 海水管段間絕緣墊片電絕緣性能監測系統硬件組成Fig.2 Hardware composition of electrical insulatine performance monitoring system for the spacer between seawater pipe sections

2 交流阻抗技術基本原理

EIS是一種以小振幅正弦波電位（或電流）為擾動信號的電化學測量方法［7-10］。該方法對腐蝕體系擾動的電信號振幅小，既可避免對腐蝕體系產生大的影響，也可使擾動與腐蝕體系的響應之間近似呈線性關系，這就使測量結果的數學處理變得簡單。交流阻抗法是在電極系統上施加一定頻率的小幅值正弦波擾動信號，由電極系統的響應與擾動信號之間的關系得到電極阻抗。

EIS主要用于研究金屬材料在各種環境中的耐蝕性能和腐蝕機理，可以同時測得絕緣電阻值和材料的極化電阻。EIS的主要優點是對被測體系干擾小、抗干擾能力強，可用于現場的絕緣電阻測量［11］。

測量系統的等效電路圖如圖3所示。圖中：Rp為絕緣墊片阻值；Rs為體系溶液電阻；Cdl為界面電容。在測量時RE處接參比電極，WE處接儀器的工作電極。電路中RE和WE兩端的等效阻抗Z為

將 s替換為 jω，有

圖3 海水管段間絕緣墊片電絕緣性能監測等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of monitoring electrical insulating performance for the spacer between seawater pipe sections

式中：ω=2πf，為掃描信號的角頻率；s為拉普拉斯算子。

對待測體系施加不同頻率的信號，通過相關積分算法計算輸出信號到輸入信號的傳遞函數，使用頻譜法計算得到等效電路中的3個參數Rs，Rp和Cdl。測量時，考慮到待測體系中的等效電容較大，首先對其施加高頻交流信號進行測量，在高頻信號下，根據電路理論，電容Cdl的阻抗較小，近似認為短路，則待測體系等效阻抗|Z|約等于Rs。然后，再對待測體系施加低頻信號，這時電容Cdl近似為開路狀態，則體系的等效阻抗|Z|為Rs加上Rp的值，通過高、低頻阻抗相減可以得到絕緣墊片的阻值。

3 主要電路模塊設計

3.1 電源模塊設計

圖4所示為電源模塊電路。其中信號調理電路使用±5 V電壓供電，單片機系統采用3.3 V電壓供電。

3.2 單片機模塊設計

采用C8051F060單片機作為主控制器，內含2個16位AD轉換器和2個12位DA轉換器（用于模擬DDS合成正弦波激勵信號）。

3.3 通信模塊設計

測量系統與PC上位機之間采用RS-485總線進行雙向通信，并對485通信電路進行光電隔離抗干擾處理。用戶可通過PC機進行控制測量系統工作、讀取測量數據等操作。圖5為通信模塊電路。

圖4 電源模塊電路Fig.4 Power supply module circuit

圖5 通信模塊電路Fig.5 Communication module circuit

3.4 信號調理電路設計

由于輸入信號存在幅值（幅值可能超過單片機的輸入電壓而對單片機造成損壞）和極性（存在正、負雙極性）的不確定性，模擬信號在進入單片機進行AD轉換前，需要經過信號調理電路，如圖6所示。將輸入信號進行限幅和極性轉換處理，轉換為0～2.5 V的對單片機安全的單極性信號，進而輸入單片機進行采集和轉換處理。16位AD轉換器的分辨率和信號的運算處理，可以令本系統對電位測量的分辨率達到0.1 mV，滿足測量要求。

圖6 信號調理電路Fig.6 Signal conditioning circuit

4 系統程序設計

根據異種金屬海水管路間電絕緣性能監測的具體要求，系統軟件要實現對海水管路間絕緣墊片的實時電阻測量，并能對測量數據進行顯示、儲存和回調。系統軟件主要分為上位機軟件和下位機測量系統軟件兩個部分。為滿足系統功能需求，系統上位機軟件采用Visual Basic 6.0編程語言設計［12］，實現人機交互界面，控制下位機測量并顯示測量結果信息。測量系統軟件采用C語言設計，主要由主控制程序和量程自適應程序組成，如圖7所示。其中，主控制程序部分主要實現系統測量參數的初始化，通過內部高精度定時器產生定時中斷，在中斷服務中測量并存儲絕緣墊片的電阻。當測量系統檢測到上位機發送的指令后會產生串口接收中斷，在串口中斷服務中識別上位機指令，并針對不同指令分別執行不同子程序，例如接收到讀取歷史數據指令，則立即將測量的歷史數據發送至上位機軟件。

量程自適應程序首先選擇中間量程進行測量，通過判斷測量結果偏大還是偏小，然后單片機控制模擬開關選擇相應的測量量程來達到自適應量程的目的。

5 系統精度測試

圖7 測量系統軟件流程圖Fig.7 Flow chart of measurement system software

在DN100銅—鋼管路中循環通入與海水鹽度（3.5%）相當配比的鹽水，以此在海水管路兩端并聯電阻箱，搭建模擬海水管路試驗臺架，分別測量7種精密電阻的阻抗值（100，1 000，10 000，100 000 Ω以及1，10，100 MΩ），并采用DMM4020泰克精密臺式萬用表對監測系統測量精度進行驗證。

DMM4020泰克精密臺式萬用表具有5.5位分辨率，百兆歐以內電阻測量分辨率高達1 mΩ。

測試結果如表1所示。通過比較監測系統的測量結果與高精度臺式萬用表的結果，可以看出本監測系統的阻抗測量范圍在10 MΩ以內，測量誤差均在5%以內，滿足海水管路間電絕緣性能監測的要求。

表1 絕緣電阻測量儀對標準電阻的測量結果Table 1 Measurement results of insulation resistance meter to standard resistance

6 結 語

本文主要針對目前異種金屬海水管路間絕緣墊片缺乏專用的電絕緣性能監測儀器、設備的現狀，基于交流阻抗技術，設計和研制了一套海水異種金屬管路間電絕緣性能監測系統，實現了對絕緣墊片電阻的實時自動監測，通過絕緣墊片的電絕緣性能間接反應海水管路腐蝕狀況，對發生電絕緣性能下降嚴重的海水管路及時采取措施，消除隱患，減少和預防因絕緣墊片電絕緣性能下降帶來的海水管路異種金屬電化學腐蝕，確保海水管路正常運行，對海水管路腐蝕狀況監測具有指導意義，其經濟效果顯著。本文所設計和研制的海水管路腐蝕監測系統原理簡單、測量精度高，達到了對異種金屬海水管路間絕緣墊片電絕緣性能監測的使用要求，具有較高的實用價值，適合大范圍推廣使用。