高精度陽極輸出電流測(cè)量技術(shù)的研究

上海燃?xì)馄謻|銷售有限公司 潘 征 趙賢平

隨著我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的變化，人們對(duì)燃?xì)獾饶茉吹男枨笤絹碓酵?。燃?xì)夤艿览锍滩粩嘣鲩L(zhǎng)，由直流雜散電流引起的管道腐蝕問題越來越嚴(yán)峻。管道陰極保護(hù)是管道日常管理的重要工作內(nèi)容，長(zhǎng)期以來，由于線路長(zhǎng)、檢測(cè)點(diǎn)分散等問題，導(dǎo)致監(jiān)控工作實(shí)施與管理難度高，工作量大。為此，我公司引入電流傳感器，在不改變?cè)瓲奚枠O陰極保護(hù)回路的同時(shí)測(cè)量鎂陽極輸出電流，同時(shí)使用極化電位測(cè)試探頭對(duì)埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)電位的測(cè)量，應(yīng)用GSM/GPRS組網(wǎng)傳輸方案將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心進(jìn)行處理分析。管理人員可以通過網(wǎng)頁所展示的埋地鋼制管道陰極保護(hù)狀態(tài)和統(tǒng)計(jì)的管道歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)可能存在的危險(xiǎn)狀態(tài)，同時(shí)也可進(jìn)行報(bào)警閾值判斷、觸發(fā)報(bào)警以及采集數(shù)據(jù)頻率的設(shè)定。若發(fā)生陽極消耗嚴(yán)重時(shí)，設(shè)備將自動(dòng)發(fā)送報(bào)警短信和微信推送報(bào)警消息，請(qǐng)求專業(yè)人員解決故障。相關(guān)巡檢人員無需自帶萬用表和參比電極，也無需手動(dòng)填寫犧牲陽極相關(guān)數(shù)據(jù)，既減輕了巡檢人員的工作量，又提高犧牲陽極陰極保護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性。

1 高精度陽極輸出電流測(cè)量技術(shù)

1.1 管道極化電位的測(cè)量

采用普通參比電極和常規(guī)方法測(cè)定埋地管道的極化電位時(shí)，一般需要使用斷電測(cè)量法來消除土壤IR降。但是通常情況下又無法同時(shí)全部斷開陽極與管道的連接，所以在工程上斷電測(cè)量經(jīng)常會(huì)因諸多不便而難以實(shí)施。并且當(dāng)有雜散電流干擾或由防腐層缺陷差異導(dǎo)致產(chǎn)生局部宏電池時(shí)，即使采用斷電法也難以測(cè)出真實(shí)的管道極化電位。為了最大限度地消除土壤IR降以有效抑制雜散電流干擾，可以使用KR2型極化探頭測(cè)定管道極化電位，該裝置能使測(cè)量通道上的土壤IR降至極小(工程上可以忽略不計(jì))，完全不受雜散電流干擾的影響，同時(shí)也可方便地實(shí)施斷電測(cè)量，即使在雜散電流干擾區(qū)域也能簡(jiǎn)單方便地測(cè)量出真實(shí)可靠的管道極化電位。極化電位檢測(cè)示意見圖1。

圖1 極化電位檢測(cè)示意

如上圖1所示，當(dāng)極化探頭被置于與埋地管道相同的土壤介質(zhì)后閉合開關(guān)K，探頭底部的試片4通過導(dǎo)線并經(jīng)測(cè)試樁與埋地管道相連接并引入極化，從而使試片4與埋地管道具有相同的極化電位。當(dāng)試片4充分極化后，在斷開開關(guān)K的瞬間，使用萬用表測(cè)量?jī)?nèi)塑料筒1中內(nèi)置的飽和硫酸銅參比電極與試片4之間的電位差即可得到試片4的極化電位。外塑料桶內(nèi)充滿惰性飽和電解質(zhì)溶液成為內(nèi)塑料筒中飽和硫酸銅參比電極的緩沖鹽橋，在外塑料桶底部設(shè)有與試片4同心的鹽橋孔3，由于鹽橋孔3的管壁很薄，其內(nèi)置的半透膜微孔陶瓷與試片4距離很近，故由此引起的IR降極小，在工程上可忽略不計(jì)，即所測(cè)得的瞬時(shí)斷電電位就是管道上真實(shí)的極化電位。當(dāng)試片4與鹽橋孔3的面積之比足夠大時(shí)，雜散電流干擾將完全被試片4所屏蔽而不會(huì)影響到極化電位的測(cè)量。這種結(jié)構(gòu)使KR2極化探頭在雜散電流干擾嚴(yán)重的地區(qū)實(shí)測(cè)時(shí)，數(shù)值也會(huì)非常穩(wěn)定準(zhǔn)確，完全不受干擾影響。

1.2 非接觸式陽極輸出電流的測(cè)量

采用最新開合式CT傳感技術(shù)，雙層干擾屏蔽，不必?cái)嚅_被測(cè)線路，通過檢測(cè)被測(cè)導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)，安全、快速地非接觸測(cè)量通過被測(cè)導(dǎo)線的電流。該技術(shù)適用于高精度的直流漏電流、直流小電流的在線檢測(cè)，可以連接工業(yè)控制裝置、數(shù)據(jù)記錄儀、示波器、高精度數(shù)字多用表等。

不同于改變陰極保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)有回路才能測(cè)量陽極電流的方式，開合式CT傳感技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于不必改變被測(cè)線路，即可測(cè)量通過導(dǎo)線的電流，便于安裝及維護(hù)，見圖2。另外傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電阻法測(cè)量陽極電流的方法，由于測(cè)量時(shí)需要將標(biāo)準(zhǔn)電阻串入系統(tǒng)回路，多少將導(dǎo)致陽極電流測(cè)量結(jié)果的偏差，該技術(shù)不會(huì)存在這樣的問題。

圖2 開合式CT電流傳感器實(shí)物

1.3 陽極使用壽命的估計(jì)

根據(jù)法拉第定律對(duì)陽極使用壽命的估計(jì)，腐蝕電池中金屬隨時(shí)間的損失與電流有關(guān)系，即沉積在陰極上（或從陽極上游離出來）的任何材料的質(zhì)量與通過回路中的電荷量成正比。即

式中：W——金屬質(zhì)量損失，kg；

K——電化學(xué)當(dāng)量，kg/Aga；；

I——陽極電流，A；

T——腐蝕時(shí)間，a。

由此，只要知道陽極材料以及陽極電流的輸出值，理論上就可以得出陽極的消耗量，進(jìn)而估計(jì)其使用壽命。

1.4 雜散電流強(qiáng)度的檢測(cè)與分析

當(dāng)管道某部位的防腐層由于各種原因發(fā)生脫落情況時(shí)，環(huán)境介質(zhì)中的雜散電流通過犧牲陽極和防腐層破損點(diǎn)進(jìn)入埋地管道，再?gòu)姆栏瘜恿硪惶幤茡p點(diǎn)流出，進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)，這就形成了雜散電流回路，構(gòu)成了一種電解腐蝕電池。一旦管道與干擾源形成以土壤為介質(zhì)的電流回路，管道在電流的流出點(diǎn)的電位就會(huì)升高，從而可能使得管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)失效，并在管道陽極區(qū)發(fā)生激烈的電解腐蝕。

雜散電流由于受多種因素的影響，直接對(duì)其進(jìn)行測(cè)定比較困難，目前常用的測(cè)試技術(shù)包括管地電位偏移測(cè)試法，土壤電位梯度測(cè)試法以及電流探針測(cè)試法。當(dāng)土壤與管道中有電流流過時(shí)，總會(huì)引起電位的變化，通過管地電位的偏移量可以對(duì)雜散電流的干擾強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量與評(píng)價(jià)，當(dāng)管地電位偏移難以測(cè)試時(shí)，也可采用測(cè)量管道附近土壤表面電位梯度來進(jìn)行雜散電流干擾強(qiáng)度的判斷，其具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下表1。

表1 雜散電流強(qiáng)度判斷參數(shù)值

1.5 電流探針測(cè)試法

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50162—2004(Protection against corrosion by stray current from direct current systems)《直流系統(tǒng)中雜散電流引起腐蝕的防護(hù)》中推薦一種電流探針測(cè)試法對(duì)有陰極保護(hù)的結(jié)構(gòu)所受雜散電流干擾強(qiáng)度進(jìn)行判定，通過測(cè)量探針與管道之間的電流的變化來分析雜散電流的干擾強(qiáng)度。

將表面經(jīng)過絕緣防腐處理的鋼質(zhì)探針埋設(shè)于與管道同一深度處，距離宜為0.1～0.3 m,探針表面裸露面積一般宜為6.5～50 cm2。通過測(cè)試樁內(nèi)的連接板連接探針與管道，使用電流傳感器連續(xù)測(cè)量探針電流的大小與方向，一般持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為24 h。其具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：首先確定埋地管道不受雜散電流干擾或干擾較弱的時(shí)段(如夜間)為時(shí)段A，并將該時(shí)段內(nèi)的探針電流值的均值設(shè)為基準(zhǔn)值(100%)；然后確定探針電流值降幅最大的時(shí)段(即具有最正電位波動(dòng)的時(shí)段)為時(shí)段B；將時(shí)段B的時(shí)長(zhǎng)與下表中第三列(最差時(shí)長(zhǎng))作對(duì)比，并得出相應(yīng)探針電流相對(duì)于基準(zhǔn)值的百分?jǐn)?shù)%(第一列)，則低于該百分?jǐn)?shù)的所有探針電流存在對(duì)管道的高腐蝕危險(xiǎn)。雜散電流檢測(cè)示意見圖3，電流探針測(cè)試法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

圖3 雜散電流檢測(cè)示意

表2 電流探針測(cè)試法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)安裝環(huán)境的不同，制定了犧牲陽極測(cè)試樁安裝與埋地安裝兩種不同的安裝方案。

2.1 硬件部分

犧牲陽極在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括以下模塊：

(1)數(shù)據(jù)采集模塊

采集管道極化電位、犧牲陽極輸出電流以及探針電流。

(2)SD卡存儲(chǔ)模塊

對(duì)采集所得的相關(guān)數(shù)據(jù)以及設(shè)備的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行SD卡本地存儲(chǔ)，以便需要時(shí)可以直接取出SD卡，接入計(jì)算機(jī)即可進(jìn)行讀取。

(3)無線傳輸模塊

通過GSM/GPRS組網(wǎng)傳輸方案按照指定協(xié)議將采集所得的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，在云端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及存儲(chǔ)，同時(shí)可對(duì)設(shè)備的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程修改，以實(shí)現(xiàn)智能化在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析。

2.2 軟件部分

(1)云端數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)

對(duì)硬件設(shè)備上傳到云端的檢測(cè)數(shù)據(jù)及相應(yīng)設(shè)備的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行分類，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，并傳輸?shù)角岸司W(wǎng)頁進(jìn)行顯示。

(2)云端數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)分析

對(duì)硬件設(shè)備上傳到云端的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，通過管道極化電位，分析當(dāng)前管道的陰極保護(hù)狀況；通過陽極輸出電流，分析陽極的使用狀況，估計(jì)陽極的使用壽命；通過探針電流，分析雜散電流干擾強(qiáng)度，并將相應(yīng)分析結(jié)果傳輸?shù)角岸司W(wǎng)頁進(jìn)行顯示。

(3)云端設(shè)備檢測(cè)參數(shù)修改

當(dāng)前端網(wǎng)頁的相應(yīng)設(shè)備的采樣時(shí)間及上傳時(shí)間間隔設(shè)置發(fā)生變化時(shí)，更新數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)設(shè)備的檢測(cè)參數(shù)，并發(fā)送相應(yīng)參數(shù)修改命令到相應(yīng)硬件設(shè)備，對(duì)設(shè)備的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程修改。

(4)網(wǎng)頁地圖顯示及設(shè)備定位

在網(wǎng)頁上調(diào)用百度地圖，顯示所有設(shè)備的具體位置，以便設(shè)備管理、維護(hù)及現(xiàn)場(chǎng)檢修。

(5)網(wǎng)頁實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查詢及圖形顯示

根據(jù)輸入的設(shè)備編號(hào)，將指定硬件設(shè)備上傳到云端的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)繪制成時(shí)間-數(shù)據(jù)曲線在網(wǎng)頁上進(jìn)行顯示，并可根據(jù)輸入的設(shè)備編號(hào)及所選擇的時(shí)間段提供指定設(shè)備在指定時(shí)間段內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)并繪制成時(shí)間/數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行顯示。

(6)網(wǎng)頁陽極使用狀況及使用壽命估計(jì)查詢

根據(jù)輸入的設(shè)備編號(hào)，將云端分析后得出的該設(shè)備安裝點(diǎn)各陽極的使用狀況繪制成餅圖在網(wǎng)頁上進(jìn)行顯示，同時(shí)列出各陽極估計(jì)使用壽命。

(7)網(wǎng)頁雜散電流干擾強(qiáng)度分析查詢

根據(jù)輸入的設(shè)備編號(hào)，將該設(shè)備安裝點(diǎn)在密集采集間隔（1s/條）下，連續(xù)采集24h的探針電流數(shù)據(jù)繪制成時(shí)間-數(shù)據(jù)曲線在網(wǎng)頁上進(jìn)行顯示，同時(shí)按照EN-50162《直流系統(tǒng)中雜散電流引起腐蝕的防護(hù)》中規(guī)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別標(biāo)示出探針電流的基準(zhǔn)時(shí)段與探針電流值降幅最大時(shí)段，以及存在高腐蝕危險(xiǎn)的雜散電流段。

(8)網(wǎng)頁實(shí)時(shí)及歷史上報(bào)信息查詢

將各設(shè)備的實(shí)時(shí)上報(bào)信息在網(wǎng)頁上進(jìn)行顯示，并可根據(jù)輸入的設(shè)備編號(hào)及所選擇的時(shí)間段，提供指定設(shè)備在指定時(shí)間段的歷史上報(bào)信息查詢。

(9)網(wǎng)頁設(shè)備采樣時(shí)間及上傳時(shí)間間隔查詢與設(shè)置

根據(jù)輸入的設(shè)備編號(hào)，在網(wǎng)頁上顯示指定設(shè)備的采樣時(shí)間及上傳時(shí)間間隔，并可進(jìn)行修改。

2.3 相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)與實(shí)例數(shù)據(jù)分析

2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)直測(cè)法測(cè)得陽極電流數(shù)據(jù)與犧牲陽極監(jiān)測(cè)設(shè)備上傳陽極電流數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

某時(shí)段華夏西路測(cè)試樁現(xiàn)場(chǎng)，將一帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的41/2位數(shù)字萬用表的量程調(diào)至DC 10A檔位，并將其串入A路陽極電流回路，同時(shí)使用該萬用表與犧牲陽極監(jiān)測(cè)設(shè)備采集該時(shí)段內(nèi)A路陽極電流大小，采集頻率為1 s/次，采集時(shí)長(zhǎng)為1 h，之后將萬用表采得數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，與上傳到云端的犧牲陽極主板采得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并繪制成時(shí)間-電流曲線。

2.3.2 便攜式參比電極測(cè)得閉路電位與極化探頭測(cè)得極化電位、長(zhǎng)效參比電極測(cè)得閉路電位數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

某時(shí)段航津路測(cè)試樁現(xiàn)場(chǎng)，將一帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的萬用表測(cè)量管道與便攜式參比電極之間的閉路電位，同時(shí)使用犧牲陽極監(jiān)測(cè)設(shè)備采集該時(shí)段內(nèi)的管道極化電位以及管道與長(zhǎng)效參比電極之間閉路電位的大小，采集頻率為1s/次，采集時(shí)長(zhǎng)為1 h，之后將萬用表測(cè)得數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，與上傳到云端的犧牲陽極監(jiān)測(cè)設(shè)備采得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并繪制成時(shí)間-電位曲線，如圖5所示，可見在管道極化電位與長(zhǎng)效參比電極測(cè)得閉路電位之間還是存在一定的土壤IR降的，而使用極化探頭測(cè)得的管道極化電位則可以最大限度地消除該IR降。

圖5 航津路陽極測(cè)試樁某時(shí)段極化電位、長(zhǎng)效參比電極及便攜式參比電極閉路電位數(shù)據(jù)對(duì)比試驗(yàn)

2.4 實(shí)驗(yàn)室陽極消耗量估計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在飽和CO2的氯化鈉溶液中放置一根作陰極的鋼棒，在其側(cè)面放置一個(gè)作陽極的鎂塊，將鎂塊放入水中之前進(jìn)行稱重，記錄鎂塊的初始重量，用導(dǎo)線將鋼棒與鎂塊相連，在導(dǎo)線上卡入電流傳感器，并使用犧牲陽極主板采集陽極電流，每隔24 h將鎂塊取出進(jìn)行酸洗，將腐蝕產(chǎn)物去除干凈后用吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)快速吹干后進(jìn)行稱重并記錄數(shù)據(jù)，與根據(jù)上傳到云端的犧牲陽極主板采得數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后得出的陽極消耗量進(jìn)行對(duì)比分析，連續(xù)記錄數(shù)據(jù)31 d后，繪制成時(shí)間-陽極消耗量曲線，如圖6所示，可見在實(shí)驗(yàn)室狀況下，除去實(shí)驗(yàn)過程中鎂塊的損耗，就趨勢(shì)而言，使用法拉第定律對(duì)陽極消耗量的估計(jì)比較準(zhǔn)確。

圖6 實(shí)驗(yàn)室陽極消耗量估計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)實(shí)使用過程中隨著陽極使用時(shí)間的推移，陽極表面往往較容易生成一層不導(dǎo)電的硬殼，限制陽極電流的輸出，即陽極的鈍化，以使陽極的壽命大大縮短，而導(dǎo)致該問題的主要原因是陽極所處位置土壤電阻率太高或填料應(yīng)用不當(dāng)，導(dǎo)致陽極表面電流密度過低，腐蝕產(chǎn)物無法移走所致，所以選擇土壤電阻率較低的陽極床位置加上合適的填料對(duì)于陽極的使用壽命相當(dāng)重要。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)陽極消耗量數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)例

某時(shí)刻林恒路測(cè)試樁現(xiàn)場(chǎng)陽極電流及鎂包損耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示，數(shù)據(jù)表明林恒路測(cè)試樁現(xiàn)場(chǎng)鎂包損耗較慢。

圖7 林恒路測(cè)試樁現(xiàn)場(chǎng)陽極電流及鎂包損耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

2.6 現(xiàn)場(chǎng)探針電流數(shù)據(jù)實(shí)例分析

將某時(shí)刻張楊路測(cè)試樁與施新路測(cè)試樁分為2類進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，其中張楊路測(cè)試樁位于地鐵沿線，受直流電車系統(tǒng)所產(chǎn)生的直流雜散電流干擾；而施新路測(cè)試樁均遠(yuǎn)離地鐵沿線，周圍不存在明顯的直流雜散電流干擾源。如圖8所示，其中位于地鐵沿線的測(cè)試樁所測(cè)得的探針電流存在明顯波動(dòng)，夜間(0：00~5：00)探針電流幾乎沒有波動(dòng)，為基準(zhǔn)時(shí)段；日間地鐵運(yùn)行期間，探針電流波動(dòng)較為劇烈，其中早高峰(7：00~9：30)與晚高峰(17：00~19：30)時(shí)段，探針電流值降幅最大，雜散電流干擾最為明顯。而結(jié)合極化電位來看，由于現(xiàn)階段相應(yīng)測(cè)試樁的極化電位均在正常范圍之內(nèi)，說明管道防腐層情況較好，雜散電流干擾并未對(duì)管道造成實(shí)質(zhì)影響。而遠(yuǎn)離地鐵沿線的測(cè)試樁所測(cè)得的探針電流全天均較為平緩，日間與夜間的波動(dòng)情況并無明顯區(qū)別，受雜散電流干擾并不明顯。

圖8 張揚(yáng)路測(cè)試樁現(xiàn)場(chǎng)探針電流實(shí)例數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

高精度犧牲陽極電流監(jiān)測(cè)技術(shù)極大地降低了犧牲陽極人工測(cè)量所帶來的誤差，使測(cè)得數(shù)據(jù)更加精確。在不改變被測(cè)線路，測(cè)量通過導(dǎo)線的電流，相比于傳統(tǒng)的使用參比電極測(cè)量管地電位的方法，用參比電極測(cè)量管地電位來監(jiān)測(cè)陰極保護(hù)狀態(tài)的方法可以使測(cè)量通道上的土壤IR降減至極小，同時(shí)完全不受雜散干擾電流的影響。同時(shí)高精度犧牲陽極電流監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)及通訊科技，其全天候的數(shù)據(jù)采集與上傳功能可節(jié)省許多傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計(jì)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)埋地管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，保證了陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、完整性、準(zhǔn)確性，在腐蝕發(fā)生前及時(shí)處理，延長(zhǎng)管道壽命，消除事故隱患，為燃?xì)怃撡|(zhì)管道的安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。