基于GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)年帢O保護遠程智能監(jiān)控技術在油氣管道上的應用研究

【摘 ?要】隨著我國油氣管道建設運行的快速發(fā)展，對管道安全運行和智能化水平的要求不斷提高，陰極保護作為管道安全運行的重要技術手段，如何準確、高效的實現(xiàn)管道的通、斷電電位檢測對實現(xiàn)管道的安全運行具有非常重要的意義。同時，針對長距離輸送成品油管道陰極保護數(shù)據(jù)人工測試效率低、數(shù)據(jù)準確性和可靠性差、無法實現(xiàn)同時檢測等諸多問題，引入了基于GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)年帢O保護數(shù)據(jù)遠程智能監(jiān)控技術。實際應用表明，陰極保護遠程監(jiān)控技術對測試通、斷電電位，監(jiān)測管道交直流干擾、發(fā)現(xiàn)管道電位異常等都具有重要意義。

【關鍵詞】管道;陰極保護;遠程智能;檢測;系統(tǒng);應用

1、概述

金嘉湖成品油管道位于江浙平原地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)達，水網(wǎng)密集，全線設有5座站場、6座截斷閥室和6座陰極保護站，管道采用外加電流陰極保護，土壤腐蝕性中等偏強。目前管道采用了數(shù)字管道管理系統(tǒng)加強對巡線員巡線軌跡、第三方施工等方面的規(guī)范管理;通過泄漏系統(tǒng)對打孔盜油及漏油情況加強監(jiān)管;通過紅外報警裝置和24小時視頻監(jiān)控加強對閥室進行監(jiān)管。通過各類技防設施的投用，進一步提高了管道的安全防范能力。

為保證輸油管道的安全、平穩(wěn)運行，我們還需對陰極保護相關參數(shù)進行定期檢測，以全面掌握管道運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)各類異常情況。但在實際檢測過程中，由于管道點多、線長，沿線地貌十分復雜，管道電位人工檢測往往效率很低，同時由于各檢測人員檢測水平差距，往往導致檢測數(shù)據(jù)可靠性較差，不能反映管道真實斷電電位，容易發(fā)生錯誤判斷。另外，由于江浙地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，沿線高壓輸電線路、地鐵、高鐵等設施難免會與管道發(fā)生交叉、平行等情況，容易對管道造成交、直流干擾等影響，鑒于上述情況，特引入基于GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)年帢O保護數(shù)據(jù)遠程智能監(jiān)控技術，隨時跟蹤管道的真實通、斷電電位及交流干擾情況，確保管道防腐層不發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，是提高管道陰極保護數(shù)據(jù)檢測質量和工作效率的重要手段。

為了更及時準確的獲取管道沿線的陰極保護極化電位和通電電位，在金嘉湖成品油管道沿線加裝陰極保護極化探頭以及陰極保護數(shù)據(jù)自動檢測和無線遠程傳輸系統(tǒng)，方便測試管道的斷電電位，使得管道的各項保護電位通過GPRS信號直接傳輸?shù)焦艿啦块T的管理計算機中，以避免電位無法及時準確測量給管道管理帶來的巨大風險。

2、陰極保護遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)的構成和安裝

陰極保護用遠程傳輸系統(tǒng)可完成陰極保護數(shù)據(jù)的自動檢測、預處理、及無線傳輸功能。其構成包括遠程數(shù)傳終端、無線傳輸網(wǎng)絡和主站服務器三部分，現(xiàn)場測試樁安裝如圖1所示。

1）遠程數(shù)傳終端

安裝在需要檢測的測試樁處，利用極化探頭和智能模塊實現(xiàn)自動檢測管道的通電電位、斷電電位、交流干擾電壓，通過GPRS網(wǎng)絡及時對數(shù)據(jù)遠程傳輸。

2）無線傳輸網(wǎng)絡

基站提供GPRS網(wǎng)絡，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡到有線互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡連接。

3）主站服務器

通過有線互聯(lián)網(wǎng)絡，利用計算機服務器監(jiān)控軟件、客戶端管理軟件實現(xiàn)對遠程數(shù)據(jù)的接收、記錄和處理，并對終端數(shù)據(jù)進行管理、分析。

在陰極保護的檢測中，遠程傳輸系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：①無線終端可自動完成通/斷電位、交流電位和自然電位等檢測;②無線終端定時采集數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到主站服務器;③服務器接收、顯示、存儲、查詢無線終端的數(shù)據(jù);④服務器可通知無線終端立即采集數(shù)據(jù)，各個無線終端會發(fā)送采集數(shù)據(jù)到服務器;⑤可通過短信設置工作參數(shù)，如斷電間隔、采樣周期等;⑥不工作的時候，無線終端休眠，定時喚醒開始采集數(shù)據(jù)。

2.1極化探頭

埋地鋼質管道采用陰極保護后，因電流受土壤等介質中的IR降及雜散電流影響使得極化電位很難準確測量。目前消除IR降的常規(guī)測試方式是瞬間斷電法。所謂瞬間斷電法是指瞬間斷開陰極保護電流（此時電流I值為零）測量得到的斷電電位值。瞬間斷電法測得的斷電電位近似等于極化電位。

極化探頭能夠同時測量被保護管道的自腐蝕電位和斷電電位，在測量中能夠將IR降減至極小（工程上可以忽略不計）且不受雜散干擾電流的影響，所以，用極化探頭測量的斷電電位可以近似為極化電位。極化測試探頭由內(nèi)置參比電極、自然腐蝕測試試樣、極化測試試樣、電纜等部件組成，可在不斷開管道陰保系統(tǒng)連接的情況下實現(xiàn)自腐蝕電位及陰極保護極化電位測量，具有抗雜散電流能力強、服役壽命長及實地測量簡單方便等特點。探頭采用與待測管道材質相同的試片模擬管道防腐層缺陷。其中試片直接與管道相連，所測電位代表類似土壤環(huán)境與相同通電電位狀況下管道的極化電位;自腐蝕試片不與管道連接，所測電位代表類似土壤環(huán)境中管道的自然腐蝕電位。極化測試探頭中試片尺寸小，參比電極又與試片通過合理結構使之盡可能接近，斷開電流后，陰極保護電流及其它電流（雜散電流、平衡電流及大地電流）影響可消除，從理論上講，測量的電位即為管道保護的真實電位（具體原理圖見圖2）。

2.2遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)的安裝

遠程檢測終端（即測試樁）需要安裝在已經(jīng)覆蓋GPRS網(wǎng)絡的區(qū)域內(nèi)（即有穩(wěn)定的手機信號的區(qū)域），具體情況可以與網(wǎng)絡運營商聯(lián)系。檢測時，遠程終端自動啟動SIM卡，建立GPRS網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的無線傳輸。遠程檢測終端一般安置在野外，需要嚴格的防護處理，如防水、防腐等。

3 陰極保護遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)的應用

管道陰極保護系統(tǒng)是管道防腐的重要手段，受線路絕緣情況、恒電位儀工作情況、其他管道干擾、沿線電氣化鐵路、輸變電系統(tǒng)工作情況影響十分明顯;利用陰保遠程智能系統(tǒng)，可以獲取管道陰極保護電位、交直流干擾的變化，借助該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢和分析功能，分析解決管道陰極保護運行過程中出現(xiàn)的各種問題，達到提高陰極保護管理水平的目標。該系統(tǒng)運行以來，也協(xié)助管理人員發(fā)現(xiàn)并解決了管道陰極保護運行中出現(xiàn)的各種問題。

3.1陰極保護遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)在實際應用中的效果

陰極保護運程智能監(jiān)控系統(tǒng)運行在服務器上，客戶端采用基于Web方式進行數(shù)據(jù)庫訪問，授權用戶無論何時何地都可以通過Internet網(wǎng)絡來查看、分析、下載各類檢測數(shù)據(jù)，高級用戶還可以修改檢測參數(shù)、時間等各項功能。同時，為了方便實用性，平臺還開放了安卓手機客戶端訪問，更加方便了戶外不受時間、地域限制的對各類檢測數(shù)據(jù)掌握，以便發(fā)現(xiàn)問題并及時采取措施。目前系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)監(jiān)控、查詢分析、專家對策、檔案管理、系統(tǒng)管理等各項功能。

鋼質管道陰極保護系統(tǒng)中，除了日常運行所需要的陰極保護電流外，部分區(qū)域還不可避免的存在著交直流的雜散電流。來源主要有2中情況：直流雜散電流和交流雜散電流，將導致管道加快腐蝕、甚至在短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)管道腐蝕穿孔現(xiàn)象，主要影響有：① 腐蝕減薄：雜散電流由管道缺陷流向土壤，造成管道Fe離子進入土壤，導致金屬流失、壁厚減薄，甚至導致腐蝕穿孔。從電位值上表現(xiàn)為電位向正偏移;②涂層剝離：雜散電流從土壤流向管道，造成獲取電子的陰極反應過程，在涂層表面形成堿性環(huán)境，造成涂層剝離。從電位值上表現(xiàn)為電位向負偏移。

1）利用監(jiān)控系統(tǒng)查看、分析管道直流干擾

浙蘇管道投產(chǎn)運行后在2014年1月發(fā)生了管道受直流特高壓輸電線路的短時間干擾。正是由于陰極保護遠程監(jiān)控系統(tǒng)的運用，使我們第一時間掌握了管道全線各區(qū)段電位的受干擾情況，通過開展24小時連續(xù)監(jiān)測，讓我們獲得了大量完整的數(shù)據(jù)（如圖3），為問題的分析和處理提供了很好的技術支持。同時，通過我們與專業(yè)陰保單位和電力系統(tǒng)的深入溝通和技術研究，使我們在異常出現(xiàn)過程中就找到了問題原因——由于特高壓直流輸電線路宜華線路由雙極運行改為單極運行導致的。通過電力系統(tǒng)及時恢復工況確保了管道陰極保護的正常運行。

2）利用監(jiān)控系統(tǒng)查看、分析管道交流干擾

管道交流干擾受電力輸送、電氣化鐵路等外在因素影響，具有不確定，需要全線普查和重點監(jiān)測才能發(fā)現(xiàn)管道交流干擾的嚴重程度。浙蘇管道全線交流干擾較低，僅有ZSSZ12測控點在4V左右（圖4）。為進一步減小交流干擾對管道的影響，我們對ZSSZ12測控點附近進行了交流排流，將4V的交流干擾降到了1V左右。

對于重點干擾區(qū)域，通過加密采集時間開展重點監(jiān)測。蘇南管道SNZJ06處測試樁采用間隔1s的加密監(jiān)測（圖4），通過進一步分析SNZJ06、07、08號監(jiān)控點的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)三點交流電壓變化規(guī)律相似。利用遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)的地圖瀏覽功能查看管道位置，發(fā)現(xiàn)三處位置交流距離鐵路較近，其交流干擾電壓變化劇烈，且有一定的周期性，通過排查后確定為電氣化鐵路運行干擾導致，現(xiàn)場人工測量比對與系統(tǒng)自動監(jiān)測一致。

3）利用系統(tǒng)查看、分析管道自腐蝕電位、極化電位情況

由于傳統(tǒng)的人力測試陰極保護各類參數(shù)存在諸多不利因素（圖6），通過陰極保護遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了管道極化電位的測試，為分析管道全線陰極保護情況提供強大、準確技術支持，彌補了以前人工檢測通電電位數(shù)據(jù)的不準確性。同時，每年6月定期檢測管道自然電位，由于時間短、線路長，而且檢測數(shù)據(jù)多，因此數(shù)據(jù)可靠性很差，通過陰保遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，不但加密了檢測數(shù)據(jù)的數(shù)量，提高了數(shù)據(jù)的可靠性，為分析管道正常情況下的陰極保護情況提供了詳實的數(shù)據(jù)對比。

4）利用系統(tǒng)查看、分析各站的恒電位儀運行情況

浙蘇管道沿線設有陰保站6座，各站恒電位儀相關數(shù)據(jù)必須到現(xiàn)場進行查看，由于每天查看只有兩次，很難第一時間發(fā)現(xiàn)恒電位儀實時故障，因此，將各站恒電位儀數(shù)據(jù)接入陰極保護智能監(jiān)控系統(tǒng)，將管道保護情況和恒電位儀數(shù)據(jù)進行關聯(lián)、分析，對發(fā)現(xiàn)和排除儀器故障，第一時間完成修復，確保管道不間斷陰極保護具有重要意義。

3.2遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)準確性驗證

管道在受到雜散電流的影響后，也有可能會對陰極保護無線遠程終端監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)出影響，導致采集的數(shù)據(jù)不準確，從而影響陰極保護效果的判定，為此我們對無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)準確性進行了數(shù)據(jù)驗證。在現(xiàn)場利用數(shù)字式萬用表和無線通信設備對同一時間點的數(shù)字式萬用表數(shù)據(jù)和無線遠程傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行對比分析（數(shù)據(jù)如圖7），陰極保護遠程監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)字萬用表測得的通/斷電電位數(shù)據(jù)是很接近的，通電/斷電電位數(shù)據(jù)誤差基本在5%之內(nèi)，由于人工記錄的時間無法完全精確同步，所以，存在一定的人為引入誤差。這說明所采用的無線遠傳系統(tǒng)測量結果是準確的，相對于數(shù)字式萬用表測量，采用無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)在測量通/斷電電位時可避免人為讀數(shù)造成的誤差，在長時間連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)時能夠大大減少工作人員的勞動強度，提高效率，因此，對于雜散電流干擾區(qū)的測量，無線陰極保護遠程監(jiān)測系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。

3.3、需要注意的問題

1）系統(tǒng)運行電池能提供的電量僅能供采集模塊工作大約2-3年;

2）GPRS信號差的地方會出現(xiàn)盲區(qū)，導致采集數(shù)據(jù)無法傳輸?shù)竭h程服務器，特別是管道穿越山區(qū)、或者偏遠地區(qū)等通信信號覆蓋比較差的地區(qū);

3）一次性投入較大，需要定期對監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行確認，包括參比電極和測試儀表的準確性等。

4、結論：

使用無線遠傳技術結合極化測試探頭測試方法能夠自動采集管道陰極保護通電電位、極化電位和自然腐蝕電位，可以幫助管理人員更好的掌控、分析陰極保護運行狀況，幫助管理人員監(jiān)測、分析干擾情況。系統(tǒng)可以使管道陰極保護管理數(shù)字化、信息化，通過系統(tǒng)終端將陰保數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦艿啦块T的服務器，管理方可以準確便捷的掌控全線陰極保護系統(tǒng)運行狀況，及時采取措施消除保護不達標的“死角”，進一步提升管道的管理水平。本次研發(fā)的陰極保護遠程監(jiān)測系統(tǒng)采用人性化的操作和清晰的圖表，能夠直觀及時地查看各監(jiān)測點的狀況。對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，生成周報表、月報表、年報表、電位分布曲線圖，對數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫進行存儲、自動備份，以備查詢。通過實時監(jiān)視。一旦有檢測站點出現(xiàn)故障，能產(chǎn)生相應的報警信號，以便故障能及時排除。這對提高陰極保護水平、減少管道腐蝕、延長管線使用壽命有著重要意義，能有效的降低管道發(fā)生腐蝕事故的概率，提高管道安全運行水平，帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]胡士信，陰極保護工程手冊，北京：化學工業(yè)出版社，1998

[2]唐明華，油氣管道陰極保護，北京：石油工業(yè)出版社，1987

[3]俞蓉蓉，蔡志章，地下金屬管道的腐蝕與防護，北京：石油工業(yè)出版社，1998

[4]劉佳，陰極保護極化探頭結構與性能研究，北京：北京科技大學，2010

[5]劉慶來，埋地鋼質管道管中直流電位測試技術研究，北京工業(yè)大學;2009年

作者簡介：

傅軍杰、男、1983.8.3、2006.7、寧波大學、通信工程、大學本科、嘉興管道管理處、工程師、從事管道管道工作。

（作者單位：國家管網(wǎng)集團華東公司嘉興管道管理處）