智能阴极保护采集监控系统的应用与发展

和宏伟 门 程 白冬军 冯文亮

1.北京市燃气集团研究院，北京 100011；

2.北京市公用事业科学研究所，北京 100011

0 前言

目前在油气管网建设中， 越来越多地采用金属材料，金属腐蚀问题引起了广泛的重视［1］。阴极保护技术是一种防止金属在电介质（海水、淡水、土壤等）中发生腐蚀的电化学保护技术［2-3］。该技术的基本原理是对被保护的金属表面施加一定的直流电流， 使其产生阴极极化，当金属的电位负于某一电位时，腐蚀过程就会得到有效抑制［2-4］。

阴极保护通/断电位、自然电位、交流干扰电压、直流杂散电流干扰程度和分布等参数影响着油气管道的阴极保护效果。 当阴极保护效果较差时，油气管道存在被腐蚀的风险。 在油气管网的实际运行中，建立智能阴极保护采集监控系统（以下简称智能系统）对阴极保护各项参数进行实时监控是十分必要的。

1 智能系统的发展现状

目前国内一些重点长输管道、新建管道的阴极保护站和部分监控阀室采用了智能系统，而绝大多数管道沿线测试桩的阴极保护电位仍须人工现场检测。 传统人工检测方式的局限性如下：

a）人工检测无法对阴极保护各项参数进行实时、同步监控。 在整个管网系统中，阴极保护的测试桩很多，一般每月进行一次逐桩测试，无法对管网的阴极保护情况和腐蚀情况做出及时响应，难以对异常情况或短时强干扰实时掌握。

b） 人工检测阴极保护各项参数不可避免地存在各种误差。 由于外界环境的差异、人员经验等原因，往往引起各种测量误差甚至错误，从而影响数据的客观性。

c）检测工作量大， 人工成本高。 一般管道可以运行15 a 以上，检测工作总量相对较大。一些长输管道远离铁路、公路和人口稠密区，社会依托条件差，检测人员为测量数据经常要徒步穿越荒野、沙漠、沟壑，既费时又费力，不能满足现代企业管理的要求。

计算机普及之前，测量和记录的仪器一般都为瞬态记录器、纸质数据记录仪等。计算机采集卡和高速芯片的应用，能从大量测量数据中同时获得电压、电流等数据。随着网络技术的发展，以太网、超文本链接、无线通信的应用，促进了智能系统的发展。

智能系统的基本原理：利用在管道上安装智能采集仪和极化探头进行相关阴极保护数据的采集，通过网络传输实现在监控室中进行数据的收集、存储、分析等工作。

智能系统主要优点如下：

a）能够实现对阴极保护的实时监控，及时检验阴极保护系统的电源或阳极是否失效。 此外，连续性的电压和电流的采集能够快速对阴极保护故障进行识别，对出现的问题及时预警。

b）智能系统能够对管线多个测试点进行同时监控，同步获得数据。 及时、有效地掌握各个测试点异常情况和受杂散电流干扰情况，并做出响应。 传统的人工检测只能逐桩进行，不能多个测试点同时测量，测试时间无法同步，丢失检测数据中的重要信息。

c）阴极保护各项参数的自动化采集能够减少误差，提高测量精度［5-7］。 在阴极保护的各项参数测量中，通过智能系统得到不同类型的数据并进行加工和分析，得到客观可靠的结果。

d） 阴极保护各项参数的自动化采集能够有效降低人工成本［8-9］，特别是长距离输送管道，在自动获得大量有效数据的同时降低检测人员的工作强度，减少人工干预的次数，帮助管道拥有者和操作者实现采集监控的自动化，提高阴极保护管理水平，延长管道寿命，消除安全隐患。

目前许多国家的长输油气管道已经开始使用智能系统。 例如南美洲TBG 公司的GASBOL 长输管道，该输气管道从玻利维亚到巴西，全长320 km，智能系统采用远程终端设备（RTU）采集整流器的输入输出电压和输出电流、阴极保护电位、电流等，RTU 能够存储35 d 的有效数据， 还能计算出土壤的电阻值和系统可靠性。 每个RTU 通过整流器供电，利用卫星电话与控制管理中心进行通信。 智能系统中的控制管理中心见图1。

图1 智能系统中的控制管理中心

在控制管理中心，有一个主屏幕、一个通信屏幕和整流器监控屏幕。 整流器的监控屏幕能够显示整流器的状态、阴极保护电位、电流等；通信屏幕显示当前的通信状态、与远程的链接情况、与RTU 上次通信时间等。采用该系统，每月能为TBG 公司节省32 600 美元。

2 智能系统构成

智能系统主要由数据采集模块、 数据传输模块、评价体系模块构成。 数据采集模块主要包括模数（A/D）转换器、单片机；数据传输模块包括无线通信系统和存储系统；评价体系模块是一套软件系统，主要参考国家标准和美国防腐工程师协会（NACE）标准，对从采集终端传来的数据进行判断和评估，及时发现阴极保护中的各种问题并做出响应。

2.1 数据采集模块

数据采集（DAQ），通过管道的智能采集仪和极化探头对阴极保护电位、阴极保护电流、杂散电流强度、土壤电阻率等相关参数进行采集，经过A/D 转换器，将模拟量转成数字量，再通过单片机对数字量进行处理，将得到的数据进行临时存储或者通过无线模块发送到远程客户机上。 此外，数据采集系统能够根据计算机或其他专用平台软硬件的系统要求实现灵活的、定制化的测量与采集［10］。

作为数据采集模块的核心部件，微处理器的选择对整个智能系统功能的实现与优化起着至关重要的作用。在阴极保护数据采集模块的设计过程中，应该把微处理器的功耗作为优先考虑因素。 阴极保护的服役时间可能为十几年，设计智能系统就是为节省人工成本，所以人工干预的次数越少越符合系统预期目的。 这要求阴极保护采集模块能长时间工作且电池不断电，特别是在牺牲阳极的保护系统（无外加电源）中。 同时考虑到阴极保护相关数据的采集密度不是很高，一般0.5 h 或1 h 采集一次，对“空闲”时间进行功耗的控制十分必要，这样采集模块耗电量就会减少，工作时间也就更长。 所以合理的选择和设计数据采集模块能有效降低采集终端的功耗，降低智能系统运行维护的次数和成本。

2.2 数据传输模块

数据传输模块工作方式是双向的，一方面将采集模块采集得到的数据通过特定方式和固定协议传送给远端服务器系统并进行存储；另一方面可以将客户端发出的指令发送给采集模块，控制采集模块的工作方式。

近年来，无线传输技术迅速发展，并在工业监控、数据采集系统等领域得到了广泛应用，因此建立一个油气管网的阴极保护无线数据传输系统是完全可行的。 国内已有多种阴极保护数据无线传输产品，本质差异由通信方式决定。 随着电信技术的迅猛发展，可用于阴极保护监控管理的通讯方式一般可以分为无线集群通信方式、全球移动通信系统（GSM）短信消息和通用分组无线服务技术（GPRS）。

基于GPRS 的无线传输系统是目前领先的无线数据传输系统。 在阴极保护现场，充分利用目前的移动通信网络，通过GPRS 与远程计算机建立链接，将数据传输给远程主机，在线掌握阴极保护状态。 GPRS 的数据传输速率快，通信传输延时较小，监控覆盖范围广阔，通信费用低廉［11］。通过GPRS 无线技术，还可以随时监控远程采集终端的工作状态、电池电量的剩余情况等，有效保证智能系统的可靠运行。

GPRS 如果一直保持连接则终端模块功耗较大，还可能出现信号不稳定、信号受干扰等情况，不能及时传输数据。 所以在设计优化终端模块时，用闪存芯片对数据进行缓冲，如果无线传输不可用时，数据可以临时存储在缓存中。 在需要的情况下，打开无线传输系统将数据回调，实现数据的校检，保证数据传输的可靠性。

2.3 评价体系模块

评价体系模块能把从远程采集得到的阴极保护各项参数按照国家标准或NACE 标准进行判定、 分析，同时还能对查找、修正数据库中的相关数据。

评价体系模块可以由VC++、C# 等高级语言来进行完成开发。 根据阴极保护特点和企业状况建造合适的数据库，应用主程序能方便、快捷地通过开放数据库连接（ODBC）方式进行访问，并有条件地允许用户进行操作控制，同时也使程序员不用具体语言就能访问数据库内容。 将国家标准和NACE 标准作为判据，不符合标准的参数用红色标出，符合标准的参数用绿色标出，临界情况用黄色标出，实时地将管道的各种状态、相关数据显示在屏幕上。 当出现红色或者黄色时，系统能够发出预定报警，根据当时情况，指明故障原因、时间、地点，并将这些信息写入数据库，方便查阅和存档，为维修工作提供依据。 考虑到数据安全性的问题，整个评价软件应采用严格的加密技术，防止数据丢失和篡改。 评价体系模块通过不断学习和相关经验数据库的加入，能够实现对阴极保护各种故障的响应并提出合理的解决方案，达到阴极保护运行维护需要，降低管道腐蚀风险，保障管道安全运行的目的。

另外，可以在评价体系模块中集成对远程采集模块的控制，可以设定远程采集模块的采样频率，控制采集模块的休眠状态，对内部存储器数据的复制、剪切和删除等。

3 智能系统局限性

目前我国很多油气企业也开始采用了智能系统，对管网的阴极保护状况和腐蚀情况有了全面了解。 全年不间断数据的测量， 所得到的阴极保护相关数据意义重大，这是人工检测方式无法办到的。 但初期投入成本较高和智能系统可靠性的不可预见是智能系统面临的局限性。

智能系统一次性投入较大， 在短期内难以回收成本。 特别是中小型企业，在管网规模较小、利润相对低的情况下，很难选择一整套智能系统监控管网的阴极保护状况。 对于运行10 a 左右的管道，中小型企业选择人工检测的方式显然更加节约成本。 有资金和运行能力的企业可以通过初期投入，把高速网络、服务器、数据库、软件开发等相对昂贵和专业要求较高的部分以服务的形式出售给有阴极保护监控需求的企业。 这样中小型企业只需要选择购买相关的服务和安装智能探头，通过客户端/服务器（C/S）或浏览器/服务器（B/S）机制可以完成对整个管网阴极保护系统的监控， 降低运行和维护成本，提高企业能动性。

智能系统的可靠性极其重要，可靠性的降低意味着需要人力、物力的成本投入。 目前智能系统可靠性主要由采集模块与传输模块决定。 影响采集模块正常工作的因素有环境、电池等。 环境因素主要包括温度、湿度等，过高或过低的温度都会影响采集模块的正常工作；目前电池能提供的电量仅能供采集模块工作3～5 a，电池的更换会消耗大量人工成本。 网络信号质量、外界干扰等直接影响着数据的传输质量，特别是野外环境，会出现盲区，导致采集数据无法传输到远程服务器中，所以安装传输模块时，地点的选择尤为重要。

随着科学技术的进步， 以上问题必将得到解决，在降低智能系统成本的同时可靠性也会得到有效提高，会有更多的相关企业注重智能系统的发展和建设，在获得经济效益与社会效益的同时推动工业技术的不断创新与发展。

4 结论

智能系统的发展与应用实现了阴极保护的集中监控与管理，降低了油气相关企业的阴极保护运行维护成本，提高了数据采集的可靠性并能使企业实时掌握管道阴极保护状况和腐蚀状况，提高生产效率和管理水平。

智能系统的应用是油气行业在阴极保护监测领域一项新的尝试，也是信息化进步与阴极保护发展的必然要求，它成功解决了测量的实时性与同步性、测量误差、检测工作量大、人工成本高等问题，给阴极保护运行维护带来的困难，为阴极保护智能化的发展道路奠定了基础。

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