低功耗阴极保护智能电位采集在油气管道中的应用

陈慧萍，马启强，张 昆，任利萍

（1.新疆油田油气储运公司，新疆维吾尔自治区 昌吉 831100；2.西部管道新疆输油气分公司,新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830011；3.北京昊科航有限责任公司，北京 100080）

近年来，油气管网在国内大面积建设，为了减小管道的腐蚀速率，管道在建设初期往往要增加阴极保护，定期对管道阴极保护电位进行测量统计，分析管道保护状况并采取相应的防护措施。

目前通行的电位采集方式是人工携带便携式仪器现场测量，测量人员为测量数据经常要徒步穿越于荒野、沟壑之间，既费时又费力且采集数据的可靠性受人为影响因素较大，已不能满足现代化企业管理的要求[1]。且由于方法有限，数据太少，置信度不高，无法对管道保护电位随环境条件变化的相关数据进行分析，使管道表面看起来保护很好而实际腐蚀很严重的事件屡见不鲜。鉴于及时获得管道保护数据是提前采取措施延长管道寿命的必须条件，研究一种智能采集管道电位的系统迫在眉睫。

图1 系统结构原理图Fig.1 Schematic diagram of system structure

1 项目概况

本项目主要研究一种基于极化探头方式测量管道电位的低功耗智能阴极保护数据采集系统。为解决人工巡检无法检测的实际保护数据问题，本系统主要从极化探头的设计开发与应用、智能数据采集仪的设计开发与应用、管理软件的开发与应用几个方面展开研究。本课题选择的管线参数：天然气管道全长22.5Km，材质为L245，管径219mm，壁厚6mm，采用3层PE，外加电流阴极保护，共24个测试桩。

2 系统概况

2.1 系统结构原理图

阴极保护在线监控系统软件基于.net开发，数据库为sql server2005，以数据库作为系统统一的数据库，以公共无线数据通讯和其他有线通讯相结合的方式为数据传输手段，实现低成本遥测和遥控。该系统实现了对管道等被保护体保护状况的在线检测，同时可以通过远程监控方式随时监视并调整恒电位仪的工作状态，配合阴极保护在线监控专家系统进行辅助分析，可以使整个阴极保护系统处于最佳的工作状态起到最大限度的保护作用[2]。

2.2 高性能低功耗数据采集仪

随着电子技术的发展及新器件的不断涌现，电子技术在手持设备、便携仪器以及野外测试仪器等领域得到了广泛的应用。在这些领域的应用中，由于客观条件的限制，通常采用电池或蓄电池为仪器设备提供电源。在这种情况下，如果要实现系统长时间工作，必然对仪器设备系统功耗的要求较高。因此，低功耗系统的设计在这些应用领域中得到了广泛重视。本项目从现场需求情况出发，针对新疆的气候、环境研制出一种集通电电位、断电电位、自然电位、交流干扰电压、环境温度、电池电量等功能于一体的低功耗智能采集仪器。

图2 数据采集仪实物图及安装后的实际图片Fig.2 Physical diagram of data acquisition instrument and actual picture after installation

本项目中，通过对主要元器件的低温试验来确保元器件的可靠性。采集板常用电子元件大多数都是军品级或按相应条件筛选，制成品100%通过低温试验，从而确保设备在现场的高可靠性。在采集仪外观设计方面，为了能够方便安装到现场检测桩内部，本采集仪的外形为长方体，在现场通过安装支架固定在采集桩内部接线柱的上方，将无线通信的天线引到采集桩外。

2.3 长效埋地极化探头

采用普通参比电极和常规方法测定地埋管道的极化电位时，会因不可避免的IR降而引起误差。为此需采用断电测量法才能消除，但在工程上断电测量常会因很多不便而难以实施，例如：外加电流阴极保护时，不能为逐桩测量而多次频繁地“断电”，而牺牲阳极法因无法全部断开阳极与管道的连线则根本无法断电测量，并且断电测量的重要前提是无杂散电流干扰，当有杂散电流干扰或由防腐层缺陷差异导致产生局部宏电池时，即使采用断电法也难以测出真实的管道极化电位。更为严重的是近年来随着防腐层技术的进步，三层PE、熔结环氧粉末等新材料、新工艺已被广泛应用，使得管道防腐层缺陷大为减少，漏点（亦俗称“露铁”）难寻。

IR降来源有保护电流、杂散电流和测试电流3个电流通道，因测试电流微小，影响可以忽略，而主要的通道是参比点到管道破损点的阴极保护电流和杂散电流[3]。为克服主要的IR降影响，本项目重点研制长效埋地的极化探头，该装置能使测量通道上的IR降减至极小（工程上可以忽略不计）且完全不受杂散干扰电流的影响并可方便地实施断电测量。使得在杂散干扰区域和缺少漏点的管道上用常规方法无法进行的极化电位测量变得非常简单、容易、真实、可靠。

图3 实时采集数据表Fig.3 Collecting datasheets in real time

2.4 管理软件

应用B/S体系构建管理软件的好处是用户基本不需要安装任何的软件，只要一台电脑，一条网线就可以实现。无论是内部或者外部的用户都可以随时访问系统，Web和Client/Server应用都可以进行同样的业务处理，不同的应用模块共享逻辑组件，通过现有应用系统中的逻辑可以扩展出新的应用系统，这也是目前应用系统的发展方向。

本项目管理软件通过GPRS方式与现场采集仪通信，通过无线DTU映射虚拟串口的方式进行数据采集。下位机通信协议基于标准MODBUS协议开发，采集仪每天自动与中心服务器建立连接，并将前一天的数据按顺序打包后上传至服务器。软件基于.net开发，数据库为sql server2005；该软件实现了数据实时显示、曲线分析、设备参数配置、电子地图展示等几个模块，并将上传的数据与管道完整性管理系统进行融合，可在完整性管理系统中查询数据。

3 系统实际应用情况

3.1 远程采集各个测试桩点位参数

HKH-SCPS阴极保护远程监测系统不仅采集管道测试桩的电位参数，也对设备安装的环境温度、电池电压、剩余电量进行采集，为后期数据分析提供了基础。如分析环境温度对保护电位的影响等。

3.2 在搜狗地图中通过API嵌入测试桩信息

本项目通过搜狗地图提供的API，根据测试桩地理坐标，将测试桩信息嵌入到地图页面，根据测试桩顺序在线绘制管线走向图，并将测试桩的最新上传参数予以展示。

3.3 手机端实时浏览数据

该系统为了方便管理和维护人员使用，针对经常在外上网不便的管理者开发了微信接口，使用人员通过关注微信号即可打开手机平台的链接，进入后可看到和电脑端页面相似的展示效果。

图4 搜狗地图页面调用检测桩数据Fig.4 Sogou Map page call to detect pile data

图5 手机端浏览数据Fig.5 Browsing data at the phone end

3.4 保护电位报警值管理

系统根据后台保护电位的上下限自动对比采集数据，如有超出正常保护范围的数据自动启动报警警示，并将报警位置的桩号信息，报警原因写入到数据库中，便于维护人员随时查询。

图6 报警参数批量管理Fig.6 Alarm parameter batch management

4 结论

本智能阴极保护数据采集系统自2018年8月完工，到目前系统运行稳定，达到了预期效果。本系统解决了人工采集数据不准确、不及时，无法满足管道保护真实状态监视的问题，且针对新疆恶劣气候下进行系统设计和实施，对系统的适应性展开研究，解决沙漠地区手机信号微弱数据无法传输的问题，从而实现准确稳定可靠测量到管道真实的电位数据。主要技术方案是基于极化探头方式实现管道通电电位、断电电位、自然电位、交流干扰电压等一系列参数的采集、编码、上传、前端呈现及数据存储，并基于这些数据判断管道的保护状态，给出合理性建议，为管道部门及时作出决策提供数据支撑。