高精度阳极输出电流测量技术的研究

上海燃气浦东销售有限公司 潘 征 赵贤平

随着我国能源消费结构的变化，人们对燃气等能源的需求越来越旺盛。燃气管道里程不断增长，由直流杂散电流引起的管道腐蚀问题越来越严峻。管道阴极保护是管道日常管理的重要工作内容，长期以来，由于线路长、检测点分散等问题，导致监控工作实施与管理难度高，工作量大。为此，我公司引入电流传感器，在不改变原牺牲阳极阴极保护回路的同时测量镁阳极输出电流，同时使用极化电位测试探头对埋地钢质管道阴极保护电位的测量，应用GSM/GPRS组网传输方案将数据上传到监控中心进行处理分析。管理人员可以通过网页所展示的埋地钢制管道阴极保护状态和统计的管道历史数据，预测可能存在的危险状态，同时也可进行报警阈值判断、触发报警以及采集数据频率的设定。若发生阳极消耗严重时，设备将自动发送报警短信和微信推送报警消息，请求专业人员解决故障。相关巡检人员无需自带万用表和参比电极，也无需手动填写牺牲阳极相关数据，既减轻了巡检人员的工作量，又提高牺牲阳极阴极保护相关数据的准确性与实时性。

1 高精度阳极输出电流测量技术

1.1 管道极化电位的测量

采用普通参比电极和常规方法测定埋地管道的极化电位时，一般需要使用断电测量法来消除土壤IR降。但是通常情况下又无法同时全部断开阳极与管道的连接，所以在工程上断电测量经常会因诸多不便而难以实施。并且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。为了最大限度地消除土壤IR降以有效抑制杂散电流干扰，可以使用KR2型极化探头测定管道极化电位，该装置能使测量通道上的土壤IR降至极小(工程上可以忽略不计)，完全不受杂散电流干扰的影响，同时也可方便地实施断电测量，即使在杂散电流干扰区域也能简单方便地测量出真实可靠的管道极化电位。极化电位检测示意见图1。

图1 极化电位检测示意

如上图1所示，当极化探头被置于与埋地管道相同的土壤介质后闭合开关K，探头底部的试片4通过导线并经测试桩与埋地管道相连接并引入极化，从而使试片4与埋地管道具有相同的极化电位。当试片4充分极化后，在断开开关K的瞬间，使用万用表测量内塑料筒1中内置的饱和硫酸铜参比电极与试片4之间的电位差即可得到试片4的极化电位。外塑料桶内充满惰性饱和电解质溶液成为内塑料筒中饱和硫酸铜参比电极的缓冲盐桥，在外塑料桶底部设有与试片4同心的盐桥孔3，由于盐桥孔3的管壁很薄，其内置的半透膜微孔陶瓷与试片4距离很近，故由此引起的IR降极小，在工程上可忽略不计，即所测得的瞬时断电电位就是管道上真实的极化电位。当试片4与盐桥孔3的面积之比足够大时，杂散电流干扰将完全被试片4所屏蔽而不会影响到极化电位的测量。这种结构使KR2极化探头在杂散电流干扰严重的地区实测时，数值也会非常稳定准确，完全不受干扰影响。

1.2 非接触式阳极输出电流的测量

采用最新开合式CT传感技术，双层干扰屏蔽，不必断开被测线路，通过检测被测导线周围磁场，安全、快速地非接触测量通过被测导线的电流。该技术适用于高精度的直流漏电流、直流小电流的在线检测，可以连接工业控制装置、数据记录仪、示波器、高精度数字多用表等。

不同于改变阴极保护系统现有回路才能测量阳极电流的方式，开合式CT传感技术最大的优势在于不必改变被测线路，即可测量通过导线的电流，便于安装及维护，见图2。另外传统的标准电阻法测量阳极电流的方法，由于测量时需要将标准电阻串入系统回路，多少将导致阳极电流测量结果的偏差，该技术不会存在这样的问题。

图2 开合式CT电流传感器实物

1.3 阳极使用寿命的估计

根据法拉第定律对阳极使用寿命的估计，腐蚀电池中金属随时间的损失与电流有关系，即沉积在阴极上（或从阳极上游离出来）的任何材料的质量与通过回路中的电荷量成正比。即

式中：W——金属质量损失，kg；

K——电化学当量，kg/Aga；；

I——阳极电流，A；

T——腐蚀时间，a。

由此，只要知道阳极材料以及阳极电流的输出值，理论上就可以得出阳极的消耗量，进而估计其使用寿命。

1.4 杂散电流强度的检测与分析

当管道某部位的防腐层由于各种原因发生脱落情况时，环境介质中的杂散电流通过牺牲阳极和防腐层破损点进入埋地管道，再从防腐层另一处破损点流出，进入环境介质，这就形成了杂散电流回路，构成了一种电解腐蚀电池。一旦管道与干扰源形成以土壤为介质的电流回路，管道在电流的流出点的电位就会升高，从而可能使得管道的阴极保护系统失效，并在管道阳极区发生激烈的电解腐蚀。

杂散电流由于受多种因素的影响，直接对其进行测定比较困难，目前常用的测试技术包括管地电位偏移测试法，土壤电位梯度测试法以及电流探针测试法。当土壤与管道中有电流流过时，总会引起电位的变化，通过管地电位的偏移量可以对杂散电流的干扰强度进行测量与评价，当管地电位偏移难以测试时，也可采用测量管道附近土壤表面电位梯度来进行杂散电流干扰强度的判断，其具体评价标准如下表1。

表1 杂散电流强度判断参数值

1.5 电流探针测试法

欧洲标准EN 50162—2004(Protection against corrosion by stray current from direct current systems)《直流系统中杂散电流引起腐蚀的防护》中推荐一种电流探针测试法对有阴极保护的结构所受杂散电流干扰强度进行判定，通过测量探针与管道之间的电流的变化来分析杂散电流的干扰强度。

将表面经过绝缘防腐处理的钢质探针埋设于与管道同一深度处，距离宜为0.1～0.3 m,探针表面裸露面积一般宜为6.5～50 cm2。通过测试桩内的连接板连接探针与管道，使用电流传感器连续测量探针电流的大小与方向，一般持续时长为24 h。其具体评价标准如下：首先确定埋地管道不受杂散电流干扰或干扰较弱的时段(如夜间)为时段A，并将该时段内的探针电流值的均值设为基准值(100%)；然后确定探针电流值降幅最大的时段(即具有最正电位波动的时段)为时段B；将时段B的时长与下表中第三列(最差时长)作对比，并得出相应探针电流相对于基准值的百分数%(第一列)，则低于该百分数的所有探针电流存在对管道的高腐蚀危险。杂散电流检测示意见图3，电流探针测试法评价标准见表2。

图3 杂散电流检测示意

表2 电流探针测试法评价标准

2 应用实例

根据安装环境的不同，制定了牺牲阳极测试桩安装与埋地安装两种不同的安装方案。

2.1 硬件部分

牺牲阳极在线监测系统的硬件设备主要包括以下模块：

(1)数据采集模块

采集管道极化电位、牺牲阳极输出电流以及探针电流。

(2)SD卡存储模块

对采集所得的相关数据以及设备的检测参数进行SD卡本地存储，以便需要时可以直接取出SD卡，接入计算机即可进行读取。

(3)无线传输模块

通过GSM/GPRS组网传输方案按照指定协议将采集所得的相关数据上传到服务器，在云端对数据进行分析及存储，同时可对设备的检测参数进行远程修改，以实现智能化在线数据监测分析。

2.2 软件部分

(1)云端数据分类存储

对硬件设备上传到云端的检测数据及相应设备的检测参数进行分类，存储到数据库中，并传输到前端网页进行显示。

(2)云端数据在线监测分析

对硬件设备上传到云端的检测数据进行监测分析，通过管道极化电位，分析当前管道的阴极保护状况；通过阳极输出电流，分析阳极的使用状况，估计阳极的使用寿命；通过探针电流，分析杂散电流干扰强度，并将相应分析结果传输到前端网页进行显示。

(3)云端设备检测参数修改

当前端网页的相应设备的采样时间及上传时间间隔设置发生变化时，更新数据库中相应设备的检测参数，并发送相应参数修改命令到相应硬件设备，对设备的检测参数进行远程修改。

(4)网页地图显示及设备定位

在网页上调用百度地图，显示所有设备的具体位置，以便设备管理、维护及现场检修。

(5)网页实时数据、历史数据查询及图形显示

根据输入的设备编号，将指定硬件设备上传到云端的实时检测数据绘制成时间-数据曲线在网页上进行显示，并可根据输入的设备编号及所选择的时间段提供指定设备在指定时间段内的历史数据并绘制成时间/数据曲线进行显示。

(6)网页阳极使用状况及使用寿命估计查询

根据输入的设备编号，将云端分析后得出的该设备安装点各阳极的使用状况绘制成饼图在网页上进行显示，同时列出各阳极估计使用寿命。

(7)网页杂散电流干扰强度分析查询

根据输入的设备编号，将该设备安装点在密集采集间隔（1s/条）下，连续采集24h的探针电流数据绘制成时间-数据曲线在网页上进行显示，同时按照EN-50162《直流系统中杂散电流引起腐蚀的防护》中规定的评价标准分别标示出探针电流的基准时段与探针电流值降幅最大时段，以及存在高腐蚀危险的杂散电流段。

(8)网页实时及历史上报信息查询

将各设备的实时上报信息在网页上进行显示，并可根据输入的设备编号及所选择的时间段，提供指定设备在指定时间段的历史上报信息查询。

(9)网页设备采样时间及上传时间间隔查询与设置

根据输入的设备编号，在网页上显示指定设备的采样时间及上传时间间隔，并可进行修改。

2.3 相关数据对比实验与实例数据分析

2.3.1 现场直测法测得阳极电流数据与牺牲阳极监测设备上传阳极电流数据对比实验

某时段华夏西路测试桩现场，将一带数据存储功能的41/2位数字万用表的量程调至DC 10A档位，并将其串入A路阳极电流回路，同时使用该万用表与牺牲阳极监测设备采集该时段内A路阳极电流大小，采集频率为1 s/次，采集时长为1 h，之后将万用表采得数据导入电脑，与上传到云端的牺牲阳极主板采得数据进行对比分析，并绘制成时间-电流曲线。

2.3.2 便携式参比电极测得闭路电位与极化探头测得极化电位、长效参比电极测得闭路电位数据对比实验

某时段航津路测试桩现场，将一带数据存储功能的万用表测量管道与便携式参比电极之间的闭路电位，同时使用牺牲阳极监测设备采集该时段内的管道极化电位以及管道与长效参比电极之间闭路电位的大小，采集频率为1s/次，采集时长为1 h，之后将万用表测得数据导入电脑，与上传到云端的牺牲阳极监测设备采得数据进行对比分析，并绘制成时间-电位曲线，如图5所示，可见在管道极化电位与长效参比电极测得闭路电位之间还是存在一定的土壤IR降的，而使用极化探头测得的管道极化电位则可以最大限度地消除该IR降。

图5 航津路阳极测试桩某时段极化电位、长效参比电极及便携式参比电极闭路电位数据对比试验

2.4 实验室阳极消耗量估计数据对比实验

在饱和CO2的氯化钠溶液中放置一根作阴极的钢棒，在其侧面放置一个作阳极的镁块，将镁块放入水中之前进行称重，记录镁块的初始重量，用导线将钢棒与镁块相连，在导线上卡入电流传感器，并使用牺牲阳极主板采集阳极电流，每隔24 h将镁块取出进行酸洗，将腐蚀产物去除干净后用吹风机冷风快速吹干后进行称重并记录数据，与根据上传到云端的牺牲阳极主板采得数据经计算后得出的阳极消耗量进行对比分析，连续记录数据31 d后，绘制成时间-阳极消耗量曲线，如图6所示，可见在实验室状况下，除去实验过程中镁块的损耗，就趋势而言，使用法拉第定律对阳极消耗量的估计比较准确。

图6 实验室阳极消耗量估计数据对比实验

现实使用过程中随着阳极使用时间的推移，阳极表面往往较容易生成一层不导电的硬壳，限制阳极电流的输出，即阳极的钝化，以使阳极的寿命大大缩短，而导致该问题的主要原因是阳极所处位置土壤电阻率太高或填料应用不当，导致阳极表面电流密度过低，腐蚀产物无法移走所致，所以选择土壤电阻率较低的阳极床位置加上合适的填料对于阳极的使用寿命相当重要。

2.5 现场阳极消耗量数据对比实例

某时刻林恒路测试桩现场阳极电流及镁包损耗实时数据对比如图7所示，数据表明林恒路测试桩现场镁包损耗较慢。

图7 林恒路测试桩现场阳极电流及镁包损耗实时数据

2.6 现场探针电流数据实例分析

将某时刻张杨路测试桩与施新路测试桩分为2类进行数据对比，其中张杨路测试桩位于地铁沿线，受直流电车系统所产生的直流杂散电流干扰；而施新路测试桩均远离地铁沿线，周围不存在明显的直流杂散电流干扰源。如图8所示，其中位于地铁沿线的测试桩所测得的探针电流存在明显波动，夜间(0：00~5：00)探针电流几乎没有波动，为基准时段；日间地铁运行期间，探针电流波动较为剧烈，其中早高峰(7：00~9：30)与晚高峰(17：00~19：30)时段，探针电流值降幅最大，杂散电流干扰最为明显。而结合极化电位来看，由于现阶段相应测试桩的极化电位均在正常范围之内，说明管道防腐层情况较好，杂散电流干扰并未对管道造成实质影响。而远离地铁沿线的测试桩所测得的探针电流全天均较为平缓，日间与夜间的波动情况并无明显区别，受杂散电流干扰并不明显。

图8 张扬路测试桩现场探针电流实例数据

3 结论

高精度牺牲阳极电流监测技术极大地降低了牺牲阳极人工测量所带来的误差，使测得数据更加精确。在不改变被测线路，测量通过导线的电流，相比于传统的使用参比电极测量管地电位的方法，用参比电极测量管地电位来监测阴极保护状态的方法可以使测量通道上的土壤IR降减至极小，同时完全不受杂散干扰电流的影响。同时高精度牺牲阳极电流监测技术结合了网络及通讯科技，其全天候的数据采集与上传功能可节省许多传统数据收集、统计的时间，实现了对埋地管道阴极保护系统的远程监控，保证了阴极保护数据的实时性、完整性、准确性，在腐蚀发生前及时处理，延长管道寿命，消除事故隐患，为燃气钢质管道的安全运行提供强有力的保障。