基于GPRS网络传输的阴极保护远程智能监控技术在油气管道上的应用研究

【摘  要】随着我国油气管道建设运行的快速发展，对管道安全运行和智能化水平的要求不断提高，阴极保护作为管道安全运行的重要技术手段，如何准确、高效的实现管道的通、断电电位检测对实现管道的安全运行具有非常重要的意义。同时，针对长距离输送成品油管道阴极保护数据人工测试效率低、数据准确性和可靠性差、无法实现同时检测等诸多问题，引入了基于GPRS网络传输的阴极保护数据远程智能监控技术。实际应用表明，阴极保护远程监控技术对测试通、断电电位，监测管道交直流干扰、发现管道电位异常等都具有重要意义。

【关键词】管道;阴极保护;远程智能;检测;系统;应用

1、概述

金嘉湖成品油管道位于江浙平原地区，经济发达，水网密集，全线设有5座站场、6座截断阀室和6座阴极保护站，管道采用外加电流阴极保护，土壤腐蚀性中等偏强。目前管道采用了数字管道管理系统加强对巡线员巡线轨迹、第三方施工等方面的规范管理;通过泄漏系统对打孔盗油及漏油情况加强监管;通过红外报警装置和24小时视频监控加强对阀室进行监管。通过各类技防设施的投用，进一步提高了管道的安全防范能力。

为保证输油管道的安全、平稳运行，我们还需对阴极保护相关参数进行定期检测，以全面掌握管道运行状况，及时发现各类异常情况。但在实际检测过程中，由于管道点多、线长，沿线地貌十分复杂，管道电位人工检测往往效率很低，同时由于各检测人员检测水平差距，往往导致检测数据可靠性较差，不能反映管道真实断电电位，容易发生错误判断。另外，由于江浙地区经济发达，沿线高压输电线路、地铁、高铁等设施难免会与管道发生交叉、平行等情况，容易对管道造成交、直流干扰等影响，鉴于上述情况，特引入基于GPRS网络传输的阴极保护数据远程智能监控技术，随时跟踪管道的真实通、断电电位及交流干扰情况，确保管道防腐层不发生腐蚀现象，是提高管道阴极保护数据检测质量和工作效率的重要手段。

为了更及时准确的获取管道沿线的阴极保护极化电位和通电电位，在金嘉湖成品油管道沿线加装阴极保护极化探头以及阴极保护数据自动检测和无线远程传输系统，方便测试管道的断电电位，使得管道的各项保护电位通过GPRS信号直接传输到管道部门的管理计算机中，以避免电位无法及时准确测量给管道管理带来的巨大风险。

2、阴极保护远程智能监控系统的构成和安装

阴极保护用远程传输系统可完成阴极保护数据的自动检测、预处理、及无线传输功能。其构成包括远程数传终端、无线传输网络和主站服务器三部分，现场测试桩安装如图1所示。

1）远程数传终端

安装在需要检测的测试桩处，利用极化探头和智能模块实现自动检测管道的通电电位、断电电位、交流干扰电压，通过GPRS网络及时对数据远程传输。

2）无线传输网络

基站提供GPRS网络，实现无线网络到有线互联网的网络连接。

3）主站服务器

通过有线互联网络，利用计算机服务器监控软件、客户端管理软件实现对远程数据的接收、记录和处理，并对终端数据进行管理、分析。

在阴极保护的检测中，远程传输系统可实现如下功能：①无线终端可自动完成通/断电位、交流电位和自然电位等检测;②无线终端定时采集数据，并通过无线网络将数据发送到主站服务器;③服务器接收、显示、存储、查询无线终端的数据;④服务器可通知无线终端立即采集数据，各个无线终端会发送采集数据到服务器;⑤可通过短信设置工作参数，如断电间隔、采样周期等;⑥不工作的时候，无线终端休眠，定时唤醒开始采集数据。

2.1极化探头

埋地钢质管道采用阴极保护后，因电流受土壤等介质中的IR降及杂散电流影响使得极化电位很难准确测量。目前消除IR降的常规测试方式是瞬间断电法。所谓瞬间断电法是指瞬间断开阴极保护电流（此时电流I值为零）测量得到的断电电位值。瞬间断电法测得的断电电位近似等于极化电位。

极化探头能够同时测量被保护管道的自腐蚀电位和断电电位，在测量中能够将IR降减至极小（工程上可以忽略不计）且不受杂散干扰电流的影响，所以，用极化探头测量的断电电位可以近似为极化电位。极化测试探头由内置参比电极、自然腐蚀测试试样、极化测试试样、电缆等部件组成，可在不断开管道阴保系统连接的情况下实现自腐蚀电位及阴极保护极化电位测量，具有抗杂散电流能力强、服役寿命长及实地测量简单方便等特点。探头采用与待测管道材质相同的试片模拟管道防腐层缺陷。其中试片直接与管道相连，所测电位代表类似土壤环境与相同通电电位状况下管道的极化电位;自腐蚀试片不与管道连接，所测电位代表类似土壤环境中管道的自然腐蚀电位。极化测试探头中试片尺寸小，参比电极又与试片通过合理结构使之尽可能接近，断开電流后，阴极保护电流及其它电流（杂散电流、平衡电流及大地电流）影响可消除，从理论上讲，测量的电位即为管道保护的真实电位（具体原理图见图2）。

2.2远程智能监控系统的安装

远程检测终端（即测试桩）需要安装在已经覆盖GPRS网络的区域内（即有稳定的手机信号的区域），具体情况可以与网络运营商联系。检测时，远程终端自动启动SIM卡，建立GPRS网络连接，实现检测数据的无线传输。远程检测终端一般安置在野外，需要严格的防护处理，如防水、防腐等。

3 阴极保护远程智能监控系统的应用

管道阴极保护系统是管道防腐的重要手段，受线路绝缘情况、恒电位仪工作情况、其他管道干扰、沿线电气化铁路、输变电系统工作情况影响十分明显;利用阴保远程智能系统，可以获取管道阴极保护电位、交直流干扰的变化，借助该系统的数据查询和分析功能，分析解决管道阴极保护运行过程中出现的各种问题，达到提高阴极保护管理水平的目标。该系统运行以来，也协助管理人员发现并解决了管道阴极保护运行中出现的各种问题。

3.1阴极保护远程智能监控系统在实际应用中的效果

阴极保护运程智能监控系统运行在服务器上，客户端采用基于Web方式进行数据库访问，授权用户无论何时何地都可以通过Internet网络来查看、分析、下载各类检测数据，高级用户还可以修改检测参数、时间等各项功能。同时，为了方便实用性，平台还开放了安卓手机客户端访问，更加方便了户外不受时间、地域限制的对各类检测数据掌握，以便发现问题并及时采取措施。目前系统提供数据监控、查询分析、专家对策、档案管理、系统管理等各项功能。

钢质管道阴极保护系统中，除了日常运行所需要的阴极保护电流外，部分区域还不可避免的存在着交直流的杂散电流。来源主要有2中情况：直流杂散电流和交流杂散电流，将导致管道加快腐蚀、甚至在短时间内发现管道腐蚀穿孔现象，主要影响有：① 腐蚀减薄：杂散电流由管道缺陷流向土壤，造成管道Fe离子进入土壤，导致金属流失、壁厚减薄，甚至导致腐蚀穿孔。从电位值上表现为电位向正偏移;②涂层剥离：杂散电流从土壤流向管道，造成获取电子的阴极反应过程，在涂层表面形成碱性环境，造成涂层剥离。从电位值上表现为电位向负偏移。

1）利用监控系统查看、分析管道直流干扰

浙苏管道投产运行后在2014年1月发生了管道受直流特高压输电线路的短时间干扰。正是由于阴极保护远程监控系统的运用，使我们第一时间掌握了管道全线各区段电位的受干扰情况，通过开展24小时连续监测，让我们获得了大量完整的数据（如图3），为问题的分析和处理提供了很好的技术支持。同时，通过我们与专业阴保单位和电力系统的深入沟通和技术研究，使我们在异常出现过程中就找到了问题原因——由于特高压直流输电线路宜华线路由双极运行改为单极运行导致的。通过电力系统及时恢复工况确保了管道阴极保护的正常运行。

2）利用监控系统查看、分析管道交流干扰

管道交流干扰受电力输送、电气化铁路等外在因素影响，具有不确定，需要全线普查和重点监测才能发现管道交流干扰的严重程度。浙苏管道全线交流干扰较低，仅有ZSSZ12测控点在4V左右（图4）。为进一步减小交流干扰对管道的影响，我们对ZSSZ12测控点附近进行了交流排流，将4V的交流干扰降到了1V左右。

对于重点干扰区域，通过加密采集时间开展重点监测。苏南管道SNZJ06处测试桩采用间隔1s的加密监测（图4），通过进一步分析SNZJ06、07、08号监控点的变化规律，发现三点交流电压变化规律相似。利用远程智能监控系统的地图浏览功能查看管道位置，发现三处位置交流距离铁路较近，其交流干扰电压变化剧烈，且有一定的周期性，通过排查后确定为电气化铁路运行干扰导致，现场人工测量比对与系统自动监测一致。

3）利用系统查看、分析管道自腐蚀电位、极化电位情况

由于传统的人力测试阴极保护各类参数存在诸多不利因素（图6），通过阴极保护远程智能监控系统实现了管道极化电位的测试，为分析管道全线阴极保护情况提供强大、准确技术支持，弥补了以前人工检测通电电位数据的不准确性。同时，每年6月定期检测管道自然电位，由于时间短、线路长，而且检测数据多，因此数据可靠性很差，通过阴保远程智能监控系统，不但加密了检测数据的数量，提高了数据的可靠性，为分析管道正常情况下的阴极保护情况提供了详实的数据对比。

4）利用系统查看、分析各站的恒电位仪运行情况

浙苏管道沿线设有阴保站6座，各站恒电位仪相关数据必须到现场进行查看，由于每天查看只有两次，很难第一时间发现恒电位仪实时故障，因此，将各站恒电位仪数据接入阴极保护智能监控系统，将管道保护情况和恒电位仪数据进行关联、分析，对发现和排除仪器故障，第一时间完成修复，确保管道不间断阴极保护具有重要意义。

3.2远程智能监控系统数据准确性验证

管道在受到杂散电流的影响后，也有可能会对阴极保护无线远程终端监测系统产出影响，导致采集的数据不准确，从而影响阴极保护效果的判定，为此我们对无线远程监测系统准确性进行了数据验证。在现场利用数字式万用表和无线通信设备对同一时间点的数字式万用表数据和无线远程传输系统数据进行对比分析（数据如图7），阴极保护远程监测系统和数字万用表测得的通/断电电位数据是很接近的，通电/断电电位数据误差基本在5%之内，由于人工记录的时间无法完全精确同步，所以，存在一定的人为引入误差。这说明所采用的无线远传系统测量结果是准确的，相对于数字式万用表测量，采用无线远程监测系统在测量通/断电电位时可避免人为读数造成的誤差，在长时间连续监测数据时能够大大减少工作人员的劳动强度，提高效率，因此，对于杂散电流干扰区的测量，无线阴极保护远程监测系统具有明显优势。

3.3、需要注意的问题

1）系统运行电池能提供的电量仅能供采集模块工作大约2-3年;

2）GPRS信号差的地方会出现盲区，导致采集数据无法传输到远程服务器，特别是管道穿越山区、或者偏远地区等通信信号覆盖比较差的地区;

3）一次性投入较大，需要定期对监控系统的运行状态进行确认，包括参比电极和测试仪表的准确性等。

4、结论：

使用无线远传技术结合极化测试探头测试方法能够自动采集管道阴极保护通电电位、极化电位和自然腐蚀电位，可以帮助管理人员更好的掌控、分析阴极保护运行状况，帮助管理人员监测、分析干扰情况。系统可以使管道阴极保护管理数字化、信息化，通过系统终端将阴保数据传输到管道部门的服务器，管理方可以准确便捷的掌控全线阴极保护系统运行状况，及时采取措施消除保护不达标的“死角”，进一步提升管道的管理水平。本次研发的阴极保护远程监测系统采用人性化的操作和清晰的图表，能够直观及时地查看各监测点的状况。对采集的数据进行分析处理，生成周报表、月报表、年报表、电位分布曲线图，对数据建立数据库进行存储、自动备份，以备查询。通过实时监视。一旦有检测站点出现故障，能产生相应的报警信号，以便故障能及时排除。这对提高阴极保护水平、减少管道腐蚀、延长管线使用寿命有着重要意义，能有效的降低管道发生腐蚀事故的概率，提高管道安全运行水平，带来巨大的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]胡士信，阴极保护工程手册，北京：化学工业出版社，1998

[2]唐明华，油气管道阴极保护，北京：石油工业出版社，1987

[3]俞蓉蓉，蔡志章，地下金属管道的腐蚀与防护，北京：石油工业出版社，1998

[4]刘佳，阴极保护极化探头结构与性能研究，北京：北京科技大学，2010

[5]刘庆来，埋地钢质管道管中直流电位测试技术研究，北京工业大学;2009年

作者简介：

傅军杰、男、1983.8.3、2006.7、宁波大学、通信工程、大学本科、嘉兴管道管理处、工程师、从事管道管道工作。

（作者单位：国家管网集团华东公司嘉兴管道管理处）