基于STM32的油气管道阴极保护电压自动检测系统设计与实现

汪锐，王洪钧，焦爽

1.湖北省天然气发展有限公司（湖北 武汉 430000）

2.中国石油西气东输管道公司（宁夏 银川 754000）

0 引言

截至2018年底，我国境内油气管道已累计建成13.60×104km，名列世界第3位[1-2]。但是，我国油气管道的年平均事故率高于北美地区[3]，其中，腐蚀是造成油气管道事故的主要原因之一[4]。例如：2013年11月22日青岛油气管道爆炸事故是由于管道腐蚀导致原油泄漏造成的特别重大事故。

为防止油气管道腐蚀穿孔或失效，我国主要采用防腐涂层结合阴极保护等措施进行综合防护。其中，阴保电位是评价管道阴保效果的重要参数。目前，主要采取人工方式在管道测试桩上进行定期采集。受现场巡护人员素质、测量仪器、自然环境等因素影响，管道企业很难获取管道沿线准确有效的管道保护电位数据，不利于后续开展管道阴极保护有效性评价工作，无法及时发现管道的腐蚀风险。因此，本文设计了一种管道电位自动采集装置，以协助企业定期准确获取管道沿线各区域的阴保电位，方便企业现场管理并降低管道运行风险和成本。

1 系统设计

STM32是基于ARM Cortex®-M3内核的微处理器（MCU），内部集成有GPIO、USART、ADC、RTC、DMA等丰富的外设资源，同时具有低成本、低功耗、高性能等特点。在嵌入式系统开发时，通常仅需要配置简单的系统供电电路，设计相应的控制电路、检测电路和通讯电路就可实现系统的快速开发。因此，本文选用STM32作为MCU对管道阴保电位自动采集系统进行设计和开发，其系统结构框图如图1所示。

图1 阴保电位自动采集系统结构框图

1.1 电源模块

电源模块负责给MCU控制系统及GPRS通讯模块分别提供3.3 V及5.0 V的供电电压，同时也为ADC采样提供3.3 V的高精度基准电压。

1.2 阴保电位采集

阴保电位采集由检测回路与电压调理回路组成，并利用MCU的内部ADC采样器进行采样。检测回路主要将管道阴保电位经过简单的硬件滤波和极性处理后，送入电压调理电路，将阴保电位调整到0～3.3 V供MCU进行采样。

1.3 通讯模块

管道测试桩“零散”分布在管道沿线，通常不具备常规的RS485、光纤等有线通信方式，本文利用MCU与GPRS模块将阴保电位通过无线方式进行传输。同时，为方便用户配置采样周期、目标号码等参数，利用MCU的串口实现上位机的参数配置功能。

1.4 本地存储单元

系统配置的参数存储在MCU内部的Flash中，与此同时，为防止GPRS模块因信号不良或欠费造成的检测数据丢失问题，现场将管道电位同时存储在外部SD卡中，以便用户必要时读取使用。

1.5 系统休眠与唤醒

管道测试桩分布在野外，很难获取稳定可靠的供电电源。为节约系统能耗，方便现场管理，本文利用了MCU的低功耗模式和RTC唤醒功能，使系统能够按照用户设定的运行模式，定期唤醒设备进行电位采集和传输，最大限度降低系统能耗。

2 应用分析

2.1 现场应用

将设计的管道阴极保护电位自动检测系统在某天然气管道现场进行了3处试点应用，其中选择2处人员较难进入的水田，1处为普通地区。普通地区的试点测试桩同时安排巡线员在试点期间利用Fluke 115C万用表进行阴保电位测试和记录。现场安装示意如图2所示。

图2 阴保电位自动采集系统现场安装示意图

在原有测试桩的基础上，现场新装了长效参比电极和本文设计的管道阴保电位自动采集装置，将测试桩原有测试电缆、参比电极电缆分别与采集装置相连，同时利用PC机对装置的定期唤醒采集时间（每天10:00am测量）、装置编号（位置）及目标接收端号码进行了设置。

2.2 数据分析

现场连续1个月对3处试点测试桩进行检测，为方便对比分析，将其中1处同时进行自动检测和人工检测的试点测试桩数据进行分析。试点测试桩检测数据见表1，电位分布图如图3所示。

通过图3分析可知，阴保电位自动检测系统因经过软、硬件滤波，同时避免人为操纵误差，采集的数据相对人工采集的数据较为平稳和可靠，两者相差最大的电压误差为0.089 V。

此外，管道巡线人员通常在执行巡线任务的同时进行阴保电位检测，受现场监护任务、雷雨等因素影响，很难保证每天准点进行电位测量。若多点测量时，更加难以保证定时测量。而自动采集装置每天约10:01am定时将电位检测数据发送至指定的客户端，通过客户端短信不仅可以读取阴保电位数据，还能间接反应自动检测装置的工作状态。

表1 管道阴保电位检测数据

图3 不同采集方式下的电位分布图

3 结束语

根据以上现场数据对照结果，本文设计的管道阴极保护电压自动检测系统，无需对原有测试桩进行较大改动，仅需投入较少的成本就可以实现管道电位的自动采集和传输，以获取准确的管道阴保电位，有效避免了人为测量引入的较大测量误差，同时也消除了自然环境对测量作业的不利影响，对后续阴极保护系统有效性评价及管道防护具有重要的意义。