管道参比电位动态跟踪阴极保护装置的研发

2021-01-27刘孟哲王一丁

西安石油大学学报（自然科学版） 2021年1期

李琳，刘孟哲，王一丁

(西安石油大学陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西西安 710065)

引言

管道一般采用金属材质，化学性质较为活泼，在埋地或裸露环境中易发生电化学腐蚀，造成油气资源的泄露或者管道服役期限的缩短。电化学防腐是保护油气管道的主要方法之一。我国在1958年引入阴极保护技术，有效抑制了电化学腐蚀，但面对智慧化管道的建设，阴极保护的检测和控制技术仍需提高[1]。近年来，采用单片机技术等虽然大大提高了阴极保护装置的测量精度，但实际意义不大且依然没有完全实现装置的自动化闭环控制[2]。目前应用于油气管道的阴极保护装置仍然是一种开环型装置，存在的主要问题是装置体积较大，保护电源输出的自动控制程度不高，需要人工定期采集参比电位的变化[3]，并据此人工调节电源电流、电压的输出，以确保参比电位保持在保护范围之内[4]。针对以上问题，本文设计了一种基于STM32微控制器的闭环型阴极保护装置，该装置实现了多通道采集数据，实时监测管道参比电压是否因受外界条件影响发生改变而偏离保护范围，单片机能够即时通过分析计算，控制程控电源，输出最优保护电压，使管道参比电位持续保持在设定保护范围之内。相比于市场上的开环型装置，本文研发的闭环型装置阴极保护效果更好，具有良好的市场前景。

1 装置整体方案设计

阴极保护装置输出电压正极与辅助阳极相连[5]，辅助阳极通过土壤与管道一端相连，管道另一端作为阴极与装置的输出负极和零位接阴相连，饱和硫酸铜溶液参比电极作为管道参比电压的参考地与装置参比电极相连[5]，其置于管道周围土壤之中[6]。现场布局如图1所示。

图1 现场布局Fig.1 Site layout

该装置是具备闭环控制的自动化装置[7]，其闭环测控原理如图2所示。信号调理部分与AD转换部分形成反馈通路传送数据到微控制器，微控制器对AD转换的参比数据与给定范围进行分析并通过PI控制算法计算后，控制程控电源向管道输出最优电压以实现装置性能。国家管道参比电位标准保护范围为-0.85～-1.2 V，据此该装置将参比电位保护区间设定为-0.9～-1.1 V，装置通过闭环测控实现对参比电位的动态跟踪，DA转换以0.1 V步进的形式实现对程控电源的离散区间控制，保证程控电源输出不会频繁变动。控制程控电源的输出电压持续将参比电位稳定在此区间以实现管道的持续防腐。

图2 装置闭环测控原理Fig.2 Closed-loop measurement and control schematic diagram of device

装置整体构架方案设计如图3所示，该装置由6部分组成，即信号调理、数据采集、STM32微控制器、DA控制、程控电源以及辅助电源。信号调理将管道参比电位、电源输出电压、电流的信号值降低以达到AD采集模块的采集范围之内，AD采集通过ADS1256芯片完成对信号的模数转换，微控制器接收AD转换的数据并对其进行比对，发出数字信号到DA，微控制器通过DA转换实现对程控电源的离散控制，串口通信实现与站控系统的通信，程控电源向管道输出相应的电压，辅助电源为各芯片供电[8]。

图3 装置构架原理Fig.3 Framework schematic diagram of the device

2 装置硬件设计

2.1 信号调理部分

该装置程控电源的输出规格为0～20 A的电流与0～24 V的电压，AD芯片的电压输入范围为0～5 V，因此，分别采用霍尔电流传感器ACS712-20与四运算放大器LM324将程控电源0～20 A的电流值及0～24 V的电压值同时转化至AD转换部分0～5 V的输入范围内，参比电位的信号也需要利用LM324放大至AD转换部分0～5 V的输入范围内。

2.2 AD转换部分

AD转换部分与信号调理部分形成反馈通路将参比电位以及程控电源输出电压、电流信号传送到单片机。AD芯片选用ADS1256[9]，在本设计中采用该芯片4路差动输入[10]。ADS1256的基准电压芯片选用ADR431,该芯片基准电源的输出比较稳定,能够适合5 V系统的低噪声解决方案，其初始最大误差为±0.04%，适用于16位以上的AD转换芯片。

2.3 单片机及串口通信电路

该装置为了实现运算速度快、辅助功能多、性价比高等优点，主控MCU选用微控制器STM32F103C8T6[11]。且随着大数据智能管道系统的发展，在未来阴极保护装置将与站控系统实现通信，因此预留串口通信电路，串口芯片选用MAX232。

2.4 DA转换部分

微控制器发出的信号通过DA转换输出给定值以实现对程控电源的控制，DA芯片选用10位模拟电压输出的TLC5615[12]。TLC5615低功耗、-40～85 ℃工作温度范围的特点适用于管道系统。

2.5 电源部分

电源部分分为辅助电源部分与程控电源部分。辅助电源部分：220 V交流市电通过AC-DC模块输出正负12 V直流电为LM324供电，12 V通过AMS1117系列模块为微控制器与转换芯片供电，5 V通过REF192输出2.5 V为TLC5615提供基准电压。程控电源部分：采用0～5 V输入控制输出0～24 V的开关电源，该电源规格为24 V/20 A，DA的输出值作为程控电源的给定值。

3 软件设计

硬件部分以微控制器为核心完成现场数据采集、传输与分析处理。而软件设计的目的是使微处理器协调各硬件部分功能逐个实现、彼此配合。

主程序开始之后，系统对ADS1256芯片进行初始化，在主函数中的无限循环中微控制器按照MODBUS协议发送指令，接收AD模块返回的数据并对其进行解析，判断实际参比电位是否处于设定保护区间，超出保护区间将唤醒单片机发送指令至TLC5615，TLC5615D/A转换模块根据实际参比电位值高于或低于保护区间来增加0.1 V电压或减少0.1 V电压输出。如此通过每次循环改变D/A模块的输出电压来控制程控电源施加在管道上的电压，以保证参比电位稳定在最优保护区间[13]，软件流程图如图4所示。

图4 软件流程Fig.4 Software flow chart

4 实验环境构建与测试结果

为了检验开发的阴极保护装置性能，构建了模拟土壤变化的环境。金属腐蚀过程的本质是电化学的氧化还原反应，在实际环境中，温度、湿度以及盐碱度等诸多因素都会导致管道的参比电位产生变化，最终导致管道腐蚀速率变化，此诸多因素变化集中表现为管道土壤酸碱度的变化[14]，因此配置了pH值不同的模拟土壤水溶液来模拟管道周围变化的土壤环境。

实验将3段相同材质的1.2 m长管道分别置于模拟土壤的水溶液中，一段管道不加保护，另外两段管道分别采用开环型装置与闭环型装置对其进行保护,这两种保护装置均以pH值为6.5时电源输出值作为初始值启动保护。每隔24 h调整水溶液pH值并对上述3段管道对应的参比电位进行记录，记录数据见表1。模拟土壤水溶液pH值共分为5档，分别为4、5、6.5、8和9。

表1 参比电位实验数据Tab.1 Experimental data of reference potential

5 分析与结论

根据表1绘制模拟土壤水溶液调整pH值时其管道参比电位变化曲线图(图5)。通过图5可以看出，在采用开环型装置保护时，pH值一旦发生改变偏向弱酸或弱碱时，参比电位会偏离保护范围，此时管道难以得到有效保护。在采用闭环型装置保护时，无论管道参比电位随pH值的变化如何改变，该装置都能对其进行自动动态跟踪，使其一直保持在较优受保护范围内。图6为96 h后3组管道腐蚀状态对比。从图6可以看出，闭环型装置保护效果明显优于开环型装置。