1   概述

隨著管道服役期延長、防腐層質(zhì)量衰減、陰極保護系統(tǒng)中陽極消耗以及雜散電流干擾，管道的腐蝕保護狀況對于管網(wǎng)的安全運行而言意義重大^［1-2］，而這依賴于有效的檢測及準確的評估。隨著城市現(xiàn)代化建設的加快發(fā)展，城市燃氣埋地管網(wǎng)的管理難度日益增加，特別是管道陰極保護系統(tǒng)數(shù)據(jù)的及時監(jiān)測、管道腐蝕狀況的分析與評估難度大、雜散電流干擾強等問題尤為突出。通過建立管網(wǎng)陰極保護腐蝕分析系統(tǒng)，利用無線遠傳技術(shù)不間斷采集實時的管道陰極保護參數(shù)，并自動對數(shù)據(jù)進行分析，可實現(xiàn)燃氣管道陰極保護系統(tǒng)和雜散電流干擾的智能化評估，從而有效指導當前工作并制定相應的防腐對策，對埋地燃氣管道的安全運行和完整性管理具有重要的現(xiàn)實意義。

 2   陰極保護系統(tǒng)管理中存在的問題

目前，城市燃氣管網(wǎng)陰極保護系統(tǒng)的日常檢測主要采用人工檢測方式，在管理過程中存在以下問題。

 ①人工檢測費時費力，檢測難度大。城市燃氣管網(wǎng)的測試樁分布范圍較廣，每次檢測耗費人力、物力較大，工作效率較低。同時，人工檢測受地理環(huán)境和天氣等因素的制約，如人員較難進出的地點或遇到惡劣天氣等情況，人工檢測很難正常進行。

②檢測數(shù)據(jù)可靠性低，時效性差。受現(xiàn)場檢測條件限制，人工檢測參數(shù)較少，一般只能利用測試樁已有的參比電極或?qū)⒈銛y式參比電極置于管道附近土壤中，測量管道和參比電極之間的電位差，測得通電狀態(tài)下的保護電位（即通電電位）。根據(jù)現(xiàn)行國家標準GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱GB/T 21448—2017），管地界面不含IR降的極化電位是判斷陰極保護有效性的準則。通電電位包含了極化電位和回路中的IR降，并不能真實反映管地界面的極化電位，因而無法準確評價管道是否受到有效的陰極保護。同時，人工檢測無法對管道陰極保護數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，特別隨著城市軌道交通的發(fā)展，各大城市陸續(xù)開始建設地鐵交通，地鐵運行時產(chǎn)生直流雜散電流會造成管地通電電位劇烈波動。因此在較短的測試時間內(nèi)所測試的數(shù)據(jù)不具備代表性，數(shù)據(jù)的時效性較差。

 ③人工檢測數(shù)據(jù)很難進行有效的系統(tǒng)分析，難以準確評估管道的真實保護狀態(tài)。通過人工檢測的方式很難將所有的數(shù)據(jù)集成管理，同時檢測數(shù)據(jù)沒有形成一整套完善的數(shù)據(jù)評估體系，缺乏專業(yè)有效的分析處理能力，造成數(shù)據(jù)處理周期長，數(shù)據(jù)分析結(jié)論不可靠，很難評估管道的真實保護狀態(tài)。

 3   管網(wǎng)陰極保護腐蝕分析系統(tǒng)

管網(wǎng)陰極保護腐蝕分析系統(tǒng)是針對城市管網(wǎng)陰極保護系統(tǒng)管理中存在的問題，專門開發(fā)的用于自動采集管道陰極保護數(shù)據(jù)，并分析評估管網(wǎng)陰極保護狀態(tài)，預測管道腐蝕風險的智能管理系統(tǒng)。

 3.1  系統(tǒng)組成

管網(wǎng)陰極保護腐蝕分析系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集平臺、GPRS傳輸模塊、數(shù)據(jù)管理中心及用戶終端4部分組成。數(shù)據(jù)采集平臺自動采集管道各類型參數(shù)并進行數(shù)據(jù)儲存，依據(jù)設定的傳輸頻率和傳輸時間將數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)管理中心，數(shù)據(jù)經(jīng)過專業(yè)軟件分析處理后顯示在用戶終端。

 ①數(shù)據(jù)采集平臺

 a.數(shù)據(jù)采集平臺應用背景

 城市燃氣管道采用強制電流或犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)來控制管道的腐蝕，并且每隔1 km設置1個陰極保護測試樁，通過人工方式定期測試管道電位，了解管道被保護情況。為確保管道電位測試的準確性和連續(xù)性，提高檢測效率，在每個陰極保護測試樁處增設數(shù)據(jù)采集平臺，自動連續(xù)采集管道陰極保護參數(shù)。對于存在地鐵線路、高壓線等雜散電流干擾的區(qū)域會加密布置測試樁及數(shù)據(jù)采集平臺，間距為300～500 m。

 b.數(shù)據(jù)采集平臺組成

 數(shù)據(jù)采集平臺由智能陰極保護數(shù)據(jù)采集器及極化探頭兩部分組成，數(shù)據(jù)采集平臺接線方式見圖1（圖中CH1及CH4為電壓信號處理模塊，CH2及CH3為電流信號處理模塊）。

圖1   數(shù)據(jù)采集平臺接線方式

  智能陰極保護數(shù)據(jù)采集器及極化探頭按圖1的接線方式與測試樁內(nèi)的管道電纜相連，采集該處管道的陰極保護參數(shù)。工作原理為通過智能陰極保護數(shù)據(jù)采集器的電壓、電流信號處理模塊，將極化探頭中的參比電極作為電位測量的基準點，同時采集管道電壓、電流密度等陰極保護參數(shù)信號，并通過信號處理模塊CH1-CH4中的A/D換轉(zhuǎn)器對相應的信號進行轉(zhuǎn)換，儲存在對應的信號處理模塊中的存儲器中。

 智能陰極保護數(shù)據(jù)采集器作為數(shù)據(jù)采集平臺核心部件，它是專用于陰極保護數(shù)據(jù)AC和DC測量的多通道標準采集裝置，可實現(xiàn)管道陰極保護數(shù)據(jù)的采集、計算、存儲、發(fā)送功能。智能陰極保護數(shù)據(jù)采集器工作壽命與采集頻率、傳輸頻率相關(guān)，使用壽命逾5 a。

極化探頭由長效參比電極、極化試片、自腐蝕試片組成。其中極化試片及自腐蝕試片與管道材質(zhì)相同，用來模擬管道的防腐層缺陷處管道本體金屬，試片的面積與管道防腐層的質(zhì)量及與雜散電流類型相關(guān)。3PE防腐層在城市燃氣管道上的應用越來越廣泛，因此通常選擇面積6 cm²和1 cm²的試片。通過6 cm²試片所測的斷電電位代表管道在相同的土壤環(huán)境下出現(xiàn)相同面積的防腐層破損點時的極化電位，而1 cm²的試片則可用于交流干擾測試。

c. 數(shù)據(jù)采集平臺數(shù)據(jù)采集類型

 考慮到城市燃氣管網(wǎng)有強制電流及犧牲陽極兩種陰極保護系統(tǒng)，且存在交直流雜散電流干擾，為有效評估管道陰極保護狀況及雜散電流干擾狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集平臺采集的數(shù)據(jù)類型包括管道通電電位、極化電位、自腐蝕電位、交流電壓、工作電流、交/直流電流密度、陽極電位。管道的通電電位不等于管道真實極化電位（也叫斷電電位），兩者之間存在IR降誤差，IR降是根據(jù)歐姆定律由于電流的流動在參比電極與金屬管道之間土壤上產(chǎn)生的電壓。業(yè)內(nèi)普遍做法是采用斷電法切斷陰極保護電流（即整流器或犧牲陽極輸出電流）來消除IR降誤差，但這種方法只能消除陰極保護電流引起的IR降，對于各種雜散電流、二次電流等非陰極保護電流造成的IR降則不能消除^［3］。

 d. 數(shù)據(jù)采集平臺的優(yōu)勢和數(shù)據(jù)采集方法

 數(shù)據(jù)采集平臺的優(yōu)勢在于運用極化探頭斷電測試技術(shù)，在不斷開現(xiàn)有陰極保護系統(tǒng)的情況下，消除IR降以獲得管道真實極化電位，且不會受到雜散電流干擾的影響。數(shù)據(jù)采集平臺各類型參數(shù)測量原理如下：

從圖1可以看出，極化試片通過棕色端子、粉色端子、藍色端子、通斷器開關(guān)以及黑色端子之間的電纜與管道連接（其中電流測量模塊2內(nèi)部的高精度電流表內(nèi)阻可忽略不計）。測量管道通電電位時，電壓測量模塊1內(nèi)部ms級電路控制模塊的通斷器開關(guān)合上，此時極化試片通過棕色端子、粉色端子、黑色端子之間的電纜與管道電連接，這就意味著極化試片與管道處于等電位狀態(tài)，此時通過測量極化試片電纜與極化探頭的參比電極電纜之間電位差即可得到管道通電電位。測量極化電位時，通過采集器內(nèi)部ms級電路控制模塊控制通斷器的開關(guān)處于斷開狀態(tài)，并精準控制極化試片與管道的斷開時間，此時極化試片由于通斷器開關(guān)斷開而與管道之間處于斷開的狀態(tài)，利用采集器電壓測試模塊1測量斷電情況下極化試片電纜與極化探頭的參比電極電纜之間的電位差，即可獲得極化電位。測量自腐蝕電位時，通過采集器內(nèi)部電壓測量模塊2測量極化探頭的自腐蝕試片電纜與極化探頭的參比電極電纜之間的電位差。測量直流電流密度（自腐蝕試片的面積數(shù)據(jù)已存儲在采集器中）時，任意選用采集器內(nèi)部電流測量模塊1或者模塊2，圖1中是利用電流測量模塊2測量極化探頭內(nèi)極化試片與管道之間的直流電流密度。電流測量模塊2正極接粉色端子，粉色端子通過藍色端子、通斷器開關(guān)以及黑色端子之間的電纜與管道相連，電流測量模塊2負極接極化試片。這就相當于電流測量模塊2一端接管道，一端接極化試片，通過電流測量模塊2即可測量極化試片與管道之間的直流電流密度，并且利用電流測量模塊同時可測量出極化試片與管道之間的交流電流密度。

 ②GPRS傳輸模塊

 數(shù)據(jù)采集平臺所采集儲存的數(shù)據(jù)，通過GPRS傳輸模塊，利用無線數(shù)據(jù)通信方式GPRS或者GSM傳輸至數(shù)據(jù)管理中心。

 ③數(shù)據(jù)管理中心

 數(shù)據(jù)管理中心匯集、管理和處理發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并提供通信系統(tǒng)的輪詢、現(xiàn)場設備日常及突發(fā)事件的處理。同時可以對設備進行連續(xù)檢查和控制以及設備的升級，并將數(shù)據(jù)備份管理。

 ④用戶終端

 在用戶終端上安裝管網(wǎng)陰極保護腐蝕分析系統(tǒng)軟件，軟件采用瀏覽器/服務器架構(gòu)，用戶通過賬號和口令就可以登錄平臺軟件，獲取相關(guān)信息。這些信息主要包括檢測點地理信息、各種數(shù)據(jù)的圖形顯示、報警信息查詢、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、陰極保護系統(tǒng)評估、陰極保護有效性評估及雜散電流干擾評估、發(fā)布用戶既定格式的報表或特別報告、把數(shù)據(jù)提供給其他應用軟件、周期性地更新管理軟件、Web服務器的操作與維護、應用軟件數(shù)據(jù)庫應用、廣域網(wǎng)連接與操作處理、數(shù)據(jù)庫日常及突發(fā)維護、防止非法侵入和硬件軟件防火墻、多級用戶名和口令、用戶使用操作培訓等。

 3.2  系統(tǒng)功能及特點

 ①數(shù)據(jù)及功能多樣化：多通道數(shù)據(jù)采集可支持強制電流系統(tǒng)的工作電壓及工作電流測量，也可用于犧牲陽極系統(tǒng)的陽極開路電位、陽極工作電位及工作電流的測量，也可用于測試樁處管道通電電位、極化電位、自腐蝕電位、交流電壓、交直流電流密度的測量。

 ②數(shù)據(jù)時效性：可以采集每天每時段數(shù)據(jù)，及時了解陰極保護數(shù)據(jù)變化趨勢，同時可以自動、完整、及時地獲取陰極保護的電氣參數(shù)，并將整個管網(wǎng)在線陰極保護狀態(tài)的全年不間斷記錄數(shù)據(jù)實時提供給燃氣公司。

 ③管理效率：全管道陰極保護數(shù)據(jù)同步監(jiān)控，及時有效獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，提高了測量效率，降低人工勞動強度，對于檢測難度大的區(qū)域比人工檢測更加有效。

 ④數(shù)據(jù)分析評估：自動對采集數(shù)據(jù)進行處理，通過圖像、圖表等可視化強的方式將數(shù)據(jù)及變化趨勢直觀呈現(xiàn)。對于數(shù)據(jù)異常的點，系統(tǒng)會自行判斷報警，并給出相應的故障信息。利用特有的數(shù)據(jù)評估模塊可對陰極保護系統(tǒng)工作狀態(tài)、管道受保護程度、雜散電流干擾程度進行評估?？蛻艨呻S時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)登錄系統(tǒng)瀏覽。

 4   系統(tǒng)在昆明城市管網(wǎng)的應用

 昆明城市燃氣管網(wǎng)于1984年6月開始建設，整個管網(wǎng)已運行逾30 a。昆明市地下燃氣管道主要采用螺旋縫鋼管和無縫鋼管，沿城市道路及庭院小區(qū)道路敷設，途經(jīng)鐵路、農(nóng)田、河流等。管道外防腐主要采用石油瀝青玻璃布或環(huán)氧煤瀝青，輔以犧牲陽極陰極保護法進行保護。通過在原有的陰極保護測試樁中選取具有代表性的測試點，對原有測試樁進行改造，加裝智能陰極保護數(shù)據(jù)采集器和傳輸模塊，并在管道上方安裝極化探頭，測試管道極化電位和自腐蝕電位。同時，采用無線遠傳方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心，利用管網(wǎng)陰極保護腐蝕分析系統(tǒng)進行分析和評估。

 ①測試數(shù)據(jù)對比

 在近地鐵處選取5個測點，人工測試選用便攜式參比電極測量通電電位。人工測試數(shù)據(jù)與系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的對比見表1。

 表1   人工測試數(shù)據(jù)與系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的對比

由表1 可以看出，人工測試通電電位與系統(tǒng)采集通電電位趨勢一致，但由于系統(tǒng)測試的結(jié)果中去除了IR降，相比于人工測試結(jié)果偏正，更為精確。

 ②系統(tǒng)界面

 a.系統(tǒng)終端軟件首頁界面

用戶通過終端軟件輸入用戶名和密碼即可登錄管網(wǎng)陰極保護腐蝕分析系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)終端軟件首頁界面見圖2。系統(tǒng)以地圖平臺為界面，實現(xiàn)監(jiān)測點地理位置信息展示，從該界面可直觀看出管道的走向路由及與地鐵線路的位置關(guān)系。界面左側(cè)提供報警、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析評估查詢及現(xiàn)場設備點后臺管理的入口。

圖2   系統(tǒng)終端軟件首頁界面

 b.報警模塊

 通過報警模塊可查詢數(shù)據(jù)異常信息及報警信息。當管道陰極保護系統(tǒng)存在問題或雜散電流干擾引起管地電位波動時，在報警模塊中可查詢數(shù)據(jù)超限次數(shù)和超限總時長。

 c.數(shù)據(jù)查詢模塊

通過數(shù)據(jù)查詢模塊可隨時查詢?nèi)我鈺r間段的歷史數(shù)據(jù)，同時可以對數(shù)據(jù)進行報表統(tǒng)計和圖形趨勢統(tǒng)計，并可導出所查詢的數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)圖形趨勢可直觀看出雜散電流干擾的趨勢，尤其在有地鐵雜散電流干擾時段和地鐵停運時段的不同干擾趨勢。

 d.評估模塊

 利用評估模塊可自動將數(shù)據(jù)按評估模型進行分析處理，并提供評估結(jié)果查詢?？刹樵冴帢O保護系統(tǒng)工作狀態(tài)評估、陰極保護有效性評估、交直流雜散電流干擾評估結(jié)果。評估模塊包含符合GB/T 21448—2017、GB 50991—2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護技術(shù)標準》、GB/T 50698—2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標準》的數(shù)據(jù)分析模型，其工作原理為：利用連續(xù)采集的通電電位、斷電電位（極化電位）、交流電壓識別雜散電流干擾時間段及非干擾時間段。利用采集的犧牲陽極陽極開路電位、陽極工作電位及陽極工作電流數(shù)據(jù)進行陰極保護系統(tǒng)工作狀態(tài)評估；利用非干擾時間段獲得的斷電電位數(shù)據(jù)進行陰極保護有效性評估；利用在干擾時間段獲得的通電電位、斷電電位、交流電壓、直流電流、交流電流數(shù)據(jù)進行交直流雜散電流干擾評估。

 依據(jù)評估模塊的結(jié)論及建議指導管道的定點維修活動，對陰極保護系統(tǒng)工作狀態(tài)評估異常的點進行陰極保護系統(tǒng)維修工作，對交直流雜散電流評估中需要雜散電流排流的點進行排流工作。

 5   結(jié)論

 ①通過將管網(wǎng)陰極保護腐蝕分析系統(tǒng)應用于城市燃氣管道，可有效解決目前城市燃氣管道陰極保護檢測所面臨的問題，可更好地利用人力資源，將重復的工作交給系統(tǒng)來完成，大大提高工作效率。

 ②通過系統(tǒng)評估功能的應用，能有針對性地處理問題管道，從而避免大面積開挖所造成的資金和人力、物力的消耗，極大降低陰極保護系統(tǒng)的管理和運行費用。

 ③通過對管網(wǎng)陰極保護數(shù)據(jù)的連續(xù)采集、智能分析和評估，可準確了解管道保護狀態(tài)，從而能及時對存在問題的管道進行安全預防措施處理，提升管網(wǎng)運行的安全性。 

參考文獻：
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 ［2］楊義軍，李文玉，王芷芳，等. 極化探頭在埋地鋼質(zhì)管道陰極保護的應用［J］. 煤氣與熱力，2010，30（4）：A24-A27.