埋地燃?xì)夤艿离s散電流五點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)研究

摘 要

摘要：論述了埋地燃?xì)夤艿离s散電流五點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn)。該檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)雜散電流在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，不但能檢測(cè)雜散電流的類別，而且還能檢測(cè)雜散電流的大小和方向。關(guān)
摘要：論述了埋地燃?xì)夤艿离s散電流五點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn)。該檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)雜散電流在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，不但能檢測(cè)雜散電流的類別，而且還能檢測(cè)雜散電流的大小和方向。
關(guān)鍵詞：埋地燃?xì)夤艿?；雜散電流；檢測(cè)；腐蝕與防腐；五點(diǎn)檢測(cè)法
Study on Five Point Detection System for Stray Current in Buried Gas Pipeline
LI Longjiang，LIU Qilong，TAO Wenliang，YANG Gang，GUANG Hong，JIA Meili
Abstract：The structure，working principle and characteristics of five point detection system for stray current in buried gas pipeline are described.The detection system achieves the online real-time detection of stray current，and the types，magnitude and direction of stray current can be detected.
Key words：buried gas pipeline；stray current；detection；corrosion and corrosion prevention；five point detection method
1 概述
   通過對(duì)城市埋地燃?xì)夤艿朗C(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，雜散電流是引起管道腐蝕穿孔的主要因素。雜散電流是指在設(shè)計(jì)或規(guī)定回路以外流動(dòng)的電流[1]，管道雜散電流是指外界非規(guī)定流動(dòng)的電流，經(jīng)過土壤流進(jìn)管道，然后從管道另一處流出。電流從土壤進(jìn)入金屬管道的地方帶有負(fù)電，流入?yún)^(qū)域稱為管道陰極區(qū)，在陰極區(qū)如果管地電位過負(fù)，比-1350mV更負(fù)時(shí)，管道表面會(huì)析出大量氫，造成防腐絕緣層破壞和脫落，從而加劇陰極區(qū)的腐蝕破壞。當(dāng)雜散電流由管道的某一處流出時(shí)，管道帶正電，這一區(qū)域稱為管道陽(yáng)極區(qū)，在陽(yáng)極區(qū)如果管地電位過正，大于-850mV時(shí)，鋼管以鐵離子的形式溶入周圍介質(zhì)中，因此陽(yáng)極區(qū)的管道受到嚴(yán)重腐蝕[2]。由于城市埋地燃?xì)夤艿馈⒏邏弘娏€、電氣化鐵路、地鐵輕軌、地下電纜等多種管線縱橫交錯(cuò)，產(chǎn)生的雜散電流類型多，有直流雜散電流、交流雜散電流和直交流共同作用的混流雜散電流，其大小、方向隨時(shí)間、季節(jié)、溫度和濕度的變化而變化。目前雜散電流常用的測(cè)試技術(shù)包括檢查片腐蝕監(jiān)測(cè)法、管地電位正向偏移法、管地電位連續(xù)監(jiān)測(cè)法、雜散電流干擾探針測(cè)試法、地電位梯度檢測(cè)法、SCM智能雜散電流測(cè)繪儀法等[3～10]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，雜散電流在土壤中的傳播是以泄漏點(diǎn)為中心，向四周立體衰減擴(kuò)散，在泄漏點(diǎn)的周圍會(huì)形成不規(guī)則有勢(shì)電場(chǎng)，并從土壤電阻率小的方向傳播。傳統(tǒng)雜散電流的檢測(cè)方法是基于“點(diǎn)”檢測(cè)(檢測(cè)范圍在一個(gè)點(diǎn)上，通常是檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)的管地電位)和“線”檢測(cè)(檢測(cè)范圍在一條直線上，通常是檢測(cè)管道的地電位梯度)，不能全面檢測(cè)雜散電流的流動(dòng)方向和作用域。本文提出一種新的雜散電流檢測(cè)方法——五點(diǎn)檢測(cè)法，把檢測(cè)范圍從點(diǎn)、線檢測(cè)擴(kuò)展到面檢測(cè)，克服傳統(tǒng)雜散電流的檢測(cè)缺陷，提高雜散電流的檢測(cè)精度。
2 雜散電流五點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
    為了實(shí)現(xiàn)“面”的檢測(cè)要求，設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心控制模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由9個(gè)部分組成，分別為單片機(jī)模塊、時(shí)鐘模塊、按鍵模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊和直流交流種類識(shí)別電路，雜散電流五點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。
 

    單片機(jī)模塊采用耐蝕性和散熱性能好、能在潮濕的環(huán)境下工作的AT89C51芯片，單片機(jī)還設(shè)有看門狗電路、串行EEPROM芯片等，單片機(jī)模塊是五點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的核心模塊，主要協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作。時(shí)鐘模塊主要實(shí)現(xiàn)循環(huán)檢測(cè)的計(jì)時(shí)。按鍵模塊有檢測(cè)周期設(shè)定按鈕(用來調(diào)整和設(shè)置雜散電流檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)周期和一次檢測(cè)任務(wù)的檢測(cè)時(shí)間)、直流檔檢測(cè)按鈕(用來設(shè)置直流雜散電流的檢測(cè)顯示)、交流檔檢測(cè)按鈕(用來設(shè)置交流雜散電流的檢測(cè)顯示)?？紤]到野外檢測(cè)用電的特殊要求，電源模塊設(shè)計(jì)為3種供電方式，第1種方式為9V充電電池直接供電，當(dāng)設(shè)備在野外執(zhí)行管道雜散電流的檢測(cè)任務(wù)時(shí)提供檢測(cè)電源；第2種方式是通過檢測(cè)系統(tǒng)的電源接口與手提電腦的兩個(gè)USB接口連接，實(shí)現(xiàn)手提電腦供電；第3種方式是民用220V交流電源供電，由一根電源線和插頭組成，插頭直接接入民用220V電源，電源模塊經(jīng)過雙通路濾波、整流和變壓，最終達(dá)到各個(gè)單元模塊的用電要求。數(shù)據(jù)采集模塊如圖1中的虛線矩形框所示，由3支永久性飽和Cu-CuS04參比電極SC1、SC2、SC3和兩個(gè)焊接在管道上的數(shù)據(jù)測(cè)試樁01和02組成5個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)1、2、3、4、5。點(diǎn)1連接數(shù)據(jù)采集通道IN1，點(diǎn)2連接數(shù)據(jù)采集通道IN4，點(diǎn)3連接數(shù)據(jù)采集通道IN5，點(diǎn)4連接數(shù)據(jù)采集通道IN2，點(diǎn)5連接數(shù)據(jù)采集通道IN3，主要實(shí)現(xiàn)管道管地電位和地電位梯度的5點(diǎn)面檢測(cè)。為了獲得穩(wěn)定的輸入信號(hào)，參比電極的3個(gè)引出端必須進(jìn)行運(yùn)算放大器電路信號(hào)變換，用本征電位輸入調(diào)理電路來進(jìn)行濾波等相應(yīng)操作，同時(shí)在測(cè)量時(shí)還需要一個(gè)埋地金屬構(gòu)筑物極化電位輸出調(diào)理電路來過濾測(cè)量過程中產(chǎn)生的雜波。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(A/D轉(zhuǎn)換)選用DAC0832雙積分式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換精度為mV級(jí)，主要是把數(shù)據(jù)采集得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再送入單片機(jī)儲(chǔ)存器儲(chǔ)存并分析。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(D/A轉(zhuǎn)換)為備用模塊，選用ACL7315模塊，主要是把單片機(jī)送來的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，驅(qū)動(dòng)后繼排流模塊工作。顯示模塊選用LCD12864P液晶顯示屏，主要顯示數(shù)據(jù)采集過程的狀態(tài)值和最終處理值。直流交流種類識(shí)別電路主要識(shí)別雜散電流的種類。
3 五點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理
3.1 雜散電流五點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介
    雜散電流五點(diǎn)檢測(cè)法是一種雜散電流“面”的檢測(cè)方法，同時(shí)分別檢測(cè)圖1中點(diǎn)1、2、3、4、5的電位，5個(gè)點(diǎn)在同一平面上。在進(jìn)行雜散電流檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)管道對(duì)地電位用近參比法，3支永久性飽和Cu-CuS04參比電極呈邊長(zhǎng)為1m的等邊三角形垂直安放在5個(gè)點(diǎn)所在的平面上，參比電極的測(cè)試探頭用土壤壓實(shí)，灑少許水，保持一定的土壤濕度，兩根測(cè)試樁01和02相距1m并焊接在管道上，5個(gè)點(diǎn)通過引線接入數(shù)據(jù)采集通道IN1～I(xiàn)N5。在檢測(cè)的過程中，數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號(hào)通過放大、調(diào)理、濾波變換后得到穩(wěn)定的輸出信號(hào)，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理的值通過顯示模塊進(jìn)行顯示。
3.2 檢測(cè)頻率設(shè)定與主要技術(shù)參數(shù)
    根據(jù)雜散電流的作用特性，在檢測(cè)的過程中，執(zhí)行檢測(cè)任務(wù)要2min的時(shí)間才能穩(wěn)定下來，因此檢測(cè)1次時(shí)間設(shè)定為5min。數(shù)據(jù)的采集周期可由按鍵模塊進(jìn)行設(shè)定，默認(rèn)周期為5s，通過周期設(shè)定按鈕實(shí)現(xiàn)循環(huán)設(shè)置。當(dāng)單擊周期設(shè)定按鈕時(shí)檢測(cè)周期以5s的步長(zhǎng)遞增，如此循環(huán)上調(diào)，當(dāng)上調(diào)到1min時(shí)，又跳回5s，在調(diào)節(jié)周期的過程中顯示屏將顯示所調(diào)周期。根據(jù)工程實(shí)際，管道雜散電流的發(fā)生源在一定的時(shí)間范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定，在執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)任務(wù)時(shí)，若雜散電流的產(chǎn)生和作用環(huán)境不變，檢測(cè)初期周期一般為默認(rèn)值，待穩(wěn)定后周期可以調(diào)大，把采集周期調(diào)到1d。雜散電流五點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)過程中，規(guī)定從點(diǎn)4到點(diǎn)5的方向?yàn)檎c(diǎn)5到點(diǎn)4的方向?yàn)樨?fù)。對(duì)各種雜散電流的檢測(cè)范圍為：直流雜散電流，-10～+10V，相對(duì)誤差為0.1%；交流雜散電流，0～220V，相對(duì)誤差為0.1%；管道上流過雜散電流，-1～1A，相對(duì)誤差為0.1%。
3.3 檢測(cè)任務(wù)
雜散電流五點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)不僅能檢測(cè)埋地鋼質(zhì)管道的管地電位和地電位梯度大小和方向，而且還能檢測(cè)到管道兩測(cè)試樁之間的微電流的大小和方向。在測(cè)量的過程中，點(diǎn)1點(diǎn)2之間，點(diǎn)2點(diǎn)3之間，點(diǎn)1點(diǎn)3之間，可以檢測(cè)到相應(yīng)兩點(diǎn)的地電位梯度V1,2、V2,3、V1,3，單位為mV/m；通過點(diǎn)2點(diǎn)4，點(diǎn)3點(diǎn)5可以檢測(cè)到4點(diǎn)和5點(diǎn)的管地電位V2,4、V3,5，單位為mV，取兩點(diǎn)管地電位V2,4、V3,5的平均值即可得到管地電位的大小。根據(jù)SY/J 32—1988《電力線路對(duì)埋地鋼質(zhì)管道交流電干擾測(cè)試方法》，管道上微小雜散電流計(jì)算公式如下：
 
式中I——管道受雜散電流影響流動(dòng)的微電流，A
    V4,5——4、5兩點(diǎn)之間的電位差平均值，V
    δ——管子壁厚，m
    D——管子外徑，m
    ρ——管道的電阻率，Ω·m
    L——管道的長(zhǎng)度，m
為了測(cè)定兩個(gè)測(cè)試樁之間的電位差平均值V4,5，在檢測(cè)的過程中先設(shè)定檢測(cè)的周期和一次檢測(cè)的時(shí)間，然后進(jìn)行檢測(cè)，其電位差平均值V4,5按式(2)計(jì)算。
 
式中V5——點(diǎn)5電位，V
    V4——點(diǎn)4電位，V
    n——在檢測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)讀取次數(shù)
    V4,5測(cè)定結(jié)束后，再測(cè)定式(1)中的其他參數(shù)，即可計(jì)算出管道上微小的雜散電流。
    通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，各種雜散電流源對(duì)管道的影響并不是單一的，當(dāng)檢測(cè)直流雜散電流時(shí)，也有一定量的交流雜散電流流過管道，當(dāng)檢測(cè)交流雜散電流時(shí)，也有一定量的直流雜散電流流過管道，只是檢測(cè)值要小得多。為了全面檢測(cè)出雜散電流的影響，雜散電流五點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的前端還設(shè)置了直流交流種類識(shí)別電路，識(shí)別直流雜散電流和交流雜散電流的大小，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量在顯示模塊進(jìn)行顯示。
3.4 雜散電流種類和方向的判斷
    雜散電流五點(diǎn)檢測(cè)法的優(yōu)勢(shì)在于能判斷雜散電流的種類和方向。在檢測(cè)過程中，用點(diǎn)4的管地電位V2,4和點(diǎn)2、3的地電位梯度V2,3判斷雜散電流的種類和方向。當(dāng)V2,4的值在[-1350mV，-850mV]區(qū)間，且不波動(dòng)變化，V2,3的值在自然地電位梯度范圍內(nèi)，在某一個(gè)方向上也不變化，則說明埋地燃?xì)夤艿罌]有受到雜散電流的干擾；當(dāng)V2,4和V2,3的值在某一個(gè)方向上經(jīng)過了5個(gè)檢測(cè)周期后的值為一恒定值，或者在某一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)的幅度很小，且V2,4不在[-1350mV，-850mV]區(qū)間，則可以判斷為管道受到直流雜散電流的干擾。當(dāng)V2,3為正時(shí)，管道受到的直流雜散電流方向?yàn)?→5；當(dāng)V2,3為負(fù)時(shí)，管道受到的直流雜散電流方向?yàn)?→4。當(dāng)V2,4和V2,3的值在某一個(gè)方向上經(jīng)過了5個(gè)檢測(cè)周期后的值大小和方向都在變化，或者在某一個(gè)范圍內(nèi)呈現(xiàn)周期性的變化，V2,4不在[-1350mV，-850mV]區(qū)間，V2,3出現(xiàn)有規(guī)律的正弦波變化，則可以判斷管道受到交流雜散電流的干擾。交流雜散電流方向的判斷較為復(fù)雜，不能用管地電位V2,4和地電位梯度V2,3來判斷，此時(shí)用管道上4、5兩點(diǎn)的平均電位差比；來判斷交流雜散電流的方向，原因是交流雜散電流在土壤中為正弦波周期變化，作用于管道的管地電位和地電位梯度也是正弦波周期變化，這個(gè)周期變化的微電流對(duì)管道的作用方向怎樣，必須檢測(cè)管道上4、5兩點(diǎn)的微電流，的方向。根據(jù)式(1)和式(2)，微電流I的方向和V4,5的方向一致，因此檢測(cè)V4,5即可判斷交流雜散電流的方向。當(dāng)V4,5為正時(shí)，管道受到的交流雜散電流方向?yàn)?→5，當(dāng)V2,4為負(fù)時(shí)，管道受到交流雜散電流方向?yàn)?→4。當(dāng)V2,4和V2,3的值在某一個(gè)方向上經(jīng)過了5個(gè)檢測(cè)周期后的值大小和方向都在變化，或者在某一個(gè)范圍內(nèi)呈現(xiàn)周期性的變化，V2,4不在[-1350mV，-850mV]區(qū)間，V2,3出現(xiàn)無規(guī)律的變化，長(zhǎng)時(shí)間無法穩(wěn)定下來，則可以判斷為管道受到直流和交流雜散電流的干擾，此時(shí)通過檢測(cè)管道的管地電位和地電位梯度的大小和方向來判斷直流和交流雜散電流影響下的共同效應(yīng)。當(dāng)檢測(cè)的雜散電流在設(shè)備檢測(cè)的測(cè)量范圍之外時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，此時(shí)LCD顯示屏顯示“超出儀器的檢測(cè)范圍，雜散電流過大，請(qǐng)查找雜散電流源頭并做相應(yīng)的防止處理”。
4 五點(diǎn)檢測(cè)法的特點(diǎn)
    與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方法改變了傳統(tǒng)的點(diǎn)測(cè)量和線測(cè)量，用面測(cè)量來測(cè)量土壤中管道的雜散電流的種類、大小和方向。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，檢測(cè)精度高，可連續(xù)檢測(cè)，檢修和維護(hù)方便，為雜散電流的檢測(cè)提供了一種高效和科學(xué)的檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)線監(jiān)測(cè)到面監(jiān)測(cè)的一體化過程，能檢測(cè)埋地燃?xì)夤艿赖墓艿仉娢缓偷仉娢惶荻?，自?dòng)判斷雜散電流的大小、方向和類別，為雜散電流排流決策提供有力的依據(jù)。
5 應(yīng)用
    我們將雜散電流五點(diǎn)檢測(cè)法用在現(xiàn)場(chǎng)埋地燃?xì)夤艿离s散電流檢測(cè)，在測(cè)量過程中，選取DN 300mm在役埋地燃?xì)夤艿?，?0m管長(zhǎng)的范圍，通強(qiáng)電模擬雜散電流的氛圍，用直流穩(wěn)壓電源和交流變壓器進(jìn)行有方向的供電。供電的兩端用兩個(gè)碳電極把電流導(dǎo)入土壤中，兩個(gè)碳電極相距10m，直流雜散電流源給電方式見圖2，交流雜散電流源給電方式與直流同理，混流雜散電流源給電方式見圖3，五點(diǎn)檢測(cè)法的檢測(cè)安裝方式如圖1中的數(shù)據(jù)采集模塊所示。在每一種雜散電流源的影響作用下，選取管道防腐涂層破損點(diǎn)及雜散電流流出的點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，通強(qiáng)電模擬雜散電流氛圍時(shí)，檢測(cè)分為交流檔和直流檔顯示。表1為自然狀態(tài)下檢測(cè)的管地電位和地電位梯度，表2為通直流為5、10、15、20、25V時(shí)的管地電位和地電位梯度，表3為通交流5、10、15、20、25V時(shí)交流檔和直流檔的管地電位和地電位梯度，表4是通直流和交流混流時(shí)直流檔和交流檔的管地電位和地電位梯度。通過實(shí)地測(cè)量表明，雜散電流五點(diǎn)檢測(cè)法不僅能很好地檢測(cè)管道雜散電流的種類，還能檢測(cè)直流檔和交流檔雜散電流的大小和方向，五點(diǎn)法能運(yùn)用于管道雜散電流的檢測(cè)中。

 
6 結(jié)論
    通過五點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)，可以很方便地檢測(cè)管道的管地電位和地電位梯度，可以檢測(cè)到管道雜散電流的大小和方向，為埋地燃?xì)夤艿离s散電流的檢測(cè)提供了一種較精確的方法。本方法不僅可以檢測(cè)埋地燃?xì)夤艿离s散電流，而且還可以用在其他金屬構(gòu)筑物的對(duì)地電位和地電位梯度的檢測(cè)上。
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(本文作者：李龍江1 劉起龍2 陶文亮3 楊剛2 廣宏2 假梅莉1 1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院貴州 貴陽(yáng)550003；2.貴州燃?xì)?集團(tuán))有限責(zé)任公司 貴州貴陽(yáng) 550001；3.貴州大學(xué)化工學(xué)院 貴州貴陽(yáng) 550003)