陰極保護極化電位遠程監(jiān)測技術(shù)在城市燃氣管線的應(yīng)用研究

摘 要

摘要：本文介紹了一種新型的陰極保護極化電位無線遠傳技術(shù)在深圳燃氣管線上的應(yīng)用研究。該技術(shù)采用極化測試探頭監(jiān)測管道極化電位，改變了傳統(tǒng)采用通電電位判斷陰極保護準(zhǔn)則的觀
摘要：本文介紹了一種新型的陰極保護極化電位無線遠傳技術(shù)在深圳燃氣管線上的應(yīng)用研究。該技術(shù)采用極化測試探頭監(jiān)測管道極化電位，改變了傳統(tǒng)采用通電電位判斷陰極保護準(zhǔn)則的觀念。并通過無線遠傳系統(tǒng)，管理人員可實時、遠程掌監(jiān)控管道陰極保護真實狀態(tài)，實現(xiàn)對管線陰極保護的科學(xué)管理。
關(guān)鍵詞：無線遠傳；極化測試探頭；陰極保護；燃氣管線
Application of Wireless Remote Detection Technology for The Cathodic Protection Potential in City Gas Pipeline
Abstract：A new polarization polential detection technology for cathodic protection-wireless remote detection technology is introduced，which was applied in Shenzhen gas pipeline.This technology changes the concept of using on-potential as the criterion of cathodic protection.With this system we can monitor the true state of cathodic protection in pipeline and detect the insufficient protection pipeline in time.
Keywords：wireless remote；test probe；cathodic protection；gas pipeline
1 前言
腐蝕是材料與環(huán)境相互作用而導(dǎo)致的失效[1]。根據(jù)工業(yè)發(fā)達國家的調(diào)查統(tǒng)計，每年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失約占國民生產(chǎn)總值的2%～4%[2]。陰極保護與涂層的聯(lián)合應(yīng)用是國際上公認(rèn)的埋地管道防蝕技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)[3]，管地界面極化電位是判斷陰極保護有效性的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。然而由于現(xiàn)場條件的限制以及極化電位本身較難準(zhǔn)確讀取等原因，在管道運行部門的日常管理中，通常是以管地通電電位來進行判斷陰極保護效果。通電電位值包含了極化電位和回路中的IR降，并不能真實的反映管地界面極化電位[4]，因而也無法準(zhǔn)確的評價管道陰極保護的有效性。因此，準(zhǔn)確便捷的測量和記錄極化電位對于保證陰極保護技術(shù)的有效實施具有非常重要的意義。
2 極化測試探頭技術(shù)與無線遠傳監(jiān)測技術(shù)
    埋地鋼質(zhì)管道采用陰極保護后，因電流在土壤介質(zhì)中的IR降及雜散電流的影響使得真實極化電位很難準(zhǔn)確測量[5]。目前消除IR降的常規(guī)測試方法是瞬間斷電法。所謂瞬間斷電法是指瞬間斷開陰極保護電流(此時電流I值為零)而測得的斷電電位值。瞬間斷電法測得的斷電電位近似等于極化電位。
    瞬間斷電法的準(zhǔn)確測試需要具備以下3個基本條件：①多套陰保系統(tǒng)要實現(xiàn)同步斷開；②所有與管道相連的均壓線均應(yīng)斷開；③沒有雜散電流的干擾[6]。在管線的實際現(xiàn)場測試和管理中，特別是在犧牲陽極保護系統(tǒng)中很難將管線所有的陰極保護系統(tǒng)同步通斷，這給斷電電位的準(zhǔn)確測試造成一定的困難。另外由于瞬間斷電電位的測量不能排除雜散電流的影響，在存在雜散電流干擾的地方很難測試出準(zhǔn)確的管地極化電位。有必要找到一種準(zhǔn)確快捷的抗雜散電流干擾的埋地管線極化電位的測試方法。
    近年來，一種新興的陰極保護電位測量技術(shù)——極化測試探頭技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢受到人們的關(guān)注。極化測試探頭能夠同時測量被保護構(gòu)件的自然腐蝕電位和陰極保護斷電電位，在測量中能夠使測量通道上的IR降減至極小(工程上可以忽略不計)且不受雜散干擾電流的影響，所以，使用該探頭測量得到的斷電電位可以近似為極化電位。
    極化測試探頭由內(nèi)置參比電極、自然腐蝕測試試樣、極化測試試樣、微滲封端、電纜等部件組成，可在不斷開管道現(xiàn)有陰保系統(tǒng)連接的情況下實現(xiàn)自然腐蝕電位及陰極保護極化電位測量，具有抗雜散電流能力強、服役壽命長及實地測量簡便易行等特點。極化測試探頭采用與待測管道材質(zhì)相同的1cm2-1Ocm2試片模擬管道防腐層缺陷。其中極化試片直接與管道直接相連，所測電位代表類似土壤環(huán)境與相同通電電位狀況下管道破損點的極化電位；自然腐蝕試片不與管道連接，所測電位代表類似土壤環(huán)境中管道的自然腐蝕電位。極化測試探頭中試片尺寸小，為一孤立的點，參比電極又與試片間通過合理結(jié)構(gòu)使之盡可能接近，所以，斷開電流后，陰極保護電流及其它電流(雜散電流、平衡電流及大地電流)影響可消除。若試片測得的斷電電位符合陰極保護準(zhǔn)則，那么當(dāng)防腐層的缺陷小于試片的面積時，該缺陷也能得到有效的陰極保護。
    在管線實際維護中，經(jīng)常因種種原因?qū)е聵O化電位的測量困難。比如：通過極化測試探頭測量管道的極化電位需要足夠的極化時間，一般極化時間為48h或者更長的時間；在雜散電流干擾嚴(yán)重的地方，極化電位還會隨時間不斷的改變；在有些特定區(qū)域，由于自然條件的限制不方便進行斷電電位的測試；此外，在某些重點腐蝕區(qū)域需要進行連續(xù)的電位監(jiān)測。
    在這些情況下，一種能在管理者辦公區(qū)域?qū)芫€的極化電位進行遠程監(jiān)控的技術(shù)就變得十分必要了。陰極保護參數(shù)自動監(jiān)測與遠程傳輸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)埋地鋼制管道陰極保護參數(shù)定時自動監(jiān)測、采集，數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾聿块T的終端系統(tǒng)，由專業(yè)工程師進行數(shù)據(jù)的管理和分析。該系統(tǒng)大大提高了陰極保護數(shù)據(jù)的客觀性，取得的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、及時，為分析陰極保護的實際保護狀況提供準(zhǔn)確的第一手資料。
3 無線遠傳終端監(jiān)測系統(tǒng)在深圳燃氣管線的應(yīng)用
   深圳市燃氣集團股份有限公司采用某型號的無線遠傳終端監(jiān)測系統(tǒng)對次高壓管線進行了陰極保護極化電位的無線遠傳應(yīng)用試驗研究。該系統(tǒng)由無線遠程數(shù)據(jù)終端和極化測試探頭構(gòu)成，輔以相應(yīng)的軟件。陰極保護電位無線遠傳系統(tǒng)是集成了陰保檢測技術(shù)、智能儀表技術(shù)、無線通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可完成陰極保護電位的自動檢測及預(yù)處理、無線數(shù)據(jù)傳輸和服務(wù)器數(shù)據(jù)管理等功能。
3.1 陰極保護無線遠傳監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成
    構(gòu)成包括遠程檢測終端、GPRS網(wǎng)絡(luò)基站(對于采用GPRS的系統(tǒng))和主站服務(wù)器三部分。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示：

    無線遠傳系統(tǒng)在陰極保護電位的檢測中可實現(xiàn)如下功能：
    (1) 自動完成自然腐蝕電位、通電電位和斷電電位的檢測，檢測量程為-5V～+5V，精度大于±5mV；
    (2) 按指令定時檢測數(shù)據(jù)，并通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到主站服務(wù)器，檢測周期可設(shè)置為“月、周、日、時、分”；
    (3) 控制中心的服務(wù)器可以統(tǒng)一接收和存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)；
    (4) 可以通過局域網(wǎng)內(nèi)安裝的客戶端軟件進行數(shù)據(jù)查詢和管理；
    (5) 由控制中心對遠程監(jiān)測終端的運行參數(shù)進行管理，可設(shè)置參數(shù)包括終端描述符、檢測周期、斷電間隔等參數(shù)；
    (6) 采用電池供電，遠程監(jiān)測終端具有自動休眠和定時喚醒的節(jié)能功能。
   無線遠傳終端及極化測試探頭的安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。在無線遠傳系統(tǒng)安裝時，需要將無線遠傳終端埋設(shè)在需要安裝的測試樁附近，按下圖所示連接導(dǎo)線并將無線接收端天線引至測試樁頂部。
 

3.2 極化電位、雜散電流連續(xù)24小時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析
    長輸管線陰極保護系統(tǒng)中，除了日常運行所需要的陰極保護電流，絕大多數(shù)還不可避免的存在流動的雜散電流。雜散電流來源主要分為3種情況：直流雜散電流、交流雜散電流和地電流。這種干擾常導(dǎo)致管道的異常快速電解腐蝕、電擊腐蝕和系統(tǒng)嚴(yán)重十?dāng)_破壞。
    直流干擾電流的危害主要存在以下2個方面：
    (1) 腐蝕減?。弘s散電流由管道缺陷流向土壤，造成管道失去電子，腐蝕造成Fe++離子進入土壤，導(dǎo)致金屬減薄，甚至腐蝕穿孔。從電位值上表現(xiàn)為電位正移；
    (2) 涂層剝離：雜散電流南土壤流向管道，造成系列獲取電子的陰極反應(yīng)過程，在涂層表面形成堿性環(huán)境，造成涂層剝離。從電位值上表現(xiàn)為電位負移。
    交流干擾電流的危害除了超過安全電壓可能會對人生安全造成的危害外，還有對管道造成點蝕的危害，越是防腐層好的管道越是強烈。
    深圳次高壓管線全線采用犧牲陽極的陰極保護方法，南于管線與地鐵、高壓電塔和交流電氣化鐵路平行或交叉，產(chǎn)生了嚴(yán)重的交直流雜散電流干擾，埋地管線的陰極保護電位(通電電位、斷電電位)在地鐵運行期間處于雜亂狀態(tài)。為了全面掌握雜散電流干擾情況，防止可能發(fā)生的腐蝕，遂決定利用陰極保護電位無線遠傳技術(shù)對某段次高壓管線進行24h連續(xù)監(jiān)測。
    該測試樁位于公路旁邊，距電氣化鐵路200m，距高壓電塔50m，距地鐵2500m，是一處受雜散電流干擾較為典型的測試樁。測試數(shù)據(jù)圖形如圖3：

    比較通電電位、斷電電位及自然腐蝕電位可見，在干擾嚴(yán)重時間段，通電電位變化幅度大于斷電電位變化幅度，這是由于通電電位中包含雜散電流造成的IR降的影響，變化幅度從理論上要大于斷電電位。由于自然電位的試片不與管道電連接，因此，其不受管道中流入流出雜散電流的干擾，電位穩(wěn)定。有了自然電位，不僅可以用-850mV CuS04極化電位準(zhǔn)則判定，而且可以利用1OOmV極化偏移準(zhǔn)則對保護效果進行判斷陰極保護效果。通過以上各個不同時期的數(shù)據(jù)分析可以看到，無線遠程傳輸系統(tǒng)可以比較穩(wěn)定的監(jiān)測1天24h之內(nèi)的自然電位、通電電位和斷電電位的變化，對管線安全穩(wěn)定運行提供了科學(xué)的管理依據(jù)。
    通過上面的連續(xù)監(jiān)測可以看出，無線遠程終端監(jiān)測系統(tǒng)運行后，能夠定時收集該測試樁的數(shù)據(jù)，在所監(jiān)測的時間段內(nèi)，由10：30至23：35及由6：30至10：30，管道陰極保護通電電位和斷電電位均有較大的波動，其中通電電位的波動幅度明顯大于斷電電位，而在23：35至次日6：30時間段內(nèi)，監(jiān)測得到的管道通電電位及斷電電位數(shù)據(jù)穩(wěn)定，通電電位負于斷電電位，二者存在20mV左右的電壓差。對照該測試點附近地鐵的運行時間表可見，每天地鐵的運行時間為從早上6：30至晚上23：30，從晚上23：30至次日6：30，處于停運時間。對照所監(jiān)測的陰極保護參數(shù)及地鐵運行時間可見，在地鐵運行期間，管道陰極保護通/斷電電位波動較大，而在地鐵停運期間，管道電位穩(wěn)定，基本說明地鐵運行對管道造成了的雜散電流干擾。
    因此，采用陰極保護極化電位無線遠傳監(jiān)測技術(shù)不僅可以全天候的實時監(jiān)測管道電位，還能準(zhǔn)確的測量出更具有參考價值的管道極化電位，便于管理者做出正確的判斷干擾源的位置和來源，具有非常好的應(yīng)用價值。
3.3 陰極保護無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)準(zhǔn)確性測試及驗證
    燃氣管線在受到雜散電流的影響后，也有可能會對陰極保護無線遠程終端監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)出影響，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，從而影響陰極保護效果的判定，為此我們對無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)準(zhǔn)確性進行了測試及驗證。
    在現(xiàn)場利用數(shù)字式萬用表(Fluke型)和無線通信設(shè)備對同一時間點的數(shù)字式萬用表數(shù)據(jù)和無線遠程傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)做對比分析，數(shù)據(jù)如下：
    南圖4和圖5所示，南無線采集系統(tǒng)和數(shù)字萬用表測得的通/斷電電位數(shù)據(jù)是很接近的，通電電位數(shù)據(jù)誤差在15%之內(nèi)，這可能是由于此處管道受干擾較大，電位變動很快，人工記錄的時間無法完全精確同步，所以，存在一定的人為引入誤差，不完全是儀器的誤差。而斷電電位誤差基本在5%之內(nèi)。這說明所采用的無線遠傳系統(tǒng)測量結(jié)果是準(zhǔn)確的，相對于數(shù)字式萬用表測量，采用無線采集傳輸系統(tǒng)在測量通/斷電電位時可避免人為讀數(shù)造成的誤差，在長時間連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)時能夠大大減少工作人員的勞動強度，提高效率，因此，對于雜散電流干擾區(qū)的測量，無線采集傳輸系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。
 
4 結(jié)論
    采用無線遠傳技術(shù)結(jié)合極化測試探頭測試方法能夠自動采集管線陰極保護的通電電位、極化電位和自然腐蝕電位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、真實、可靠，不受天氣和時間的影響。對沿線管段的極化電位進行不間斷測量，通過系統(tǒng)終端將陰保數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄Ｂ毑块T的服務(wù)器，管理方可以準(zhǔn)確便捷的掌控全線陰極保護系統(tǒng)運行狀況，及時采取措施消除保護不達標(biāo)的“死角”。對陰極保護數(shù)據(jù)進行科學(xué)的分析整理，從而對長輸管線的陰保狀況進行全面了解和掌控。這對提高陰極保護水平，減少管線腐蝕，延長管線使用壽命有著積極意義，能有效降低管道發(fā)生腐蝕失效事故的幾率，提高管道的安全運行水平，將帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
參考文獻
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6 劉佳.陰極保護極化測試探頭結(jié)構(gòu)與性能研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2010：9-10
 
(本文作者：安成名1 牟南翔2 1.深圳市燃氣集團股份有限公司 518055；2.北京安科管道工程科技有限公司 100083)