埋地鋼質管道風光電互補網絡式防腐系統(tǒng)研究

摘 要

摘要：設計了單片機控制系統(tǒng)，用神經模糊自適應控制方法和風光電互補的供電模式，對埋地鋼質管道實行網絡式檢測與防腐一體化。論述了風光電互補網絡式防腐系統(tǒng)的硬件結構和功能、
摘要：設計了單片機控制系統(tǒng)，用神經模糊自適應控制方法和風光電互補的供電模式，對埋地鋼質管道實行網絡式檢測與防腐一體化。論述了風光電互補網絡式防腐系統(tǒng)的硬件結構和功能、軟件設計、控制算法。
關鍵詞：埋地鋼質管道；風光電互補；網絡式防腐；自適應控制；陰極保護；雜散電流；排流：檢測與防腐一體化
Study on Wind-solar-electricity Hybrid Anti-corrosion System for Buried Steel Pipeline
LIU Qilong，LI Longjiang，TAO Wenliang，YANG Gang，HUANG Fuhui
Abstract：The single chip microcomputer control system is designed，and the detection and anticorrosion of buried steel pipeline is integrated using neuro-fuzzy self-adaptive control method and wind-sorlar-electricity hybrid mode.The hardware structure and function，software design and control algorithm for wind-solar-electricity hybrid anti-corrosion system are described.
Key words：buried steel pipeline；wind-solar-electricity hybrid；networking anti-corrosion；self-adaptive control；cathode protection；stray current；electrical drainage；detection and anti-corrosion integration
1 概述
    我國已建成投入運營長輸油氣管道6.2×104km，海底管道逾3000km。這些鋼質管道敷設在地下，與地鐵、輕軌、電纜等縱橫交錯，數(shù)量多，環(huán)境復雜。引起管道失效泄漏的主要表現(xiàn)形式為腐蝕穿孔，管道一旦失效將造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。我國大部分鋼質管道處于埋設15年以上的高風險期，面臨著腐蝕防護的難題。傳統(tǒng)的防腐方法主要有涂層防腐、排流保護、犧牲陽極陰極保護、強制電流陰極保護、陽極保護等[1～5]。
    對于埋地鋼質管道，防腐涂層容易在運輸和安裝的過程中受到損害。經研究發(fā)現(xiàn)，在防腐涂層破損處，管道呈陽極區(qū)，其腐蝕速率比其他區(qū)域大得多，因此，防腐涂層只能部分緩解腐蝕。
    雜散電流是指在設計或規(guī)定回路以外流動的電流[6]，管道雜散電流是指外界非規(guī)定流動的電流，經過土壤流進管道一側，然后從管道另一側流出。電流從土壤進入金屬管道的地方帶有負電，流入區(qū)域稱為管道陰極區(qū)。在陰極區(qū)如果管地電位過負，比-1350mV更負時，管道表面會析出大量氫，造成防腐層破壞和脫落，從而加劇陰極區(qū)的腐蝕破壞。當雜散電流由管道的某一點流出時，管道帶正電，這一區(qū)域稱為管道陽極區(qū)。在陽極區(qū)如果管地電位過正，大于-850mV時，鋼管以鐵離子的形式溶入周圍介質中，因此陽極區(qū)的管道受到嚴重腐蝕[7]。目前雜散電流常用的測試技術包括檢查片腐蝕監(jiān)測法、管地電位正向偏移法、管地電位連續(xù)監(jiān)測法、雜散電流干擾探針測試法、地電位梯度檢測法、SCM智能雜散電流測繪儀等[8～12]。傳統(tǒng)的方法為“點”檢測或“線”檢測，“面”檢測剛剛起步[13]。排除雜散電流的方法有直接排流法和引流法，這些方法往往會產生新的雜散電流，從而使管道周圍的金屬構筑物加劇腐蝕破壞，造成二次腐蝕。
   基于上述因素，本文提出一種全新的埋地鋼質管道防腐方法，用風光電互補網絡式防腐系統(tǒng)(以下簡稱防腐系統(tǒng))，通過互聯(lián)網絡短信平臺，使防腐系統(tǒng)和公司主機有機結合起來，全面解決埋地鋼質管道的防腐問題。
2 風光電互補網絡式防腐系統(tǒng)硬件結構
   鋼質管道風光電互補網絡式防腐系統(tǒng)高效節(jié)能地對鋼質管道進行保護，使管道受環(huán)境的腐蝕降低到最低程度，使用風光電互補供電方式，主要實現(xiàn)10m內風光電網絡式防腐系統(tǒng)與筆記本電腦自由通信，筆記本電腦接收系統(tǒng)發(fā)出的狀態(tài)數(shù)據、管道腐蝕種類識別與雜散電流自動面檢測[13]，雜散電流排流和陰極保護一體化防腐，與公司上位機間實現(xiàn)動態(tài)短信發(fā)送，驅動柔性陽極，操作顯示一體化等。
2.1 各功能模塊硬件設計及主要功能
   為了實現(xiàn)系統(tǒng)各部分功能，設計一個以單片機為核心控制模塊的防腐系統(tǒng)，分為9個功能模塊，分別為單片機模塊、數(shù)據采集模塊、野外監(jiān)控模塊、顯示模塊、一體化防腐模塊、無線檢測和短信模塊、風光電互補電源模塊、時鐘模塊、按鍵模塊。系統(tǒng)硬件結構見圖1。

   ① 單片機模塊：單片機模塊采用性能優(yōu)越的飛思卡爾公司提供的MC9S12XS128MAA單片機芯片，80管腳LQFP貼片封裝。其特點為自帶12位模數(shù)轉換，自帶看門狗電路，導電類型為雙極型，工作溫度為-40～80℃，并能在潮濕的環(huán)境下工作。單片機模塊是系統(tǒng)的核心模塊，主要協(xié)調和驅動各個模塊的工作。
    ② 數(shù)據采集模塊：主要實現(xiàn)腐蝕識別的數(shù)據采集，數(shù)據采集方法為五點面檢測法[13]，主要數(shù)據有管道的陰陽極狀態(tài)、管道上流過的微小雜散電流、管地電位和地電位梯度。
    ③ 野外監(jiān)控模塊：野外監(jiān)控模塊由單片機驅動攝像頭，增配微波感應探頭，可以對防腐設備周圍20m2的范圍進行探測，并通過無線檢測和短信模塊以短信方式傳送圖片到公司的上位機電腦，其主要目的是監(jiān)控管道周圍是否有非法開挖、盜管、偷氣等現(xiàn)象發(fā)生，可實現(xiàn)夜間監(jiān)控，解決埋地鋼質管道夜間巡查難的問題，提高連續(xù)監(jiān)測的效率。
    ④ 顯示模塊：顯示模塊選用221.4mm×124.5mm壓電式觸摸液晶顯示屏，主要顯示數(shù)據采集過程的狀態(tài)值和最終處理值，并實現(xiàn)人性化的觸摸動作指令。其顯示任務有顯示管道的陰陽極、管道與金屬構筑物的電位、管道流動的微電流、管地電位和地電位梯度、自動排流的狀態(tài)數(shù)據、管地電位-時間曲線、交流電位-時間曲線、雜散電流方向、無線發(fā)送短信狀態(tài)、顯示幫助等。顯示分為4個區(qū)域，左上角顯示各功能模塊的原理及原理圖，右上區(qū)域顯示設置值和狀態(tài)值，左下區(qū)域為顯示內容選單，右下區(qū)域為鍵盤。顯示內容示例見圖2。
 

   ⑤ 一體化防腐模塊：一體化防腐模塊主要由單片機驅動的防腐電路組成，為腐蝕情況檢測與防腐一體化硬件設備。當數(shù)據采集模塊采集的管地電位不在[-1350mV，-850mV]區(qū)間，系統(tǒng)自動判斷鋼質管道屬于哪種腐蝕，并啟動強制電流保護系統(tǒng)。若管道受到雜散電流腐蝕，則啟動強制電流雜散電流排流；若管道不受雜散電流腐蝕，則啟動柔性陽極強制電流陰極保護。
    ⑥ 無線檢測和短信模塊：無線檢測和短信模塊選用GSM無線收發(fā)模塊，無線收發(fā)模塊有發(fā)送端和接收端，發(fā)送端和單片機相連接，接收端和上位機連接，上位機設計有接收軟件。無線檢測和短信模塊主要實現(xiàn)與筆記本電腦進行10m距離內數(shù)據檢測狀態(tài)傳輸、無線進行防腐系統(tǒng)參數(shù)設置和用短信的形式傳送防腐狀態(tài)數(shù)據，傳送數(shù)據用相應的上位機軟件處理。短信發(fā)送要求實現(xiàn)每24 h給公司監(jiān)控主機發(fā)送1次，發(fā)送的內容為管道腐蝕檢測和防腐的狀態(tài)數(shù)據、發(fā)送始端機號、故障報告等。
    ⑦ 風光電互補電源模塊：系統(tǒng)的供能方式是風光電互補電源(民用220V交流電源、風光互補發(fā)電電源兩種電源相互補充供電)，電源模塊經過逆變器進行逆變，升壓電路進行升壓并儲存，雙通路濾波、整流和變壓，最終達到各個單元模塊的用電要求。風光電互補供電模塊含有電源模塊控制器，其作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。電源模塊控制器核心控制為單片機控制，對電源電壓進行檢測，優(yōu)選電源為風光互補電源，當風光互補電源供能欠缺時，再自動啟動民用220V交流電源作為補充。
    ⑥ 時鐘模塊：時鐘模塊主要實現(xiàn)腐蝕狀況循環(huán)檢測計時及一體化防腐計時。
    ⑨ 按鍵模塊：按鍵模塊有檢測周期設定按鈕、系統(tǒng)啟停按鈕、排流電流設置按鈕、手動排流和自動排流操作按鈕。
2.2 防腐系統(tǒng)外圍設備設計及安裝運行
    埋地鋼質管道風光電互補網絡式防腐系統(tǒng)一般在野外工作，系統(tǒng)設有防雷器。系統(tǒng)各個模塊的電子元件設備設在控制箱體內，即單片機模塊、數(shù)據采集模塊、顯示模塊、時鐘模塊、按鍵模塊、一體化防腐模塊、無線檢測和短信模塊放置在箱體里，野外監(jiān)控模塊和風光電互補電源模塊在箱體外部，模塊間通過電路連接，箱體設置電磁屏蔽和防水裝置。系統(tǒng)設計有升級口和程序寫入口。接線口要求用標準接線口，方便接線。系統(tǒng)有通風設計，控制箱體壁面有兩個小型風扇，為保證系統(tǒng)長時間工作，設置一個溫度傳感器，當溫度高于30℃時啟動風扇。系統(tǒng)的各個主要部件的設計要求模塊化，設計壽命為20年，若有損壞，要求更換方便。
    為操作簡單化和防止人為破壞，每臺鋼質管道風光電互補網絡式防腐系統(tǒng)安裝在高度為7m的鋼質支撐桿上，距地面不得低于5m，其安裝實物用見圖3。
 

    風力發(fā)電機和太陽能帆板的功率選取要根據安裝地的風力條件、光照條件和具體的防腐電流來確定。鋼質管道風光電互補網絡式防腐系統(tǒng)運行時，通過風力發(fā)電機和太陽能帆板發(fā)電，通過蓄電池儲存電能，并接通輔助市電電源，組成風光電互補電池儲模塊，給防腐系統(tǒng)供電。防腐系統(tǒng)啟動后，自動檢測鋼質管道的腐蝕情況，并啟動軟件決策系統(tǒng)，對鋼質管道進行防腐蝕保護。防腐系統(tǒng)的無線檢測和短信模塊把數(shù)據傳輸給10m內支撐桿下的筆記本電腦。同時每24h實時發(fā)送1次狀態(tài)數(shù)據給公司電腦或防腐主管部門。筆記本電腦的上位機軟件可以設置防腐系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，對每個防腐系統(tǒng)進行實時監(jiān)控和更改參數(shù)。
3 防腐系統(tǒng)軟件設計
    鋼質管道風光電互補網絡式防腐系統(tǒng)軟件主要有硬件驅動程序軟件、上位機短信和數(shù)據接收軟件、10m距離防腐系統(tǒng)與筆記本電腦自由通信軟件。硬件驅動程序軟件用KeilC51開發(fā)系統(tǒng)，編制程序使單片機驅動各個模塊正常工作。
    上位機短信和數(shù)據接收軟件用Visual Basic 6.0開發(fā)軟件，實現(xiàn)上位機和單片機控制的無線檢測和短信模塊通信。上位機能夠接收防腐系統(tǒng)無線檢測和短信模塊發(fā)送的數(shù)據，能夠升級，能夠顯示系統(tǒng)的狀態(tài)，能夠處理檢測數(shù)據和防腐實時數(shù)據，能繪制管地電位-時間曲線和管地電位-距離曲線，進行交流雜散電流電壓分布分析，雜散電流的大小、方向、類型的判斷分析。每次處理內容都自動按時間順序保存文件，保存歷史檢測數(shù)據。并提供打印接口，和打印機相連打印狀態(tài)數(shù)據或處理數(shù)據。上位機一般為IBM服務器，有強大的數(shù)據庫軟件處理系統(tǒng)，一臺上位機能夠同時處理50個以上的防腐系統(tǒng)發(fā)送的實時數(shù)據，并能進行長期的跟蹤分析，保存2年歷史數(shù)據，生成腐蝕狀況檢測報表和防腐狀態(tài)報表、每個防腐系統(tǒng)的功耗報表等。并能進行每臺防腐系統(tǒng)的故障報警，保存歷史數(shù)據并能實現(xiàn)繪圖和打印。10m距離防腐系統(tǒng)與筆記本電腦自由通信軟件同樣用Visual Basic 6.0開發(fā)軟件，軟件有人性化界面，有強大的后臺數(shù)據處理系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)防腐系統(tǒng)和筆記本電腦自由通信并實現(xiàn)無線指令控制。一方面，在10m范圍內，筆記本電腦可以接收防腐系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據，并分析狀態(tài)數(shù)據，檢查測試防腐系統(tǒng)的各個模塊功能；另一方面，筆記本電腦可以給防腐系統(tǒng)發(fā)送指令，實現(xiàn)防腐系統(tǒng)的啟停，設置防腐系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)(數(shù)據采集頻率、防腐電流設定)等。這樣工作人員在野外操作時簡單快捷，用筆記本電腦就可實現(xiàn)防腐系統(tǒng)的檢修及維護，不用攀爬，降低風險。
4 控制算法
   埋地鋼質管道風光電網絡式防腐系統(tǒng)的控制算法為神經模糊自適應智能控制。定義管地電位的檢測值為5個區(qū)間，根據其對管道腐蝕的影響程度，其值劃分為優(yōu)、良、中、差、劣5個區(qū)間，用高斯隸屬度函數(shù)來表征管地電位對管道的腐蝕影響，其表達式見式(1)。
 
式中μ(u)——隸屬度函數(shù)
    u——管地電位檢測值
    a——隸屬函數(shù)的中心
    σ——隸屬函數(shù)的寬度
   通過實驗研究可知，對于管地電位檢測值U，不同的區(qū)間對管道的腐蝕影響不一樣。當管地電位從-850mV向正的方向偏移時，管道被腐蝕；當管地電位從-1350mV向負的方向偏移時，在陰極區(qū)將發(fā)生析氫反應，對管道的防腐涂層起剝離作用；在區(qū)間(-1350mV，-850mV)時管地電位達到國家標準，此時管道的腐蝕影響為最小，對防腐涂層的影響作用也最小，定義此區(qū)間的管地電位值為優(yōu)；在(-850mV，-630mV)區(qū)間，管道有輕微的腐蝕作用；在(-1550mV，-1350mV)區(qū)間，管道的陰極區(qū)將發(fā)生析氫反應，對管道防腐涂層有輕微的剝離作用，此時定義管道的腐蝕影響是良。如此類推，管地電位全部的區(qū)間影響程度見表1。
 

    定義管地電位檢測偏差為E，偏差變化率為dE/dt(t為時間)。當偏差變化率小時，管地電位的值隨著時間的變化不大，對管道的影響小，防腐電流也??；當偏差變化率大時，管道受到很大的交變電場的作用，且不穩(wěn)定，這對管道的腐蝕影響非常嚴重，防腐電流就要求大。把輸入域分為負大(NB)、負中(NM)、負小(NL)、零(ZO)、正小(PL)、正中(PM)、正大(PB)，輸出值為防腐電流信號Ip，根據專家經驗和模糊合成，用MATLAB7.0軟件的模糊推理規(guī)則生成庫，神經模糊控制模糊推理規(guī)則為if-and-then結構，根據推理方法，防腐系統(tǒng)軟件決策系統(tǒng)共有32條模糊推理規(guī)則，部分如下：
   if E is NB and dE/dT is NB，then Ip is NB；
if E is NB and dE/dT is NM，then Ip is NL；
…
   if E is NB and dE/dT is NL，then Ip is NB.
   神經模糊自適應智能控制算法是綜合了模糊邏輯和神經網絡的自適應學習算法，有自適應匹配和修改模糊推理規(guī)則、響應快、偏差小、魯棒性小等優(yōu)點。神經模糊自適應控制器算法結構框圖見圖4。
    圖4中，F(xiàn)NC表示神經模糊自適應控制器，A/D表示模數(shù)轉換器，D/A表示數(shù)模轉換器，Ke表示偏差系數(shù)，Kec表示偏差變化率系數(shù)，E表示偏差，Ec表示偏差變化率，Ku表示防腐調整系數(shù)，Ip表示實際防腐電流，f表示干擾信號。干擾信號f來源于大地磁場的波動、土壤的濕度和松緊度變化、季節(jié)的變更以及野外強電電位突變等。干擾信號的出現(xiàn)，將影響鋼質管道管地電位的檢測值且改變管道的腐蝕狀況。
    FNC神經模糊自適應控制器結構為兩個回路，一個回路為學習算法回路。防腐系統(tǒng)FNC控制器在工作前，管地電位的歷史運行值從比較單元1取值，管地電位運行值對應的防腐電流的值從被控對象管道處取值，取值后在比較單元2處匯合，經過歸一化處理和模糊推理合成，以結點加合的方式輸入離線學習回路，通過MATLAB神經網絡工具箱，編程對FNC進行離線學習和訓練，生成模糊推理規(guī)則庫，獲得初始的偏差系數(shù)Ke、偏差變化率系數(shù)Kec及防腐調整系數(shù)Ku輸出。圖4中2條斜線表示離線狀態(tài)的模糊推理規(guī)則庫輸出、離線防腐調整系數(shù)輸出，訓練完畢，自動保存訓練數(shù)據。
    另一個回路為防腐系統(tǒng)工作回路，為二輸入一輸出的系統(tǒng)，其中輸入值為給定值區(qū)間和管地電位的檢測值相比較的偏差值E和檢測值隨著時間變化的偏差變化率E。輸出值為執(zhí)行變量U(t)。防腐系統(tǒng)工作時，先通過數(shù)據檢測模塊檢測到管地電位值，通過模數(shù)轉換器轉換成數(shù)字量，然后和標準區(qū)間管地電位值[-1350mV，-850mV]相比較，得到偏差值E，同時進行本次檢測和上一次檢測相比較，得到偏差變化率值Ec。
    若偏差值和偏差變化率值在設定范圍，防腐系統(tǒng)的控制算法FNC將不動作，防腐電流狀態(tài)將按照模糊推理規(guī)則庫進行匹配運行。偏差值和偏差變化率值不在設定范圍內時，將啟動神經模糊自適應控制器FNC，進行在線學習，按照偏差值和偏差變化率值重新在線修正偏差系數(shù)和偏差變化率系數(shù)，改變模糊推理規(guī)則，重新匹配防腐調整系數(shù)，重新確定防腐電流，直到使管地電位檢測值達到標準的管地電位值[-1350mV，-850mV]區(qū)間，并一直保持在這個區(qū)間范圍內，直到有新的干擾出現(xiàn)。這樣就對管道進行最佳的保護，使管道受腐蝕影響降低到最低程度。
 
5 應用效果
    使用本系統(tǒng)進行管道的全面保護，設備結構簡單，利用了風光電互補，使用清潔能源，減少市電的使用量，減少巡線人員，全面提升管道運營的可靠性。本系統(tǒng)已在貴陽市某段埋地燃氣管道上試用，節(jié)約電能效果明顯，受到了燃氣企業(yè)的好評，目前正推廣使用。
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(本文作者：劉起龍1 李龍江2 陶文亮3 楊剛1 黃富惠3 1.貴州燃氣(集團)有限責任公司 貴州貴陽 550001；2.貴州大學 礦業(yè)學院 貴州貴陽 550003；3.貴州大學 化學工程學院 貴州貴陽 550003)