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摘要

摘要：論述了埋地燃氣管道雜散電流五點檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點。該檢測方法實現(xiàn)雜散電流在線實時檢測，不但能檢測雜散電流的類別，而且還能檢測雜散電流的大小和方向。關(guān)

摘要：論述了埋地燃氣管道雜散電流五點檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和特點。該檢測方法實現(xiàn)雜散電流在線實時檢測，不但能檢測雜散電流的類別，而且還能檢測雜散電流的大小和方向。

關(guān)鍵詞：埋地燃氣管道；雜散電流；檢測；腐蝕與防腐；五點檢測法

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

通過對城市埋地燃氣管道失效機理的研究發(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)計或規(guī)定回路以外流動的電流^[1]，管道雜散電流是指外界非規(guī)定流動的電流，經(jīng)過土壤流進管道，然后從管道另一處流出。電流從土壤進入金屬管道的地方帶有負電，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，比-1350mV更負時，管道表面會析出大量氫，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，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(zhì)中，因此陽極區(qū)的管道受到嚴重腐蝕^[2]。由于城市埋地燃氣管道、高壓電力線、電氣化鐵路、地鐵輕軌、地下電纜等多種管線縱橫交錯，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試技術(shù)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為中心，向四周立體衰減擴散，在泄漏點的周圍會形成不規(guī)則有勢電場，并從土壤電阻率小的方向傳播。傳統(tǒng)雜散電流的檢測方法是基于“點”檢測(檢測范圍在一個點上，通常是檢測一個點的管地電位)和“線”檢測(檢測范圍在一條直線上，通常是檢測管道的地電位梯度)，不能全面檢測雜散電流的流動方向和作用域。本文提出一種新的雜散電流檢測方法——五點檢測法，把檢測范圍從點、線檢測擴展到面檢測，克服傳統(tǒng)雜散電流的檢測缺陷，提高雜散電流的檢測精度。

2 雜散電流五點檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)“面”的檢測要求，設(shè)計一個以單片機為核心控制模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由9個部分組成，分別為單片機模塊、時鐘模塊、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別電路，雜散電流五點檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

單片機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，單片機還設(shè)有看門狗電路、串行EEPROM芯片等，單片機模塊是五點檢測系統(tǒng)的核心模塊，主要協(xié)調(diào)各個模塊的工作。時鐘模塊主要實現(xiàn)循環(huán)檢測的計時。按鍵模塊有檢測周期設(shè)定按鈕(用來調(diào)整和設(shè)置雜散電流檢測時的檢測周期和一次檢測任務(wù)的檢測時間)、直流檔檢測按鈕(用來設(shè)置直流雜散電流的檢測顯示)、交流檔檢測按鈕(用來設(shè)置交流雜散電流的檢測顯示)。考慮到野外檢測用電的特殊要求，電源模塊設(shè)計為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任務(wù)時提供檢測電源；第2種方式是通過檢測系統(tǒng)的電源接口與手提電腦的兩個USB接口連接，實現(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，最終達到各個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和兩個焊接在管道上的數(shù)據(jù)測試樁0₁和0₂組成5個數(shù)據(jù)采集點1、2、3、4、5。點1連接數(shù)據(jù)采集通道IN₁，點2連接數(shù)據(jù)采集通道IN₄，點3連接數(shù)據(jù)采集通道IN₅，點4連接數(shù)據(jù)采集通道IN₂，點5連接數(shù)據(jù)采集通道IN₃，主要實現(xiàn)管道管地電位和地電位梯度的5點面檢測。為了獲得穩(wěn)定的輸入信號，參比電極的3個引出端必須進行運算放大器電路信號變換，用本征電位輸入調(diào)理電路來進行濾波等相應(yīng)操作，同時在測量時還需要一個埋地金屬構(gòu)筑物極化電位輸出調(diào)理電路來過濾測量過程中產(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，主要是把數(shù)據(jù)采集得到的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，再送入單片機儲存器儲存并分析。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(D/A轉(zhuǎn)換)為備用模塊，選用ACL7315模塊，主要是把單片機送來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，驅(qū)動后繼排流模塊工作。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。直流交流種類識別電路主要識別雜散電流的種類。

3 五點檢測系統(tǒng)的工作原理

3.1 雜散電流五點檢測系統(tǒng)簡介

雜散電流五點檢測法是一種雜散電流“面”的檢測方法，同時分別檢測圖1中點1、2、3、4、5的電位，5個點在同一平面上。在進行雜散電流檢測時，檢測管道對地電位用近參比法，3支永久性飽和Cu-CuS0₄參比電極呈邊長為1m的等邊三角形垂直安放在5個點所在的平面上，參比電極的測試探頭用土壤壓實，灑少許水，保持一定的土壤濕度，兩根測試樁0₁和0₂相距1m并焊接在管道上，5個點通過引線接入數(shù)據(jù)采集通道IN₁～IN₅。在檢測的過程中，數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號通過放大、調(diào)理、濾波變換后得到穩(wěn)定的輸出信號，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轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，送入單片機模塊進行數(shù)據(jù)處理，處理的值通過顯示模塊進行顯示。

3.2 檢測頻率設(shè)定與主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)雜散電流的作用特性，在檢測的過程中，執(zhí)行檢測任務(wù)要2min的時間才能穩(wěn)定下來，因此檢測1次時間設(shè)定為5min。數(shù)據(jù)的采集周期可由按鍵模塊進行設(shè)定，默認周期為5s，通過周期設(shè)定按鈕實現(xiàn)循環(huán)設(shè)置。當(dāng)單擊周期設(shè)定按鈕時檢測周期以5s的步長遞增，如此循環(huán)上調(diào)，當(dāng)上調(diào)到1min時，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)工程實際，管道雜散電流的發(fā)生源在一定的時間范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定，在執(zhí)行長時間的檢測任務(wù)時，若雜散電流的產(chǎn)生和作用環(huán)境不變，檢測初期周期一般為默認值，待穩(wěn)定后周期可以調(diào)大，把采集周期調(diào)到1d。雜散電流五點檢測系統(tǒng)在檢測過程中，規(guī)定從點4到點5的方向為正，點5到點4的方向為負。對各種雜散電流的檢測范圍為：直流雜散電流，-10～+10V，相對誤差為0.1%；交流雜散電流，0～220V，相對誤差為0.1%；管道上流過雜散電流，-1～1A，相對誤差為0.1%。

3.3 檢測任務(wù)

雜散電流五點檢測系統(tǒng)不僅能檢測埋地鋼質(zhì)管道的管地電位和地電位梯度大小和方向，而且還能檢測到管道兩測試樁之間的微電流的大小和方向。在測量的過程中，點1點2之間，點2點3之間，點1點3之間，可以檢測到相應(yīng)兩點的地電位梯度V_1,2、V_2,3、V_1,3，單位為mV/m；通過點2點4，點3點5可以檢測到4點和5點的管地電位V_2,4、V_3,5，單位為mV，取兩點管地電位V_2,4、V_3,5的平均值即可得到管地電位的大小。根據(jù)SY/J 32—1988《電力線路對埋地鋼質(zhì)管道交流電干擾測試方法》，管道上微小雜散電流計算公式如下：

式中I——管道受雜散電流影響流動的微電流，A

V_4,5——4、5兩點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——管道的長度，m

為了測定兩個測試樁之間的電位差平均值V_4,5，在檢測的過程中先設(shè)定檢測的周期和一次檢測的時間，然后進行檢測，其電位差平均值V_4,5按式(2)計算。

式中V₅——點5電位，V

V₄——點4電位，V

n——在檢測時間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)讀取次數(shù)

V_4,5測定結(jié)束后，再測定式(1)中的其他參數(shù)，即可計算出管道上微小的雜散電流。

通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，各種雜散電流源對管道的影響并不是單一的，當(dāng)檢測直流雜散電流時，也有一定量的交流雜散電流流過管道，當(dāng)檢測交流雜散電流時，也有一定量的直流雜散電流流過管道，只是檢測值要小得多。為了全面檢測出雜散電流的影響，雜散電流五點檢測系統(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別電路，識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)字量在顯示模塊進行顯示。

3.4 雜散電流種類和方向的判斷

雜散電流五點檢測法的優(yōu)勢在于能判斷雜散電流的種類和方向。在檢測過程中，用點4的管地電位V_2,4和點2、3的地電位梯度V_2,3判斷雜散電流的種類和方向。當(dāng)V_2,4的值在[-1350mV，-850mV]區(qū)間，且不波動變化，V_2,3的值在自然地電位梯度范圍內(nèi)，在某一個方向上也不變化，則說明埋地燃氣管道沒有受到雜散電流的干擾；當(dāng)V_2,4和V_2,3的值在某一個方向上經(jīng)過了5個檢測周期后的值為一恒定值，或者在某一個范圍內(nèi)波動的幅度很小，且V_2,4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)V_2,3為正時，管道受到的直流雜散電流方向為4→5；當(dāng)V_2,3為負時，管道受到的直流雜散電流方向為5→4。當(dāng)V_2,4和V_2,3的值在某一個方向上經(jīng)過了5個檢測周期后的值大小和方向都在變化，或者在某一個范圍內(nèi)呈現(xiàn)周期性的變化，V_2,4不在[-1350mV，-850mV]區(qū)間，V_2,3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V_2,4和地電位梯度V_2,3來判斷，此時用管道上4、5兩點的平均電位差比；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，這個周期變化的微電流對管道的作用方向怎樣，必須檢測管道上4、5兩點的微電流，的方向。根據(jù)式(1)和式(2)，微電流I的方向和V_4,5的方向一致，因此檢測V_4,5即可判斷交流雜散電流的方向。當(dāng)V_4,5為正時，管道受到的交流雜散電流方向為4→5，當(dāng)V_2,4為負時，管道受到交流雜散電流方向為5→4。當(dāng)V_2,4和V_2,3的值在某一個方向上經(jīng)過了5個檢測周期后的值大小和方向都在變化，或者在某一個范圍內(nèi)呈現(xiàn)周期性的變化，V_2,4不在[-1350mV，-850mV]區(qū)間，V_2,3出現(xiàn)無規(guī)律的變化，長時間無法穩(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，此時通過檢測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)檢測的雜散電流在設(shè)備檢測的測量范圍之外時，系統(tǒng)自動報警，此時LCD顯示屏顯示“超出儀器的檢測范圍，雜散電流過大，請查找雜散電流源頭并做相應(yīng)的防止處理”。

4 五點檢測法的特點

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方法改變了傳統(tǒng)的點測量和線測量，用面測量來測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)簡單，體積小，檢測精度高，可連續(xù)檢測，檢修和維護方便，為雜散電流的檢測提供了一種高效和科學(xué)的檢測方法，實現(xiàn)了從點線監(jiān)測到面監(jiān)測的一體化過程，能檢測埋地燃氣管道的管地電位和地電位梯度，自動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檢測法用在現(xiàn)場埋地燃氣管道雜散電流檢測，在測量過程中，選取DN 300mm在役埋地燃氣管道，在10m管長的范圍，通強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行有方向的供電。供電的兩端用兩個碳電極把電流導(dǎo)入土壤中，兩個碳電極相距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3，五點檢測法的檢測安裝方式如圖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及雜散電流流出的點進行檢測，通強電模擬雜散電流氛圍時，檢測分為交流檔和直流檔顯示。表1為自然狀態(tài)下檢測的管地電位和地電位梯度，表2為通直流為5、10、15、20、25V時的管地電位和地電位梯度，表3為通交流5、10、15、20、25V時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直流檔和交流檔的管地電位和地電位梯度。通過實地測量表明，雜散電流五點檢測法不僅能很好地檢測管道雜散電流的種類，還能檢測直流檔和交流檔雜散電流的大小和方向，五點法能運用于管道雜散電流的檢測中。