陰極保護(hù)極化電位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)在城市燃?xì)夤芫€的應(yīng)用研究

摘 要

摘要：本文介紹了一種新型的陰極保護(hù)極化電位無(wú)線遠(yuǎn)傳技術(shù)在深圳燃?xì)夤芫€上的應(yīng)用研究。該技術(shù)采用極化測(cè)試探頭監(jiān)測(cè)管道極化電位，改變了傳統(tǒng)采用通電電位判斷陰極保護(hù)準(zhǔn)則的觀
摘要：本文介紹了一種新型的陰極保護(hù)極化電位無(wú)線遠(yuǎn)傳技術(shù)在深圳燃?xì)夤芫€上的應(yīng)用研究。該技術(shù)采用極化測(cè)試探頭監(jiān)測(cè)管道極化電位，改變了傳統(tǒng)采用通電電位判斷陰極保護(hù)準(zhǔn)則的觀念。并通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)，管理人員可實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程掌監(jiān)控管道陰極保護(hù)真實(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管線陰極保護(hù)的科學(xué)管理。
關(guān)鍵詞：無(wú)線遠(yuǎn)傳；極化測(cè)試探頭；陰極保護(hù)；燃?xì)夤芫€
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(dá)國(guó)家的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國(guó)民生產(chǎn)總值的2%～4%[2]。陰極保護(hù)與涂層的聯(lián)合應(yīng)用是國(guó)際上公認(rèn)的埋地管道防蝕技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]，管地界面極化電位是判斷陰極保護(hù)有效性的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。然而由于現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)行部門(mén)的日常管理中，通常是以管地通電電位來(lái)進(jìn)行判斷陰極保護(hù)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(shí)的反映管地界面極化電位[4]，因而也無(wú)法準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)管道陰極保護(hù)的有效性。因此，準(zhǔn)確便捷的測(cè)量和記錄極化電位對(duì)于保證陰極保護(hù)技術(shù)的有效實(shí)施具有非常重要的意義。
2 極化測(cè)試探頭技術(shù)與無(wú)線遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)技術(shù)
    埋地鋼質(zhì)管道采用陰極保護(hù)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(shí)極化電位很難準(zhǔn)確測(cè)量[5]。目前消除IR降的常規(guī)測(cè)試方法是瞬間斷電法。所謂瞬間斷電法是指瞬間斷開(kāi)陰極保護(hù)電流(此時(shí)電流I值為零)而測(cè)得的斷電電位值。瞬間斷電法測(cè)得的斷電電位近似等于極化電位。
    瞬間斷電法的準(zhǔn)確測(cè)試需要具備以下3個(gè)基本條件：①多套陰保系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)同步斷開(kāi)；②所有與管道相連的均壓線均應(yīng)斷開(kāi)；③沒(méi)有雜散電流的干擾[6]。在管線的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和管理中，特別是在犧牲陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)中很難將管線所有的陰極保護(hù)系統(tǒng)同步通斷，這給斷電電位的準(zhǔn)確測(cè)試造成一定的困難。另外由于瞬間斷電電位的測(cè)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(cè)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(cè)試方法。
    近年來(lái)，一種新興的陰極保護(hù)電位測(cè)量技術(shù)——極化測(cè)試探頭技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到人們的關(guān)注。極化測(cè)試探頭能夠同時(shí)測(cè)量被保護(hù)構(gòu)件的自然腐蝕電位和陰極保護(hù)斷電電位，在測(cè)量中能夠使測(cè)量通道上的IR降減至極小(工程上可以忽略不計(jì))且不受雜散干擾電流的影響，所以，使用該探頭測(cè)量得到的斷電電位可以近似為極化電位。
    極化測(cè)試探頭由內(nèi)置參比電極、自然腐蝕測(cè)試試樣、極化測(cè)試試樣、微滲封端、電纜等部件組成，可在不斷開(kāi)管道現(xiàn)有陰保系統(tǒng)連接的情況下實(shí)現(xiàn)自然腐蝕電位及陰極保護(hù)極化電位測(cè)量，具有抗雜散電流能力強(qiáng)、服役壽命長(zhǎng)及實(shí)地測(cè)量簡(jiǎn)便易行等特點(diǎn)。極化測(cè)試探頭采用與待測(cè)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(cè)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(diǎn)的極化電位；自然腐蝕試片不與管道連接，所測(cè)電位代表類似土壤環(huán)境中管道的自然腐蝕電位。極化測(cè)試探頭中試片尺寸小，為一孤立的點(diǎn)，參比電極又與試片間通過(guò)合理結(jié)構(gòu)使之盡可能接近，所以，斷開(kāi)電流后，陰極保護(hù)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(cè)得的斷電電位符合陰極保護(hù)準(zhǔn)則，那么當(dāng)防腐層的缺陷小于試片的面積時(shí)，該缺陷也能得到有效的陰極保護(hù)。
    在管線實(shí)際維護(hù)中，經(jīng)常因種種原因?qū)е聵O化電位的測(cè)量困難。比如：通過(guò)極化測(cè)試探頭測(cè)量管道的極化電位需要足夠的極化時(shí)間，一般極化時(shí)間為48h或者更長(zhǎng)的時(shí)間；在雜散電流干擾嚴(yán)重的地方，極化電位還會(huì)隨時(shí)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(jìn)行斷電電位的測(cè)試；此外，在某些重點(diǎn)腐蝕區(qū)域需要進(jìn)行連續(xù)的電位監(jiān)測(cè)。
    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(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的技術(shù)就變得十分必要了。陰極保護(hù)參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)埋地鋼制管道陰極保護(hù)參數(shù)定時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、采集，數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾聿块T(mén)的終端系統(tǒng)，由專業(yè)工程師進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理和分析。該系統(tǒng)大大提高了陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的客觀性，取得的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、及時(shí)，為分析陰極保護(hù)的實(shí)際保護(hù)狀況提供準(zhǔn)確的第一手資料。
3 無(wú)線遠(yuǎn)傳終端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在深圳燃?xì)夤芫€的應(yīng)用
   深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司采用某型號(hào)的無(wú)線遠(yuǎn)傳終端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)次高壓管線進(jìn)行了陰極保護(hù)極化電位的無(wú)線遠(yuǎn)傳應(yīng)用試驗(yàn)研究。該系統(tǒng)由無(wú)線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端和極化測(cè)試探頭構(gòu)成，輔以相應(yīng)的軟件。陰極保護(hù)電位無(wú)線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)是集成了陰保檢測(cè)技術(shù)、智能儀表技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可完成陰極保護(hù)電位的自動(dòng)檢測(cè)及預(yù)處理、無(wú)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(hù)無(wú)線遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成
    構(gòu)成包括遠(yuǎn)程檢測(cè)終端、GPRS網(wǎng)絡(luò)基站(對(duì)于采用GPRS的系統(tǒng))和主站服務(wù)器三部分。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示：

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

3.2 極化電位、雜散電流連續(xù)24小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析
    長(zhǎng)輸管線陰極保護(hù)系統(tǒng)中，除了日常運(yùn)行所需要的陰極保護(hù)電流，絕大多數(shù)還不可避免的存在流動(dòng)的雜散電流。雜散電流來(lái)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(gè)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(jìn)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(guò)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(fù)移。
    交流干擾電流的危害除了超過(guò)安全電壓可能會(huì)對(duì)人生安全造成的危害外，還有對(duì)管道造成點(diǎn)蝕的危害，越是防腐層好的管道越是強(qiáng)烈。
    深圳次高壓管線全線采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)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(hù)電位(通電電位、斷電電位)在地鐵運(yùn)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(hù)電位無(wú)線遠(yuǎn)傳技術(shù)對(duì)某段次高壓管線進(jìn)行24h連續(xù)監(jiān)測(cè)。
    該測(cè)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(cè)試樁。測(cè)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(jiàn)，在干擾嚴(yán)重時(shí)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(duì)保護(hù)效果進(jìn)行判斷陰極保護(hù)效果。通過(guò)以上各個(gè)不同時(shí)期的數(shù)據(jù)分析可以看到，無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)可以比較穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)1天24h之內(nèi)的自然電位、通電電位和斷電電位的變化，對(duì)管線安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了科學(xué)的管理依據(jù)。
    通過(guò)上面的連續(xù)監(jiān)測(cè)可以看出，無(wú)線遠(yuǎn)程終端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行后，能夠定時(shí)收集該測(cè)試樁的數(shù)據(jù)，在所監(jiān)測(cè)的時(shí)間段內(nèi)，由10：30至23：35及由6：30至10：30，管道陰極保護(hù)通電電位和斷電電位均有較大的波動(dòng)，其中通電電位的波動(dòng)幅度明顯大于斷電電位，而在23：35至次日6：30時(shí)間段內(nèi)，監(jiān)測(cè)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(fù)于斷電電位，二者存在20mV左右的電壓差。對(duì)照該測(cè)試點(diǎn)附近地鐵的運(yùn)行時(shí)間表可見(jiàn)，每天地鐵的運(yùn)行時(shí)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(yùn)時(shí)間。對(duì)照所監(jiān)測(cè)的陰極保護(hù)參數(shù)及地鐵運(yùn)行時(shí)間可見(jiàn)，在地鐵運(yùn)行期間，管道陰極保護(hù)通/斷電電位波動(dòng)較大，而在地鐵停運(yùn)期間，管道電位穩(wěn)定，基本說(shuō)明地鐵運(yùn)行對(duì)管道造成了的雜散電流干擾。
    因此，采用陰極保護(hù)極化電位無(wú)線遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅可以全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道電位，還能準(zhǔn)確的測(cè)量出更具有參考價(jià)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(lái)源，具有非常好的應(yīng)用價(jià)值。
3.3 陰極保護(hù)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性測(cè)試及驗(yàn)證
    燃?xì)夤芫€在受到雜散電流的影響后，也有可能會(huì)對(duì)陰極保護(hù)無(wú)線遠(yuǎn)程終端監(jiān)測(cè)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(hù)效果的判定，為此我們對(duì)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性進(jìn)行了測(cè)試及驗(yàn)證。
    在現(xiàn)場(chǎng)利用數(shù)字式萬(wàn)用表(Fluke型)和無(wú)線通信設(shè)備對(duì)同一時(shí)間點(diǎn)的數(shù)字式萬(wàn)用表數(shù)據(jù)和無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)做對(duì)比分析，數(shù)據(jù)如下：
    南圖4和圖5所示，南無(wú)線采集系統(tǒng)和數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)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(dòng)很快，人工記錄的時(shí)間無(wú)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(shuō)明所采用的無(wú)線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果是準(zhǔn)確的，相對(duì)于數(shù)字式萬(wàn)用表測(cè)量，采用無(wú)線采集傳輸系統(tǒng)在測(cè)量通/斷電電位時(shí)可避免人為讀數(shù)造成的誤差，在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)能夠大大減少工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高效率，因此，對(duì)于雜散電流干擾區(qū)的測(cè)量，無(wú)線采集傳輸系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。
 
4 結(jié)論
    采用無(wú)線遠(yuǎn)傳技術(shù)結(jié)合極化測(cè)試探頭測(cè)試方法能夠自動(dòng)采集管線陰極保護(hù)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(shí)、可靠，不受天氣和時(shí)間的影響。對(duì)沿線管段的極化電位進(jìn)行不間斷測(cè)量，通過(guò)系統(tǒng)終端將陰保數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄Ｂ毑块T(mén)的服務(wù)器，管理方可以準(zhǔn)確便捷的掌控全線陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，及時(shí)采取措施消除保護(hù)不達(dá)標(biāo)的“死角”。對(duì)陰極保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的分析整理，從而對(duì)長(zhǎng)輸管線的陰保狀況進(jìn)行全面了解和掌控。這對(duì)提高陰極保護(hù)水平，減少管線腐蝕，延長(zhǎng)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(yùn)行水平，將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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(本文作者：安成名1 牟南翔2 1.深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 518055；2.北京安科管道工程科技有限公司 100083)