柯呂雄，鄒道標(biāo)，李大全，劉　凱，湯海江，王全祿

(1．中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東湛江　524057；2．海洋石油工程股份有限公司，天津　300452)

0　引言

目前海洋平臺(tái)水下部分結(jié)構(gòu)廣泛采用的腐蝕防護(hù)方法是防腐涂層和陰極保護(hù)的聯(lián)合方法。在防腐系統(tǒng)保護(hù)下，海洋平臺(tái)表面的保護(hù)狀態(tài)可由一些參數(shù)來表征，主要包括保護(hù)電位、保護(hù)電流密度、陽(yáng)極電流和陽(yáng)極電壓的測(cè)量。保護(hù)電位的大小直接關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)效果的好壞，應(yīng)該避免電位過正(欠保護(hù))和電位過負(fù)(過保護(hù))的情況。針對(duì)電位測(cè)量的特點(diǎn)，自主研制出一套適用于我國(guó)海洋平臺(tái)水下檢測(cè)的電位儀，并在潿洲11-4D平臺(tái)水下檢測(cè)中進(jìn)行實(shí)海應(yīng)用。

1　電位測(cè)量原理

在陰極保護(hù)工程中，施加陰極保護(hù)后的結(jié)構(gòu)物表面電位(即保護(hù)電位)是判斷陰極保護(hù)系統(tǒng)有效性及保護(hù)程度的一個(gè)極其重要的參數(shù)。從電化學(xué)角度，這種測(cè)量是通過參比電極實(shí)現(xiàn)的；從海洋工程角度，將這種參比電極加以適當(dāng)處理可制成專用的測(cè)量探頭。

1.1保護(hù)電位

當(dāng)保護(hù)電位偏正，會(huì)出現(xiàn)析氫現(xiàn)象，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的保護(hù)效果。當(dāng)保護(hù)電位偏負(fù)時(shí)，消耗的電量加大不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)“過保護(hù)”問題。因此，保護(hù)電位應(yīng)選取在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。我國(guó)將海洋鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)電位定為-0．77～1．05 V(相對(duì)于飽和甘汞參比電極)。

1.2參比電極

參比電極是作為基準(zhǔn)電位的電極。影響參比電極的主要因素包括溫度、光線、電解質(zhì)濃度和雜質(zhì)玷污等。

不同的參比電極在測(cè)量保護(hù)電位時(shí)所需達(dá)到的最小保護(hù)電位是不同的，目前使用較多的是Ag/AgCl電極、飽和甘汞電極、高純鋅參比電極，飽和CuSO4等，其參比電極的部分參數(shù)如表1所示。

表1　幾種常見參比電極及其相關(guān)參數(shù)

根據(jù)以上分析，在海水環(huán)境中，Ag/AgCl電極是比較理想的電極，并且可以應(yīng)用到深海環(huán)境中，因此選用Ag/AgCl作為電位測(cè)量?jī)x參比電極。

2　國(guó)內(nèi)外電位儀研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)適合潛水員水下操作的電位儀產(chǎn)品較少，中國(guó)鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所曾介紹了一種槍式水下電位儀，并有專利，但現(xiàn)在沒有相應(yīng)的產(chǎn)品。上海交通大學(xué)海洋研究所針對(duì)跨海大橋防腐檢測(cè)需要，研制了一款SDC-8100型水下電位測(cè)量?jī)x，其測(cè)法是把參比電極浸到海水中需要進(jìn)行電位測(cè)量的位置，在水面以上用萬(wàn)用表，電導(dǎo)儀等高輸入阻抗的電表測(cè)量電位。

國(guó)外比較成熟的產(chǎn)品有英國(guó)Buckleys(UVRAL)Ltd．生產(chǎn)的BCM電位儀，深水公司生產(chǎn)的Polatrak CP Gun電位儀，均為便于水下操作的槍式結(jié)構(gòu)，電位測(cè)量采用了輸入阻抗較高的電壓表頭，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸及處理功能?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)海洋石油水下檢測(cè)行業(yè)基本上都是使用BCM電位儀。

3　自主研制電位儀研制

針對(duì)我國(guó)海洋環(huán)境，自主研制一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可在渾濁水下電位測(cè)量的電位儀，采用STM32單片機(jī)控制，高精度的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電位測(cè)量，RS-485完成長(zhǎng)距離通訊。通過電位儀手柄電纜接頭與電纜連接，將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至水面控制器，并由上位機(jī)控制程序?qū)崿F(xiàn)電位的水上顯示和記錄，數(shù)據(jù)處理和打印工作。電位儀也可單獨(dú)測(cè)量，測(cè)量前使用短接封堵頭將手柄電纜接頭短路，由電位儀內(nèi)置電池供電進(jìn)行水下檢測(cè)，并由LED數(shù)碼管顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。電位儀整體框圖如圖1所示。

圖1　水下電位儀電路框圖

電源送入電路主板后，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換模塊變化為電路中需要的電壓，送入各芯片。電路的主控制芯片為STM32單片機(jī)，ADC采用外接基準(zhǔn)源來提高測(cè)量準(zhǔn)確性。外接電位測(cè)試探頭將模擬信號(hào)送入AD623放大器中，AD623將模擬信號(hào)緩沖后，送入主芯片內(nèi)的ADC中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后得到的電壓值將直接顯示在數(shù)碼管上。

為徹底解決渾水環(huán)境下電位測(cè)量難點(diǎn)，特開發(fā)一套集攝像、顯示于一體的水下攝像系統(tǒng)，如圖2所示。低照度攝像頭獲取的監(jiān)視圖像通過同軸電纜進(jìn)行傳輸，經(jīng)視頻放大器放大信號(hào)，一路通過采集卡進(jìn)行攝像部分，另外一路將AV信號(hào)轉(zhuǎn)換為VGA信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步VGA輸出和攝像功能。

圖2　電位儀和低照度水下攝像機(jī)集成框圖

4　自主電位儀的應(yīng)用

自主研制的電位儀在潿洲11-4D平臺(tái)水下檢測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行了測(cè)試，使用自主研制的電位儀對(duì)平臺(tái)桿件及陽(yáng)極進(jìn)行電位測(cè)量，為使測(cè)量結(jié)果具有可比性，潛水員同時(shí)攜帶進(jìn)口BCM電位儀分別對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行電位測(cè)量。

4．1電位儀校準(zhǔn)

在使用電位儀前，為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，需對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。電位儀校準(zhǔn)儀器包括1．999 V電子校準(zhǔn)器、飽和甘汞電極和高純鋅塊。

4.1.1電子校準(zhǔn)器

用來檢查電位儀的電子部分。當(dāng)電子校準(zhǔn)器連接到電位儀后，若電位儀內(nèi)部的電子設(shè)備工作正常，校準(zhǔn)器將產(chǎn)生一個(gè)直流1．999 V的精確電壓。

4.1.2飽和甘汞電極

使用飽和甘汞電極檢驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果是否準(zhǔn)確。

校準(zhǔn)步驟：甘汞電極與電位儀探頭處連接，使用短接封堵頭將電位測(cè)量?jī)x密封，將儀器放入海水中浸泡10～15 min，確保水位覆蓋整個(gè)前部椎體。甘汞電極與內(nèi)部Ag/AgCl之間產(chǎn)生的電壓差穩(wěn)定后，讀取數(shù)據(jù)。

4.1.3高純鋅塊

使用鋅試塊可以快速的檢查水下電位計(jì)。由于不同地點(diǎn)海水的鹽濃度的不同，以及由于海水溫度的變化，讀數(shù)之間誤差10 mV是很可能出現(xiàn)的。作為一個(gè)參考，在25 ℃環(huán)境溫度的3%的鹽溶液中，測(cè)量的讀數(shù)應(yīng)為：

Zinc(Zn)=1.00-1.05 V

4.2測(cè)點(diǎn)選擇

該次電位測(cè)量測(cè)點(diǎn)選擇遵循選擇最危險(xiǎn)區(qū)域的原則，包括管節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)離陽(yáng)極塊，保護(hù)層局部損壞的區(qū)域，以及消耗異常的陽(yáng)極及附近結(jié)構(gòu)。陽(yáng)極和桿件分別選取11處測(cè)點(diǎn)進(jìn)行電位測(cè)量，選擇的測(cè)點(diǎn)能客觀反映導(dǎo)管架的保護(hù)狀況。

4．3桿件電位測(cè)量

在每個(gè)桿件測(cè)點(diǎn)處選取3、6、9、12點(diǎn)測(cè)量電位，分別同時(shí)使用巴氏電位儀和自主研制電位儀測(cè)量電位值，測(cè)量結(jié)果詳見示意圖。按照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，平臺(tái)桿件的正常保護(hù)電位應(yīng)在-800～1 020 mV之間(所用參比電極為Ag/AgCl電極)。本次11處桿件電位測(cè)量，基本分布在-970～1 040 mV區(qū)間，桿件電位基本顯示正常，部分桿件電位存在過保護(hù)現(xiàn)象。

圖5　桿件電位分布示意圖

由桿件電位分布可以看出，巴氏電位儀測(cè)量值與自主研發(fā)電位儀測(cè)量值差值基本分布在-2～7 mV以內(nèi)，滿足電位儀研制目標(biāo)中電位儀誤差不超過±5 mV的目標(biāo)。

4．4導(dǎo)管架陽(yáng)極電位測(cè)量

每個(gè)陽(yáng)極選取中間和兩邊共3個(gè)點(diǎn)，分別同時(shí)使用巴氏電位儀和自主研發(fā)電位儀測(cè)量電位值，測(cè)量結(jié)果詳見示意圖。根據(jù)規(guī)范要求，陽(yáng)極塊上的電位值是-1 000～1 100 mV(Ag/AgCl電極)之間。本次11處陽(yáng)極電位測(cè)量，基本分布在-1 000～1 100 mV區(qū)間，陽(yáng)極電位顯示正常。

由陽(yáng)極電位分布可以看出，巴氏電位儀測(cè)量值與自主研發(fā)電位儀測(cè)量值差值基本分布在-5～4 mV以內(nèi)，滿足電位儀研制目標(biāo)中電位儀誤差不超過±5 mV的目標(biāo)。

5　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)電位測(cè)量的特點(diǎn)，自主研制出我國(guó)首款成產(chǎn)品的適用于我國(guó)海洋平臺(tái)水下檢測(cè)的電位測(cè)量?jī)x，產(chǎn)品自帶LED數(shù)碼顯示，有纜模式加微光攝像頭，可在渾水環(huán)境下進(jìn)行電位測(cè)量。在潿洲11-4D平臺(tái)水下檢測(cè)中進(jìn)行實(shí)海應(yīng)用證實(shí)，自主研制的電位儀性能穩(wěn)定，滿足水下結(jié)構(gòu)物電位測(cè)量的要求，達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品水平。

圖6　陽(yáng)極電位分布示意圖

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