上海燃?xì)馄謻|銷售有限公司 潘 征 趙賢平
隨著我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的變化,人們對(duì)燃?xì)獾饶茉吹男枨笤絹?lái)越旺盛。燃?xì)夤艿览锍滩粩嘣鲩L(zhǎng),由直流雜散電流引起的管道腐蝕問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻。管道陰極保護(hù)是管道日常管理的重要工作內(nèi)容,長(zhǎng)期以來(lái),由于線路長(zhǎng)、檢測(cè)點(diǎn)分散等問(wèn)題,導(dǎo)致監(jiān)控工作實(shí)施與管理難度高,工作量大。為此,我公司引入電流傳感器,在不改變?cè)瓲奚?yáng)極陰極保護(hù)回路的同時(shí)測(cè)量鎂陽(yáng)極輸出電流,同時(shí)使用極化電位測(cè)試探頭對(duì)埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)電位的測(cè)量,應(yīng)用GSM/GPRS組網(wǎng)傳輸方案將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心進(jìn)行處理分析。管理人員可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)所展示的埋地鋼制管道陰極保護(hù)狀態(tài)和統(tǒng)計(jì)的管道歷史數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)可能存在的危險(xiǎn)狀態(tài),同時(shí)也可進(jìn)行報(bào)警閾值判斷、觸發(fā)報(bào)警以及采集數(shù)據(jù)頻率的設(shè)定。若發(fā)生陽(yáng)極消耗嚴(yán)重時(shí),設(shè)備將自動(dòng)發(fā)送報(bào)警短信和微信推送報(bào)警消息,請(qǐng)求專業(yè)人員解決故障。相關(guān)巡檢人員無(wú)需自帶萬(wàn)用表和參比電極,也無(wú)需手動(dòng)填寫犧牲陽(yáng)極相關(guān)數(shù)據(jù),既減輕了巡檢人員的工作量,又提高犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性。
采用普通參比電極和常規(guī)方法測(cè)定埋地管道的極化電位時(shí),一般需要使用斷電測(cè)量法來(lái)消除土壤IR降。但是通常情況下又無(wú)法同時(shí)全部斷開陽(yáng)極與管道的連接,所以在工程上斷電測(cè)量經(jīng)常會(huì)因諸多不便而難以實(shí)施。并且當(dāng)有雜散電流干擾或由防腐層缺陷差異導(dǎo)致產(chǎn)生局部宏電池時(shí),即使采用斷電法也難以測(cè)出真實(shí)的管道極化電位。為了最大限度地消除土壤IR降以有效抑制雜散電流干擾,可以使用KR2型極化探頭測(cè)定管道極化電位,該裝置能使測(cè)量通道上的土壤IR降至極小(工程上可以忽略不計(jì)),完全不受雜散電流干擾的影響,同時(shí)也可方便地實(shí)施斷電測(cè)量,即使在雜散電流干擾區(qū)域也能簡(jiǎn)單方便地測(cè)量出真實(shí)可靠的管道極化電位。極化電位檢測(cè)示意見(jiàn)圖1。
圖1 極化電位檢測(cè)示意
如上圖1所示,當(dāng)極化探頭被置于與埋地管道相同的土壤介質(zhì)后閉合開關(guān)K,探頭底部的試片4通過(guò)導(dǎo)線并經(jīng)測(cè)試樁與埋地管道相連接并引入極化,從而使試片4與埋地管道具有相同的極化電位。當(dāng)試片4充分極化后,在斷開開關(guān)K的瞬間,使用萬(wàn)用表測(cè)量?jī)?nèi)塑料筒1中內(nèi)置的飽和硫酸銅參比電極與試片4之間的電位差即可得到試片4的極化電位。外塑料桶內(nèi)充滿惰性飽和電解質(zhì)溶液成為內(nèi)塑料筒中飽和硫酸銅參比電極的緩沖鹽橋,在外塑料桶底部設(shè)有與試片4同心的鹽橋孔3,由于鹽橋孔3的管壁很薄,其內(nèi)置的半透膜微孔陶瓷與試片4距離很近,故由此引起的IR降極小,在工程上可忽略不計(jì),即所測(cè)得的瞬時(shí)斷電電位就是管道上真實(shí)的極化電位。當(dāng)試片4與鹽橋孔3的面積之比足夠大時(shí),雜散電流干擾將完全被試片4所屏蔽而不會(huì)影響到極化電位的測(cè)量。這種結(jié)構(gòu)使KR2極化探頭在雜散電流干擾嚴(yán)重的地區(qū)實(shí)測(cè)時(shí),數(shù)值也會(huì)非常穩(wěn)定準(zhǔn)確,完全不受干擾影響。
采用最新開合式CT傳感技術(shù),雙層干擾屏蔽,不必?cái)嚅_被測(cè)線路,通過(guò)檢測(cè)被測(cè)導(dǎo)線周圍磁場(chǎng),安全、快速地非接觸測(cè)量通過(guò)被測(cè)導(dǎo)線的電流。該技術(shù)適用于高精度的直流漏電流、直流小電流的在線檢測(cè),可以連接工業(yè)控制裝置、數(shù)據(jù)記錄儀、示波器、高精度數(shù)字多用表等。
不同于改變陰極保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)有回路才能測(cè)量陽(yáng)極電流的方式,開合式CT傳感技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于不必改變被測(cè)線路,即可測(cè)量通過(guò)導(dǎo)線的電流,便于安裝及維護(hù),見(jiàn)圖2。另外傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電阻法測(cè)量陽(yáng)極電流的方法,由于測(cè)量時(shí)需要將標(biāo)準(zhǔn)電阻串入系統(tǒng)回路,多少將導(dǎo)致陽(yáng)極電流測(cè)量結(jié)果的偏差,該技術(shù)不會(huì)存在這樣的問(wèn)題。
圖2 開合式CT電流傳感器實(shí)物
根據(jù)法拉第定律對(duì)陽(yáng)極使用壽命的估計(jì),腐蝕電池中金屬隨時(shí)間的損失與電流有關(guān)系,即沉積在陰極上(或從陽(yáng)極上游離出來(lái))的任何材料的質(zhì)量與通過(guò)回路中的電荷量成正比。即
式中:W——金屬質(zhì)量損失,kg;
K——電化學(xué)當(dāng)量,kg/Aga;;
I——陽(yáng)極電流,A;
T——腐蝕時(shí)間,a。
由此,只要知道陽(yáng)極材料以及陽(yáng)極電流的輸出值,理論上就可以得出陽(yáng)極的消耗量,進(jìn)而估計(jì)其使用壽命。
當(dāng)管道某部位的防腐層由于各種原因發(fā)生脫落情況時(shí),環(huán)境介質(zhì)中的雜散電流通過(guò)犧牲陽(yáng)極和防腐層破損點(diǎn)進(jìn)入埋地管道,再?gòu)姆栏瘜恿硪惶幤茡p點(diǎn)流出,進(jìn)入環(huán)境介質(zhì),這就形成了雜散電流回路,構(gòu)成了一種電解腐蝕電池。一旦管道與干擾源形成以土壤為介質(zhì)的電流回路,管道在電流的流出點(diǎn)的電位就會(huì)升高,從而可能使得管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)失效,并在管道陽(yáng)極區(qū)發(fā)生激烈的電解腐蝕。
雜散電流由于受多種因素的影響,直接對(duì)其進(jìn)行測(cè)定比較困難,目前常用的測(cè)試技術(shù)包括管地電位偏移測(cè)試法,土壤電位梯度測(cè)試法以及電流探針測(cè)試法。當(dāng)土壤與管道中有電流流過(guò)時(shí),總會(huì)引起電位的變化,通過(guò)管地電位的偏移量可以對(duì)雜散電流的干擾強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量與評(píng)價(jià),當(dāng)管地電位偏移難以測(cè)試時(shí),也可采用測(cè)量管道附近土壤表面電位梯度來(lái)進(jìn)行雜散電流干擾強(qiáng)度的判斷,其具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下表1。
表1 雜散電流強(qiáng)度判斷參數(shù)值
歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50162—2004(Protection against corrosion by stray current from direct current systems)《直流系統(tǒng)中雜散電流引起腐蝕的防護(hù)》中推薦一種電流探針測(cè)試法對(duì)有陰極保護(hù)的結(jié)構(gòu)所受雜散電流干擾強(qiáng)度進(jìn)行判定,通過(guò)測(cè)量探針與管道之間的電流的變化來(lái)分析雜散電流的干擾強(qiáng)度。
將表面經(jīng)過(guò)絕緣防腐處理的鋼質(zhì)探針埋設(shè)于與管道同一深度處,距離宜為0.1~0.3 m,探針表面裸露面積一般宜為6.5~50 cm2。通過(guò)測(cè)試樁內(nèi)的連接板連接探針與管道,使用電流傳感器連續(xù)測(cè)量探針電流的大小與方向,一般持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為24 h。其具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下:首先確定埋地管道不受雜散電流干擾或干擾較弱的時(shí)段(如夜間)為時(shí)段A,并將該時(shí)段內(nèi)的探針電流值的均值設(shè)為基準(zhǔn)值(100%);然后確定探針電流值降幅最大的時(shí)段(即具有最正電位波動(dòng)的時(shí)段)為時(shí)段B;將時(shí)段B的時(shí)長(zhǎng)與下表中第三列(最差時(shí)長(zhǎng))作對(duì)比,并得出相應(yīng)探針電流相對(duì)于基準(zhǔn)值的百分?jǐn)?shù)%(第一列),則低于該百分?jǐn)?shù)的所有探針電流存在對(duì)管道的高腐蝕危險(xiǎn)。雜散電流檢測(cè)示意見(jiàn)圖3,電流探針測(cè)試法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。
圖3 雜散電流檢測(cè)示意
表2 電流探針測(cè)試法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)安裝環(huán)境的不同,制定了犧牲陽(yáng)極測(cè)試樁安裝與埋地安裝兩種不同的安裝方案。
犧牲陽(yáng)極在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括以下模塊:
(1)數(shù)據(jù)采集模塊
采集管道極化電位、犧牲陽(yáng)極輸出電流以及探針電流。
(2)SD卡存儲(chǔ)模塊
對(duì)采集所得的相關(guān)數(shù)據(jù)以及設(shè)備的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行SD卡本地存儲(chǔ),以便需要時(shí)可以直接取出SD卡,接入計(jì)算機(jī)即可進(jìn)行讀取。
(3)無(wú)線傳輸模塊
通過(guò)GSM/GPRS組網(wǎng)傳輸方案按照指定協(xié)議將采集所得的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器,在云端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及存儲(chǔ),同時(shí)可對(duì)設(shè)備的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程修改,以實(shí)現(xiàn)智能化在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析。
(1)云端數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)
對(duì)硬件設(shè)備上傳到云端的檢測(cè)數(shù)據(jù)及相應(yīng)設(shè)備的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行分類,存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中,并傳輸?shù)角岸司W(wǎng)頁(yè)進(jìn)行顯示。
(2)云端數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)分析
對(duì)硬件設(shè)備上傳到云端的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,通過(guò)管道極化電位,分析當(dāng)前管道的陰極保護(hù)狀況;通過(guò)陽(yáng)極輸出電流,分析陽(yáng)極的使用狀況,估計(jì)陽(yáng)極的使用壽命;通過(guò)探針電流,分析雜散電流干擾強(qiáng)度,并將相應(yīng)分析結(jié)果傳輸?shù)角岸司W(wǎng)頁(yè)進(jìn)行顯示。
(3)云端設(shè)備檢測(cè)參數(shù)修改
當(dāng)前端網(wǎng)頁(yè)的相應(yīng)設(shè)備的采樣時(shí)間及上傳時(shí)間間隔設(shè)置發(fā)生變化時(shí),更新數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)設(shè)備的檢測(cè)參數(shù),并發(fā)送相應(yīng)參數(shù)修改命令到相應(yīng)硬件設(shè)備,對(duì)設(shè)備的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程修改。
(4)網(wǎng)頁(yè)地圖顯示及設(shè)備定位
在網(wǎng)頁(yè)上調(diào)用百度地圖,顯示所有設(shè)備的具體位置,以便設(shè)備管理、維護(hù)及現(xiàn)場(chǎng)檢修。
(5)網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查詢及圖形顯示
根據(jù)輸入的設(shè)備編號(hào),將指定硬件設(shè)備上傳到云端的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)繪制成時(shí)間-數(shù)據(jù)曲線在網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行顯示,并可根據(jù)輸入的設(shè)備編號(hào)及所選擇的時(shí)間段提供指定設(shè)備在指定時(shí)間段內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)并繪制成時(shí)間/數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行顯示。
(6)網(wǎng)頁(yè)陽(yáng)極使用狀況及使用壽命估計(jì)查詢
根據(jù)輸入的設(shè)備編號(hào),將云端分析后得出的該設(shè)備安裝點(diǎn)各陽(yáng)極的使用狀況繪制成餅圖在網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行顯示,同時(shí)列出各陽(yáng)極估計(jì)使用壽命。
(7)網(wǎng)頁(yè)雜散電流干擾強(qiáng)度分析查詢
根據(jù)輸入的設(shè)備編號(hào),將該設(shè)備安裝點(diǎn)在密集采集間隔(1s/條)下,連續(xù)采集24h的探針電流數(shù)據(jù)繪制成時(shí)間-數(shù)據(jù)曲線在網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行顯示,同時(shí)按照EN-50162《直流系統(tǒng)中雜散電流引起腐蝕的防護(hù)》中規(guī)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別標(biāo)示出探針電流的基準(zhǔn)時(shí)段與探針電流值降幅最大時(shí)段,以及存在高腐蝕危險(xiǎn)的雜散電流段。
(8)網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)及歷史上報(bào)信息查詢
將各設(shè)備的實(shí)時(shí)上報(bào)信息在網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行顯示,并可根據(jù)輸入的設(shè)備編號(hào)及所選擇的時(shí)間段,提供指定設(shè)備在指定時(shí)間段的歷史上報(bào)信息查詢。
(9)網(wǎng)頁(yè)設(shè)備采樣時(shí)間及上傳時(shí)間間隔查詢與設(shè)置
根據(jù)輸入的設(shè)備編號(hào),在網(wǎng)頁(yè)上顯示指定設(shè)備的采樣時(shí)間及上傳時(shí)間間隔,并可進(jìn)行修改。
2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)直測(cè)法測(cè)得陽(yáng)極電流數(shù)據(jù)與犧牲陽(yáng)極監(jiān)測(cè)設(shè)備上傳陽(yáng)極電流數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)
某時(shí)段華夏西路測(cè)試樁現(xiàn)場(chǎng),將一帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的41/2位數(shù)字萬(wàn)用表的量程調(diào)至DC 10A檔位,并將其串入A路陽(yáng)極電流回路,同時(shí)使用該萬(wàn)用表與犧牲陽(yáng)極監(jiān)測(cè)設(shè)備采集該時(shí)段內(nèi)A路陽(yáng)極電流大小,采集頻率為1 s/次,采集時(shí)長(zhǎng)為1 h,之后將萬(wàn)用表采得數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦,與上傳到云端的犧牲陽(yáng)極主板采得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,并繪制成時(shí)間-電流曲線。
2.3.2 便攜式參比電極測(cè)得閉路電位與極化探頭測(cè)得極化電位、長(zhǎng)效參比電極測(cè)得閉路電位數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)
某時(shí)段航津路測(cè)試樁現(xiàn)場(chǎng),將一帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的萬(wàn)用表測(cè)量管道與便攜式參比電極之間的閉路電位,同時(shí)使用犧牲陽(yáng)極監(jiān)測(cè)設(shè)備采集該時(shí)段內(nèi)的管道極化電位以及管道與長(zhǎng)效參比電極之間閉路電位的大小,采集頻率為1s/次,采集時(shí)長(zhǎng)為1 h,之后將萬(wàn)用表測(cè)得數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦,與上傳到云端的犧牲陽(yáng)極監(jiān)測(cè)設(shè)備采得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,并繪制成時(shí)間-電位曲線,如圖5所示,可見(jiàn)在管道極化電位與長(zhǎng)效參比電極測(cè)得閉路電位之間還是存在一定的土壤IR降的,而使用極化探頭測(cè)得的管道極化電位則可以最大限度地消除該IR降。
圖5 航津路陽(yáng)極測(cè)試樁某時(shí)段極化電位、長(zhǎng)效參比電極及便攜式參比電極閉路電位數(shù)據(jù)對(duì)比試驗(yàn)
在飽和CO2的氯化鈉溶液中放置一根作陰極的鋼棒,在其側(cè)面放置一個(gè)作陽(yáng)極的鎂塊,將鎂塊放入水中之前進(jìn)行稱重,記錄鎂塊的初始重量,用導(dǎo)線將鋼棒與鎂塊相連,在導(dǎo)線上卡入電流傳感器,并使用犧牲陽(yáng)極主板采集陽(yáng)極電流,每隔24 h將鎂塊取出進(jìn)行酸洗,將腐蝕產(chǎn)物去除干凈后用吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)快速吹干后進(jìn)行稱重并記錄數(shù)據(jù),與根據(jù)上傳到云端的犧牲陽(yáng)極主板采得數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后得出的陽(yáng)極消耗量進(jìn)行對(duì)比分析,連續(xù)記錄數(shù)據(jù)31 d后,繪制成時(shí)間-陽(yáng)極消耗量曲線,如圖6所示,可見(jiàn)在實(shí)驗(yàn)室狀況下,除去實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鎂塊的損耗,就趨勢(shì)而言,使用法拉第定律對(duì)陽(yáng)極消耗量的估計(jì)比較準(zhǔn)確。
圖6 實(shí)驗(yàn)室陽(yáng)極消耗量估計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)
現(xiàn)實(shí)使用過(guò)程中隨著陽(yáng)極使用時(shí)間的推移,陽(yáng)極表面往往較容易生成一層不導(dǎo)電的硬殼,限制陽(yáng)極電流的輸出,即陽(yáng)極的鈍化,以使陽(yáng)極的壽命大大縮短,而導(dǎo)致該問(wèn)題的主要原因是陽(yáng)極所處位置土壤電阻率太高或填料應(yīng)用不當(dāng),導(dǎo)致陽(yáng)極表面電流密度過(guò)低,腐蝕產(chǎn)物無(wú)法移走所致,所以選擇土壤電阻率較低的陽(yáng)極床位置加上合適的填料對(duì)于陽(yáng)極的使用壽命相當(dāng)重要。
某時(shí)刻林恒路測(cè)試樁現(xiàn)場(chǎng)陽(yáng)極電流及鎂包損耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示,數(shù)據(jù)表明林恒路測(cè)試樁現(xiàn)場(chǎng)鎂包損耗較慢。
圖7 林恒路測(cè)試樁現(xiàn)場(chǎng)陽(yáng)極電流及鎂包損耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)
將某時(shí)刻張楊路測(cè)試樁與施新路測(cè)試樁分為2類進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比,其中張楊路測(cè)試樁位于地鐵沿線,受直流電車系統(tǒng)所產(chǎn)生的直流雜散電流干擾;而施新路測(cè)試樁均遠(yuǎn)離地鐵沿線,周圍不存在明顯的直流雜散電流干擾源。如圖8所示,其中位于地鐵沿線的測(cè)試樁所測(cè)得的探針電流存在明顯波動(dòng),夜間(0:00~5:00)探針電流幾乎沒(méi)有波動(dòng),為基準(zhǔn)時(shí)段;日間地鐵運(yùn)行期間,探針電流波動(dòng)較為劇烈,其中早高峰(7:00~9:30)與晚高峰(17:00~19:30)時(shí)段,探針電流值降幅最大,雜散電流干擾最為明顯。而結(jié)合極化電位來(lái)看,由于現(xiàn)階段相應(yīng)測(cè)試樁的極化電位均在正常范圍之內(nèi),說(shuō)明管道防腐層情況較好,雜散電流干擾并未對(duì)管道造成實(shí)質(zhì)影響。而遠(yuǎn)離地鐵沿線的測(cè)試樁所測(cè)得的探針電流全天均較為平緩,日間與夜間的波動(dòng)情況并無(wú)明顯區(qū)別,受雜散電流干擾并不明顯。
圖8 張揚(yáng)路測(cè)試樁現(xiàn)場(chǎng)探針電流實(shí)例數(shù)據(jù)
高精度犧牲陽(yáng)極電流監(jiān)測(cè)技術(shù)極大地降低了犧牲陽(yáng)極人工測(cè)量所帶來(lái)的誤差,使測(cè)得數(shù)據(jù)更加精確。在不改變被測(cè)線路,測(cè)量通過(guò)導(dǎo)線的電流,相比于傳統(tǒng)的使用參比電極測(cè)量管地電位的方法,用參比電極測(cè)量管地電位來(lái)監(jiān)測(cè)陰極保護(hù)狀態(tài)的方法可以使測(cè)量通道上的土壤IR降減至極小,同時(shí)完全不受雜散干擾電流的影響。同時(shí)高精度犧牲陽(yáng)極電流監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)及通訊科技,其全天候的數(shù)據(jù)采集與上傳功能可節(jié)省許多傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計(jì)的時(shí)間,實(shí)現(xiàn)了對(duì)埋地管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控,保證了陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、完整性、準(zhǔn)確性,在腐蝕發(fā)生前及時(shí)處理,延長(zhǎng)管道壽命,消除事故隱患,為燃?xì)怃撡|(zhì)管道的安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。