李 琳，劉孟哲，王一丁

(西安石油大學(xué) 陜西省油氣井測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

引 言

管道一般采用金屬材質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)較為活潑，在埋地或裸露環(huán)境中易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，造成油氣資源的泄露或者管道服役期限的縮短。電化學(xué)防腐是保護(hù)油氣管道的主要方法之一。我國在1958年引入陰極保護(hù)技術(shù)，有效抑制了電化學(xué)腐蝕，但面對智慧化管道的建設(shè)，陰極保護(hù)的檢測和控制技術(shù)仍需提高[1]。近年來，采用單片機(jī)技術(shù)等雖然大大提高了陰極保護(hù)裝置的測量精度，但實(shí)際意義不大且依然沒有完全實(shí)現(xiàn)裝置的自動化閉環(huán)控制[2]。目前應(yīng)用于油氣管道的陰極保護(hù)裝置仍然是一種開環(huán)型裝置，存在的主要問題是裝置體積較大，保護(hù)電源輸出的自動控制程度不高，需要人工定期采集參比電位的變化[3]，并據(jù)此人工調(diào)節(jié)電源電流、電壓的輸出，以確保參比電位保持在保護(hù)范圍之內(nèi)[4]。針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32微控制器的閉環(huán)型陰極保護(hù)裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)了多通道采集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測管道參比電壓是否因受外界條件影響發(fā)生改變而偏離保護(hù)范圍，單片機(jī)能夠即時(shí)通過分析計(jì)算，控制程控電源，輸出最優(yōu)保護(hù)電壓，使管道參比電位持續(xù)保持在設(shè)定保護(hù)范圍之內(nèi)。相比于市場上的開環(huán)型裝置，本文研發(fā)的閉環(huán)型裝置陰極保護(hù)效果更好，具有良好的市場前景。

1 裝置整體方案設(shè)計(jì)

陰極保護(hù)裝置輸出電壓正極與輔助陽極相連[5]，輔助陽極通過土壤與管道一端相連，管道另一端作為陰極與裝置的輸出負(fù)極和零位接陰相連，飽和硫酸銅溶液參比電極作為管道參比電壓的參考地與裝置參比電極相連[5]，其置于管道周圍土壤之中[6]?，F(xiàn)場布局如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場布局Fig.1 Site layout

該裝置是具備閉環(huán)控制的自動化裝置[7]，其閉環(huán)測控原理如圖2所示。信號調(diào)理部分與AD轉(zhuǎn)換部分形成反饋通路傳送數(shù)據(jù)到微控制器，微控制器對AD轉(zhuǎn)換的參比數(shù)據(jù)與給定范圍進(jìn)行分析并通過PI控制算法計(jì)算后，控制程控電源向管道輸出最優(yōu)電壓以實(shí)現(xiàn)裝置性能。國家管道參比電位標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)范圍為-0.85～-1.2 V，據(jù)此該裝置將參比電位保護(hù)區(qū)間設(shè)定為-0.9～-1.1 V，裝置通過閉環(huán)測控實(shí)現(xiàn)對參比電位的動態(tài)跟蹤，DA轉(zhuǎn)換以0.1 V步進(jìn)的形式實(shí)現(xiàn)對程控電源的離散區(qū)間控制，保證程控電源輸出不會頻繁變動?？刂瞥炭仉娫吹妮敵鲭妷撼掷m(xù)將參比電位穩(wěn)定在此區(qū)間以實(shí)現(xiàn)管道的持續(xù)防腐。

圖2 裝置閉環(huán)測控原理Fig.2 Closed-loop measurement and control schematic diagram of device

裝置整體構(gòu)架方案設(shè)計(jì)如圖3所示，該裝置由6部分組成，即信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、STM32微控制器、DA控制、程控電源以及輔助電源。信號調(diào)理將管道參比電位、電源輸出電壓、電流的信號值降低以達(dá)到AD采集模塊的采集范圍之內(nèi)，AD采集通過ADS1256芯片完成對信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，微控制器接收AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行比對，發(fā)出數(shù)字信號到DA，微控制器通過DA轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對程控電源的離散控制，串口通信實(shí)現(xiàn)與站控系統(tǒng)的通信，程控電源向管道輸出相應(yīng)的電壓，輔助電源為各芯片供電[8]。

圖3 裝置構(gòu)架原理Fig.3 Framework schematic diagram of the device

2 裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號調(diào)理部分

該裝置程控電源的輸出規(guī)格為0～20 A的電流與0～24 V的電壓，AD芯片的電壓輸入范圍為0～5 V，因此，分別采用霍爾電流傳感器ACS712-20與四運(yùn)算放大器LM324將程控電源0～20 A的電流值及0～24 V的電壓值同時(shí)轉(zhuǎn)化至AD轉(zhuǎn)換部分0～5 V的輸入范圍內(nèi)，參比電位的信號也需要利用LM324放大至AD轉(zhuǎn)換部分0～5 V的輸入范圍內(nèi)。

2.2 AD轉(zhuǎn)換部分

AD轉(zhuǎn)換部分與信號調(diào)理部分形成反饋通路將參比電位以及程控電源輸出電壓、電流信號傳送到單片機(jī)。AD芯片選用ADS1256[9]，在本設(shè)計(jì)中采用該芯片4路差動輸入[10]。ADS1256的基準(zhǔn)電壓芯片選用ADR431,該芯片基準(zhǔn)電源的輸出比較穩(wěn)定,能夠適合5 V系統(tǒng)的低噪聲解決方案，其初始最大誤差為±0.04%，適用于16位以上的AD轉(zhuǎn)換芯片。

2.3 單片機(jī)及串口通信電路

該裝置為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)算速度快、輔助功能多、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，主控MCU選用微控制器STM32F103C8T6[11]。且隨著大數(shù)據(jù)智能管道系統(tǒng)的發(fā)展，在未來陰極保護(hù)裝置將與站控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信，因此預(yù)留串口通信電路，串口芯片選用MAX232。

2.4 DA轉(zhuǎn)換部分

微控制器發(fā)出的信號通過DA轉(zhuǎn)換輸出給定值以實(shí)現(xiàn)對程控電源的控制，DA芯片選用10位模擬電壓輸出的TLC5615[12]。TLC5615低功耗、-40～85 ℃工作溫度范圍的特點(diǎn)適用于管道系統(tǒng)。

2.5 電源部分

電源部分分為輔助電源部分與程控電源部分。輔助電源部分：220 V交流市電通過AC-DC模塊輸出正負(fù)12 V直流電為LM324供電，12 V通過AMS1117系列模塊為微控制器與轉(zhuǎn)換芯片供電，5 V通過REF192輸出2.5 V為TLC5615提供基準(zhǔn)電壓。程控電源部分：采用0～5 V輸入控制輸出0～24 V的開關(guān)電源，該電源規(guī)格為24 V/20 A，DA的輸出值作為程控電源的給定值。

3 軟件設(shè)計(jì)

硬件部分以微控制器為核心完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、傳輸與分析處理。而軟件設(shè)計(jì)的目的是使微處理器協(xié)調(diào)各硬件部分功能逐個(gè)實(shí)現(xiàn)、彼此配合。

主程序開始之后，系統(tǒng)對ADS1256芯片進(jìn)行初始化，在主函數(shù)中的無限循環(huán)中微控制器按照MODBUS協(xié)議發(fā)送指令，接收AD模塊返回的數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行解析，判斷實(shí)際參比電位是否處于設(shè)定保護(hù)區(qū)間，超出保護(hù)區(qū)間將喚醒單片機(jī)發(fā)送指令至TLC5615，TLC5615D/A轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)實(shí)際參比電位值高于或低于保護(hù)區(qū)間來增加0.1 V電壓或減少0.1 V電壓輸出。如此通過每次循環(huán)改變D/A模塊的輸出電壓來控制程控電源施加在管道上的電壓，以保證參比電位穩(wěn)定在最優(yōu)保護(hù)區(qū)間[13]，軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程Fig.4 Software flow chart

4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建與測試結(jié)果

為了檢驗(yàn)開發(fā)的陰極保護(hù)裝置性能，構(gòu)建了模擬土壤變化的環(huán)境。金屬腐蝕過程的本質(zhì)是電化學(xué)的氧化還原反應(yīng)，在實(shí)際環(huán)境中，溫度、濕度以及鹽堿度等諸多因素都會導(dǎo)致管道的參比電位產(chǎn)生變化，最終導(dǎo)致管道腐蝕速率變化，此諸多因素變化集中表現(xiàn)為管道土壤酸堿度的變化[14]，因此配置了pH值不同的模擬土壤水溶液來模擬管道周圍變化的土壤環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)將3段相同材質(zhì)的1.2 m長管道分別置于模擬土壤的水溶液中，一段管道不加保護(hù)，另外兩段管道分別采用開環(huán)型裝置與閉環(huán)型裝置對其進(jìn)行保護(hù),這兩種保護(hù)裝置均以pH值為6.5時(shí)電源輸出值作為初始值啟動保護(hù)。每隔24 h調(diào)整水溶液pH值并對上述3段管道對應(yīng)的參比電位進(jìn)行記錄，記錄數(shù)據(jù)見表1。模擬土壤水溶液pH值共分為5檔，分別為4、5、6.5、8和9。

表1 參比電位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of reference potential

5 分析與結(jié)論

根據(jù)表1繪制模擬土壤水溶液調(diào)整pH值時(shí)其管道參比電位變化曲線圖(圖5)。通過圖5可以看出，在采用開環(huán)型裝置保護(hù)時(shí)，pH值一旦發(fā)生改變偏向弱酸或弱堿時(shí)，參比電位會偏離保護(hù)范圍，此時(shí)管道難以得到有效保護(hù)。在采用閉環(huán)型裝置保護(hù)時(shí)，無論管道參比電位隨pH值的變化如何改變，該裝置都能對其進(jìn)行自動動態(tài)跟蹤，使其一直保持在較優(yōu)受保護(hù)范圍內(nèi)。圖6為96 h后3組管道腐蝕狀態(tài)對比。從圖6可以看出，閉環(huán)型裝置保護(hù)效果明顯優(yōu)于開環(huán)型裝置。

圖5 參比電位變化曲線Fig.5 Reference potential changing curve

本文研發(fā)的管道參比電位動態(tài)跟蹤陰極保護(hù)裝置較好地解決了傳統(tǒng)陰極保護(hù)裝置對參比電位調(diào)節(jié)不及時(shí)且耗費(fèi)大量人力的問題，有助于提高對油氣管道的陰極保護(hù)效率，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 腐蝕狀態(tài)對比Fig.6 Comparison of corrosion states under different protection conditions