唐趙林

（中海福建天然氣有限責(zé)任公司，福建 莆田 351100）

0 引言

由于管道直埋在土壤中時，管道表面存在陰極與陽極之間的電位差，導(dǎo)致產(chǎn)生腐蝕電流，金屬作為陽極反應(yīng)失去電子變成Fe2+離子，管道發(fā)生腐蝕。陰極保護通過恒電位儀或犧牲陽極向管道施加陰極保護電流，消除管道表面陽極與陰極之間的電位差，管道腐蝕得到抑制。目前陰極保護被廣泛應(yīng)用在石油、天然氣、化工等領(lǐng)域，陰極保護的管道電位是評價陰極保護有效性的最有效方式。傳統(tǒng)的陰極保護電流檢測方式主要以人工萬用表測量，一般每隔3個月測量一次，但人工方式不能及時反映陰極保護的有效性，所以在檢測間隔時間范圍內(nèi)可能存在陰極保護電位不達標(biāo)的情況，管道處于腐蝕風(fēng)險之中。隨著計算機技術(shù)和無線傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，陰極保護電位的測量在很多運營企業(yè)都開始采用遠程采集與無線傳輸?shù)脑诰€監(jiān)測方式，電位測量的間隔由原來的幾個月一次，降低為一天一次甚至為一小時一次，大大提高了管道陰極保護的可靠性與有效性[1-3]。

陰極保護在線監(jiān)測系統(tǒng)通過服務(wù)器端開放數(shù)據(jù)庫接口實現(xiàn)與SCADA 系統(tǒng)的對接，它以地理信息系統(tǒng)（GIS）為管理平臺，以SQL-SERVER 數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，通過后臺服務(wù)程序，完成GIS 空間數(shù)據(jù)與遙測遙控關(guān)系數(shù)據(jù)的整合，實現(xiàn)基于GIS/GPRS 的陰極保護在線監(jiān)控。監(jiān)測系統(tǒng)以公共無線數(shù)據(jù)通訊方式（GPRS）和有線通訊方式相結(jié)合的方式為數(shù)據(jù)傳輸手段，實現(xiàn)對管道被保護狀況的在線檢測[1]。

陰極保護智能無線遠程監(jiān)測設(shè)備多安裝在農(nóng)田，山區(qū)等野外，很容易被第三方施工破壞以及人為損壞和被盜。目前管道運營方主要采用機械固定結(jié)合人工巡查的方式進行防盜，但普遍存在對現(xiàn)場情況反應(yīng)不及時及難以追蹤破壞人員等問題。智能陰極保護測試樁一旦被盜或者人為損壞時不能及時發(fā)現(xiàn)和定位，將造成公司財產(chǎn)造成重大損失，也極大的增加了管道運行安全隱患。另外，由于陰極保護測試樁內(nèi)往往連接有犧牲陽極、管道測試線纜、試片連接線纜、參比電極連接線纜等，一旦遠程監(jiān)測設(shè)備破壞或被盜，管道的陰極保護存在失效風(fēng)險，管道處于腐蝕風(fēng)險之中[3-5]。

因此，針對當(dāng)前現(xiàn)狀，本文提出了一種用于測試樁的防盜定位報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)針對測試樁的人為觸動和損壞，當(dāng)設(shè)備有震動或位移時能馬上觸發(fā)報警，并通過衛(wèi)星信號無線遠程發(fā)送到云端，同時并啟動定位跟蹤功能，從而有效解決設(shè)備的防盜定位和人為破壞的問題。同時結(jié)合電位測量預(yù)警技術(shù)，在電位測量連續(xù)出現(xiàn)開路或無窮大的情況時，可以初步判斷測試樁已存在被盜、破壞或故障的情況，實現(xiàn)測試樁報警系統(tǒng)的冗余備份，即在震動或位移傳感器本身出現(xiàn)故障時，仍可以實現(xiàn)測試樁狀態(tài)的預(yù)警，并與運維人員及時掌握測試樁的運行情況。

1 技術(shù)方案實施

這種用于智能電位測試樁的防盜定位報警系統(tǒng)，將基于現(xiàn)有的陰保智能電位測試樁進行技術(shù)改造。該技術(shù)的具體實施方案為：

（1）在現(xiàn)有陰極保護測試樁的監(jiān)測主板上增加震動傳感器，一旦有震動或位移傾斜時儀器都可立即自動喚醒遠傳設(shè)備；（2）在遠傳板上增加GPS定位器，當(dāng)發(fā)生震動觸發(fā)報警后自動將設(shè)備的GPS坐標(biāo)位置自動時時傳輸至終端設(shè)備；（3）系統(tǒng)采用雙電源形式，一路電源采用電池外置供電，另一路電源采用平板電池內(nèi)置在主板上供電；（4）當(dāng)監(jiān)測主板檢測到設(shè)備震動、位移或者外置電池被拔掉，便會立即觸發(fā)喚醒模式，并發(fā)送坐標(biāo)定位及信息；（5）在外置天線被拔掉后，內(nèi)置天線能繼續(xù)發(fā)送坐標(biāo)定位數(shù)據(jù)，終端設(shè)備配置短信網(wǎng)關(guān)，收到報警信號后發(fā)送短信至指定的一個或多個手機。

2 技術(shù)原理

技術(shù)原理如圖1～圖5所示，陰保智能電位測試樁的防盜定位報警系統(tǒng)，包括：智能陰保測試樁，測試樁頂端外側(cè)設(shè)有外置天線，外置天線連接設(shè)置在測試樁內(nèi)側(cè)上部的遠傳設(shè)備，上部外側(cè)設(shè)有電連遠傳設(shè)備的攝像頭，遠傳設(shè)備上安裝GPS定位器，外側(cè)設(shè)有供電的外置電池，內(nèi)側(cè)設(shè)有內(nèi)置電池，內(nèi)側(cè)底端設(shè)有電連遠傳設(shè)備的監(jiān)測主板，監(jiān)測主板上安裝震動傳感器，監(jiān)測主板上安裝電連遠傳設(shè)備的內(nèi)置天線，遠傳設(shè)備通過通信模塊連接管理人員的終端設(shè)備。外置電池外側(cè)設(shè)有防水盒，震動傳感器電連遠傳設(shè)備，外側(cè)頂端安裝電連震動傳感器的聲音報警器，終端設(shè)備是手機或者電腦。

圖1 智能陰保測試樁示意圖

圖5 電池檢測原理圖

該裝置使用過程中，陰極保護測試樁被安裝后應(yīng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，控制器休眠，系統(tǒng)處于低功耗模式；當(dāng)盜竊發(fā)生時，R1震動傳感器產(chǎn)生的振動信號經(jīng)由振動處理模塊轉(zhuǎn)換為電信號喚醒控制器；控制器能使GNSS模塊開啟定位功能，同時能使無線網(wǎng)絡(luò)通信連接云端數(shù)據(jù)中心，發(fā)送陰極保護測試樁的當(dāng)前實時位置。系統(tǒng)采用外置電池BM和內(nèi)置電池BA雙電源供電，當(dāng)盜竊發(fā)生若主電池被斷開，電池檢測模塊會自動切換為內(nèi)置電池供電，被發(fā)送電池丟失信號喚醒控制器，控制器能使GNSS和通信模塊發(fā)送實時位置。電源模塊的作用是實現(xiàn)電池電壓變換，并為各模塊提供電源。

監(jiān)測主板振動檢測實現(xiàn)原理：R1為振動傳感器，靜止?fàn)顟B(tài)阻抗為0，V1點電壓為0V，小于閾值電壓Vref，比較器輸出低電平；當(dāng)振動發(fā)生時阻抗會增加，與電阻R2構(gòu)成分壓電路，當(dāng)R1阻值增加到使得V1點電壓大于閾值Vref，比較器輸出高電平,電位器R2可調(diào)節(jié)檢測靈敏度。

外置電池斷電原理：開關(guān)S1、S2、S3的特征為控制極0V電壓時導(dǎo)通，為輸入電壓斷開；Q1為晶體管，輸出主電池丟失信號；BM和BA分別為主電池和備用電池，當(dāng)主電池被接入時，G2點為輸入電壓，開關(guān)S2S3截止；G1點被下拉至為0V，S1開關(guān)導(dǎo)通，由BM輸出電壓至Bat，Q1截止；當(dāng)主電池斷開，G2點被R2下拉至0V，S2、S3導(dǎo)通，由BA輸出電壓至Bat；G1點為輸入電壓，S1截止，Q1導(dǎo)通；開關(guān)S1、S2、S3可選擇MOSFET、IGBT、功率三極管。

圖2 控制系統(tǒng)圖

圖3 遠傳系統(tǒng)原理圖

圖4 振動檢測原理圖

3 原理實現(xiàn)

（1）改進現(xiàn)有陰極保護采集與傳輸中斷電路板，在原有陰保遠傳板上增加震動監(jiān)測位移模塊、防盜定位模塊、內(nèi)置防盜定位電池；

圖6 增加震動監(jiān)測位移模塊

圖7 電路板改造前、后對比圖

（2）現(xiàn)場安裝監(jiān)測終端；

圖8

（3）系統(tǒng)運行及部分功能展示；

圖9 軟件參數(shù)設(shè)置界面

該智能電位測試樁的防盜定位報警系統(tǒng)于2019年6月在福建LNG管道實施應(yīng)用，監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，應(yīng)用效果良好，實現(xiàn)了陰保數(shù)據(jù)遠程實時采集，陰極保護設(shè)備的震動監(jiān)測、防盜定位、電子地圖展示、短信報警等諸多功能，通過遠程監(jiān)控，利用現(xiàn)有的管保人員和線路巡線員，及時發(fā)現(xiàn)和制止了多達20次的管道附近施工作業(yè)，很好的保護了管道及設(shè)備的運行安全。該項目在福建LNG的示范性應(yīng)用，有效地解決了管道腐蝕在線監(jiān)測、陰保設(shè)備破壞遠程監(jiān)控、設(shè)備丟失定位等技術(shù)難題，顯著提升了輸氣干線設(shè)備設(shè)施管理水平，建立了一支專業(yè)化的管道保護人才隊伍。

圖10 數(shù)據(jù)異常告警一覽表

圖11 地圖實時監(jiān)測動態(tài)

圖12 陰保監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

4 效益分析

直接經(jīng)濟效益：隨著國家城市化進程及電力、鐵路的持續(xù)建設(shè)，需要的遠程監(jiān)控設(shè)備越來越多，被人為破壞的概率越來越大，昂貴的遠程監(jiān)控設(shè)備被盜后不能實時定位跟蹤設(shè)備位置，一旦發(fā)生丟失、經(jīng)濟損失巨大。目前，福建LNG一期372Km輸氣干線陰保智能電位測試、ER腐蝕探頭監(jiān)控系統(tǒng)及其他視頻監(jiān)控等設(shè)備（不包括管道本體）價值約1200萬，根據(jù)設(shè)備的全生命周期管理（管道設(shè)計25年，已運行10年），按照每年3%的丟失與破壞率計算，可節(jié)約設(shè)備成本540萬，據(jù)統(tǒng)計，目前氣電集團控股和未控股的管線總長約4500Km，如能推廣，預(yù)計可節(jié)約設(shè)備成本6515萬。隨著國家科技化、智能化戰(zhàn)略的進程，技術(shù)可以逐漸在全國范圍應(yīng)用，經(jīng)濟效益極為可觀。

間接經(jīng)濟效益：運用智能電位測試樁實時監(jiān)控管道陰保效果，了解管道運行實際情況，制定具有針對性的治理措施，大大降低了管道發(fā)生腐蝕穿孔的風(fēng)險，避免了停氣換管造成的巨大影響和經(jīng)濟損失，防盜定位報警系統(tǒng)的實施確保了長輸管線智能電位測試樁及ER腐蝕探頭設(shè)備的運行安全，為智能電位測試樁保駕護航，提升了油氣管線設(shè)備設(shè)施管理水平，節(jié)約成本的同時有效保障了國家油氣管線安全可靠運行。

5 結(jié)語

隨著陰極保護遠程采集與傳輸系統(tǒng)的不斷推廣與大面積應(yīng)用，有效降低了人工成本及人工在陰極保護電位測量過程中的主觀性，在有效降低陰極保護有效性評價的綜合成本的同時，提高了檢測的有效性和準(zhǔn)確性。

遠程采集與監(jiān)測終端安裝陰極保護測試樁中，測試樁往往都處于遠離城鎮(zhèn)的偏遠位置，測試樁內(nèi)往往線路復(fù)雜，涉及眾多監(jiān)測模塊，一旦出現(xiàn)破壞、被盜等事故時，管道的陰極保護可能處于失控狀況，管道存在極大的腐蝕隱患，如果長時間未發(fā)現(xiàn)，管道可能出現(xiàn)腐蝕穿孔、腐蝕斷裂等嚴(yán)重事故。通過在管道安裝防盜定位報警系統(tǒng)，建立一整套針對破壞、被盜的傳感器動態(tài)監(jiān)測算法，有效預(yù)防了測試樁破壞、被盜等問題。通過內(nèi)置的定位系統(tǒng)、雙電池冗余系統(tǒng)，能有效確定測試樁的既有位置，并通過影響系統(tǒng)及時回傳現(xiàn)場情況，充分提高了陰極保護的可靠運行，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。