李達江

(佛燃能源集團股份有限公司，廣東佛山528000)

1 概述

2020年我國長輸油氣管道長約15×104km，是國家經濟發(fā)展的重要基礎設施，同時由于埋地管道的隱蔽性，給安全生產帶來了一定風險?！胺栏瘜?陰極保護”是油氣管道腐蝕防護通用的一種經濟有效的方式。其中，陰極保護是一種動態(tài)的防腐方式，隨著腐蝕環(huán)境變化，其效率可能發(fā)生很大改變，陰極保護甚至變成一種破壞方式，因此需要定期對陰極保護系統(tǒng)參數進行測試，并及時根據測試結果調整系統(tǒng)。傳統(tǒng)人工巡檢方式已無法解決高壓輸電線路、軌道交通等帶來的雜散電流干擾問題，因此對陰極保護系統(tǒng)實時監(jiān)控和進行完整性評價迫在眉睫。

為應對日益嚴重的雜散電流干擾問題，肇慶佛燃天然氣有限公司對管轄區(qū)域內的廠站和管道安裝了基于物聯(lián)網的陰極保護遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過對測試點的遠程監(jiān)控，實現(xiàn)對全區(qū)域廠站和管道腐蝕狀況的動態(tài)分析。工作人員可以通過公用網絡，隨時隨地掌控該陰極保護遠程監(jiān)控系統(tǒng)，同時收集的數據也成為管道完整性管理的重要組成部分。

2 基于物聯(lián)網的陰極保護遠程監(jiān)控系統(tǒng)

基于物聯(lián)網的陰極保護遠程監(jiān)控系統(tǒng)(以下簡稱陰極保護遠程監(jiān)控系統(tǒng))由遠程監(jiān)控端、云服務器、數據庫和PC端云平臺管理軟件組成。遠程監(jiān)控端主要由電池、數據采集器、GPS模塊、物聯(lián)網模塊組成。數據采集器采集管道實時陰極保護數據， GPS模塊采集遠程監(jiān)控端的位置信息，這2部分信息打包處理后通過物聯(lián)網模塊上傳至云服務器。云服務器位于云平臺上，數據庫位于云服務器內，系統(tǒng)使用中國移動物聯(lián)網ONENET平臺為云平臺。云服務器將接收到的數據解包處理后存儲到數據庫內，供PC端云平臺管理軟件調用。PC端云平臺管理軟件安裝于陰極保護系統(tǒng)管理人員的電腦(稱為監(jiān)控電腦)上，管理人員可通過PC端云平臺管理軟件調用數據并分析處理，判斷管道的陰極保護狀況。當發(fā)現(xiàn)某處管道電位異常時，管理人員可通過PC端云平臺管理軟件對指定的遠程監(jiān)控端發(fā)出提高采樣頻率或其他指令，物聯(lián)網模塊接收指令后，由數據采集器處理執(zhí)行。

3 遠程監(jiān)控端

遠程監(jiān)控端采用低功耗設計，數據采集主要通過與管道連接的極化探頭完成。極化探頭實質上是參比電極與試片的集合體，試片模擬處于同樣腐蝕環(huán)境下管道上同等面積漏點的陰極保護狀況，通過與管道連接的試片的通電電位和瞬時斷電電位表征管道的管地電位和極化電位。為使這種模擬更接近真實環(huán)境，極化探頭與管道的距離應小于30 cm，而且極化探頭不使用填包料包覆。遠程監(jiān)控端采集恒電位儀或犧牲陽極輸出電流、管道交流感應電壓，以反映陰極保護系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

遠程監(jiān)控端的電路主要由數據采集電路、運算放大電路、模數轉換電路、數字控制電路組成。數據采集電路主要用于管道交直流電壓、電流等信號的采集，運算放大電路主要將采集到的微弱信號進行放大，模數轉換電路主要對采集信號進行模數轉換，數字控制電路對繼電器通斷電路進行控制和對數據采集電路參數進行配置。遠程監(jiān)控端安裝于管道附近，通過太陽能電池供電，被檢測信號通過數據采集電路完成采集后，由物聯(lián)網模塊發(fā)送出去。

數據采集電路處理的數據主要有直流和交流兩類，通過數據采集電纜接到管道、參比電極和試片上，管道上的交直流信號匯入數據采集電路輸入端。對于直流模擬信號，為避免信號對數據采集電路造成損壞，數據采集電路輸入端使用高精度電阻對輸入信號進行分壓，同時串入一個限流電阻。根據數據處理需要，設置合適的運算放大器放大倍數，通過運算放大器將直流模擬信號放大后，送入模數轉換器；對于交流模擬信號，經轉換器將交流數據轉換成有效值數據后送入模數轉換器。

完成數據采集放大和轉換后，數據被送入數字控制電路進行處理。通過參數設置對數據采集電路的分壓和放大倍數進行補償后，得到真實的采樣數據。數字控制電路將數據通過物聯(lián)網模塊傳輸至云服務器。

4 中國移動物聯(lián)網ONENET平臺

中國移動物聯(lián)網ONENET平臺具有低延時、高并發(fā)及高性能的時序存儲架構特性，可以支持多個遠程監(jiān)控端同時接入，且能夠存儲大量數據，這就保證了在調整遠程監(jiān)控端采集頻率時，不用擔心因采集頻率過高導致數據量過于龐大，同時也能延長歷史數據的保存時間，為之后數據分析打下基礎。中國移動物聯(lián)網ONENET平臺支持多種方式及協(xié)議接入，當有需要時可以采用內網傳輸的方式保證數據傳輸的安全性。

5 PC端云平臺管理軟件

基于中國移動物聯(lián)網ONENET平臺開發(fā)了PC端云平臺管理軟件，將軟件部署到監(jiān)控電腦上，管理人員能夠通過軟件實時對遠程監(jiān)控端進行控制及數據處理。PC端云平臺管理軟件每日生成一份Excel報表，以微信PDF文件方式通過互聯(lián)網發(fā)送給管理人員，每月存儲一份數據庫文件備查。在監(jiān)控電腦上可以通過該軟件實現(xiàn)查看地圖、數據表以及進行數據繪圖。PC端云平臺管理軟件管理界面見圖1，發(fā)送給管理人員的微信文件見圖2。

圖1 PC端云平臺管理軟件管理界面(軟件截圖)

圖2 發(fā)送給管理人員的微信文件(軟件截圖)

6 遠程監(jiān)控的擴展監(jiān)測

遠程監(jiān)控工作內容通常分為常規(guī)監(jiān)測和擴展監(jiān)測兩類。常規(guī)監(jiān)測內容包括陰極保護參數及其波動范圍。陰極保護系統(tǒng)正常工作時，這些參數是穩(wěn)定的，波動范圍很小。當管道受到交、直流干擾時，這些參數會長時間超過閾值或大幅波動。通過這些參數的變化，PC端云平臺管理軟件很容易對管道的陰極保護狀態(tài)做出評價和預警，預警以微信方式發(fā)送給管理人員。當常規(guī)監(jiān)測給出預警信號時，可以遙控或現(xiàn)場操作改變監(jiān)測方式進入擴展監(jiān)測。目前埋地管道主要受到交、直流雜散電流和高壓直流輸電系統(tǒng)接地極的干擾，給陰極保護系統(tǒng)工作狀態(tài)帶來不同影響，擴展監(jiān)測就是對不同干擾類別進行專項監(jiān)測。

① 直流雜散電流干擾

典型直流雜散電流的干擾源是以直流供電的軌道交通(地鐵、輕軌等)設施，在軌道交通運營時間干擾普遍存在，在夜晚軌道交通檢修期間干擾消失。根據國家標準，直流雜散電流干擾監(jiān)測需要24 h以上的連續(xù)監(jiān)測。如果管地電位出現(xiàn)白天大幅波動、夜晚波動消失的情況，則可判斷為直流雜散電流干擾，進而根據波動范圍采取相應的排流措施。

② 交流雜散電流干擾

交流雜散電流的干擾，主要發(fā)生在與高壓輸電線路平行或者交叉的管道。隨著敷設于公共管線走廊的管道日益增加，這種危害的發(fā)生有增加趨勢。當常規(guī)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)某日管道的交流感應電壓均值大于4 V時發(fā)出預警，此時應按照國家標準更改遠程監(jiān)控端的設置，進行大于1 h的連續(xù)監(jiān)測，并根據監(jiān)測結果采取相應措施。有必要指出，如果交流感應電壓大于15 V,此時雜散電流干擾不僅危害管道，而且威脅到附近人員的安全，必須及時采取排流措施。

③ 高壓直流輸電系統(tǒng)接地極干擾

接地極干擾是近年來隨著高壓直流輸電系統(tǒng)應用而產生的新干擾形式。輸電系統(tǒng)在工作期間不可避免地存在單極大地回路運行時段。當接地極作為輸電系統(tǒng)正極運行時，在近接地極端(簡稱近端)電流將從防腐層破損處流入管道，在遠接地極端(簡稱遠端)防腐層破損處流出管道，近、遠端分別成為干擾的陰極區(qū)、陽極區(qū)。反之，當接地極作為輸電系統(tǒng)負極運行時，電流方向改變，近端變成陽極區(qū)，遠端變成陰極區(qū)。

高壓直流輸電系統(tǒng)接地極干擾范圍較大，干擾使管地電位長時間大幅超標，造成陽極區(qū)大量電流流失，對管道和陰極保護設施的破壞性極強，而且其發(fā)生和持續(xù)時間、接地極極性、入地電流完全隨機，因此在接地極的近端管道設置無人值守的高頻率遠程監(jiān)測點完全必要。監(jiān)測間隔應小于接地極干擾的持續(xù)時間，可以通過管地電位的偏移、電流密度和試片腐蝕速率判斷接地極的干擾程度。

7 陰極保護遠程監(jiān)控系統(tǒng)的使用效果

腐蝕速率檢測是直接檢測陰極保護效果的方法，它可以在各種干擾下最直接反映埋地管道真實腐蝕狀態(tài)。對陰極保護不合格的某廠站的埋地管道采用陰極保護遠程監(jiān)控系統(tǒng)后，腐蝕速率下降到相關標準要求限值以下，效果良好。