程凱

（大慶煉化公司儲運部，黑龍江 大慶 163411）

陰極保護電流的方式，在很大程度上依賴保護電流能否持續(xù)穩(wěn)定地流經(jīng)管壁。一旦陰極保護電流發(fā)生流失，管道就可能失去保護層的遮蔽，變得再度易受腐蝕的危脅。因此，監(jiān)控并確保這一電流的穩(wěn)定輸出對于長輸管道的安全運營是不可或缺的。這要求管道運營商采取綜合性措施，包括但不限于定期的監(jiān)控、維護以及必要時修復(fù)陰極保護系統(tǒng)，以避免因電流不足而引起的保護失敗。

1 陰極保護電流流失的原因與機制

1.1 管道腐蝕導(dǎo)致的電流流失機制

陰極保護是預(yù)防金屬管道遭受腐蝕的關(guān)鍵技術(shù)，其核心原理在于利用外加電流建立起電化學防護屏障，從而有效避免腐蝕的產(chǎn)生。然而，陰極保護系統(tǒng)的運行并非無挑戰(zhàn)，電流的流失問題時常發(fā)生，這背后可能潛藏著多重原因。一種常見問題源于管道涂層的缺陷。例如，當管道的保護涂層出現(xiàn)剝落或縫隙，未能為金屬表面提供覆蓋完整的防護，就無法確保陰極保護電流的順暢傳遞。這種涂層的不完整，不僅降低了陰極保護的效果，還有可能造成系統(tǒng)功能的全面失效。此外，金屬管道本身存在的結(jié)構(gòu)性弱點也是一個不容忽視的因素。管道的接口、焊縫以及雜質(zhì)積聚等位置，可能成為電流分布不均的弱點，這不僅部分區(qū)域更易遭受腐蝕，還可能促使電流在這些區(qū)域流失。

1.2 地下水、土壤條件對電流分布的影響

陰極保護，作為一項廣泛應(yīng)用的防腐措施，通過施加一個外部電流來延長金屬結(jié)構(gòu)的使用壽命，抵御腐蝕損害。這一技術(shù)的效果受眾多因素所影響，尤其是地下水與土壤條件在其中扮演了關(guān)鍵角色。地下水的化學組成、溫度、濕度以及電導(dǎo)率等參數(shù)均能夠顯著影響陰極保護系統(tǒng)的運作效率。舉例來說，地下水若含鹽量居高不下或溶解氧含量較多，則可加速地下管線等金屬構(gòu)件的腐蝕過程，進而增加陰極保護系統(tǒng)必須抵抗的腐蝕速率。這樣一來，為維持有效保護，所需的電流量就會相應(yīng)增加。除此之外，地下水中的化學元素可能與金屬發(fā)生反應(yīng)，形成電化學干擾，這同樣不利于陰極保護電流的均勻分布，進而影響防腐效果。

在土壤這一部分，其本身的條件也極大地決定了電流的傳導(dǎo)效率。土壤的電導(dǎo)率直接關(guān)聯(lián)著電流的傳輸能力，而土壤本身的濕度與溫度則間接通過影響電導(dǎo)率來發(fā)揮作用。濕潤和高溫的環(huán)境條件會導(dǎo)致電流在土壤中的流失加劇，可能使得金屬結(jié)構(gòu)的某些局部區(qū)域失去了應(yīng)有的陰極保護。

1.3 管道絕緣層破損導(dǎo)致的電流流失機制

采用陰極保護技術(shù)是一種廣泛實行的策略，意在守護金屬結(jié)構(gòu)和管線不被侵蝕破壞。盡管其效用明顯，但陰極保護電流偶爾也會因管道絕緣層損傷而流失。絕緣破損會引起一系列負面效應(yīng)：金屬管道暴露于外界環(huán)境，觸發(fā)與環(huán)繞介質(zhì)的電化學作用，尤其是當管道裸露于土壤或水域時。這時，管面金屬轉(zhuǎn)變?yōu)殛帢O，繼而產(chǎn)生電化學反應(yīng)，形成數(shù)不勝數(shù)的微型陽極與陰極區(qū)，將電流耗散于這些區(qū)域并形成腐蝕源點，使得陰極保護的穩(wěn)定電流無法全面覆蓋管道。此外，絕緣損傷還可能使得外界濕氣和氧分子侵襲至金屬表層，誘發(fā)陽極極化過程，這一化學變化進一步催生局部侵蝕和電化學活動，引發(fā)表面電勢變化。這些變化加劇了陰極電流的外泄，侵蝕流失加速，損害了陰極保護系統(tǒng)的整體性能。

2 集磁環(huán)法下長距離輸送管道陰極保護電流檢測系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)總體方案分析

在本次所研究的基于集磁環(huán)法的長距離輸送管道陰極保護電流檢測系統(tǒng)中，主要的組成部分包括信號采集電路、電源電路、主控制電路以及液晶顯示系統(tǒng)。首先，信號采集模塊采用了精密的霍爾傳感器搭配信號調(diào)理、前置交流放大以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，以確保檢測數(shù)據(jù)的精準捕獲。接著，電源模塊的職責是保證各類集成電路獲得必要的動能，確保系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行。核心處理模塊搭載的是一個高效的內(nèi)嵌式數(shù)字信號處理器（DSP），結(jié)合SD卡數(shù)據(jù)存儲和必要的通訊接口電路，這些部分締造了主控制電路的完整性。而液晶顯示系統(tǒng)則依托ARM架構(gòu)的STM3203RCT15處理器，負責界面顯示信息的獨立控制。此系統(tǒng)的設(shè)計精巧之處在于，各模塊之間通過精細的電路布局高效協(xié)作，共同構(gòu)成了一個能夠在眾多環(huán)境下穩(wěn)定運作的集磁環(huán)法電流檢測網(wǎng)絡(luò)。其中，霍爾傳感器與信號處理電路的聯(lián)合，為監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確采集提供了可靠的保障。而電源電路的良好設(shè)計，確保電力供應(yīng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的長時間自主運行。DSP處理器心臟所在，不僅快速處理數(shù)據(jù)，更能承擔起數(shù)據(jù)儲存和通訊的重要職責。液晶顯示系統(tǒng)則直觀地將檢測信息可視化，為用戶提供即時的數(shù)據(jù)反饋和操作界面。這一集磁環(huán)法的應(yīng)用展示了管道陰極保護領(lǐng)域技術(shù)進步的典型范例。

2.2 系統(tǒng)硬件

（1）信號采集電路。在研制的長距離輸送管道陰極保護電流檢測系統(tǒng)中，前置放大電路采用的是特性優(yōu)異的儀表放大器，該放大器具備低功耗、低噪聲和高精度這幾項關(guān)鍵性能。通過這樣的設(shè)備，霍爾傳感器捕獲的信號能在不增添額外噪聲的情況下進行放大。添加了一級跟隨電路于儀表放大器后，可為整套電路提供緩沖作用，目的是為了減小前級輸出阻抗所可能引發(fā)的信號損耗。

系統(tǒng)需對不同的電流信號進行細致捕獲，因此，其信號調(diào)理部分由三個分別配置的通道構(gòu)成，以確保能夠準確提取出具有各自獨特特征的信號。首當其沖的第一通道專門負責陰極保護電流信號的處理。此通道中配備的是由二階低通有源濾波器結(jié)合正反饋構(gòu)建而成的十階低通濾波電路，通過精準調(diào)節(jié)電容和電阻值，能實現(xiàn)對截止頻率的精密控制。這種設(shè)計通常能將截止頻率維持在0.1Hz的水平，以至于將阻抗衰減維持在30dB以上，確保交流干擾信號被有效剔除，同時使有用的信號獲得進一步的凈化和擴增。這種精心設(shè)計的信號處理策略極大提高了系統(tǒng)檢測信號的清晰度和可靠性。在這套長距離輸送管道電流檢測系統(tǒng)中，第二通道的電路專門處理工頻干擾，通過設(shè)置十階帶通濾波來針對50Hz的中心頻率進行精確調(diào)節(jié)。這項設(shè)計由兩組二階低通和三組二階高通有源濾波電路串聯(lián)構(gòu)成，其功效在于能顯著降低30Hz以下及80kHz以上頻段的信號，其衰減達到了15dB以上。

第三通道則是專注于雜散噪音的凈化工作，該電路捕捉并處理直流和工頻之外的所有噪聲。這些噪聲首先穿過隔直電容，進而流過UAF42型號的有源陷波濾波芯片組成的八階陷波器，特別針對50Hz頻率。在此期間，UAF42類型的輔助運算放大器將高低通濾波器的輸出合成，以形成一個有效的陷波器。一旦三路信號調(diào)理獲得的電信號及其相應(yīng)的參考電壓信號準備就緒，它們便被引導(dǎo)至模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。這里，AD7734型號的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片被用來完成信號的轉(zhuǎn)換工作。轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字信號，隨即被送入數(shù)字信號處理器（DSP），準備進行下一步的數(shù)據(jù)處理分析。這一連串精細的信號處理過程保證了系統(tǒng)對監(jiān)測信號的高靈敏度和精度，以確保最終數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。

（2）主控制電路。在此電流監(jiān)測系統(tǒng)中，主控制電路扮演著至關(guān)重要的角色。它不僅確保系統(tǒng)平穩(wěn)運作，還應(yīng)用先進的算法處理采集的數(shù)據(jù)。核心組件采用了由德州儀器（Texas Instruments，簡稱TI）開發(fā)的高性能DSP型號TNS320F28355處理器。該處理器的強大功能使得它能對接收的信號執(zhí)行高效的數(shù)字信號處理，并通過USART串口通信科技，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺€人電腦和液晶顯示屏。這允許系統(tǒng)不僅顯示實時的頻域和時域波形，還能夠?qū)?shù)據(jù)在液晶屏上即時呈現(xiàn)。為了進一步增加數(shù)據(jù)的可訪問性和后續(xù)分析的便利性，主控電路具備了將數(shù)據(jù)儲存在SD卡上的功能。這一設(shè)計考慮了長期數(shù)據(jù)保留的需求，將便于后期對保護電流的歷史記錄進行深入分析。

（3）液晶顯示電路。在本系統(tǒng)中，選定HS240128-1型號的液晶顯示器，鑒于其相對較高的功耗，顯示器模塊采用了獨立的電源供電方式并進行單獨控制。在顯示屏的控制方面，采用了ST公司開發(fā)的STM32F103RCT16型ARM32位核心微處理器作為主控芯片。這款處理器內(nèi)置了TXD和RXD串口接口，使其能夠順暢接收DSP28335處理后意圖呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)，并促成該數(shù)據(jù)在顯示屏上的實時可視化。通過以上配置，顯示器不僅能以較低延遲展示處理結(jié)果，同時也確保了能耗控制在合理范圍內(nèi)。STM32F103RCT16處理器的集成，有效地提高了顯示模塊與中央處理模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸效率，這允許用戶通過可視界面直觀地監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)和分析結(jié)果。簡而言之，該設(shè)計使得系統(tǒng)操作直觀、響應(yīng)迅速，為用戶提供了極為舒適的交互體驗。

2.3 信號處理算法

在這個先進的電流檢測系統(tǒng)里，有一系列硬件信號調(diào)理電路，它們擅長將無關(guān)頻率的信號過濾掉，從而顯著地提升信噪比。然而，即便如此，通帶中仍然可能殘留著一些未被濾除的噪聲或雜波。為了從這些潛在干擾中提取出干凈、純粹的信號幅值，系統(tǒng)的設(shè)計和實施過程中采用了精巧的軟件算法。這些算法細致地分析信號，進一步消除通帶內(nèi)的任何雜波和噪聲，確保我們能夠捕捉到清晰而未受污染的信號，以供后續(xù)分析使用。在這一過程中，軟件算法與硬件電路協(xié)同工作，如同一支協(xié)奏曲中的各個樂器相互配合，它們共同奏出一曲高質(zhì)量信號的和諧樂章，確保系統(tǒng)不僅能捕捉信號，更能精確地解讀信號。通過這種融合軟硬件的手段，系統(tǒng)提升了自身在繁雜環(huán)境中分辨信號的能力，為用戶提供了一個強有力的工具，以洞悉電流的真實面貌。在本系統(tǒng)對50Hz工頻干擾信號的捕捉過程中，持續(xù)優(yōu)化是必要的步驟之一。這包括將信號帶入一個定義精確的過濾區(qū)間，在下限截止頻率與上限截止頻率之內(nèi)進行離散傅立葉變換（DFT）的運算。此技術(shù)手段能夠構(gòu)建信號的頻譜圖，繪制出其在頻域內(nèi)的分布狀況。一旦頻譜圖成形，接下來的任務(wù)是在通帶范圍內(nèi)搜索峰值，這是定位工頻干擾最強信號的策略。通過鎖定頻譜圖中最大的幅值，可以精確捕獲到工頻干擾的信號強度。實行上述策略后，系統(tǒng)能夠識別并挑選出50Hz的工頻干擾，同時確保了其他干擾信號不會影響結(jié)果的準確性。

2.4 實驗結(jié)果和相關(guān)分析

為了進一步確保該電流檢測系統(tǒng)的應(yīng)用效果，本次通過上述的實驗數(shù)據(jù)與誤差分析可知，這套系統(tǒng)在捕獲陰極保護電流時，表現(xiàn)出極高的檢測精準度，幾乎與專業(yè)設(shè)備不相上下。在實踐中應(yīng)用這套系統(tǒng)，對管道的陰極保護電流進行細致監(jiān)控，無疑將極大地提升管道防腐工作的有效性。仔細監(jiān)控陰極保護電流和相應(yīng)的防腐狀況，不僅展現(xiàn)了系統(tǒng)的卓越性能，而且為確保長輸管道的穩(wěn)定運作，提供了一個得力的技術(shù)支點。這就是我們將精湛工藝融入科技成果中的最佳例證，彰顯了對品質(zhì)和精確度的執(zhí)著追求。在對水、油、氣等的長距離輸送管道進行質(zhì)量與安全管理的過程中，防腐保護與防腐檢測是一項關(guān)鍵內(nèi)容。尤其是對于陰極保護形式的長距離輸送管道，相關(guān)單位更應(yīng)該通過合理的技術(shù)措施來做好陰極保護電流檢測工作，以此來有效確定其保護情況，及時發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的問題，并使其得到及時處理。在此過程中，基于集磁環(huán)法的長距離輸送管道陰極保護電流檢測系統(tǒng)便可發(fā)揮出良好的檢測作用。基于此，一定要加強該系統(tǒng)的應(yīng)用研究，明確集磁環(huán)法的主要應(yīng)用原理，并將其合理應(yīng)用到該系統(tǒng)中，實現(xiàn)整體系統(tǒng)的科學設(shè)計與應(yīng)用。這對于長距離輸送管道運行效果的保障、水、油、氣等的良好供應(yīng)以及社會經(jīng)濟的發(fā)展都將起到非常積極的促進作用。

3 結(jié)語

因此，確保長距離輸油輸氣管道的穩(wěn)固與安全，防止其在運行中遭受腐蝕帶來的泄漏風險，陰極保護電流的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。在這一過程中，以集磁環(huán)法為基礎(chǔ)的檢測系統(tǒng)顯得尤為重要。集磁環(huán)法的應(yīng)用原理為這類檢測提供了科學依據(jù)，因此，細致研究并優(yōu)化這一技術(shù)的使用，對完善系統(tǒng)設(shè)計和提升實際應(yīng)用效果具有重大影響。廣泛深入應(yīng)用并不斷提升這套檢測系統(tǒng)，對于保障遠距離輸送管道的穩(wěn)定運作至關(guān)重要，這不僅能確保能源和其他物料的連續(xù)供應(yīng)，也對整個社會的經(jīng)濟進步和發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。