長(zhǎng)輸油氣管道陰極保護(hù)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)研制

楊軍強(qiáng) 武曉朦 李甦

【摘 要】油氣資源的開(kāi)發(fā)以及能源市場(chǎng)的激增，使得管道運(yùn)輸在世界范圍內(nèi)得到迅速的發(fā)展。腐蝕是威脅長(zhǎng)輸管線安全運(yùn)行的重要因素之一，埋地管道陰極保護(hù)電位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于保障管道安全具有重要意義。本文針對(duì)管道現(xiàn)場(chǎng)對(duì)功耗的要求，分析并設(shè)計(jì)了基于MSP430和GPRS無(wú)線模塊的超低功耗無(wú)線數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)具有超低功耗、低成本、遠(yuǎn)距離、高可靠性和易維護(hù)性等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】管道；陰極保護(hù)；GPRS；MSP430；低功耗

一、引言

在石油天然氣工業(yè)中，管道運(yùn)輸是最佳選擇。而管道的腐蝕直接影響管道的使用壽命，降低管道的輸送能力，因而腐蝕是引起管道系統(tǒng)可靠性和使用壽命的關(guān)鍵因素，實(shí)際上管道因腐蝕而造成破壞的價(jià)值和影響，比其本身價(jià)值還要大的多[1]。

我國(guó)的年腐蝕約為 5000 億元，這其中很大一部分就是管道的腐蝕。作為油氣勘探開(kāi)發(fā)和儲(chǔ)運(yùn)的油氣管道，其失效形式主要表現(xiàn)為腐蝕失效。盡管腐蝕很難完全避免，但可以控制[2]。目前陰極保護(hù)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到長(zhǎng)輸油氣管道防腐中來(lái)，國(guó)內(nèi)如西氣東輸管道、西部管道、蘭鄭長(zhǎng)管道都采取了陰極保護(hù)技術(shù)[3]。但是目前多數(shù)管線的陰極保護(hù)電位的采集監(jiān)測(cè)工作都是由人工來(lái)完成，需要大量人力物力。基于無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程陰極保護(hù)電位監(jiān)測(cè)技術(shù)就表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)。遠(yuǎn)程陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將傳統(tǒng)的陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)技術(shù)與無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合起來(lái)，組成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集與信息處理系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)輸油氣管道的現(xiàn)場(chǎng)陰保電位監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)積累工作以及實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究等[4]。

二、系統(tǒng)整體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儀器設(shè)計(jì)首先測(cè)量恒電位儀的輸出電壓和輸出電流值確保陰極保護(hù)系統(tǒng)正常工作，再通過(guò)斷電測(cè)量法測(cè)量管道開(kāi)路（儀器連接管道）電壓和斷電（儀器與管道斷開(kāi)）電壓以及直流和交流電流的方式對(duì)管道進(jìn)行陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)。

對(duì)于恒電位儀的輸出電壓和輸出電流的監(jiān)測(cè)，恒電位儀的輸出端接霍爾電壓和電流傳感器，儀器通過(guò)測(cè)量霍爾傳感器的輸出來(lái)測(cè)量恒電位儀的輸出電壓以及輸出電流。

在陰極保護(hù)系統(tǒng)中，對(duì)于雜散電流頻率的估計(jì)也是很重要的一部分，本文設(shè)計(jì)的儀器將數(shù)據(jù)采樣并傳至上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到其頻率值。上位機(jī)采用 M-Rife 算法，這是在傳統(tǒng) Rife 算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正得到的一種更高精度的頻率估計(jì)算法。

超低功耗陰極保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)將由低功耗數(shù)據(jù)采集模塊和監(jiān)控中心組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)陰極保護(hù)電位的自動(dòng)采集和數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的服務(wù)器接收端，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)回調(diào)，電位分析，以及域值告警等，系統(tǒng)整體功能圖如圖1所示。

正常情況下，管道陰極保護(hù)電位應(yīng)維持在工程設(shè)計(jì)時(shí)的電位值，當(dāng)管道發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，防腐層脫落，導(dǎo)致電位異常，只要實(shí)時(shí)檢測(cè)管道電位的電位值，就知道管道的某個(gè)位置發(fā)生了異常，從而起到了對(duì)長(zhǎng)輸管線的安全預(yù)警。

三、陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集無(wú)線傳輸系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)

1.陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集無(wú)線傳輸硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用MSP430F5438為核心，具有信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理，電源控制、GPRS模塊控制等功能，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.陰極保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

陰極保護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)以及監(jiān)控中心客戶端軟件的設(shè)計(jì)。主要是完成數(shù)據(jù)的定時(shí)采集和緊急情況下的實(shí)時(shí)采集，最后匯總到數(shù)據(jù)中心，供管理人員決策。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先會(huì)初始化一些必要的設(shè)備及 IO 口。首先系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉看門狗，初始化MCU 的時(shí)鐘，RTC 時(shí)鐘，然后初始化系統(tǒng)中使用到的 IO 口及 ADC?；境跏蓟戤吅笙到y(tǒng)會(huì)運(yùn)行 ADC 采集程序，實(shí)施斷電測(cè)量法，采集模擬通道的傳感器數(shù)值，然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理。當(dāng)數(shù)據(jù)采集工作完成后，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng) GPRS 模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定 IP 地址的中心服務(wù)器。系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的要求設(shè)置采集時(shí)間和發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔，當(dāng)管道出現(xiàn)異常時(shí)，可以實(shí)時(shí)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。

四、結(jié)論

系統(tǒng)主要采用超低功耗MSP430F5438單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)樁的電位值測(cè)量和遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)對(duì)電源模塊進(jìn)行控制，在不發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候進(jìn)入休眠狀態(tài)，因此系統(tǒng)功耗極低可常年不用更換電池。本系統(tǒng)能方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)的監(jiān)控終端設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)測(cè)長(zhǎng)輸管網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)安全，在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)狀況，以便及時(shí)處理突發(fā)事件；在正常運(yùn)營(yíng)范圍內(nèi)，監(jiān)控系統(tǒng)可以定時(shí)上報(bào)現(xiàn)場(chǎng)狀況，以便記錄分析陰極保護(hù)測(cè)試樁的正常事件，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 祝馨.長(zhǎng)輸管道的腐蝕與防護(hù)[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2006，23.

[2] 寇杰，梁法春，陳婧.油氣管道腐蝕與防護(hù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2008.

[3] 胡士信.管道陰極保護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].腐蝕與防護(hù)，2004，25.

[4] 王芷芳，朱安綱.埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)電位測(cè)量中的IR降及其修正[J].腐蝕與防護(hù)，2003，24（3）：110～113.