智能陰極保護采集監(jiān)控系統(tǒng)的應用與發(fā)展

和宏偉 門 程 白冬軍 馮文亮

1.北京市燃氣集團研究院，北京 100011；

2.北京市公用事業(yè)科學研究所，北京 100011

0 前言

目前在油氣管網(wǎng)建設中， 越來越多地采用金屬材料，金屬腐蝕問題引起了廣泛的重視［1］。陰極保護技術是一種防止金屬在電介質(zhì)（海水、淡水、土壤等）中發(fā)生腐蝕的電化學保護技術［2-3］。該技術的基本原理是對被保護的金屬表面施加一定的直流電流， 使其產(chǎn)生陰極極化，當金屬的電位負于某一電位時，腐蝕過程就會得到有效抑制［2-4］。

陰極保護通/斷電位、自然電位、交流干擾電壓、直流雜散電流干擾程度和分布等參數(shù)影響著油氣管道的陰極保護效果。 當陰極保護效果較差時，油氣管道存在被腐蝕的風險。 在油氣管網(wǎng)的實際運行中，建立智能陰極保護采集監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱智能系統(tǒng)）對陰極保護各項參數(shù)進行實時監(jiān)控是十分必要的。

1 智能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)一些重點長輸管道、新建管道的陰極保護站和部分監(jiān)控閥室采用了智能系統(tǒng)，而絕大多數(shù)管道沿線測試樁的陰極保護電位仍須人工現(xiàn)場檢測。 傳統(tǒng)人工檢測方式的局限性如下：

a）人工檢測無法對陰極保護各項參數(shù)進行實時、同步監(jiān)控。 在整個管網(wǎng)系統(tǒng)中，陰極保護的測試樁很多，一般每月進行一次逐樁測試，無法對管網(wǎng)的陰極保護情況和腐蝕情況做出及時響應，難以對異常情況或短時強干擾實時掌握。

b） 人工檢測陰極保護各項參數(shù)不可避免地存在各種誤差。 由于外界環(huán)境的差異、人員經(jīng)驗等原因，往往引起各種測量誤差甚至錯誤，從而影響數(shù)據(jù)的客觀性。

c）檢測工作量大， 人工成本高。 一般管道可以運行15 a 以上，檢測工作總量相對較大。一些長輸管道遠離鐵路、公路和人口稠密區(qū)，社會依托條件差，檢測人員為測量數(shù)據(jù)經(jīng)常要徒步穿越荒野、沙漠、溝壑，既費時又費力，不能滿足現(xiàn)代企業(yè)管理的要求。

計算機普及之前，測量和記錄的儀器一般都為瞬態(tài)記錄器、紙質(zhì)數(shù)據(jù)記錄儀等。計算機采集卡和高速芯片的應用，能從大量測量數(shù)據(jù)中同時獲得電壓、電流等數(shù)據(jù)。隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，以太網(wǎng)、超文本鏈接、無線通信的應用，促進了智能系統(tǒng)的發(fā)展。

智能系統(tǒng)的基本原理：利用在管道上安裝智能采集儀和極化探頭進行相關陰極保護數(shù)據(jù)的采集，通過網(wǎng)絡傳輸實現(xiàn)在監(jiān)控室中進行數(shù)據(jù)的收集、存儲、分析等工作。

智能系統(tǒng)主要優(yōu)點如下：

a）能夠?qū)崿F(xiàn)對陰極保護的實時監(jiān)控，及時檢驗陰極保護系統(tǒng)的電源或陽極是否失效。 此外，連續(xù)性的電壓和電流的采集能夠快速對陰極保護故障進行識別，對出現(xiàn)的問題及時預警。

b）智能系統(tǒng)能夠?qū)芫€多個測試點進行同時監(jiān)控，同步獲得數(shù)據(jù)。 及時、有效地掌握各個測試點異常情況和受雜散電流干擾情況，并做出響應。 傳統(tǒng)的人工檢測只能逐樁進行，不能多個測試點同時測量，測試時間無法同步，丟失檢測數(shù)據(jù)中的重要信息。

c）陰極保護各項參數(shù)的自動化采集能夠減少誤差，提高測量精度［5-7］。 在陰極保護的各項參數(shù)測量中，通過智能系統(tǒng)得到不同類型的數(shù)據(jù)并進行加工和分析，得到客觀可靠的結果。

d） 陰極保護各項參數(shù)的自動化采集能夠有效降低人工成本［8-9］，特別是長距離輸送管道，在自動獲得大量有效數(shù)據(jù)的同時降低檢測人員的工作強度，減少人工干預的次數(shù)，幫助管道擁有者和操作者實現(xiàn)采集監(jiān)控的自動化，提高陰極保護管理水平，延長管道壽命，消除安全隱患。

目前許多國家的長輸油氣管道已經(jīng)開始使用智能系統(tǒng)。 例如南美洲TBG 公司的GASBOL 長輸管道，該輸氣管道從玻利維亞到巴西，全長320 km，智能系統(tǒng)采用遠程終端設備（RTU）采集整流器的輸入輸出電壓和輸出電流、陰極保護電位、電流等，RTU 能夠存儲35 d 的有效數(shù)據(jù)， 還能計算出土壤的電阻值和系統(tǒng)可靠性。 每個RTU 通過整流器供電，利用衛(wèi)星電話與控制管理中心進行通信。 智能系統(tǒng)中的控制管理中心見圖1。

圖1 智能系統(tǒng)中的控制管理中心

在控制管理中心，有一個主屏幕、一個通信屏幕和整流器監(jiān)控屏幕。 整流器的監(jiān)控屏幕能夠顯示整流器的狀態(tài)、陰極保護電位、電流等；通信屏幕顯示當前的通信狀態(tài)、與遠程的鏈接情況、與RTU 上次通信時間等。采用該系統(tǒng)，每月能為TBG 公司節(jié)省32 600 美元。

2 智能系統(tǒng)構成

智能系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、 數(shù)據(jù)傳輸模塊、評價體系模塊構成。 數(shù)據(jù)采集模塊主要包括模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器、單片機；數(shù)據(jù)傳輸模塊包括無線通信系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)；評價體系模塊是一套軟件系統(tǒng)，主要參考國家標準和美國防腐工程師協(xié)會（NACE）標準，對從采集終端傳來的數(shù)據(jù)進行判斷和評估，及時發(fā)現(xiàn)陰極保護中的各種問題并做出響應。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集（DAQ），通過管道的智能采集儀和極化探頭對陰極保護電位、陰極保護電流、雜散電流強度、土壤電阻率等相關參數(shù)進行采集，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)成數(shù)字量，再通過單片機對數(shù)字量進行處理，將得到的數(shù)據(jù)進行臨時存儲或者通過無線模塊發(fā)送到遠程客戶機上。 此外，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠根據(jù)計算機或其他專用平臺軟硬件的系統(tǒng)要求實現(xiàn)靈活的、定制化的測量與采集［10］。

作為數(shù)據(jù)采集模塊的核心部件，微處理器的選擇對整個智能系統(tǒng)功能的實現(xiàn)與優(yōu)化起著至關重要的作用。在陰極保護數(shù)據(jù)采集模塊的設計過程中，應該把微處理器的功耗作為優(yōu)先考慮因素。 陰極保護的服役時間可能為十幾年，設計智能系統(tǒng)就是為節(jié)省人工成本，所以人工干預的次數(shù)越少越符合系統(tǒng)預期目的。 這要求陰極保護采集模塊能長時間工作且電池不斷電，特別是在犧牲陽極的保護系統(tǒng)（無外加電源）中。 同時考慮到陰極保護相關數(shù)據(jù)的采集密度不是很高，一般0.5 h 或1 h 采集一次，對“空閑”時間進行功耗的控制十分必要，這樣采集模塊耗電量就會減少，工作時間也就更長。 所以合理的選擇和設計數(shù)據(jù)采集模塊能有效降低采集終端的功耗，降低智能系統(tǒng)運行維護的次數(shù)和成本。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊工作方式是雙向的，一方面將采集模塊采集得到的數(shù)據(jù)通過特定方式和固定協(xié)議傳送給遠端服務器系統(tǒng)并進行存儲；另一方面可以將客戶端發(fā)出的指令發(fā)送給采集模塊，控制采集模塊的工作方式。

近年來，無線傳輸技術迅速發(fā)展，并在工業(yè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等領域得到了廣泛應用，因此建立一個油氣管網(wǎng)的陰極保護無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是完全可行的。 國內(nèi)已有多種陰極保護數(shù)據(jù)無線傳輸產(chǎn)品，本質(zhì)差異由通信方式?jīng)Q定。 隨著電信技術的迅猛發(fā)展，可用于陰極保護監(jiān)控管理的通訊方式一般可以分為無線集群通信方式、全球移動通信系統(tǒng)（GSM）短信消息和通用分組無線服務技術（GPRS）。

基于GPRS 的無線傳輸系統(tǒng)是目前領先的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。 在陰極保護現(xiàn)場，充分利用目前的移動通信網(wǎng)絡，通過GPRS 與遠程計算機建立鏈接，將數(shù)據(jù)傳輸給遠程主機，在線掌握陰極保護狀態(tài)。 GPRS 的數(shù)據(jù)傳輸速率快，通信傳輸延時較小，監(jiān)控覆蓋范圍廣闊，通信費用低廉［11］。通過GPRS 無線技術，還可以隨時監(jiān)控遠程采集終端的工作狀態(tài)、電池電量的剩余情況等，有效保證智能系統(tǒng)的可靠運行。

GPRS 如果一直保持連接則終端模塊功耗較大，還可能出現(xiàn)信號不穩(wěn)定、信號受干擾等情況，不能及時傳輸數(shù)據(jù)。 所以在設計優(yōu)化終端模塊時，用閃存芯片對數(shù)據(jù)進行緩沖，如果無線傳輸不可用時，數(shù)據(jù)可以臨時存儲在緩存中。 在需要的情況下，打開無線傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)回調(diào)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的校檢，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.3 評價體系模塊

評價體系模塊能把從遠程采集得到的陰極保護各項參數(shù)按照國家標準或NACE 標準進行判定、 分析，同時還能對查找、修正數(shù)據(jù)庫中的相關數(shù)據(jù)。

評價體系模塊可以由VC++、C# 等高級語言來進行完成開發(fā)。 根據(jù)陰極保護特點和企業(yè)狀況建造合適的數(shù)據(jù)庫，應用主程序能方便、快捷地通過開放數(shù)據(jù)庫連接（ODBC）方式進行訪問，并有條件地允許用戶進行操作控制，同時也使程序員不用具體語言就能訪問數(shù)據(jù)庫內(nèi)容。 將國家標準和NACE 標準作為判據(jù)，不符合標準的參數(shù)用紅色標出，符合標準的參數(shù)用綠色標出，臨界情況用黃色標出，實時地將管道的各種狀態(tài)、相關數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。 當出現(xiàn)紅色或者黃色時，系統(tǒng)能夠發(fā)出預定報警，根據(jù)當時情況，指明故障原因、時間、地點，并將這些信息寫入數(shù)據(jù)庫，方便查閱和存檔，為維修工作提供依據(jù)。 考慮到數(shù)據(jù)安全性的問題，整個評價軟件應采用嚴格的加密技術，防止數(shù)據(jù)丟失和篡改。 評價體系模塊通過不斷學習和相關經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫的加入，能夠?qū)崿F(xiàn)對陰極保護各種故障的響應并提出合理的解決方案，達到陰極保護運行維護需要，降低管道腐蝕風險，保障管道安全運行的目的。

另外，可以在評價體系模塊中集成對遠程采集模塊的控制，可以設定遠程采集模塊的采樣頻率，控制采集模塊的休眠狀態(tài)，對內(nèi)部存儲器數(shù)據(jù)的復制、剪切和刪除等。

3 智能系統(tǒng)局限性

目前我國很多油氣企業(yè)也開始采用了智能系統(tǒng)，對管網(wǎng)的陰極保護狀況和腐蝕情況有了全面了解。 全年不間斷數(shù)據(jù)的測量， 所得到的陰極保護相關數(shù)據(jù)意義重大，這是人工檢測方式無法辦到的。 但初期投入成本較高和智能系統(tǒng)可靠性的不可預見是智能系統(tǒng)面臨的局限性。

智能系統(tǒng)一次性投入較大， 在短期內(nèi)難以回收成本。 特別是中小型企業(yè)，在管網(wǎng)規(guī)模較小、利潤相對低的情況下，很難選擇一整套智能系統(tǒng)監(jiān)控管網(wǎng)的陰極保護狀況。 對于運行10 a 左右的管道，中小型企業(yè)選擇人工檢測的方式顯然更加節(jié)約成本。 有資金和運行能力的企業(yè)可以通過初期投入，把高速網(wǎng)絡、服務器、數(shù)據(jù)庫、軟件開發(fā)等相對昂貴和專業(yè)要求較高的部分以服務的形式出售給有陰極保護監(jiān)控需求的企業(yè)。 這樣中小型企業(yè)只需要選擇購買相關的服務和安裝智能探頭，通過客戶端/服務器（C/S）或瀏覽器/服務器（B/S）機制可以完成對整個管網(wǎng)陰極保護系統(tǒng)的監(jiān)控， 降低運行和維護成本，提高企業(yè)能動性。

智能系統(tǒng)的可靠性極其重要，可靠性的降低意味著需要人力、物力的成本投入。 目前智能系統(tǒng)可靠性主要由采集模塊與傳輸模塊決定。 影響采集模塊正常工作的因素有環(huán)境、電池等。 環(huán)境因素主要包括溫度、濕度等，過高或過低的溫度都會影響采集模塊的正常工作；目前電池能提供的電量僅能供采集模塊工作3～5 a，電池的更換會消耗大量人工成本。 網(wǎng)絡信號質(zhì)量、外界干擾等直接影響著數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，特別是野外環(huán)境，會出現(xiàn)盲區(qū)，導致采集數(shù)據(jù)無法傳輸?shù)竭h程服務器中，所以安裝傳輸模塊時，地點的選擇尤為重要。

隨著科學技術的進步， 以上問題必將得到解決，在降低智能系統(tǒng)成本的同時可靠性也會得到有效提高，會有更多的相關企業(yè)注重智能系統(tǒng)的發(fā)展和建設，在獲得經(jīng)濟效益與社會效益的同時推動工業(yè)技術的不斷創(chuàng)新與發(fā)展。

4 結論

智能系統(tǒng)的發(fā)展與應用實現(xiàn)了陰極保護的集中監(jiān)控與管理，降低了油氣相關企業(yè)的陰極保護運行維護成本，提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性并能使企業(yè)實時掌握管道陰極保護狀況和腐蝕狀況，提高生產(chǎn)效率和管理水平。

智能系統(tǒng)的應用是油氣行業(yè)在陰極保護監(jiān)測領域一項新的嘗試，也是信息化進步與陰極保護發(fā)展的必然要求，它成功解決了測量的實時性與同步性、測量誤差、檢測工作量大、人工成本高等問題，給陰極保護運行維護帶來的困難，為陰極保護智能化的發(fā)展道路奠定了基礎。

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