基于大數(shù)據(jù)的長(zhǎng)輸管道分布式陰極保護(hù)系統(tǒng)研究

王玉婷 李琳

摘 ?要： 針對(duì)傳統(tǒng)犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)系統(tǒng)采用人工定期采集得到電位，需要消耗大量人力財(cái)力，且對(duì)陰極保護(hù)效果不明顯的問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)的長(zhǎng)輸管道分布式陰極保護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)和模塊相結(jié)合的分布結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了各結(jié)構(gòu)的功能。系統(tǒng)中的測(cè)量?jī)x包括監(jiān)控中心和長(zhǎng)輸管道遠(yuǎn)程陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器、陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)器和掩埋的地下管道共同組成，無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器在對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析后，通過(guò)RS 485接口控制掩埋的地下管道各項(xiàng)參數(shù)。系統(tǒng)軟件部分對(duì)陰極保護(hù)采集模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)長(zhǎng)輸管道分布式陰極的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警和保護(hù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以降低長(zhǎng)輸管道的腐蝕情況和腐蝕速率，保護(hù)效果較好。

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù); 長(zhǎng)輸管道; 分布式陰極保護(hù)系統(tǒng); 犧牲陽(yáng)極; 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器; 數(shù)據(jù)采集器

中圖分類號(hào)： TN929.5?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2018）10?0143?04

Abstract： In the traditional sacrificial anode cathodic protection system， potentials are obtained by means of regular artificial collections， which consumes a lot of manpower and financial resources and does not have an obvious cathodic protection effect. Therefore， a distributed cathodic protection system based on big data is designed for long?distance pipelines. The distributed structure of combining the hierarchical structure with module is adopted as the overall structure of the system. The function of each structure is analyzed in detail. The measurement device of the system comprises the monitoring center and long?distance pipeline remote cathodic protection monitoring system. The long?distance pipeline cathodic protection monitoring system is composed of wireless data transceiver， cathodic protection monitor， and buried underground pipelines. The wireless data transceiver controls various parameters of buried underground pipelines via the 485 interface after parsing data information. For the software part of the system， the cathodic protection acquisition module is designed， and the danger of distributed cathodes for long?distance pipelines is warned and protected. The experimental results show that the designed system can reduce the corrosion situation and corrosion rate of long?distance pipelines， and has a good protection effect.

Keywords： big data; long?distance pipeline; distributed cathodic protection system; sacrificial anode; wireless data transceiver; data collector

0 ?引 ?言

我國(guó)石油、天然氣的長(zhǎng)距離輸送主要依靠掩埋地下的長(zhǎng)輸管道來(lái)實(shí)現(xiàn)。而掩埋地下的管道通常為鋼制結(jié)構(gòu)。鋼材質(zhì)在土壤化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定情況下容易產(chǎn)生腐蝕，管道腐蝕是造成管道無(wú)法正常工作的主要原因。長(zhǎng)距離輸送的管道腐蝕會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染[1]，尋找合理有效的解決方法是當(dāng)前面對(duì)的重要難題。傳統(tǒng)犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)系統(tǒng)采用人工定期采集得到電位，需要消耗大量人力、財(cái)力且對(duì)陰極保護(hù)效果不明顯。面對(duì)該問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)的長(zhǎng)輸管道分布式陰極保護(hù)系統(tǒng)，以提高長(zhǎng)輸管道使用期限降低經(jīng)濟(jì)成本，增強(qiáng)陰極保護(hù)效果。

1 ?長(zhǎng)輸管道分布式陰極保護(hù)系統(tǒng)研究

1.1 ?系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文基于大數(shù)據(jù)的長(zhǎng)輸管道分布式陰極保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)建形式，采用分層結(jié)構(gòu)和模塊相結(jié)合分布式結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)功能模塊采用接口的方式進(jìn)行松耦合關(guān)聯(lián)[2]。其接口參數(shù)定義清晰、語(yǔ)義清晰可實(shí)現(xiàn)各模塊的功能。圖1為本文陰極保護(hù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

本文設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)的長(zhǎng)輸管道分布式陰極保護(hù)系統(tǒng)主要功能有：

1） 實(shí)現(xiàn)各部分控制系統(tǒng)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)連接、采集和傳輸?shù)墓δ堋?/p>

2） 存儲(chǔ)站控系統(tǒng)SCADA以及一些業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

3） 使用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù)，對(duì)長(zhǎng)輸管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括管道實(shí)時(shí)圖像、發(fā)生預(yù)警圖像等。

4） 實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別的數(shù)據(jù)權(quán)限，保障整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)硬件部分的測(cè)量?jī)x主要由監(jiān)控中心和長(zhǎng)輸管道遠(yuǎn)程陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器、陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)器和掩埋的地下管道共同組成。陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)器可對(duì)長(zhǎng)輸管道的保護(hù)電壓進(jìn)行測(cè)量，也可對(duì)恒定電位儀的輸出電壓和電流測(cè)量[3]。無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器的作用是將陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)通信設(shè)備發(fā)送至電腦，在電腦中通過(guò)各種軟件對(duì)數(shù)據(jù)整理分析，得到最終數(shù)據(jù)結(jié)果?；谟布y(cè)量?jī)x的功能需要嚴(yán)格設(shè)計(jì)和選擇內(nèi)置芯片，本文對(duì)硬件測(cè)量?jī)x的選擇應(yīng)遵從低能耗、采樣精度高和抗干擾能力強(qiáng)等條件。

基于大數(shù)據(jù)的長(zhǎng)輸管道分布式陰極保護(hù)系統(tǒng)測(cè)量?jī)x特點(diǎn)如下：

1） 集成電路由CMOS和BiFET共同組成，該電路構(gòu)成包括MCU芯片、時(shí)鐘芯片、串口芯片以及儀表放大器和轉(zhuǎn)換器等。

2） 硬件部分電源設(shè)備采用最先進(jìn)的電源管理模塊，可在系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)下保持低功率消耗[4]，當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)會(huì)立刻進(jìn)入陰極保護(hù)狀態(tài)，提高系統(tǒng)使用壽命。

3） 方便攜帶、全自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)。

從圖2可看出PC計(jì)算機(jī)與GSM接收模塊通過(guò)RS 232接口共同構(gòu)建監(jiān)控中心。該監(jiān)控中心主要功能為向無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器發(fā)送各種指令，并對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器處理結(jié)果進(jìn)行處理和保存。PC計(jì)算機(jī)采用RS 232接口向GSM接收模塊發(fā)送各種操作指令。GSM接收模塊再利用GSM網(wǎng)絡(luò)向無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器發(fā)送指令。無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器在對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析后經(jīng)RS 485接口。實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)輸管道遠(yuǎn)程陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中掩埋地下管道各項(xiàng)參數(shù)的控制[5]，并根據(jù)要求將數(shù)據(jù)信息保存在無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器或傳送到監(jiān)控中心。

1.3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于大數(shù)據(jù)的長(zhǎng)輸管道分布式陰極保護(hù)系統(tǒng)軟件包括陰極保護(hù)電位采集模塊設(shè)計(jì)、陰極保護(hù)電位無(wú)線測(cè)遙模塊程序設(shè)計(jì)以及中心監(jiān)控站軟件設(shè)計(jì)。無(wú)線測(cè)遙主要維持各條長(zhǎng)輸管道的陰極保護(hù)電位的整天不間斷監(jiān)測(cè)，再將監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心站。中心監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)采用VC++程序進(jìn)行編寫，設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、信號(hào)的預(yù)測(cè)和預(yù)警以及對(duì)異常情況發(fā)生的定位[6]。

1.3.1 ?陰極保護(hù)電位采集模塊設(shè)計(jì)

陰極保護(hù)電位采集模塊設(shè)計(jì)流程分析過(guò)程如下：

1） 啟動(dòng)本文系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備進(jìn)行初始化操作[7];

2） 系統(tǒng)初始化利用I/O接口和數(shù)據(jù)采集接口;

3） 利用斷電測(cè)量法對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行運(yùn)行，采集長(zhǎng)輸管道的測(cè)量數(shù)值[7?8];

4） 數(shù)據(jù)信號(hào)預(yù)處理操作;

5） GPRS將處理后數(shù)據(jù)發(fā)送到終端服務(wù)器;

6） 系統(tǒng)出現(xiàn)異常，及時(shí)向外發(fā)送采集到異常數(shù)據(jù)。

圖3為系統(tǒng)軟件部分陰極保護(hù)電位采集模塊工作流程圖。

1.3.2 ?無(wú)線遙感模塊工作流程設(shè)計(jì)

無(wú)線遙感模塊主要負(fù)責(zé)各條長(zhǎng)輸管道的陰極保護(hù)電位24 h的平穩(wěn)運(yùn)行，并將結(jié)果傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。通常為了降低系統(tǒng)整體的功耗，在長(zhǎng)輸送管道無(wú)異常的情況下，每日只發(fā)送一次數(shù)據(jù)。無(wú)線遙測(cè)模塊工作流程主要進(jìn)行系統(tǒng)初始化[9?10]、A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換、GPRS電源控制數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)信息發(fā)送等功能。圖4為其工作流程圖。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

2.1 ?陰極保護(hù)效果分析

分析采用本文陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)輸管道陰極的保護(hù)效果。對(duì)采用本文系統(tǒng)進(jìn)行陰極保護(hù)和未采用本文系統(tǒng)進(jìn)行陰極保護(hù)的某工程的長(zhǎng)輸管道進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試完成后將長(zhǎng)輸管道外表皮的防腐層去掉后，比較兩種情況下長(zhǎng)輸管道的損傷情況。圖5和圖6分別為外加本文系統(tǒng)進(jìn)行陰極保護(hù)和未采用任何防護(hù)的長(zhǎng)輸管道的腐蝕情況。

從圖5和圖6可以清晰地看出，本文系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)長(zhǎng)輸管道起到很好的保護(hù)作用，利用本文系統(tǒng)進(jìn)行陰極保護(hù)的輸電線僅僅在開口處沾有少量的污泥，不存在長(zhǎng)輸管道被腐蝕的現(xiàn)象，而圖5未加任何保護(hù)的管道存在大面積的腐蝕。

2.2 ?土壤環(huán)境對(duì)陰極保護(hù)影響分析

研究表明，不同的土壤環(huán)境會(huì)對(duì)長(zhǎng)輸管道造成不同腐蝕程度，管道在地下掩埋時(shí)間越長(zhǎng)接收土壤中酸性物質(zhì)腐蝕越嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)不同土壤酸性環(huán)境下長(zhǎng)輸管道電位測(cè)試結(jié)果，不同陰極保護(hù)電位下長(zhǎng)輸管道的腐蝕速率，分別如表1和表2所示。

由表1數(shù)據(jù)分析能夠得出，長(zhǎng)輸管道接觸土壤的酸性越強(qiáng)，需要的陰極保護(hù)電位越低，尤其是未加陰極的保護(hù)需要的保護(hù)電位更低。從表2能夠看出，在陰極保護(hù)電位在-1 050 mV左右時(shí)的長(zhǎng)輸管道腐蝕速率最小，保護(hù)度較高。采用本文系統(tǒng)進(jìn)行陰極保護(hù)的電位與-1 050 mV更接近，說(shuō)明本文系統(tǒng)的應(yīng)用可以增強(qiáng)長(zhǎng)輸管道的保護(hù)程度降低腐蝕速率。

3 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)的長(zhǎng)輸管道分布式陰極保護(hù)系統(tǒng)在解決傳統(tǒng)犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)電位檢測(cè)不準(zhǔn)確耗費(fèi)大量人力上的作用較明顯，可以降低長(zhǎng)輸管道的腐蝕增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)陰極保護(hù)的作用明顯。

參考文獻(xiàn)

[1] 周江，王偉平，孟丹，等.面向大數(shù)據(jù)分析的分布式文件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2014，51（2）：382?394.

ZHOU Jiang， WANG Weiping， MENG Dan， et al. Key technology in distributed file system towards big data analysis [J]. Journal of computer research and development， 2014， 51（2）： 382?394.

[2] 黃平，周英鋼，王志超，等.長(zhǎng)輸埋地油氣管道陰極保護(hù)裝置供能系統(tǒng)[J].電源技術(shù)，2016，40（12）：2394?2396.

HUANG Ping， ZHOU Yinggang， WANG Zhichao， et al. Research of power supply system of cathodic protection device for long?distance buried oil and gas pipelines [J]. Chinese journal of power sources， 2016， 40（12）： 2394?2396.

[3] 張永飛，趙書華，李平，等.長(zhǎng)輸埋地管道陰極保護(hù)故障診斷與排除[J].腐蝕與防護(hù)，2014，35（11）：1168?1172.

ZHANG Yongfei， ZHAO Shuhua， LI Ping， et al. Fault diagnosis and elimination of cathodic protection system for long?distance buried pipelines [J]. Corrosion and protection， 2014， 35（11）： 1168?1172.

[4] 張秀麗，黃治娟，王應(yīng)高，等.火力發(fā)電廠循環(huán)水管道內(nèi)壁犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)及施工[J].中國(guó)電力，2014，47（12）：32?36.

ZHANG Xiuli， HUANG Zhijuan， WANG Yinggao， et al. Design and construction of sacrificial anode cathodic protection for internal surface of buried circulating water pipeline in a thermal power plant [J]. Electric power， 2014， 47（12）： 32?36.

[5] 王潤(rùn)，翁繼軍，陳勝利，等.原油長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)分析[J].表面技術(shù)，2016，45（7）：85?89.

WANG Run， WENG Jijun， CHEN Shengli， et al. Effectiveness evaluation analysis on cathodic protection of crude oil long?distance pipeline [J]. Surface technology， 2016， 45（7）： 85?89.

[6] 楊樹敏，董廣河.陰極保護(hù)系統(tǒng)在“海洋石油118 FPSO”上的應(yīng)用[J].船海工程，2016，45（5）：76?78.

YANG Shumin， DONG Guanghe. Application of cathodic protection system in FPSO industry [J]. Ship & ocean engineering， 2016， 45（5）： 76?78.

[7] 程銳，姜潤(rùn)翔，龔沈光.船舶軸頻電場(chǎng)等效源強(qiáng)度計(jì)算方法[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（2）：138?143.

CHENG Rui， JIANG Runxiang， GONG Shenguang. Calculation method of vessels′ shaft rate electric field equivalent source magnitude [J]. Journal of National University of Defense Technology， 2016， 38（2）： 138?143.

[8] 陳磊，張玲君，劉學(xué)知.PCCP管道陰極保護(hù)技術(shù)在鄂北地區(qū)水資源配置工程中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，2016，47（7）：57?60.

CHEN Lei， ZHANG Lingjun， LIU Xuezhi. Application of PCCP pipeline cathodic protection technique to North Hubei Water Resources Allocation Project [J]. Water resources and hydropower engineering， 2016， 47（7）： 57?60.

[9] 陳海燕.一種分布式大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué)，2014，41（z2）：393?395.

CHEN Haiyan. Design and realization of distributed big data management system [J]. Computer science， 2014， 41（S2）： 393?395.

[10] 宋杰，郭朝鵬，王智，等.大數(shù)據(jù)分析的分布式MOLAP技術(shù)[J].軟件學(xué)報(bào)，2014，25（4）：731?752.

SONG Jie， GUO Chaopeng， WANG Zhi， et al. Distributed MOLAP technique for big data analysis [J]. Journal of software， 2014， 25（4）： 731?752.