高精度陽極輸出電流測量技術(shù)的研究

上海燃?xì)馄謻|銷售有限公司 潘 征 趙賢平

隨著我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的變化，人們對燃?xì)獾饶茉吹男枨笤絹碓酵?。燃?xì)夤艿览锍滩粩嘣鲩L，由直流雜散電流引起的管道腐蝕問題越來越嚴(yán)峻。管道陰極保護(hù)是管道日常管理的重要工作內(nèi)容，長期以來，由于線路長、檢測點(diǎn)分散等問題，導(dǎo)致監(jiān)控工作實(shí)施與管理難度高，工作量大。為此，我公司引入電流傳感器，在不改變原犧牲陽極陰極保護(hù)回路的同時測量鎂陽極輸出電流，同時使用極化電位測試探頭對埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)電位的測量，應(yīng)用GSM/GPRS組網(wǎng)傳輸方案將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心進(jìn)行處理分析。管理人員可以通過網(wǎng)頁所展示的埋地鋼制管道陰極保護(hù)狀態(tài)和統(tǒng)計的管道歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測可能存在的危險狀態(tài)，同時也可進(jìn)行報警閾值判斷、觸發(fā)報警以及采集數(shù)據(jù)頻率的設(shè)定。若發(fā)生陽極消耗嚴(yán)重時，設(shè)備將自動發(fā)送報警短信和微信推送報警消息，請求專業(yè)人員解決故障。相關(guān)巡檢人員無需自帶萬用表和參比電極，也無需手動填寫犧牲陽極相關(guān)數(shù)據(jù)，既減輕了巡檢人員的工作量，又提高犧牲陽極陰極保護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實(shí)時性。

1 高精度陽極輸出電流測量技術(shù)

1.1 管道極化電位的測量

采用普通參比電極和常規(guī)方法測定埋地管道的極化電位時，一般需要使用斷電測量法來消除土壤IR降。但是通常情況下又無法同時全部斷開陽極與管道的連接，所以在工程上斷電測量經(jīng)常會因諸多不便而難以實(shí)施。并且當(dāng)有雜散電流干擾或由防腐層缺陷差異導(dǎo)致產(chǎn)生局部宏電池時，即使采用斷電法也難以測出真實(shí)的管道極化電位。為了最大限度地消除土壤IR降以有效抑制雜散電流干擾，可以使用KR2型極化探頭測定管道極化電位，該裝置能使測量通道上的土壤IR降至極小(工程上可以忽略不計)，完全不受雜散電流干擾的影響，同時也可方便地實(shí)施斷電測量，即使在雜散電流干擾區(qū)域也能簡單方便地測量出真實(shí)可靠的管道極化電位。極化電位檢測示意見圖1。

圖1 極化電位檢測示意

如上圖1所示，當(dāng)極化探頭被置于與埋地管道相同的土壤介質(zhì)后閉合開關(guān)K，探頭底部的試片4通過導(dǎo)線并經(jīng)測試樁與埋地管道相連接并引入極化，從而使試片4與埋地管道具有相同的極化電位。當(dāng)試片4充分極化后，在斷開開關(guān)K的瞬間，使用萬用表測量內(nèi)塑料筒1中內(nèi)置的飽和硫酸銅參比電極與試片4之間的電位差即可得到試片4的極化電位。外塑料桶內(nèi)充滿惰性飽和電解質(zhì)溶液成為內(nèi)塑料筒中飽和硫酸銅參比電極的緩沖鹽橋，在外塑料桶底部設(shè)有與試片4同心的鹽橋孔3，由于鹽橋孔3的管壁很薄，其內(nèi)置的半透膜微孔陶瓷與試片4距離很近，故由此引起的IR降極小，在工程上可忽略不計，即所測得的瞬時斷電電位就是管道上真實(shí)的極化電位。當(dāng)試片4與鹽橋孔3的面積之比足夠大時，雜散電流干擾將完全被試片4所屏蔽而不會影響到極化電位的測量。這種結(jié)構(gòu)使KR2極化探頭在雜散電流干擾嚴(yán)重的地區(qū)實(shí)測時，數(shù)值也會非常穩(wěn)定準(zhǔn)確，完全不受干擾影響。

1.2 非接觸式陽極輸出電流的測量

采用最新開合式CT傳感技術(shù)，雙層干擾屏蔽，不必斷開被測線路，通過檢測被測導(dǎo)線周圍磁場，安全、快速地非接觸測量通過被測導(dǎo)線的電流。該技術(shù)適用于高精度的直流漏電流、直流小電流的在線檢測，可以連接工業(yè)控制裝置、數(shù)據(jù)記錄儀、示波器、高精度數(shù)字多用表等。

不同于改變陰極保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)有回路才能測量陽極電流的方式，開合式CT傳感技術(shù)最大的優(yōu)勢在于不必改變被測線路，即可測量通過導(dǎo)線的電流，便于安裝及維護(hù)，見圖2。另外傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電阻法測量陽極電流的方法，由于測量時需要將標(biāo)準(zhǔn)電阻串入系統(tǒng)回路，多少將導(dǎo)致陽極電流測量結(jié)果的偏差，該技術(shù)不會存在這樣的問題。

圖2 開合式CT電流傳感器實(shí)物

1.3 陽極使用壽命的估計

根據(jù)法拉第定律對陽極使用壽命的估計，腐蝕電池中金屬隨時間的損失與電流有關(guān)系，即沉積在陰極上（或從陽極上游離出來）的任何材料的質(zhì)量與通過回路中的電荷量成正比。即

式中：W——金屬質(zhì)量損失，kg；

K——電化學(xué)當(dāng)量，kg/Aga；；

I——陽極電流，A；

T——腐蝕時間，a。

由此，只要知道陽極材料以及陽極電流的輸出值，理論上就可以得出陽極的消耗量，進(jìn)而估計其使用壽命。

1.4 雜散電流強(qiáng)度的檢測與分析

當(dāng)管道某部位的防腐層由于各種原因發(fā)生脫落情況時，環(huán)境介質(zhì)中的雜散電流通過犧牲陽極和防腐層破損點(diǎn)進(jìn)入埋地管道，再從防腐層另一處破損點(diǎn)流出，進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)，這就形成了雜散電流回路，構(gòu)成了一種電解腐蝕電池。一旦管道與干擾源形成以土壤為介質(zhì)的電流回路，管道在電流的流出點(diǎn)的電位就會升高，從而可能使得管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)失效，并在管道陽極區(qū)發(fā)生激烈的電解腐蝕。

雜散電流由于受多種因素的影響，直接對其進(jìn)行測定比較困難，目前常用的測試技術(shù)包括管地電位偏移測試法，土壤電位梯度測試法以及電流探針測試法。當(dāng)土壤與管道中有電流流過時，總會引起電位的變化，通過管地電位的偏移量可以對雜散電流的干擾強(qiáng)度進(jìn)行測量與評價，當(dāng)管地電位偏移難以測試時，也可采用測量管道附近土壤表面電位梯度來進(jìn)行雜散電流干擾強(qiáng)度的判斷，其具體評價標(biāo)準(zhǔn)如下表1。

表1 雜散電流強(qiáng)度判斷參數(shù)值

1.5 電流探針測試法

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50162—2004(Protection against corrosion by stray current from direct current systems)《直流系統(tǒng)中雜散電流引起腐蝕的防護(hù)》中推薦一種電流探針測試法對有陰極保護(hù)的結(jié)構(gòu)所受雜散電流干擾強(qiáng)度進(jìn)行判定，通過測量探針與管道之間的電流的變化來分析雜散電流的干擾強(qiáng)度。

將表面經(jīng)過絕緣防腐處理的鋼質(zhì)探針埋設(shè)于與管道同一深度處，距離宜為0.1～0.3 m,探針表面裸露面積一般宜為6.5～50 cm2。通過測試樁內(nèi)的連接板連接探針與管道，使用電流傳感器連續(xù)測量探針電流的大小與方向，一般持續(xù)時長為24 h。其具體評價標(biāo)準(zhǔn)如下：首先確定埋地管道不受雜散電流干擾或干擾較弱的時段(如夜間)為時段A，并將該時段內(nèi)的探針電流值的均值設(shè)為基準(zhǔn)值(100%)；然后確定探針電流值降幅最大的時段(即具有最正電位波動的時段)為時段B；將時段B的時長與下表中第三列(最差時長)作對比，并得出相應(yīng)探針電流相對于基準(zhǔn)值的百分?jǐn)?shù)%(第一列)，則低于該百分?jǐn)?shù)的所有探針電流存在對管道的高腐蝕危險。雜散電流檢測示意見圖3，電流探針測試法評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。

圖3 雜散電流檢測示意

表2 電流探針測試法評價標(biāo)準(zhǔn)

2 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)安裝環(huán)境的不同，制定了犧牲陽極測試樁安裝與埋地安裝兩種不同的安裝方案。

2.1 硬件部分

犧牲陽極在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括以下模塊：

(1)數(shù)據(jù)采集模塊

采集管道極化電位、犧牲陽極輸出電流以及探針電流。

(2)SD卡存儲模塊

對采集所得的相關(guān)數(shù)據(jù)以及設(shè)備的檢測參數(shù)進(jìn)行SD卡本地存儲，以便需要時可以直接取出SD卡，接入計算機(jī)即可進(jìn)行讀取。

(3)無線傳輸模塊

通過GSM/GPRS組網(wǎng)傳輸方案按照指定協(xié)議將采集所得的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，在云端對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及存儲，同時可對設(shè)備的檢測參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程修改，以實(shí)現(xiàn)智能化在線數(shù)據(jù)監(jiān)測分析。

2.2 軟件部分

(1)云端數(shù)據(jù)分類存儲

對硬件設(shè)備上傳到云端的檢測數(shù)據(jù)及相應(yīng)設(shè)備的檢測參數(shù)進(jìn)行分類，存儲到數(shù)據(jù)庫中，并傳輸?shù)角岸司W(wǎng)頁進(jìn)行顯示。

(2)云端數(shù)據(jù)在線監(jiān)測分析

對硬件設(shè)備上傳到云端的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析，通過管道極化電位，分析當(dāng)前管道的陰極保護(hù)狀況；通過陽極輸出電流，分析陽極的使用狀況，估計陽極的使用壽命；通過探針電流，分析雜散電流干擾強(qiáng)度，并將相應(yīng)分析結(jié)果傳輸?shù)角岸司W(wǎng)頁進(jìn)行顯示。

(3)云端設(shè)備檢測參數(shù)修改

當(dāng)前端網(wǎng)頁的相應(yīng)設(shè)備的采樣時間及上傳時間間隔設(shè)置發(fā)生變化時，更新數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)設(shè)備的檢測參數(shù)，并發(fā)送相應(yīng)參數(shù)修改命令到相應(yīng)硬件設(shè)備，對設(shè)備的檢測參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程修改。

(4)網(wǎng)頁地圖顯示及設(shè)備定位

在網(wǎng)頁上調(diào)用百度地圖，顯示所有設(shè)備的具體位置，以便設(shè)備管理、維護(hù)及現(xiàn)場檢修。

(5)網(wǎng)頁實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查詢及圖形顯示

根據(jù)輸入的設(shè)備編號，將指定硬件設(shè)備上傳到云端的實(shí)時檢測數(shù)據(jù)繪制成時間-數(shù)據(jù)曲線在網(wǎng)頁上進(jìn)行顯示，并可根據(jù)輸入的設(shè)備編號及所選擇的時間段提供指定設(shè)備在指定時間段內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)并繪制成時間/數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行顯示。

(6)網(wǎng)頁陽極使用狀況及使用壽命估計查詢

根據(jù)輸入的設(shè)備編號，將云端分析后得出的該設(shè)備安裝點(diǎn)各陽極的使用狀況繪制成餅圖在網(wǎng)頁上進(jìn)行顯示，同時列出各陽極估計使用壽命。

(7)網(wǎng)頁雜散電流干擾強(qiáng)度分析查詢

根據(jù)輸入的設(shè)備編號，將該設(shè)備安裝點(diǎn)在密集采集間隔（1s/條）下，連續(xù)采集24h的探針電流數(shù)據(jù)繪制成時間-數(shù)據(jù)曲線在網(wǎng)頁上進(jìn)行顯示，同時按照EN-50162《直流系統(tǒng)中雜散電流引起腐蝕的防護(hù)》中規(guī)定的評價標(biāo)準(zhǔn)分別標(biāo)示出探針電流的基準(zhǔn)時段與探針電流值降幅最大時段，以及存在高腐蝕危險的雜散電流段。

(8)網(wǎng)頁實(shí)時及歷史上報信息查詢

將各設(shè)備的實(shí)時上報信息在網(wǎng)頁上進(jìn)行顯示，并可根據(jù)輸入的設(shè)備編號及所選擇的時間段，提供指定設(shè)備在指定時間段的歷史上報信息查詢。

(9)網(wǎng)頁設(shè)備采樣時間及上傳時間間隔查詢與設(shè)置

根據(jù)輸入的設(shè)備編號，在網(wǎng)頁上顯示指定設(shè)備的采樣時間及上傳時間間隔，并可進(jìn)行修改。

2.3 相關(guān)數(shù)據(jù)對比實(shí)驗(yàn)與實(shí)例數(shù)據(jù)分析

2.3.1 現(xiàn)場直測法測得陽極電流數(shù)據(jù)與犧牲陽極監(jiān)測設(shè)備上傳陽極電流數(shù)據(jù)對比實(shí)驗(yàn)

某時段華夏西路測試樁現(xiàn)場，將一帶數(shù)據(jù)存儲功能的41/2位數(shù)字萬用表的量程調(diào)至DC 10A檔位，并將其串入A路陽極電流回路，同時使用該萬用表與犧牲陽極監(jiān)測設(shè)備采集該時段內(nèi)A路陽極電流大小，采集頻率為1 s/次，采集時長為1 h，之后將萬用表采得數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，與上傳到云端的犧牲陽極主板采得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并繪制成時間-電流曲線。

2.3.2 便攜式參比電極測得閉路電位與極化探頭測得極化電位、長效參比電極測得閉路電位數(shù)據(jù)對比實(shí)驗(yàn)

某時段航津路測試樁現(xiàn)場，將一帶數(shù)據(jù)存儲功能的萬用表測量管道與便攜式參比電極之間的閉路電位，同時使用犧牲陽極監(jiān)測設(shè)備采集該時段內(nèi)的管道極化電位以及管道與長效參比電極之間閉路電位的大小，采集頻率為1s/次，采集時長為1 h，之后將萬用表測得數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，與上傳到云端的犧牲陽極監(jiān)測設(shè)備采得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并繪制成時間-電位曲線，如圖5所示，可見在管道極化電位與長效參比電極測得閉路電位之間還是存在一定的土壤IR降的，而使用極化探頭測得的管道極化電位則可以最大限度地消除該IR降。

圖5 航津路陽極測試樁某時段極化電位、長效參比電極及便攜式參比電極閉路電位數(shù)據(jù)對比試驗(yàn)

2.4 實(shí)驗(yàn)室陽極消耗量估計數(shù)據(jù)對比實(shí)驗(yàn)

在飽和CO2的氯化鈉溶液中放置一根作陰極的鋼棒，在其側(cè)面放置一個作陽極的鎂塊，將鎂塊放入水中之前進(jìn)行稱重，記錄鎂塊的初始重量，用導(dǎo)線將鋼棒與鎂塊相連，在導(dǎo)線上卡入電流傳感器，并使用犧牲陽極主板采集陽極電流，每隔24 h將鎂塊取出進(jìn)行酸洗，將腐蝕產(chǎn)物去除干凈后用吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)快速吹干后進(jìn)行稱重并記錄數(shù)據(jù)，與根據(jù)上傳到云端的犧牲陽極主板采得數(shù)據(jù)經(jīng)計算后得出的陽極消耗量進(jìn)行對比分析，連續(xù)記錄數(shù)據(jù)31 d后，繪制成時間-陽極消耗量曲線，如圖6所示，可見在實(shí)驗(yàn)室狀況下，除去實(shí)驗(yàn)過程中鎂塊的損耗，就趨勢而言，使用法拉第定律對陽極消耗量的估計比較準(zhǔn)確。

圖6 實(shí)驗(yàn)室陽極消耗量估計數(shù)據(jù)對比實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)實(shí)使用過程中隨著陽極使用時間的推移，陽極表面往往較容易生成一層不導(dǎo)電的硬殼，限制陽極電流的輸出，即陽極的鈍化，以使陽極的壽命大大縮短，而導(dǎo)致該問題的主要原因是陽極所處位置土壤電阻率太高或填料應(yīng)用不當(dāng)，導(dǎo)致陽極表面電流密度過低，腐蝕產(chǎn)物無法移走所致，所以選擇土壤電阻率較低的陽極床位置加上合適的填料對于陽極的使用壽命相當(dāng)重要。

2.5 現(xiàn)場陽極消耗量數(shù)據(jù)對比實(shí)例

某時刻林恒路測試樁現(xiàn)場陽極電流及鎂包損耗實(shí)時數(shù)據(jù)對比如圖7所示，數(shù)據(jù)表明林恒路測試樁現(xiàn)場鎂包損耗較慢。

圖7 林恒路測試樁現(xiàn)場陽極電流及鎂包損耗實(shí)時數(shù)據(jù)

2.6 現(xiàn)場探針電流數(shù)據(jù)實(shí)例分析

將某時刻張楊路測試樁與施新路測試樁分為2類進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，其中張楊路測試樁位于地鐵沿線，受直流電車系統(tǒng)所產(chǎn)生的直流雜散電流干擾；而施新路測試樁均遠(yuǎn)離地鐵沿線，周圍不存在明顯的直流雜散電流干擾源。如圖8所示，其中位于地鐵沿線的測試樁所測得的探針電流存在明顯波動，夜間(0：00~5：00)探針電流幾乎沒有波動，為基準(zhǔn)時段；日間地鐵運(yùn)行期間，探針電流波動較為劇烈，其中早高峰(7：00~9：30)與晚高峰(17：00~19：30)時段，探針電流值降幅最大，雜散電流干擾最為明顯。而結(jié)合極化電位來看，由于現(xiàn)階段相應(yīng)測試樁的極化電位均在正常范圍之內(nèi)，說明管道防腐層情況較好，雜散電流干擾并未對管道造成實(shí)質(zhì)影響。而遠(yuǎn)離地鐵沿線的測試樁所測得的探針電流全天均較為平緩，日間與夜間的波動情況并無明顯區(qū)別，受雜散電流干擾并不明顯。

圖8 張揚(yáng)路測試樁現(xiàn)場探針電流實(shí)例數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

高精度犧牲陽極電流監(jiān)測技術(shù)極大地降低了犧牲陽極人工測量所帶來的誤差，使測得數(shù)據(jù)更加精確。在不改變被測線路，測量通過導(dǎo)線的電流，相比于傳統(tǒng)的使用參比電極測量管地電位的方法，用參比電極測量管地電位來監(jiān)測陰極保護(hù)狀態(tài)的方法可以使測量通道上的土壤IR降減至極小，同時完全不受雜散干擾電流的影響。同時高精度犧牲陽極電流監(jiān)測技術(shù)結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)及通訊科技，其全天候的數(shù)據(jù)采集與上傳功能可節(jié)省許多傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計的時間，實(shí)現(xiàn)了對埋地管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，保證了陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的實(shí)時性、完整性、準(zhǔn)確性，在腐蝕發(fā)生前及時處理，延長管道壽命，消除事故隱患，為燃?xì)怃撡|(zhì)管道的安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。