基于陰極保護(hù)的管道防腐蝕技術(shù)與應(yīng)用研究

江永強(qiáng)

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有的管道防腐蝕技術(shù)涂層材料質(zhì)量差、預(yù)測腐蝕速率精度低等問題，提出了一種外加電流陰極保護(hù)（Impressed Current Cathodic Protection，ICCP）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過陰極保護(hù)（Cathodic Protection，CP）儀表監(jiān)測管道表面電位，選用超疏水涂層作為管道的緩蝕劑。研究基于CenterNet構(gòu)建深度學(xué)習(xí)預(yù)測模型，通過將正常電位和腐蝕電位視為袋子并將管道表面電位視為袋子中的樣本，利用分類中性能指標(biāo)特征曲線下面積（Area Under Curve，AUC）來預(yù)測管道腐蝕情況。結(jié)果表明：該預(yù)測模型精準(zhǔn)度更高，在預(yù)測2021年管道的腐蝕速率誤差為0%。

關(guān)鍵詞：超疏水涂層;防腐材料;陰極保護(hù);深度學(xué)習(xí);特征曲線下面積;腐蝕速率;精密度

中圖分類號(hào)：TE832

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）03-0027-06

Research on pipeline anti-corrosion technology and

application based on cathodic protection

JIANG Yongqiang

（Chongqing Gas Transmission Natural Gas Sales Center，Sinopec Natural Gas Branch，Chongqing 400025，China）

Abstract：Aiming at the problems of poor quality of coating materials of existing pipeline anticorrosion technology and low accuracy of predicting corrosion rate， this paper proposes an impressed current cathodic protection （Impressed Current Cathodic Protection， ICCP） system structure. The surface potential of the pipeline is monitored by a cathodic protection （CP） instrument， and a super-hydrophobic coating is selected as the corrosion inhibitor for the pipeline. This study builds a deep learning prediction model based on CenterNet， which takes normal potential and corrosion potential as bags and pipe surface potential as samples in the bag， and uses the area under curve （AUC） of the performance indicators in the classification to predict corrosion of the pipeline. The experimental results show that the prediction model is more accurate， and the error in predicting the corrosion rate of the pipeline in 2021 is 0%.

Key words：superhydrophobic coating; anti-corrosion materials; cathodic protection; deep learning; area under characteristic curve; corrosion rate; precision

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，主要城市的建設(shè)步伐加快，地面可用空間資源日益緊張，因此地下空間的利用已逐漸引起人們的關(guān)注[1]。腐蝕已被認(rèn)為是導(dǎo)致管道故障的主要機(jī)制，并由此造成的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境問題，聚合物涂層與陰極保護(hù)結(jié)合，是保護(hù)輸送管道受腐蝕攻擊的關(guān)鍵手段。雖然管道涂料已發(fā)展了60年，性能不斷提高;但傳統(tǒng)涂層存在以下缺點(diǎn)：施工或退化造成機(jī)械損傷。例如，在使用期間從基體鋼中剝離，它們無法在腐蝕性環(huán)境中保護(hù)管道，這些腐蝕環(huán)境下的涂層脫落或涂層缺陷[2-3]。

為了解決這一難題[4]，通過化學(xué)處理和內(nèi)涂層應(yīng)用，將陰極保護(hù)水平調(diào)整到-50 mV銅/硫酸銅電極以下，以及減少操作管道中的壓力波動(dòng)，并通過灰色模型預(yù)測管道的腐蝕速率。然而，該措施大多費(fèi)用昂貴，預(yù)測模型精度低[5]。通過在水性環(huán)氧涂層中沉積聚電解質(zhì)制備了含納米膠囊的緩蝕劑，并期望應(yīng)用于管道涂層。不過，該方法都是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，在實(shí)驗(yàn)室中，基質(zhì)涂料并不是工業(yè)涂料。此外，將抑制劑封裝在容器中的技術(shù)非常復(fù)雜，在工業(yè)規(guī)模上是不現(xiàn)實(shí)的。

1 ICCP遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

針對(duì)上述存在的問題，本研究采用一種外加電流陰極保護(hù)（ICCP）技術(shù)，其原理是通過向被腐蝕管道表面施加一個(gè)外加電流，管道就會(huì)成為陰極，從而使得管道腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生[6]。為此，本研究設(shè)計(jì)了新型ICCP遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對(duì)管道外表面的電位進(jìn)行監(jiān)測，允許遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)以使管道的陰極保護(hù)（CP）狀態(tài)保持在極限范圍內(nèi)。技術(shù)人員將使用便攜式電壓表進(jìn)行智能測量;當(dāng)保護(hù)條件未觸發(fā)在極限范圍內(nèi)時(shí)，再進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整CP表的參數(shù)。

1.1 CP儀表設(shè)計(jì)

ICCP控制系統(tǒng)的核心硬件為CP表，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在圖1中，CP表是監(jiān)測管道附近電位的重要裝置，其包括兩個(gè)主要功能：能夠獲取管道外表面電壓和嵌入控制器算法。根據(jù)所采用的控制策略，CP表將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給CP接收機(jī)，并需要在電源中添加一個(gè)合適的CP接收器，其能夠根據(jù)接收到的控制數(shù)據(jù)修改電源的電流或電壓，以確保關(guān)鍵測量點(diǎn)的保護(hù)條件，然后是整個(gè)管網(wǎng)的陰極保護(hù)條件。此外，需要至少1 MΩ的輸入電阻，并且還建議使用在50 Hz時(shí)衰減至少為60 dB的濾波器，通過低通濾波器獲取管道電壓，并配備169 MHz的wM總線通信模塊。微控制器配備12位ADC，其與3.3 V的參考電壓一起使用，獲得的0.8 mV的分辨率符合要求的規(guī)格。ADC范圍為0～3.3 V。為此，CP表與管道和參考電壓連接，以獲得正電壓。

1.2 通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)ICCP遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，本研究搭建適應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，其中數(shù)據(jù)集中器（Data Concentrator Unit，DCU）的核心模塊，其往往與測量設(shè)備CP表交換數(shù)據(jù)[7]。與CP表相關(guān)的DCU將數(shù)據(jù)發(fā)送到CP接收機(jī)，CP接收機(jī)周期性地請(qǐng)求向相關(guān)DCU發(fā)送請(qǐng)求的新數(shù)據(jù)。如果控制數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好用于CP接收機(jī)，則發(fā)送指令，關(guān)于通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，來自CP接收機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，15 min的時(shí)間段被認(rèn)為是合適的，對(duì)于放置在電源附近的CP接收機(jī)來說，這不是一個(gè)問題，其連接到電網(wǎng)并且沒有任何與數(shù)據(jù)傳輸引起的功耗相關(guān)的問題。此外，請(qǐng)求命令只需要1字節(jié)的數(shù)據(jù)，即設(shè)備標(biāo)識(shí)符。相反，只有當(dāng)電源的電流或參考電壓必須改變以保持系統(tǒng)處于保護(hù)狀態(tài)時(shí)，CP表才能保存電池傳輸數(shù)據(jù)[8]。因此，DCU中必須包含相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于CenterNet數(shù)據(jù)處理算法

根據(jù)上文得知，為了準(zhǔn)確預(yù)測管道腐蝕規(guī)律并處理管道防護(hù)，本研究提出了一種基于CenterNet模型的管道附近電位檢測算法，將CP表得到的數(shù)據(jù)特征合并到深度學(xué)習(xí)算法中，并制定了預(yù)測異常段高異常分?jǐn)?shù)的算法模型。該方法通過將管道表面正常電位和腐蝕電位視為袋子中的實(shí)例，利用分類中性能指標(biāo)AUC來預(yù)測管道表面腐蝕電位數(shù)據(jù)，具體過程包括如下兩個(gè)步驟：

2.1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究基于CenterNet從CP表中提取管道的數(shù)據(jù)特征，在特征提取過程中，只需將輸入一個(gè)完整的卷積網(wǎng)絡(luò)即可生成熱圖。因此，熱圖中的峰對(duì)應(yīng)著數(shù)據(jù)對(duì)象中心，每個(gè)峰的特征預(yù)測數(shù)據(jù)對(duì)象邊界框的高度和質(zhì)量。假設(shè)xk1、yk1、xk2、yk2表示數(shù)據(jù)對(duì)象k的邊界框?yàn)閏k，其相應(yīng)的中心點(diǎn)為Pk=（x1k+x2k/2，y1k+y2k/2）。使用關(guān)鍵點(diǎn)估計(jì)器Y預(yù)測所有中心點(diǎn)并回歸到每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象k的數(shù)據(jù)對(duì)象大小sk=（x1k-x2k，yk1-yk2）[9-10]。為限制計(jì)算負(fù)擔(dān)，利用單個(gè)大小預(yù)測S適用于所有物體類別，因此，中心點(diǎn)與目標(biāo)物鏡之間的相似性以回歸損失函數(shù)L作為標(biāo)準(zhǔn)：

L=1N∑Nk=1|SPk-sk|（1）

此外，損失函數(shù)L表達(dá)式也可以寫成：

L=Lk+λsizeLsize+λoffLoff（2）

式中：Lk是基于高斯核的具有焦點(diǎn)損失的邏輯回歸;Loff是每個(gè)中心點(diǎn)的局部偏移。同時(shí)，Lsize、Loff是兩個(gè)常數(shù)，通常取值為Lsize=0.1，Loff=1。之后，本研究根據(jù)單個(gè)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測關(guān)鍵點(diǎn)Y，偏移O和大小S，網(wǎng)絡(luò)預(yù)測每個(gè)位置總共有C+4個(gè)輸出，所有參數(shù)值輸出得到一個(gè)完整的全卷積網(wǎng)絡(luò)，即可生成管道表面電位監(jiān)測數(shù)據(jù)熱圖。

基于以上方法，本研究首先針對(duì)每個(gè)類別分別提取熱圖中的峰，檢測所有值大于或等于8相鄰中心點(diǎn)的響應(yīng)，并保留前100個(gè)峰值。假設(shè)Pc為c類的n個(gè)檢測到的中心點(diǎn)P=（xi，yi）的集合，每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位置均由整數(shù)坐標(biāo)（xi，yi）給出，使用關(guān)鍵點(diǎn)值Yxiyic作為其檢測置信度的度量，并在位置處生成一個(gè)邊界框[11]：

xi+δxi-wi2 ， yi+δyi-hi2

xi+δxi-wi2 ， yi+δyi-hi2（3）

式中：（δxi，δyi）=O是偏移量預(yù)測;（wi，hi）=S是尺寸預(yù)測。所有輸出數(shù)據(jù)點(diǎn)均直接從關(guān)鍵點(diǎn)預(yù)測中產(chǎn)生，而無需基于IoU的非最大抑制處理或其他處理。

2.1.2 AUC指標(biāo)計(jì)算

AUC是分類中流行的性能指標(biāo)，其計(jì)算隨機(jī)采樣的異常實(shí)例比隨機(jī)采樣的正常實(shí)例具有更高的異常分?jǐn)?shù)的比率[12]。假設(shè)V表示管道表面電位為數(shù)據(jù)空間，va和vn表示腐蝕和正常電位實(shí)例，pa和pn是V中腐蝕和正常電位實(shí)例的概率分布，假設(shè)f（va）和f（vn）的概率分布分別代表相應(yīng)的腐蝕電位評(píng)估函數(shù)和正常評(píng)估函數(shù)，范圍從0到1。真陽性率（TPR）是評(píng)估函數(shù)f（va）正確將異常實(shí)例va歸類為腐蝕電位的比率，其表達(dá)式為：

TPR（h）=Eva～pa[I（f（va）>h）]（4）

式中：h是閾值;E是期望值;I表示條件為l的指標(biāo)函數(shù)。同時(shí)，偽陽性率（FPR）是評(píng)估函數(shù)f（vn）將pn中的隨機(jī)正常實(shí)例錯(cuò)誤分類為腐蝕電位的比率，其表達(dá)式：

FPR（h）=Evn～pn[I（f（vn）>h）]（5）

AUC是在所有閾值h∈[0，1]區(qū)間上繪制由（TPR（h），F(xiàn)PR（h））作為橫軸坐標(biāo)所形成的曲線下的面積。具體來說，AUC的積分形式可以寫為：

AUC=∫10TPR（h）dFPR（h）（6）

通過公式（6）能夠得到經(jīng)驗(yàn)AUC表達(dá)式為：

AUCΛ=1|A||N|∑Va～pa∑vn～pnI（f（va）>f（vn））（7）

綜上所述，通過AUC的取值，來進(jìn)行評(píng)估管道表明電位的腐蝕情況，能夠及早預(yù)防突發(fā)事件，有效提高了地下管道通道的管控效率[13]。

2.2 防腐材料的制備

除了監(jiān)測管道的腐蝕情況，本研究選用超疏水涂層作為管道的緩蝕劑，通過顯著減少水-固體接觸面積來減少水腐蝕性物質(zhì)與鋼基體之間的反應(yīng)。在某些情況下，超疏水涂層可以被視為一種廉價(jià)的管道腐蝕和污垢解決方案。除此之外，在地下與海洋環(huán)境中使用超疏水聚合物涂層還包括自清潔、防冰、油水分離和粘性減阻等優(yōu)點(diǎn)[14]。

結(jié)合《A輸氣管道外腐蝕直接檢測項(xiàng)目評(píng)價(jià)報(bào)告》外防腐層檢測結(jié)果、CIPS管線通斷電位檢測分析報(bào)告、管線滲漏的歷史資料以及前期現(xiàn)場防腐層修復(fù)工作反饋，對(duì)A管道b段5 km管線大開挖進(jìn)行防腐層破損點(diǎn)的修復(fù)和管體金屬腐蝕損失點(diǎn)的補(bǔ)強(qiáng)工作。對(duì)作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)的防腐層漏點(diǎn)利用粘彈體+冷纏帶方式修復(fù);對(duì)發(fā)現(xiàn)的管道金屬腐蝕損失點(diǎn)利用焊板或超疏水涂層材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)施工，補(bǔ)強(qiáng)原理如圖3所示。

如圖3所示，當(dāng)管道表面正常時(shí)，管道內(nèi)流體通過加壓設(shè)備（泵、壓縮機(jī)等）后將產(chǎn)生一定的壓力，管道在壓力作用下發(fā)生變形。在管體的徑向膨脹過程中，沿著管道環(huán)向的拉應(yīng)力也會(huì)在管道中產(chǎn)生，特別是在由腐蝕引起的管壁變?。ɡ绺g坑）中。因此，在缺陷處有可能引起管道破裂等失效情況，導(dǎo)致管道內(nèi)輸送的介質(zhì)泄漏。通過在管道缺陷處使用超疏水涂層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)形成的防護(hù)層可以提高缺陷處管道承受載荷的能力，從而提高了管道承受運(yùn)行載荷的能力[15]。

本研究采用電沉積法制備超疏水涂層，電沉積涉及使用電從電鍍電解液中還原所需材料的金屬離子，并將該材料以薄膜形式沉積在基底表面（陰極），如圖4所示。

如圖4所示，本研究在管道表面制備了一種具有坑狀結(jié)構(gòu)的仿生超疏水鋅涂層，制備該涂層需要在管道表面電沉積鋅涂層和在全氟辛酸乙醇溶液中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在制備方面具有可擴(kuò)展、易于控制、制備成本低等優(yōu)點(diǎn)[16]，下文將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證本研究采用的管道防腐措施的適應(yīng)性與可靠性，本研究對(duì)A管道b段5公里管線大開挖進(jìn)行防腐層破損點(diǎn)的修復(fù)和管體金屬腐蝕損失點(diǎn)的實(shí)例測試。測試的重點(diǎn)是ICCP系統(tǒng)中CP表的應(yīng)用，CP表和電源之間的通信由個(gè)人計(jì)算機(jī)上的LabView VI實(shí)現(xiàn)，其通過串行接口從CP表接收字符串，并通過IEEE-488接口控制電源。電源根據(jù)通過IEEE-488接收的控制數(shù)據(jù)控制外加電流，測試設(shè)置框圖如圖5所示。

由圖5可知，在實(shí)例測試中，這兩條管道的長度和直徑分別約為250 m和2 m，鋪設(shè)在濕土中。為了模擬電源和CP表之間存在較長的管道，將管道等效電路連接到兩條管道上。在250 m長的管道上設(shè)置6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其之間間隔為50 m，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過管道內(nèi)檢測獲得，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)最大腐蝕深度以及累積概率如表1所示。

由表1可知，CP表測量地面上的恒定電位差和交流電壓，可使用已知的橫向梯度法和Pearson法搜索管道絕緣的損壞。通過極化電位測量，控制了電化學(xué)保護(hù)的狀態(tài)，檢測了金屬結(jié)構(gòu)表面的腐蝕點(diǎn)。CP表可在管道電流6個(gè)測量點(diǎn)之間的長度Δln范圍內(nèi)，確定絕緣涂層的過渡比電阻Rin表達(dá)式為：

Rin=Uinin（8）

當(dāng)陰極保護(hù)電流在長度n間隔內(nèi)的恒分量密度in和橫截面Sn：

in=ΔInSn=-ΔJnπD×Δln×kn（9）

式中：ΔIn是電流總量;ΔJn是管道末端可變電流分量測量的差值;D為管道直徑;kn是研究實(shí)驗(yàn)的測量點(diǎn)數(shù)量。當(dāng)管道絕緣層上的電位下降，表達(dá)式為：

Ui=UMG-UGG-Up=VMGkp-UGG（10）

式中：kP是在給定路段流入管道的交流諧波系數(shù)，由橫向與道路橫向的地面交流VGG和直流UGG電壓之比確定;UMG和VMG分別是指管道表面金屬和比較電極之間的電位值，分別在直流和交流下測量。如果選擇電極之間的距離x，考慮到埋深h和管道直徑D，其關(guān)系式為：

x=h4hD-2（11）

采用式（8）至式（11）對(duì)管道進(jìn)行了綜合檢查，在管道運(yùn)行1年后，通過式（10）確定了沿管道極化電位上升的分布，結(jié)果如圖6所示。

在圖6中，UP是指管道極化電位;水平直線（U=0.85 V）是指允許估計(jì)UMG并分離管道區(qū)域L0，因?yàn)樵搮^(qū)域發(fā)生腐蝕性溶解，

其預(yù)測值通過數(shù)據(jù)集中器單元中的AUC曲線來得出。

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理單元中基于CenterNet的深度學(xué)習(xí)算法預(yù)測模型的可靠性，以文獻(xiàn)[4]提出的灰色模型作為對(duì)比，采用這兩種算法模型預(yù)測2021～2025年A管道b段5 km管線的腐蝕速率，其表達(dá)式為：

q（t）=L0Lt（12）

式中：q是指管道的腐蝕速率;t是指間隔時(shí)間，年。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果并通過MATLAB軟件進(jìn)行仿真如圖7、表2所示。

從圖7可以看出，相比于文獻(xiàn)[4]所采用的灰色預(yù)測模型，本研究所采用基于深度學(xué)習(xí)預(yù)測模型精準(zhǔn)度更高，在預(yù)測2021年管道的腐蝕速率誤差為0%。

4 結(jié)語

針對(duì)地下管道腐蝕與防護(hù)問題，本文提出了一種適用于燃?xì)夤芫W(wǎng)外加電流陰極保護(hù)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于一個(gè)能夠監(jiān)測管道附近電位的低成本儀表，放置在電位分布最差的網(wǎng)絡(luò)部分，即接近陰極保護(hù)條件的極限。構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)的管道腐蝕預(yù)測模型，利用分類中性能指標(biāo)AUC來預(yù)測管道表面腐蝕速率。選用超疏水涂層作為管道的緩蝕劑，提高了管道承受運(yùn)行載荷的能力。本研究仍存在不足之處;該技術(shù)為下一步技術(shù)研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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