和宏偉 門(mén) 程 白冬軍 馮文亮

1.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院，北京 100011；

2.北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所，北京 100011

0 前言

目前在油氣管網(wǎng)建設(shè)中， 越來(lái)越多地采用金屬材料，金屬腐蝕問(wèn)題引起了廣泛的重視［1］。陰極保護(hù)技術(shù)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(xué)保護(hù)技術(shù)［2-3］。該技術(shù)的基本原理是對(duì)被保護(hù)的金屬表面施加一定的直流電流， 使其產(chǎn)生陰極極化，當(dāng)金屬的電位負(fù)于某一電位時(shí)，腐蝕過(guò)程就會(huì)得到有效抑制［2-4］。

陰極保護(hù)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(hù)效果。 當(dāng)陰極保護(hù)效果較差時(shí)，油氣管道存在被腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。 在油氣管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行中，建立智能陰極保護(hù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)智能系統(tǒng)）對(duì)陰極保護(hù)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(guó)內(nèi)一些重點(diǎn)長(zhǎng)輸管道、新建管道的陰極保護(hù)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(xiàn)測(cè)試樁的陰極保護(hù)電位仍須人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。 傳統(tǒng)人工檢測(cè)方式的局限性如下：

a）人工檢測(cè)無(wú)法對(duì)陰極保護(hù)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、同步監(jiān)控。 在整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)中，陰極保護(hù)的測(cè)試樁很多，一般每月進(jìn)行一次逐樁測(cè)試，無(wú)法對(duì)管網(wǎng)的陰極保護(hù)情況和腐蝕情況做出及時(shí)響應(yīng)，難以對(duì)異常情況或短時(shí)強(qiáng)干擾實(shí)時(shí)掌握。

b） 人工檢測(cè)陰極保護(hù)各項(xiàng)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(yàn)等原因，往往引起各種測(cè)量誤差甚至錯(cuò)誤，從而影響數(shù)據(jù)的客觀性。

c）檢測(cè)工作量大， 人工成本高。 一般管道可以運(yùn)行15 a 以上，檢測(cè)工作總量相對(duì)較大。一些長(zhǎng)輸管道遠(yuǎn)離鐵路、公路和人口稠密區(qū)，社會(huì)依托條件差，檢測(cè)人員為測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)常要徒步穿越荒野、沙漠、溝壑，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，不能滿(mǎn)足現(xiàn)代企業(yè)管理的要求。

計(jì)算機(jī)普及之前，測(cè)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(jì)算機(jī)采集卡和高速芯片的應(yīng)用，能從大量測(cè)量數(shù)據(jù)中同時(shí)獲得電壓、電流等數(shù)據(jù)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)、超文本鏈接、無(wú)線(xiàn)通信的應(yīng)用，促進(jìn)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(jìn)行相關(guān)陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)在監(jiān)控室中進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、分析等工作。

智能系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)如下：

a）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)陰極保護(hù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)檢驗(yàn)陰極保護(hù)系統(tǒng)的電源或陽(yáng)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(duì)陰極保護(hù)故障進(jìn)行識(shí)別，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)預(yù)警。

b）智能系統(tǒng)能夠?qū)芫€(xiàn)多個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)監(jiān)控，同步獲得數(shù)據(jù)。 及時(shí)、有效地掌握各個(gè)測(cè)試點(diǎn)異常情況和受雜散電流干擾情況，并做出響應(yīng)。 傳統(tǒng)的人工檢測(cè)只能逐樁進(jìn)行，不能多個(gè)測(cè)試點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，測(cè)試時(shí)間無(wú)法同步，丟失檢測(cè)數(shù)據(jù)中的重要信息。

c）陰極保護(hù)各項(xiàng)參數(shù)的自動(dòng)化采集能夠減少誤差，提高測(cè)量精度［5-7］。 在陰極保護(hù)的各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量中，通過(guò)智能系統(tǒng)得到不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)并進(jìn)行加工和分析，得到客觀可靠的結(jié)果。

d） 陰極保護(hù)各項(xiàng)參數(shù)的自動(dòng)化采集能夠有效降低人工成本［8-9］，特別是長(zhǎng)距離輸送管道，在自動(dòng)獲得大量有效數(shù)據(jù)的同時(shí)降低檢測(cè)人員的工作強(qiáng)度，減少人工干預(yù)的次數(shù)，幫助管道擁有者和操作者實(shí)現(xiàn)采集監(jiān)控的自動(dòng)化，提高陰極保護(hù)管理水平，延長(zhǎng)管道壽命，消除安全隱患。

目前許多國(guó)家的長(zhǎng)輸油氣管道已經(jīng)開(kāi)始使用智能系統(tǒng)。 例如南美洲TBG 公司的GASBOL 長(zhǎng)輸管道，該輸氣管道從玻利維亞到巴西，全長(zhǎng)320 km，智能系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程終端設(shè)備（RTU）采集整流器的輸入輸出電壓和輸出電流、陰極保護(hù)電位、電流等，RTU 能夠存儲(chǔ)35 d 的有效數(shù)據(jù)， 還能計(jì)算出土壤的電阻值和系統(tǒng)可靠性。 每個(gè)RTU 通過(guò)整流器供電，利用衛(wèi)星電話(huà)與控制管理中心進(jìn)行通信。 智能系統(tǒng)中的控制管理中心見(jiàn)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(gè)主屏幕、一個(gè)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(hù)電位、電流等；通信屏幕顯示當(dāng)前的通信狀態(tài)、與遠(yuǎn)程的鏈接情況、與RTU 上次通信時(shí)間等。采用該系統(tǒng)，每月能為T(mén)BG 公司節(jié)省32 600 美元。

2 智能系統(tǒng)構(gòu)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(píng)價(jià)體系模塊構(gòu)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(jī)；數(shù)據(jù)傳輸模塊包括無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)；評(píng)價(jià)體系模塊是一套軟件系統(tǒng)，主要參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)防腐工程師協(xié)會(huì)（NACE）標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)從采集終端傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)陰極保護(hù)中的各種問(wèn)題并做出響應(yīng)。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集（DAQ），通過(guò)管道的智能采集儀和極化探頭對(duì)陰極保護(hù)電位、陰極保護(hù)電流、雜散電流強(qiáng)度、土壤電阻率等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)成數(shù)字量，再通過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)字量進(jìn)行處理，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)或者通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程客戶(hù)機(jī)上。 此外，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)或其他專(zhuān)用平臺(tái)軟硬件的系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)靈活的、定制化的測(cè)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(duì)整個(gè)智能系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。在陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該把微處理器的功耗作為優(yōu)先考慮因素。 陰極保護(hù)的服役時(shí)間可能為十幾年，設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)就是為節(jié)省人工成本，所以人工干預(yù)的次數(shù)越少越符合系統(tǒng)預(yù)期目的。 這要求陰極保護(hù)采集模塊能長(zhǎng)時(shí)間工作且電池不斷電，特別是在犧牲陽(yáng)極的保護(hù)系統(tǒng)（無(wú)外加電源）中。 同時(shí)考慮到陰極保護(hù)相關(guān)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(duì)“空閑”時(shí)間進(jìn)行功耗的控制十分必要，這樣采集模塊耗電量就會(huì)減少，工作時(shí)間也就更長(zhǎng)。 所以合理的選擇和設(shè)計(jì)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(yùn)行維護(hù)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(guò)特定方式和固定協(xié)議傳送給遠(yuǎn)端服務(wù)器系統(tǒng)并進(jìn)行存儲(chǔ)；另一方面可以將客戶(hù)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(lái)，無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)迅速發(fā)展，并在工業(yè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，因此建立一個(gè)油氣管網(wǎng)的陰極保護(hù)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是完全可行的。 國(guó)內(nèi)已有多種陰極保護(hù)數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸產(chǎn)品，本質(zhì)差異由通信方式?jīng)Q定。 隨著電信技術(shù)的迅猛發(fā)展，可用于陰極保護(hù)監(jiān)控管理的通訊方式一般可以分為無(wú)線(xiàn)集群通信方式、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）短信消息和通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)（GPRS）。

基于GPRS 的無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)是目前領(lǐng)先的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。 在陰極保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，充分利用目前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)GPRS 與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)建立鏈接，將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程主機(jī)，在線(xiàn)掌握陰極保護(hù)狀態(tài)。 GPRS 的數(shù)據(jù)傳輸速率快，通信傳輸延時(shí)較小，監(jiān)控覆蓋范圍廣闊，通信費(fèi)用低廉［11］。通過(guò)GPRS 無(wú)線(xiàn)技術(shù)，還可以隨時(shí)監(jiān)控遠(yuǎn)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(yùn)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(hào)不穩(wěn)定、信號(hào)受干擾等情況，不能及時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。 所以在設(shè)計(jì)優(yōu)化終端模塊時(shí)，用閃存芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，如果無(wú)線(xiàn)傳輸不可用時(shí)，數(shù)據(jù)可以臨時(shí)存儲(chǔ)在緩存中。 在需要的情況下，打開(kāi)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)回調(diào)，實(shí)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(píng)價(jià)體系模塊

評(píng)價(jià)體系模塊能把從遠(yuǎn)程采集得到的陰極保護(hù)各項(xiàng)參數(shù)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或NACE 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定、 分析，同時(shí)還能對(duì)查找、修正數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

評(píng)價(jià)體系模塊可以由VC++、C# 等高級(jí)語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行完成開(kāi)發(fā)。 根據(jù)陰極保護(hù)特點(diǎn)和企業(yè)狀況建造合適的數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用主程序能方便、快捷地通過(guò)開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)連接（ODBC）方式進(jìn)行訪問(wèn)，并有條件地允許用戶(hù)進(jìn)行操作控制，同時(shí)也使程序員不用具體語(yǔ)言就能訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容。 將國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和NACE 標(biāo)準(zhǔn)作為判據(jù)，不符合標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)用紅色標(biāo)出，符合標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)用綠色標(biāo)出，臨界情況用黃色標(biāo)出，實(shí)時(shí)地將管道的各種狀態(tài)、相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。 當(dāng)出現(xiàn)紅色或者黃色時(shí)，系統(tǒng)能夠發(fā)出預(yù)定報(bào)警，根據(jù)當(dāng)時(shí)情況，指明故障原因、時(shí)間、地點(diǎn)，并將這些信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，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(wèn)題，整個(gè)評(píng)價(jià)軟件應(yīng)采用嚴(yán)格的加密技術(shù)，防止數(shù)據(jù)丟失和篡改。 評(píng)價(jià)體系模塊通過(guò)不斷學(xué)習(xí)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的加入，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)陰極保護(hù)各種故障的響應(yīng)并提出合理的解決方案，達(dá)到陰極保護(hù)運(yùn)行維護(hù)需要，降低管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，保障管道安全運(yùn)行的目的。

另外，可以在評(píng)價(jià)體系模塊中集成對(duì)遠(yuǎn)程采集模塊的控制，可以設(shè)定遠(yuǎn)程采集模塊的采樣頻率，控制采集模塊的休眠狀態(tài)，對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的復(fù)制、剪切和刪除等。

3 智能系統(tǒng)局限性

目前我國(guó)很多油氣企業(yè)也開(kāi)始采用了智能系統(tǒng)，對(duì)管網(wǎng)的陰極保護(hù)狀況和腐蝕情況有了全面了解。 全年不間斷數(shù)據(jù)的測(cè)量， 所得到的陰極保護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)意義重大，這是人工檢測(cè)方式無(wú)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(yù)見(jiàn)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(rùn)相對(duì)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(hù)狀況。 對(duì)于運(yùn)行10 a 左右的管道，中小型企業(yè)選擇人工檢測(cè)的方式顯然更加節(jié)約成本。 有資金和運(yùn)行能力的企業(yè)可以通過(guò)初期投入，把高速網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件開(kāi)發(fā)等相對(duì)昂貴和專(zhuān)業(yè)要求較高的部分以服務(wù)的形式出售給有陰極保護(hù)監(jiān)控需求的企業(yè)。 這樣中小型企業(yè)只需要選擇購(gòu)買(mǎi)相關(guān)的服務(wù)和安裝智能探頭，通過(guò)客戶(hù)端/服務(wù)器（C/S）或?yàn)g覽器/服務(wù)器（B/S）機(jī)制可以完成對(duì)整個(gè)管網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)控， 降低運(yùn)行和維護(hù)成本，提高企業(yè)能動(dòng)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(guò)高或過(guò)低的溫度都會(huì)影響采集模塊的正常工作；目前電池能提供的電量?jī)H能供采集模塊工作3～5 a，電池的更換會(huì)消耗大量人工成本。 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(huì)出現(xiàn)盲區(qū)，導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器中，所以安裝傳輸模塊時(shí)，地點(diǎn)的選擇尤為重要。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步， 以上問(wèn)題必將得到解決，在降低智能系統(tǒng)成本的同時(shí)可靠性也會(huì)得到有效提高，會(huì)有更多的相關(guān)企業(yè)注重智能系統(tǒng)的發(fā)展和建設(shè)，在獲得經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的同時(shí)推動(dòng)工業(yè)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展。

4 結(jié)論

智能系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)的集中監(jiān)控與管理，降低了油氣相關(guān)企業(yè)的陰極保護(hù)運(yùn)行維護(hù)成本，提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性并能使企業(yè)實(shí)時(shí)掌握管道陰極保護(hù)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(yīng)用是油氣行業(yè)在陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域一項(xiàng)新的嘗試，也是信息化進(jìn)步與陰極保護(hù)發(fā)展的必然要求，它成功解決了測(cè)量的實(shí)時(shí)性與同步性、測(cè)量誤差、檢測(cè)工作量大、人工成本高等問(wèn)題，給陰極保護(hù)運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)的困難，為陰極保護(hù)智能化的發(fā)展道路奠定了基礎(chǔ)。

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