1   概述

隨著管道服役期延長(zhǎng)、防腐層質(zhì)量衰減、陰極保護(hù)系統(tǒng)中陽極消耗以及雜散電流干擾，管道的腐蝕保護(hù)狀況對(duì)于管網(wǎng)的安全運(yùn)行而言意義重大^［1-2］，而這依賴于有效的檢測(cè)及準(zhǔn)確的評(píng)估。隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的加快發(fā)展，城市燃?xì)饴竦毓芫W(wǎng)的管理難度日益增加，特別是管道陰極保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的及時(shí)監(jiān)測(cè)、管道腐蝕狀況的分析與評(píng)估難度大、雜散電流干擾強(qiáng)等問題尤為突出。通過建立管網(wǎng)陰極保護(hù)腐蝕分析系統(tǒng)，利用無線遠(yuǎn)傳技術(shù)不間斷采集實(shí)時(shí)的管道陰極保護(hù)參數(shù)，并自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤艿狸帢O保護(hù)系統(tǒng)和雜散電流干擾的智能化評(píng)估，從而有效指導(dǎo)當(dāng)前工作并制定相應(yīng)的防腐對(duì)策，對(duì)埋地燃?xì)夤艿赖陌踩\(yùn)行和完整性管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

 2   陰極保護(hù)系統(tǒng)管理中存在的問題

目前，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)的日常檢測(cè)主要采用人工檢測(cè)方式，在管理過程中存在以下問題。

 ①人工檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢測(cè)難度大。城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的測(cè)試樁分布范圍較廣，每次檢測(cè)耗費(fèi)人力、物力較大，工作效率較低。同時(shí)，人工檢測(cè)受地理環(huán)境和天氣等因素的制約，如人員較難進(jìn)出的地點(diǎn)或遇到惡劣天氣等情況，人工檢測(cè)很難正常進(jìn)行。

②檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠性低，時(shí)效性差。受現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件限制，人工檢測(cè)參數(shù)較少，一般只能利用測(cè)試樁已有的參比電極或?qū)⒈銛y式參比電極置于管道附近土壤中，測(cè)量管道和參比電極之間的電位差，測(cè)得通電狀態(tài)下的保護(hù)電位（即通電電位）。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21448—2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱GB/T 21448—2017），管地界面不含IR降的極化電位是判斷陰極保護(hù)有效性的準(zhǔn)則。通電電位包含了極化電位和回路中的IR降，并不能真實(shí)反映管地界面的極化電位，因而無法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)管道是否受到有效的陰極保護(hù)。同時(shí)，人工檢測(cè)無法對(duì)管道陰極保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，特別隨著城市軌道交通的發(fā)展，各大城市陸續(xù)開始建設(shè)地鐵交通，地鐵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生直流雜散電流會(huì)造成管地通電電位劇烈波動(dòng)。因此在較短的測(cè)試時(shí)間內(nèi)所測(cè)試的數(shù)據(jù)不具備代表性，數(shù)據(jù)的時(shí)效性較差。

 ③人工檢測(cè)數(shù)據(jù)很難進(jìn)行有效的系統(tǒng)分析，難以準(zhǔn)確評(píng)估管道的真實(shí)保護(hù)狀態(tài)。通過人工檢測(cè)的方式很難將所有的數(shù)據(jù)集成管理，同時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)沒有形成一整套完善的數(shù)據(jù)評(píng)估體系，缺乏專業(yè)有效的分析處理能力，造成數(shù)據(jù)處理周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)分析結(jié)論不可靠，很難評(píng)估管道的真實(shí)保護(hù)狀態(tài)。

 3   管網(wǎng)陰極保護(hù)腐蝕分析系統(tǒng)

管網(wǎng)陰極保護(hù)腐蝕分析系統(tǒng)是針對(duì)城市管網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)管理中存在的問題，專門開發(fā)的用于自動(dòng)采集管道陰極保護(hù)數(shù)據(jù)，并分析評(píng)估管網(wǎng)陰極保護(hù)狀態(tài)，預(yù)測(cè)管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的智能管理系統(tǒng)。

 3.1  系統(tǒng)組成

管網(wǎng)陰極保護(hù)腐蝕分析系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、GPRS傳輸模塊、數(shù)據(jù)管理中心及用戶終端4部分組成。數(shù)據(jù)采集平臺(tái)自動(dòng)采集管道各類型參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，依據(jù)設(shè)定的傳輸頻率和傳輸時(shí)間將數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)管理中心，數(shù)據(jù)經(jīng)過專業(yè)軟件分析處理后顯示在用戶終端。

 ①數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

 a.數(shù)據(jù)采集平臺(tái)應(yīng)用背景

 城市燃?xì)夤艿啦捎脧?qiáng)制電流或犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)來控制管道的腐蝕，并且每隔1 km設(shè)置1個(gè)陰極保護(hù)測(cè)試樁，通過人工方式定期測(cè)試管道電位，了解管道被保護(hù)情況。為確保管道電位測(cè)試的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，提高檢測(cè)效率，在每個(gè)陰極保護(hù)測(cè)試樁處增設(shè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，自動(dòng)連續(xù)采集管道陰極保護(hù)參數(shù)。對(duì)于存在地鐵線路、高壓線等雜散電流干擾的區(qū)域會(huì)加密布置測(cè)試樁及數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，間距為300～500 m。

 b.數(shù)據(jù)采集平臺(tái)組成

 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)由智能陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集器及極化探頭兩部分組成，數(shù)據(jù)采集平臺(tái)接線方式見圖1（圖中CH1及CH4為電壓信號(hào)處理模塊，CH2及CH3為電流信號(hào)處理模塊）。

圖1   數(shù)據(jù)采集平臺(tái)接線方式

  智能陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集器及極化探頭按圖1的接線方式與測(cè)試樁內(nèi)的管道電纜相連，采集該處管道的陰極保護(hù)參數(shù)。工作原理為通過智能陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集器的電壓、電流信號(hào)處理模塊，將極化探頭中的參比電極作為電位測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)采集管道電壓、電流密度等陰極保護(hù)參數(shù)信號(hào)，并通過信號(hào)處理模塊CH1-CH4中的A/D換轉(zhuǎn)器對(duì)相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)存在對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理模塊中的存儲(chǔ)器中。

 智能陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集器作為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)核心部件，它是專用于陰極保護(hù)數(shù)據(jù)AC和DC測(cè)量的多通道標(biāo)準(zhǔn)采集裝置，可實(shí)現(xiàn)管道陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、發(fā)送功能。智能陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集器工作壽命與采集頻率、傳輸頻率相關(guān)，使用壽命逾5 a。

極化探頭由長(zhǎng)效參比電極、極化試片、自腐蝕試片組成。其中極化試片及自腐蝕試片與管道材質(zhì)相同，用來模擬管道的防腐層缺陷處管道本體金屬，試片的面積與管道防腐層的質(zhì)量及與雜散電流類型相關(guān)。3PE防腐層在城市燃?xì)夤艿郎系膽?yīng)用越來越廣泛，因此通常選擇面積6 cm²和1 cm²的試片。通過6 cm²試片所測(cè)的斷電電位代表管道在相同的土壤環(huán)境下出現(xiàn)相同面積的防腐層破損點(diǎn)時(shí)的極化電位，而1 cm²的試片則可用于交流干擾測(cè)試。

c. 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)數(shù)據(jù)采集類型

 考慮到城市燃?xì)夤芫W(wǎng)有強(qiáng)制電流及犧牲陽極兩種陰極保護(hù)系統(tǒng)，且存在交直流雜散電流干擾，為有效評(píng)估管道陰極保護(hù)狀況及雜散電流干擾狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集平臺(tái)采集的數(shù)據(jù)類型包括管道通電電位、極化電位、自腐蝕電位、交流電壓、工作電流、交/直流電流密度、陽極電位。管道的通電電位不等于管道真實(shí)極化電位（也叫斷電電位），兩者之間存在IR降誤差，IR降是根據(jù)歐姆定律由于電流的流動(dòng)在參比電極與金屬管道之間土壤上產(chǎn)生的電壓。業(yè)內(nèi)普遍做法是采用斷電法切斷陰極保護(hù)電流（即整流器或犧牲陽極輸出電流）來消除IR降誤差，但這種方法只能消除陰極保護(hù)電流引起的IR降，對(duì)于各種雜散電流、二次電流等非陰極保護(hù)電流造成的IR降則不能消除^［3］。

 d. 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)和數(shù)據(jù)采集方法

 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)用極化探頭斷電測(cè)試技術(shù)，在不斷開現(xiàn)有陰極保護(hù)系統(tǒng)的情況下，消除IR降以獲得管道真實(shí)極化電位，且不會(huì)受到雜散電流干擾的影響。數(shù)據(jù)采集平臺(tái)各類型參數(shù)測(cè)量原理如下：

從圖1可以看出，極化試片通過棕色端子、粉色端子、藍(lán)色端子、通斷器開關(guān)以及黑色端子之間的電纜與管道連接（其中電流測(cè)量模塊2內(nèi)部的高精度電流表內(nèi)阻可忽略不計(jì)）。測(cè)量管道通電電位時(shí)，電壓測(cè)量模塊1內(nèi)部ms級(jí)電路控制模塊的通斷器開關(guān)合上，此時(shí)極化試片通過棕色端子、粉色端子、黑色端子之間的電纜與管道電連接，這就意味著極化試片與管道處于等電位狀態(tài)，此時(shí)通過測(cè)量極化試片電纜與極化探頭的參比電極電纜之間電位差即可得到管道通電電位。測(cè)量極化電位時(shí)，通過采集器內(nèi)部ms級(jí)電路控制模塊控制通斷器的開關(guān)處于斷開狀態(tài)，并精準(zhǔn)控制極化試片與管道的斷開時(shí)間，此時(shí)極化試片由于通斷器開關(guān)斷開而與管道之間處于斷開的狀態(tài)，利用采集器電壓測(cè)試模塊1測(cè)量斷電情況下極化試片電纜與極化探頭的參比電極電纜之間的電位差，即可獲得極化電位。測(cè)量自腐蝕電位時(shí)，通過采集器內(nèi)部電壓測(cè)量模塊2測(cè)量極化探頭的自腐蝕試片電纜與極化探頭的參比電極電纜之間的電位差。測(cè)量直流電流密度（自腐蝕試片的面積數(shù)據(jù)已存儲(chǔ)在采集器中）時(shí)，任意選用采集器內(nèi)部電流測(cè)量模塊1或者模塊2，圖1中是利用電流測(cè)量模塊2測(cè)量極化探頭內(nèi)極化試片與管道之間的直流電流密度。電流測(cè)量模塊2正極接粉色端子，粉色端子通過藍(lán)色端子、通斷器開關(guān)以及黑色端子之間的電纜與管道相連，電流測(cè)量模塊2負(fù)極接極化試片。這就相當(dāng)于電流測(cè)量模塊2一端接管道，一端接極化試片，通過電流測(cè)量模塊2即可測(cè)量極化試片與管道之間的直流電流密度，并且利用電流測(cè)量模塊同時(shí)可測(cè)量出極化試片與管道之間的交流電流密度。

 ②GPRS傳輸模塊

 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)所采集儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，通過GPRS傳輸模塊，利用無線數(shù)據(jù)通信方式GPRS或者GSM傳輸至數(shù)據(jù)管理中心。

 ③數(shù)據(jù)管理中心

 數(shù)據(jù)管理中心匯集、管理和處理發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并提供通信系統(tǒng)的輪詢、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備日常及突發(fā)事件的處理。同時(shí)可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)檢查和控制以及設(shè)備的升級(jí)，并將數(shù)據(jù)備份管理。

 ④用戶終端

 在用戶終端上安裝管網(wǎng)陰極保護(hù)腐蝕分析系統(tǒng)軟件，軟件采用瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，用戶通過賬號(hào)和口令就可以登錄平臺(tái)軟件，獲取相關(guān)信息。這些信息主要包括檢測(cè)點(diǎn)地理信息、各種數(shù)據(jù)的圖形顯示、報(bào)警信息查詢、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、陰極保護(hù)系統(tǒng)評(píng)估、陰極保護(hù)有效性評(píng)估及雜散電流干擾評(píng)估、發(fā)布用戶既定格式的報(bào)表或特別報(bào)告、把數(shù)據(jù)提供給其他應(yīng)用軟件、周期性地更新管理軟件、Web服務(wù)器的操作與維護(hù)、應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用、廣域網(wǎng)連接與操作處理、數(shù)據(jù)庫(kù)日常及突發(fā)維護(hù)、防止非法侵入和硬件軟件防火墻、多級(jí)用戶名和口令、用戶使用操作培訓(xùn)等。

 3.2  系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

 ①數(shù)據(jù)及功能多樣化：多通道數(shù)據(jù)采集可支持強(qiáng)制電流系統(tǒng)的工作電壓及工作電流測(cè)量，也可用于犧牲陽極系統(tǒng)的陽極開路電位、陽極工作電位及工作電流的測(cè)量，也可用于測(cè)試樁處管道通電電位、極化電位、自腐蝕電位、交流電壓、交直流電流密度的測(cè)量。

 ②數(shù)據(jù)時(shí)效性：可以采集每天每時(shí)段數(shù)據(jù)，及時(shí)了解陰極保護(hù)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，同時(shí)可以自動(dòng)、完整、及時(shí)地獲取陰極保護(hù)的電氣參數(shù)，并將整個(gè)管網(wǎng)在線陰極保護(hù)狀態(tài)的全年不間斷記錄數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)提供給燃?xì)夤尽?/span>

 ③管理效率：全管道陰極保護(hù)數(shù)據(jù)同步監(jiān)控，及時(shí)有效獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，提高了測(cè)量效率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)于檢測(cè)難度大的區(qū)域比人工檢測(cè)更加有效。

 ④數(shù)據(jù)分析評(píng)估：自動(dòng)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過圖像、圖表等可視化強(qiáng)的方式將數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì)直觀呈現(xiàn)。對(duì)于數(shù)據(jù)異常的點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)自行判斷報(bào)警，并給出相應(yīng)的故障信息。利用特有的數(shù)據(jù)評(píng)估模塊可對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)工作狀態(tài)、管道受保護(hù)程度、雜散電流干擾程度進(jìn)行評(píng)估?？蛻艨呻S時(shí)隨地通過互聯(lián)網(wǎng)登錄系統(tǒng)瀏覽。

 4   系統(tǒng)在昆明城市管網(wǎng)的應(yīng)用

 昆明城市燃?xì)夤芫W(wǎng)于1984年6月開始建設(shè)，整個(gè)管網(wǎng)已運(yùn)行逾30 a。昆明市地下燃?xì)夤艿乐饕捎寐菪p鋼管和無縫鋼管，沿城市道路及庭院小區(qū)道路敷設(shè)，途經(jīng)鐵路、農(nóng)田、河流等。管道外防腐主要采用石油瀝青玻璃布或環(huán)氧煤瀝青，輔以犧牲陽極陰極保護(hù)法進(jìn)行保護(hù)。通過在原有的陰極保護(hù)測(cè)試樁中選取具有代表性的測(cè)試點(diǎn)，對(duì)原有測(cè)試樁進(jìn)行改造，加裝智能陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集器和傳輸模塊，并在管道上方安裝極化探頭，測(cè)試管道極化電位和自腐蝕電位。同時(shí)，采用無線遠(yuǎn)傳方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心，利用管網(wǎng)陰極保護(hù)腐蝕分析系統(tǒng)進(jìn)行分析和評(píng)估。

 ①測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

 在近地鐵處選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，人工測(cè)試選用便攜式參比電極測(cè)量通電電位。人工測(cè)試數(shù)據(jù)與系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比見表1。

 表1   人工測(cè)試數(shù)據(jù)與系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比

由表1 可以看出，人工測(cè)試通電電位與系統(tǒng)采集通電電位趨勢(shì)一致，但由于系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果中去除了IR降，相比于人工測(cè)試結(jié)果偏正，更為精確。

 ②系統(tǒng)界面

 a.系統(tǒng)終端軟件首頁(yè)界面

用戶通過終端軟件輸入用戶名和密碼即可登錄管網(wǎng)陰極保護(hù)腐蝕分析系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)終端軟件首頁(yè)界面見圖2。系統(tǒng)以地圖平臺(tái)為界面，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理位置信息展示，從該界面可直觀看出管道的走向路由及與地鐵線路的位置關(guān)系。界面左側(cè)提供報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析評(píng)估查詢及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備點(diǎn)后臺(tái)管理的入口。

圖2   系統(tǒng)終端軟件首頁(yè)界面

 b.報(bào)警模塊

 通過報(bào)警模塊可查詢數(shù)據(jù)異常信息及報(bào)警信息。當(dāng)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)存在問題或雜散電流干擾引起管地電位波動(dòng)時(shí)，在報(bào)警模塊中可查詢數(shù)據(jù)超限次數(shù)和超限總時(shí)長(zhǎng)。

 c.數(shù)據(jù)查詢模塊

通過數(shù)據(jù)查詢模塊可隨時(shí)查詢?nèi)我鈺r(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表統(tǒng)計(jì)和圖形趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)，并可導(dǎo)出所查詢的數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)圖形趨勢(shì)可直觀看出雜散電流干擾的趨勢(shì)，尤其在有地鐵雜散電流干擾時(shí)段和地鐵停運(yùn)時(shí)段的不同干擾趨勢(shì)。

 d.評(píng)估模塊

 利用評(píng)估模塊可自動(dòng)將數(shù)據(jù)按評(píng)估模型進(jìn)行分析處理，并提供評(píng)估結(jié)果查詢。可查詢陰極保護(hù)系統(tǒng)工作狀態(tài)評(píng)估、陰極保護(hù)有效性評(píng)估、交直流雜散電流干擾評(píng)估結(jié)果。評(píng)估模塊包含符合GB/T 21448—2017、GB 50991—2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50698—2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的數(shù)據(jù)分析模型，其工作原理為：利用連續(xù)采集的通電電位、斷電電位（極化電位）、交流電壓識(shí)別雜散電流干擾時(shí)間段及非干擾時(shí)間段。利用采集的犧牲陽極陽極開路電位、陽極工作電位及陽極工作電流數(shù)據(jù)進(jìn)行陰極保護(hù)系統(tǒng)工作狀態(tài)評(píng)估；利用非干擾時(shí)間段獲得的斷電電位數(shù)據(jù)進(jìn)行陰極保護(hù)有效性評(píng)估；利用在干擾時(shí)間段獲得的通電電位、斷電電位、交流電壓、直流電流、交流電流數(shù)據(jù)進(jìn)行交直流雜散電流干擾評(píng)估。

 依據(jù)評(píng)估模塊的結(jié)論及建議指導(dǎo)管道的定點(diǎn)維修活動(dòng)，對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)工作狀態(tài)評(píng)估異常的點(diǎn)進(jìn)行陰極保護(hù)系統(tǒng)維修工作，對(duì)交直流雜散電流評(píng)估中需要雜散電流排流的點(diǎn)進(jìn)行排流工作。

 5   結(jié)論

 ①通過將管網(wǎng)陰極保護(hù)腐蝕分析系統(tǒng)應(yīng)用于城市燃?xì)夤艿溃捎行Ы鉀Q目前城市燃?xì)夤艿狸帢O保護(hù)檢測(cè)所面臨的問題，可更好地利用人力資源，將重復(fù)的工作交給系統(tǒng)來完成，大大提高工作效率。

 ②通過系統(tǒng)評(píng)估功能的應(yīng)用，能有針對(duì)性地處理問題管道，從而避免大面積開挖所造成的資金和人力、物力的消耗，極大降低陰極保護(hù)系統(tǒng)的管理和運(yùn)行費(fèi)用。

 ③通過對(duì)管網(wǎng)陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集、智能分析和評(píng)估，可準(zhǔn)確了解管道保護(hù)狀態(tài)，從而能及時(shí)對(duì)存在問題的管道進(jìn)行安全預(yù)防措施處理，提升管網(wǎng)運(yùn)行的安全性。 

參考文獻(xiàn)：
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