謝闖1 王喜權2 于晶晶1 趙嘉程1 裴志鋼1 胡偉杰2

1.北京管道石家莊輸油氣分公司；

2.北京管道內蒙古輸油氣分公司 

摘要：近年來(lái)因管道腐蝕防護不到位引發(fā)的安全事故頻發(fā)。外加電流陰極保護被證明是油氣管道經(jīng)濟有效的保護方式之一。為監測和評估陰極保護系統有效性，需要大量采集監測系統數據進(jìn)行分析，數據時(shí)效性和準確性非常重要。介紹了陰極保護智能采集系統組成，常見(jiàn)故障排查分析，提出處置措施，為陰極保護系統有效運行提供參考。

關(guān)鍵詞：陰極保護智能采集系統；故障分析；電位測試 

管道腐蝕是造成油氣管道泄漏穿孔、引發(fā)火災爆炸事故的主要原因之一[1]。對于電化學(xué)或化學(xué)腐蝕，通常采用管道外部3PE防腐層＋外加電流陰極保護方式進(jìn)行防護，有研究證明陰極保護可大幅度減緩管道腐蝕速率，對管道腐蝕防護和安全運行有十分重要的意義[2]。為實(shí)時(shí)監控和準確評估陰極保護系統有效性，目前多用智能采集系統測試傳輸陰極保護系統參數。由于采集系統比較龐大，設備結構復雜，采集和檢測過(guò)程諸多環(huán)節，容易發(fā)生異常和故障。本文對智能采集系統常見(jiàn)故障進(jìn)行分析并提出相應的處置措施。

1  智能采集系統概述

1.1  智能采集系統組成

陰極保護智能采集系統主要由提供陰極保護外加電流的恒電位儀、沿線(xiàn)管道陰極保護參數智能采集裝置和陰極保護數據遠傳終端組成。早期陰極保護通斷電電位等參數需要專(zhuān)業(yè)人員到現場(chǎng)測試，近年來(lái)隨著(zhù)電工電子技術(shù)的飛速發(fā)展和4G、5G通訊技術(shù)的普及應用，陰極保護智能采集裝置逐漸替代人工采集方式得以推廣應用，現場(chǎng)自動(dòng)采集管道沿線(xiàn)及區域陰極保護相關(guān)參數并傳輸到管理平臺，實(shí)現實(shí)時(shí)監測和數據存儲[3]。

智能采集系統由現場(chǎng)采集層、系統傳輸層和平臺監測層組成（圖 1）。采集層包括智能采集裝置，如安裝在沿線(xiàn)測試樁的智能采集儀，現場(chǎng)埋設的參比電極、試片等，組成測量回路測試和采集數據。傳輸層將采集的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸方式上傳至管理平臺。平臺監測層根據采集的數據進(jìn)行比對分析，發(fā)現異常自動(dòng)報警。

圖 1 智能采集系統結構示意圖

1.2  數據采集原理

智能采集系統通過(guò)智能采集儀和極化探頭測試管道陰極保護電位、陰極保護電流、雜散電流強度、土壤電阻率等相關(guān)參數，經(jīng)過(guò)A/D轉換器，將模擬信號轉換成數字信號，再通過(guò)單片機對數字信號進(jìn)行處理，將測試數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送到遠程管理平臺服務(wù)器上存儲（圖 2）。智能采集系統可根據用戶(hù)端或管理平臺軟硬件要求實(shí)現靈活、定制化參數測試與采集[4]。

圖 2 智能采集系統測試原理示意圖

2  主要故障分析及處置措施

2.1  智能測試樁故障

（1）傳輸過(guò)程。分為長(cháng)期性和間歇性傳輸故障，智能采集系統顯示聯(lián)網(wǎng)異�；驎r(shí)斷時(shí)續。原因主要有以下幾種，電池欠壓導致設備工作電壓超出正常范圍（電池欠壓時(shí)系統會(huì )發(fā)出欠壓報警）；采集儀所處地帶位于通訊信號較弱地區； SIM卡欠費或者SIM卡接觸不良導致信號傳輸失效；更換新設備后無(wú)線(xiàn)傳輸地址調試不匹配導致數據無(wú)法上傳至服務(wù)器；數據采集存儲地址與平臺提供的服務(wù)器地址不一致；遠傳終端接線(xiàn)盒或天線(xiàn)與采集儀本體接線(xiàn)松動(dòng)導致傳輸信號時(shí)斷時(shí)續；因某種原因過(guò)載導致采集儀主板損壞；系統內部時(shí)鐘模塊供電狀態(tài)異常等。

處置措施。若發(fā)現系統聯(lián)網(wǎng)異常，可以從現場(chǎng)傳輸設備供電情況、現場(chǎng)接線(xiàn)情況、設備完好情況和通訊傳輸鏈路情況分別進(jìn)行排查。首先確認現場(chǎng)通訊信號強度是否正常。其次則利用萬(wàn)用表核對現場(chǎng)電池電壓，若不在正常范圍則更換電池。若正常則查詢(xún)采集儀功耗、采集模式及SIM卡費用，均正常則插拔或更換SIM卡，重啟設備進(jìn)行后臺解綁和綁定。若通訊仍不恢復，排查遠傳系統各接線(xiàn)是否有松動(dòng)。若硬件排查均無(wú)問(wèn)題，則登陸管理平臺查看現場(chǎng)存儲地址與平臺提供的服務(wù)器地址是否一致。以上均無(wú)異常則對內部時(shí)鐘供電電池進(jìn)行排查，于移動(dòng)端調取系統采集儀內部系統時(shí)間，若已自動(dòng)恢復為出場(chǎng)時(shí)間，則為內部時(shí)鐘用紐扣電池故障，需更換電池并重新確認。

（2）采集過(guò)程。①斷電電位異常、交流電流密度過(guò)大等。原因主要有采集儀斷電電位采集回路失效導致無(wú)法斷電，表現為測量的斷電電位與通電電位時(shí)刻保持一致，系統顯示斷電電位異常且與通電電位相同；斷電電位采集時(shí)長(cháng)設置不合理導致斷電電位過(guò)負發(fā)生過(guò)保護現象或因去極化導致電位偏正發(fā)生欠保護現象。

處置措施。首先觀(guān)察電位趨勢圖，若通斷電電位某一時(shí)刻起保持一致，則現場(chǎng)手動(dòng)復測通斷電電位，數值正常，則可以判斷為采集儀回路無(wú)法斷電導致不能正常測試斷電電位。

②通斷電電位同時(shí)產(chǎn)生較大偏移，系統產(chǎn)生斷電電位異常報警。原因主要為長(cháng)效參比電極電位不準、失效或因土壤中含氯離子等污染源導致參比失效。

處置措施�，F場(chǎng)測試通斷電電位并與平臺檢測結果對比復核（排除遠傳原因），數據一致則利用便攜硫酸銅參比電極對現場(chǎng)參比電極進(jìn)行校正，若參數超出正常范圍則為參比電極失效或周?chē)�土壤過(guò)于干燥，可以加水濕潤，如仍無(wú)法解決，則更換參比電極。

③通斷電測量回路出現電位偏移，系統顯示斷電電位逐漸發(fā)生偏移并發(fā)生電位異常報警。原因為極化試片失效或者發(fā)生腐蝕，一般發(fā)生在土壤電阻率變化較大或者含有特殊成分等腐蝕性較強的土壤中。

處置措施。極化試片失效是一個(gè)長(cháng)期緩慢的過(guò)程，現場(chǎng)核實(shí)時(shí)需要埋設新試片，待充分極化后，將新試片和參比電極組成回路測試斷電電位，若電位恢復正常值則確認試片失效。

④試片接線(xiàn)、管道線(xiàn)松動(dòng)或發(fā)生斷裂導致測量的電位異常突變，該測量電位一般為金屬自然電位，遠遠正于﹣0.85 V。

處置措施。對比陰極保護系統歷史數據，若發(fā)現從某一時(shí)刻開(kāi)始電位發(fā)生突變且接近去極化后的自然電位，則分別測試現場(chǎng)管道、試片和參比電極構成的回路，開(kāi)挖排查接線(xiàn)故障。

⑤土壤電阻率過(guò)大導致斷電電位偏正。原因為采集設備周邊土壤環(huán)境所致。

處置措施。選擇長(cháng)效參比電極、試片與PVC管組合安裝，安裝點(diǎn)埋設膨潤土，并定期澆水維護，改善監測點(diǎn)埋地環(huán)境土壤電阻率。陰極保護有效性判定要結合當地土壤電阻率。

（3）外界干擾。外部雜散電流或其他陰極保護系統干擾導致陰極保護電位異常。原因可能有以下幾點(diǎn)，管道周邊高壓輸電線(xiàn)路、電氣化鐵路、感應雷或管道開(kāi)展PCM測試等，極易引起管道電位波動(dòng)，智能采集儀測試的通電電位（偏正或偏負）、交流干擾電壓（計算交流電流密度較大）異常。

處置措施。管道電位波動(dòng)區域及時(shí)開(kāi)展雜散電流干擾調查，找出電位波動(dòng)真實(shí)原因，采取干擾防護措施。合理確定埋地長(cháng)效參比電極、試片和PVC管組件的相對位置關(guān)系，減小管道周邊干擾電流對長(cháng)效參比電極的影響，降低環(huán)境干擾導致的測量誤差。

2.2  遠傳終端故障

（1）硬件故障。主要集中在以下幾個(gè)方面，電池電壓低導致欠壓報警；電池保險損壞導致系統聯(lián)網(wǎng)異常；采集設備回路出現故障無(wú)法進(jìn)行斷電測試；系統接線(xiàn)虛接松動(dòng)；設備休眠不啟動(dòng)導致系統數據無(wú)法上傳等。

（2）軟件傳輸故障。主要包括無(wú)線(xiàn)傳輸模塊異常，類(lèi)似于測試樁數據傳輸異常；現場(chǎng)設備存儲地址和管理平臺所用的通訊地址不匹配導致數據無(wú)法上傳；無(wú)線(xiàn)傳輸設備和采集設備之間接觸不良等。

由于遠傳終端數據傳輸原理與智能測試樁類(lèi)似，故障排查方法和處置措施與智能測試樁相同。

3  結論

智能采集系統實(shí)現了陰極保護數據集中存儲和參數實(shí)時(shí)監測，解決了測試工作量大、數據精度差等突出問(wèn)題，降低了日常運行維護成本，提高了數據可靠性。介紹的智能采集系統常見(jiàn)故障、排查方法和處置措施，為陰極保護系統日常維護提供了經(jīng)驗。目前智能采集系統仍存在產(chǎn)品標準化程度低、智能化水平有限等缺點(diǎn)，大都停留在數據采集和存儲階段，故障診斷排查需要專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行數據分析并到現場(chǎng)驗證確定。未來(lái)針對數據智能分析、系統故障診斷還需加大應用研究。

參考文獻：

[1]吳志平，陳振華，戴聯(lián)雙，胡亞博，畢武喜.油氣管道腐蝕檢測技術(shù)發(fā)展現狀與思考[J].油氣儲運，2020，39(08)：851-860.

[2]丁友，趙慶華，馮偉章，蔡文彬，蘇華東.埋地長(cháng)輸管道腐蝕原因及改進(jìn)措施[J].油氣儲運，2002(10)：48-50.

[3]張海峰，蔡永軍，李柏松，孫巍，王海明，楊喜良.智慧管道站場(chǎng)設備狀態(tài)監測關(guān)鍵技術(shù)[J].油氣儲運，2018，37(08)：841-849.

[4]魏睛宇.數據處理概論[M].北京：中國統計出版社， 1994.1-5.

作者簡(jiǎn)介：謝闖，1994年生，碩士，助理工程師，2021年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），現主要從事管道管理工作。聯(lián)系方式：18513584004，3906818@qq.com。