謝闖1 王喜權(quán)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(nèi)蒙古輸油氣分公司 

摘要：近年來因管道腐蝕防護(hù)不到位引發(fā)的安全事故頻發(fā)。外加電流陰極保護(hù)被證明是油氣管道經(jīng)濟(jì)有效的保護(hù)方式之一。為監(jiān)測和評估陰極保護(hù)系統(tǒng)有效性，需要大量采集監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)時(shí)效性和準(zhǔn)確性非常重要。介紹了陰極保護(hù)智能采集系統(tǒng)組成，常見故障排查分析，提出處置措施，為陰極保護(hù)系統(tǒng)有效運(yùn)行提供參考。

關(guān)鍵詞：陰極保護(hù)智能采集系統(tǒng)；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(zāi)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(hù)方式進(jìn)行防護(hù)，有研究證明陰極保護(hù)可大幅度減緩管道腐蝕速率，對管道腐蝕防護(hù)和安全運(yùn)行有十分重要的意義[2]。為實(shí)時(shí)監(jiān)控和準(zhǔn)確評估陰極保護(hù)系統(tǒng)有效性，目前多用智能采集系統(tǒng)測試傳輸陰極保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)。由于采集系統(tǒng)比較龐大，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采集和檢測過程諸多環(huán)節(jié)，容易發(fā)生異常和故障。本文對智能采集系統(tǒng)常見故障進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的處置措施。

1  智能采集系統(tǒng)概述

1.1  智能采集系統(tǒng)組成

陰極保護(hù)智能采集系統(tǒng)主要由提供陰極保護(hù)外加電流的恒電位儀、沿線管道陰極保護(hù)參數(shù)智能采集裝置和陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳終端組成。早期陰極保護(hù)通斷電電位等參數(shù)需要專業(yè)人員到現(xiàn)場測試，近年來隨著電工電子技術(shù)的飛速發(fā)展和4G、5G通訊技術(shù)的普及應(yīng)用，陰極保護(hù)智能采集裝置逐漸替代人工采集方式得以推廣應(yīng)用，現(xiàn)場自動(dòng)采集管道沿線及區(qū)域陰極保護(hù)相關(guān)參數(shù)并傳輸?shù)焦芾砥脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[3]。

智能采集系統(tǒng)由現(xiàn)場采集層、系統(tǒng)傳輸層和平臺(tái)監(jiān)測層組成（圖 1）。采集層包括智能采集裝置，如安裝在沿線測試樁的智能采集儀，現(xiàn)場埋設(shè)的參比電極、試片等，組成測量回路測試和采集數(shù)據(jù)。傳輸層將采集的數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式上傳至管理平臺(tái)。平臺(tái)監(jiān)測層根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，發(fā)現(xiàn)異常自動(dòng)報(bào)警。

圖 1 智能采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2  數(shù)據(jù)采集原理

智能采集系統(tǒng)通過智能采集儀和極化探頭測試管道陰極保護(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)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過單片機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行處理，將測試數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程管理平臺(tái)服務(wù)器上存儲(chǔ)（圖 2）。智能采集系統(tǒng)可根據(jù)用戶端或管理平臺(tái)軟硬件要求實(shí)現(xiàn)靈活、定制化參數(shù)測試與采集[4]。

圖 2 智能采集系統(tǒng)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）傳輸過程。分為長期性和間歇性傳輸故障，智能采集系統(tǒng)顯示聯(lián)網(wǎng)異常或時(shí)斷時(shí)續(xù)。原因主要有以下幾種，電池欠壓導(dǎo)致設(shè)備工作電壓超出正常范圍（電池欠壓時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出欠壓報(bào)警）；采集儀所處地帶位于通訊信號較弱地區(qū)； SIM卡欠費(fèi)或者SIM卡接觸不良導(dǎo)致信號傳輸失效；更換新設(shè)備后無線傳輸?shù)刂氛{(diào)試不匹配導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法上傳至服務(wù)器；數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)地址與平臺(tái)提供的服務(wù)器地址不一致；遠(yuǎn)傳終端接線盒或天線與采集儀本體接線松動(dòng)導(dǎo)致傳輸信號時(shí)斷時(shí)續(xù)；因某種原因過載導(dǎo)致采集儀主板損壞；系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘模塊供電狀態(tài)異常等。

處置措施。若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)異常，可以從現(xiàn)場傳輸設(shè)備供電情況、現(xiàn)場接線情況、設(shè)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(rèn)現(xiàn)場通訊信號強(qiáng)度是否正常。其次則利用萬用表核對現(xiàn)場電池電壓，若不在正常范圍則更換電池。若正常則查詢采集儀功耗、采集模式及SIM卡費(fèi)用，均正常則插拔或更換SIM卡，重啟設(shè)備進(jìn)行后臺(tái)解綁和綁定。若通訊仍不恢復(fù)，排查遠(yuǎn)傳系統(tǒng)各接線是否有松動(dòng)。若硬件排查均無問題，則登陸管理平臺(tái)查看現(xiàn)場存儲(chǔ)地址與平臺(tái)提供的服務(wù)器地址是否一致。以上均無異常則對內(nèi)部時(shí)鐘供電電池進(jìn)行排查，于移動(dòng)端調(diào)取系統(tǒng)采集儀內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)間，若已自動(dòng)恢復(fù)為出場時(shí)間，則為內(nèi)部時(shí)鐘用紐扣電池故障，需更換電池并重新確認(rèn)。

（2）采集過程。①斷電電位異常、交流電流密度過大等。原因主要有采集儀斷電電位采集回路失效導(dǎo)致無法斷電，表現(xiàn)為測量的斷電電位與通電電位時(shí)刻保持一致，系統(tǒng)顯示斷電電位異常且與通電電位相同；斷電電位采集時(shí)長設(shè)置不合理導(dǎo)致斷電電位過負(fù)發(fā)生過保護(hù)現(xiàn)象或因去極化導(dǎo)致電位偏正發(fā)生欠保護(hù)現(xiàn)象。

處置措施。首先觀察電位趨勢圖，若通斷電電位某一時(shí)刻起保持一致，則現(xiàn)場手動(dòng)復(fù)測通斷電電位，數(shù)值正常，則可以判斷為采集儀回路無法斷電導(dǎo)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(tǒng)產(chǎn)生斷電電位異常報(bào)警。原因主要為長效參比電極電位不準(zhǔn)、失效或因土壤中含氯離子等污染源導(dǎo)致參比失效。

處置措施�，F(xiàn)場測試通斷電電位并與平臺(tái)檢測結(jié)果對比復(fù)核（排除遠(yuǎn)傳原因），數(shù)據(jù)一致則利用便攜硫酸銅參比電極對現(xiàn)場參比電極進(jìn)行校正，若參數(shù)超出正常范圍則為參比電極失效或周圍土壤過于干燥，可以加水濕潤，如仍無法解決，則更換參比電極。

③通斷電測量回路出現(xiàn)電位偏移，系統(tǒng)顯示斷電電位逐漸發(fā)生偏移并發(fā)生電位異常報(bào)警。原因?yàn)闃O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(qiáng)的土壤中。

處置措施。極化試片失效是一個(gè)長期緩慢的過程，現(xiàn)場核實(shí)時(shí)需要埋設(shè)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(fù)正常值則確認(rèn)試片失效。

④試片接線、管道線松動(dòng)或發(fā)生斷裂導(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)正于﹣0.85 V。

處置措施。對比陰極保護(hù)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)從某一時(shí)刻開始電位發(fā)生突變且接近去極化后的自然電位，則分別測試現(xiàn)場管道、試片和參比電極構(gòu)成的回路，開挖排查接線故障。

⑤土壤電阻率過大導(dǎo)致斷電電位偏正。原因?yàn)椴杉�設(shè)備周邊土壤環(huán)境所致。

處置措施。選擇長效參比電極、試片與PVC管組合安裝，安裝點(diǎn)埋設(shè)膨潤土，并定期澆水維護(hù)，改善監(jiān)測點(diǎn)埋地環(huán)境土壤電阻率。陰極保護(hù)有效性判定要結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥离娮杪省?

（3）外界干擾。外部雜散電流或其他陰極保護(hù)系統(tǒng)干擾導(dǎo)致陰極保護(hù)電位異常。原因可能有以下幾點(diǎn)，管道周邊高壓輸電線路、電氣化鐵路、感應(yīng)雷或管道開展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(fù)）、交流干擾電壓（計(jì)算交流電流密度較大）異常。

處置措施。管道電位波動(dòng)區(qū)域及時(shí)開展雜散電流干擾調(diào)查，找出電位波動(dòng)真實(shí)原因，采取干擾防護(hù)措施。合理確定埋地長效參比電極、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效參比電極的影響，降低環(huán)境干擾導(dǎo)致的測量誤差。

2.2  遠(yuǎn)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(dǎo)致欠壓報(bào)警；電池保險(xiǎn)損壞導(dǎo)致系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)異常；采集設(shè)備回路出現(xiàn)故障無法進(jìn)行斷電測試；系統(tǒng)接線虛接松動(dòng)；設(shè)備休眠不啟動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)無法上傳等。

（2）軟件傳輸故障。主要包括無線傳輸模塊異常，類似于測試樁數(shù)據(jù)傳輸異常；現(xiàn)場設(shè)備存儲(chǔ)地址和管理平臺(tái)所用的通訊地址不匹配導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法上傳；無線傳輸設(shè)備和采集設(shè)備之間接觸不良等。

由于遠(yuǎn)傳終端數(shù)據(jù)傳輸原理與智能測試樁類似，故障排查方法和處置措施與智能測試樁相同。

3  結(jié)論

智能采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)和參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，解決了測試工作量大、數(shù)據(jù)精度差等突出問題，降低了日常運(yùn)行維護(hù)成本，提高了數(shù)據(jù)可靠性。介紹的智能采集系統(tǒng)常見故障、排查方法和處置措施，為陰極保護(hù)系統(tǒng)日常維護(hù)提供了經(jīng)驗(yàn)。目前智能采集系統(tǒng)仍存在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度低、智能化水平有限等缺點(diǎn)，大都停留在數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)階段，故障診斷排查需要專業(yè)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并到現(xiàn)場驗(yàn)證確定。未來針對數(shù)據(jù)智能分析、系統(tǒng)故障診斷還需加大應(yīng)用研究。

參考文獻(xiàn)：

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[4]魏睛宇.數(shù)據(jù)處理概論[M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社， 1994.1-5.

作者簡介：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(xiàn)主要從事管道管理工作。聯(lián)系方式：18513584004，3906818@qq.com。