1   概述

随着管道服役期延长、防腐层质量衰减、阴极保护系统中阳极消耗以及杂散电流干扰，管道的腐蚀保护状况对于管网的安全运行而言意义重大^［1-2］，而这依赖于有效的检测及准确的评估。随着城市现代化建设的加快发展，城市燃气埋地管网的管理难度日益增加，特别是管道阴极保护系统数据的及时监测、管道腐蚀状况的分析与评估难度大、杂散电流干扰强等问题尤为突出。通过建立管网阴极保护腐蚀分析系统，利用无线远传技术不间断采集实时的管道阴极保护参数，并自动对数据进行分析，可实现燃气管道阴极保护系统和杂散电流干扰的智能化评估，从而有效指导当前工作并制定相应的防腐对策，对埋地燃气管道的安全运行和完整性管理具有重要的现实意义。

 2   阴极保护系统管理中存在的问题

目前，城市燃气管网阴极保护系统的日常检测主要采用人工检测方式，在管理过程中存在以下问题。

 ①人工检测费时费力，检测难度大。城市燃气管网的测试桩分布范围较广，每次检测耗费人力、物力较大，工作效率较低。同时，人工检测受地理环境和天气等因素的制约，如人员较难进出的地点或遇到恶劣天气等情况，人工检测很难正常进行。

②检测数据可靠性低，时效性差。受现场检测条件限制，人工检测参数较少，一般只能利用测试桩已有的参比电极或将便携式参比电极置于管道附近土壤中，测量管道和参比电极之间的电位差，测得通电状态下的保护电位（即通电电位）。根据现行国家标准GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》（以下简称GB/T 21448—2017），管地界面不含IR降的极化电位是判断阴极保护有效性的准则。通电电位包含了极化电位和回路中的IR降，并不能真实反映管地界面的极化电位，因而无法准确评价管道是否受到有效的阴极保护。同时，人工检测无法对管道阴极保护数据进行实时监测，特别随着城市轨道交通的发展，各大城市陆续开始建设地铁交通，地铁运行时产生直流杂散电流会造成管地通电电位剧烈波动。因此在较短的测试时间内所测试的数据不具备代表性，数据的时效性较差。

 ③人工检测数据很难进行有效的系统分析，难以准确评估管道的真实保护状态。通过人工检测的方式很难将所有的数据集成管理，同时检测数据没有形成一整套完善的数据评估体系，缺乏专业有效的分析处理能力，造成数据处理周期长，数据分析结论不可靠，很难评估管道的真实保护状态。

 3   管网阴极保护腐蚀分析系统

管网阴极保护腐蚀分析系统是针对城市管网阴极保护系统管理中存在的问题，专门开发的用于自动采集管道阴极保护数据，并分析评估管网阴极保护状态，预测管道腐蚀风险的智能管理系统。

 3.1  系统组成

管网阴极保护腐蚀分析系统由数据采集平台、GPRS传输模块、数据管理中心及用户终端4部分组成。数据采集平台自动采集管道各类型参数并进行数据储存，依据设定的传输频率和传输时间将数据通过GPRS传输模块发送到数据管理中心，数据经过专业软件分析处理后显示在用户终端。

 ①数据采集平台

 a.数据采集平台应用背景

 城市燃气管道采用强制电流或牺牲阳极阴极保护系统来控制管道的腐蚀，并且每隔1 km设置1个阴极保护测试桩，通过人工方式定期测试管道电位，了解管道被保护情况。为确保管道电位测试的准确性和连续性，提高检测效率，在每个阴极保护测试桩处增设数据采集平台，自动连续采集管道阴极保护参数。对于存在地铁线路、高压线等杂散电流干扰的区域会加密布置测试桩及数据采集平台，间距为300～500 m。

 b.数据采集平台组成

 数据采集平台由智能阴极保护数据采集器及极化探头两部分组成，数据采集平台接线方式见图1（图中CH1及CH4为电压信号处理模块，CH2及CH3为电流信号处理模块）。

图1   数据采集平台接线方式

  智能阴极保护数据采集器及极化探头按图1的接线方式与测试桩内的管道电缆相连，采集该处管道的阴极保护参数。工作原理为通过智能阴极保护数据采集器的电压、电流信号处理模块，将极化探头中的参比电极作为电位测量的基准点，同时采集管道电压、电流密度等阴极保护参数信号，并通过信号处理模块CH1-CH4中的A/D换转器对相应的信号进行转换，储存在对应的信号处理模块中的存储器中。

 智能阴极保护数据采集器作为数据采集平台核心部件，它是专用于阴极保护数据AC和DC测量的多通道标准采集装置，可实现管道阴极保护数据的采集、计算、存储、发送功能。智能阴极保护数据采集器工作寿命与采集频率、传输频率相关，使用寿命逾5 a。

极化探头由长效参比电极、极化试片、自腐蚀试片组成。其中极化试片及自腐蚀试片与管道材质相同，用来模拟管道的防腐层缺陷处管道本体金属，试片的面积与管道防腐层的质量及与杂散电流类型相关。3PE防腐层在城市燃气管道上的应用越来越广泛，因此通常选择面积6 cm²和1 cm²的试片。通过6 cm²试片所测的断电电位代表管道在相同的土壤环境下出现相同面积的防腐层破损点时的极化电位，而1 cm²的试片则可用于交流干扰测试。

c. 数据采集平台数据采集类型

 考虑到城市燃气管网有强制电流及牺牲阳极两种阴极保护系统，且存在交直流杂散电流干扰，为有效评估管道阴极保护状况及杂散电流干扰状态，数据采集平台采集的数据类型包括管道通电电位、极化电位、自腐蚀电位、交流电压、工作电流、交/直流电流密度、阳极电位。管道的通电电位不等于管道真实极化电位（也叫断电电位），两者之间存在IR降误差，IR降是根据欧姆定律由于电流的流动在参比电极与金属管道之间土壤上产生的电压。业内普遍做法是采用断电法切断阴极保护电流（即整流器或牺牲阳极输出电流）来消除IR降误差，但这种方法只能消除阴极保护电流引起的IR降，对于各种杂散电流、二次电流等非阴极保护电流造成的IR降则不能消除^［3］。

 d. 数据采集平台的优势和数据采集方法

 数据采集平台的优势在于运用极化探头断电测试技术，在不断开现有阴极保护系统的情况下，消除IR降以获得管道真实极化电位，且不会受到杂散电流干扰的影响。数据采集平台各类型参数测量原理如下：

从图1可以看出，极化试片通过棕色端子、粉色端子、蓝色端子、通断器开关以及黑色端子之间的电缆与管道连接（其中电流测量模块2内部的高精度电流表内阻可忽略不计）。测量管道通电电位时，电压测量模块1内部ms级电路控制模块的通断器开关合上，此时极化试片通过棕色端子、粉色端子、黑色端子之间的电缆与管道电连接，这就意味着极化试片与管道处于等电位状态，此时通过测量极化试片电缆与极化探头的参比电极电缆之间电位差即可得到管道通电电位。测量极化电位时，通过采集器内部ms级电路控制模块控制通断器的开关处于断开状态，并精准控制极化试片与管道的断开时间，此时极化试片由于通断器开关断开而与管道之间处于断开的状态，利用采集器电压测试模块1测量断电情况下极化试片电缆与极化探头的参比电极电缆之间的电位差，即可获得极化电位。测量自腐蚀电位时，通过采集器内部电压测量模块2测量极化探头的自腐蚀试片电缆与极化探头的参比电极电缆之间的电位差。测量直流电流密度（自腐蚀试片的面积数据已存储在采集器中）时，任意选用采集器内部电流测量模块1或者模块2，图1中是利用电流测量模块2测量极化探头内极化试片与管道之间的直流电流密度。电流测量模块2正极接粉色端子，粉色端子通过蓝色端子、通断器开关以及黑色端子之间的电缆与管道相连，电流测量模块2负极接极化试片。这就相当于电流测量模块2一端接管道，一端接极化试片，通过电流测量模块2即可测量极化试片与管道之间的直流电流密度，并且利用电流测量模块同时可测量出极化试片与管道之间的交流电流密度。

 ②GPRS传输模块

 数据采集平台所采集储存的数据，通过GPRS传输模块，利用无线数据通信方式GPRS或者GSM传输至数据管理中心。

 ③数据管理中心

 数据管理中心汇集、管理和处理发送来的数据，并提供通信系统的轮询、现场设备日常及突发事件的处理。同时可以对设备进行连续检查和控制以及设备的升级，并将数据备份管理。

 ④用户终端

 在用户终端上安装管网阴极保护腐蚀分析系统软件，软件采用浏览器/服务器架构，用户通过账号和口令就可以登录平台软件，获取相关信息。这些信息主要包括检测点地理信息、各种数据的图形显示、报警信息查询、历史数据统计分析、阴极保护系统评估、阴极保护有效性评估及杂散电流干扰评估、发布用户既定格式的报表或特别报告、把数据提供给其他应用软件、周期性地更新管理软件、Web服务器的操作与维护、应用软件数据库应用、广域网连接与操作处理、数据库日常及突发维护、防止非法侵入和硬件软件防火墙、多级用户名和口令、用户使用操作培训等。

 3.2  系统功能及特点

 ①数据及功能多样化：多通道数据采集可支持强制电流系统的工作电压及工作电流测量，也可用于牺牲阳极系统的阳极开路电位、阳极工作电位及工作电流的测量，也可用于测试桩处管道通电电位、极化电位、自腐蚀电位、交流电压、交直流电流密度的测量。

 ②数据时效性：可以采集每天每时段数据，及时了解阴极保护数据变化趋势，同时可以自动、完整、及时地获取阴极保护的电气参数，并将整个管网在线阴极保护状态的全年不间断记录数据实时提供给燃气公司。

 ③管理效率：全管道阴极保护数据同步监控，及时有效获取关键数据，提高了测量效率，降低人工劳动强度，对于检测难度大的区域比人工检测更加有效。

 ④数据分析评估：自动对采集数据进行处理，通过图像、图表等可视化强的方式将数据及变化趋势直观呈现。对于数据异常的点，系统会自行判断报警，并给出相应的故障信息。利用特有的数据评估模块可对阴极保护系统工作状态、管道受保护程度、杂散电流干扰程度进行评估。客户可随时随地通过互联网登录系统浏览。

 4   系统在昆明城市管网的应用

 昆明城市燃气管网于1984年6月开始建设，整个管网已运行逾30 a。昆明市地下燃气管道主要采用螺旋缝钢管和无缝钢管，沿城市道路及庭院小区道路敷设，途经铁路、农田、河流等。管道外防腐主要采用石油沥青玻璃布或环氧煤沥青，辅以牺牲阳极阴极保护法进行保护。通过在原有的阴极保护测试桩中选取具有代表性的测试点，对原有测试桩进行改造，加装智能阴极保护数据采集器和传输模块，并在管道上方安装极化探头，测试管道极化电位和自腐蚀电位。同时，采用无线远传方式将数据传输到数据管理中心，利用管网阴极保护腐蚀分析系统进行分析和评估。

 ①测试数据对比

 在近地铁处选取5个测点，人工测试选用便携式参比电极测量通电电位。人工测试数据与系统测试数据的对比见表1。

 表1   人工测试数据与系统测试数据的对比

由表1 可以看出，人工测试通电电位与系统采集通电电位趋势一致，但由于系统测试的结果中去除了IR降，相比于人工测试结果偏正，更为精确。

 ②系统界面

 a.系统终端软件首页界面

用户通过终端软件输入用户名和密码即可登录管网阴极保护腐蚀分析系统软件。系统终端软件首页界面见图2。系统以地图平台为界面，实现监测点地理位置信息展示，从该界面可直观看出管道的走向路由及与地铁线路的位置关系。界面左侧提供报警、数据查询、数据分析评估查询及现场设备点后台管理的入口。

图2   系统终端软件首页界面

 b.报警模块

 通过报警模块可查询数据异常信息及报警信息。当管道阴极保护系统存在问题或杂散电流干扰引起管地电位波动时，在报警模块中可查询数据超限次数和超限总时长。

 c.数据查询模块

通过数据查询模块可随时查询任意时间段的历史数据，同时可以对数据进行报表统计和图形趋势统计，并可导出所查询的数据。通过数据图形趋势可直观看出杂散电流干扰的趋势，尤其在有地铁杂散电流干扰时段和地铁停运时段的不同干扰趋势。

 d.评估模块

 利用评估模块可自动将数据按评估模型进行分析处理，并提供评估结果查询。可查询阴极保护系统工作状态评估、阴极保护有效性评估、交直流杂散电流干扰评估结果。评估模块包含符合GB/T 21448—2017、GB 50991—2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》、GB/T 50698—2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》的数据分析模型，其工作原理为：利用连续采集的通电电位、断电电位（极化电位）、交流电压识别杂散电流干扰时间段及非干扰时间段。利用采集的牺牲阳极阳极开路电位、阳极工作电位及阳极工作电流数据进行阴极保护系统工作状态评估；利用非干扰时间段获得的断电电位数据进行阴极保护有效性评估；利用在干扰时间段获得的通电电位、断电电位、交流电压、直流电流、交流电流数据进行交直流杂散电流干扰评估。

 依据评估模块的结论及建议指导管道的定点维修活动，对阴极保护系统工作状态评估异常的点进行阴极保护系统维修工作，对交直流杂散电流评估中需要杂散电流排流的点进行排流工作。

 5   结论

 ①通过将管网阴极保护腐蚀分析系统应用于城市燃气管道，可有效解决目前城市燃气管道阴极保护检测所面临的问题，可更好地利用人力资源，将重复的工作交给系统来完成，大大提高工作效率。

 ②通过系统评估功能的应用，能有针对性地处理问题管道，从而避免大面积开挖所造成的资金和人力、物力的消耗，极大降低阴极保护系统的管理和运行费用。

 ③通过对管网阴极保护数据的连续采集、智能分析和评估，可准确了解管道保护状态，从而能及时对存在问题的管道进行安全预防措施处理，提升管网运行的安全性。 

参考文献：
［1］付更扬，牟南翔. 杂散电流干扰下埋地管道极化电位的测量［J］. 腐蚀与防护，2013，34（6）：533-535.

 ［2］杨义军，李文玉，王芷芳，等. 极化探头在埋地钢质管道阴极保护的应用［J］. 煤气与热力，2010，30（4）：A24-A27.