埋地燃气管道杂散电流五点检测系统研究

摘 要

摘要：论述了埋地燃气管道杂散电流五点检测系统的结构、工作原理和特点。该检测方法实现杂散电流在线实时检测，不但能检测杂散电流的类别，而且还能检测杂散电流的大小和方向。关
摘要：论述了埋地燃气管道杂散电流五点检测系统的结构、工作原理和特点。该检测方法实现杂散电流在线实时检测，不但能检测杂散电流的类别，而且还能检测杂散电流的大小和方向。
关键词：埋地燃气管道；杂散电流；检测；腐蚀与防腐；五点检测法
Study on Five Point Detection System for Stray Current in Buried Gas Pipeline
LI Longjiang，LIU Qilong，TAO Wenliang，YANG Gang，GUANG Hong，JIA Meili
Abstract：The structure，working principle and characteristics of five point detection system for stray current in buried gas pipeline are described.The detection system achieves the online real-time detection of stray current，and the types，magnitude and direction of stray current can be detected.
Key words：buried gas pipeline；stray current；detection；corrosion and corrosion prevention；five point detection method
1 概述
   通过对城市埋地燃气管道失效机理的研究发现，杂散电流是引起管道腐蚀穿孔的主要因素。杂散电流是指在设计或规定回路以外流动的电流[1]，管道杂散电流是指外界非规定流动的电流，经过土壤流进管道，然后从管道另一处流出。电流从土壤进入金属管道的地方带有负电，流入区域称为管道阴极区，在阴极区如果管地电位过负，比-1350mV更负时，管道表面会析出大量氢，造成防腐绝缘层破坏和脱落，从而加剧阴极区的腐蚀破坏。当杂散电流由管道的某一处流出时，管道带正电，这一区域称为管道阳极区，在阳极区如果管地电位过正，大于-850mV时，钢管以铁离子的形式溶入周围介质中，因此阳极区的管道受到严重腐蚀[2]。由于城市埋地燃气管道、高压电力线、电气化铁路、地铁轻轨、地下电缆等多种管线纵横交错，产生的杂散电流类型多，有直流杂散电流、交流杂散电流和直交流共同作用的混流杂散电流，其大小、方向随时间、季节、温度和湿度的变化而变化。目前杂散电流常用的测试技术包括检查片腐蚀监测法、管地电位正向偏移法、管地电位连续监测法、杂散电流干扰探针测试法、地电位梯度检测法、SCM智能杂散电流测绘仪法等[3～10]。经研究发现，杂散电流在土壤中的传播是以泄漏点为中心，向四周立体衰减扩散，在泄漏点的周围会形成不规则有势电场，并从土壤电阻率小的方向传播。传统杂散电流的检测方法是基于“点”检测(检测范围在一个点上，通常是检测一个点的管地电位)和“线”检测(检测范围在一条直线上，通常是检测管道的地电位梯度)，不能全面检测杂散电流的流动方向和作用域。本文提出一种新的杂散电流检测方法——五点检测法，把检测范围从点、线检测扩展到面检测，克服传统杂散电流的检测缺陷，提高杂散电流的检测精度。
2 杂散电流五点检测系统的硬件结构
    为了实现“面”的检测要求，设计一个以单片机为核心控制模块的数据采集系统，系统主要由9个部分组成，分别为单片机模块、时钟模块、按键模块、电源模块、数据采集模块、数模转换模块、模数转换模块、显示模块和直流交流种类识别电路，杂散电流五点检测系统结构见图1。
 

    单片机模块采用耐蚀性和散热性能好、能在潮湿的环境下工作的AT89C51芯片，单片机还设有看门狗电路、串行EEPROM芯片等，单片机模块是五点检测系统的核心模块，主要协调各个模块的工作。时钟模块主要实现循环检测的计时。按键模块有检测周期设定按钮(用来调整和设置杂散电流检测时的检测周期和一次检测任务的检测时间)、直流档检测按钮(用来设置直流杂散电流的检测显示)、交流档检测按钮(用来设置交流杂散电流的检测显示)。考虑到野外检测用电的特殊要求，电源模块设计为3种供电方式，第1种方式为9V充电电池直接供电，当设备在野外执行管道杂散电流的检测任务时提供检测电源；第2种方式是通过检测系统的电源接口与手提电脑的两个USB接口连接，实现手提电脑供电；第3种方式是民用220V交流电源供电，由一根电源线和插头组成，插头直接接入民用220V电源，电源模块经过双通路滤波、整流和变压，最终达到各个单元模块的用电要求。数据采集模块如图1中的虚线矩形框所示，由3支永久性饱和Cu-CuS04参比电极SC1、SC2、SC3和两个焊接在管道上的数据测试桩01和02组成5个数据采集点1、2、3、4、5。点1连接数据采集通道IN1，点2连接数据采集通道IN4，点3连接数据采集通道IN5，点4连接数据采集通道IN2，点5连接数据采集通道IN3，主要实现管道管地电位和地电位梯度的5点面检测。为了获得稳定的输入信号，参比电极的3个引出端必须进行运算放大器电路信号变换，用本征电位输入调理电路来进行滤波等相应操作，同时在测量时还需要一个埋地金属构筑物极化电位输出调理电路来过滤测量过程中产生的杂波。模数转换模块(A/D转换)选用DAC0832双积分式模数转换芯片，转换精度为mV级，主要是把数据采集得到的模拟信号转变为数字信号，再送入单片机储存器储存并分析。数模转换模块(D/A转换)为备用模块，选用ACL7315模块，主要是把单片机送来的数字信号转变为模拟信号，驱动后继排流模块工作。显示模块选用LCD12864P液晶显示屏，主要显示数据采集过程的状态值和最终处理值。直流交流种类识别电路主要识别杂散电流的种类。
3 五点检测系统的工作原理
3.1 杂散电流五点检测系统简介
    杂散电流五点检测法是一种杂散电流“面”的检测方法，同时分别检测图1中点1、2、3、4、5的电位，5个点在同一平面上。在进行杂散电流检测时，检测管道对地电位用近参比法，3支永久性饱和Cu-CuS04参比电极呈边长为1m的等边三角形垂直安放在5个点所在的平面上，参比电极的测试探头用土壤压实，洒少许水，保持一定的土壤湿度，两根测试桩01和02相距1m并焊接在管道上，5个点通过引线接入数据采集通道IN1～IN5。在检测的过程中，数据采集模块采集的信号通过放大、调理、滤波变换后得到稳定的输出信号，送入模数转换器的输入端，模数转换器把输入的模拟信号转变为数字信号，送入单片机模块进行数据处理，处理的值通过显示模块进行显示。
3.2 检测频率设定与主要技术参数
    根据杂散电流的作用特性，在检测的过程中，执行检测任务要2min的时间才能稳定下来，因此检测1次时间设定为5min。数据的采集周期可由按键模块进行设定，默认周期为5s，通过周期设定按钮实现循环设置。当单击周期设定按钮时检测周期以5s的步长递增，如此循环上调，当上调到1min时，又跳回5s，在调节周期的过程中显示屏将显示所调周期。根据工程实际，管道杂散电流的发生源在一定的时间范围内趋于稳定，在执行长时间的检测任务时，若杂散电流的产生和作用环境不变，检测初期周期一般为默认值，待稳定后周期可以调大，把采集周期调到1d。杂散电流五点检测系统在检测过程中，规定从点4到点5的方向为正，点5到点4的方向为负。对各种杂散电流的检测范围为：直流杂散电流，-10～+10V，相对误差为0.1%；交流杂散电流，0～220V，相对误差为0.1%；管道上流过杂散电流，-1～1A，相对误差为0.1%。
3.3 检测任务
杂散电流五点检测系统不仅能检测埋地钢质管道的管地电位和地电位梯度大小和方向，而且还能检测到管道两测试桩之间的微电流的大小和方向。在测量的过程中，点1点2之间，点2点3之间，点1点3之间，可以检测到相应两点的地电位梯度V1,2、V2,3、V1,3，单位为mV/m；通过点2点4，点3点5可以检测到4点和5点的管地电位V2,4、V3,5，单位为mV，取两点管地电位V2,4、V3,5的平均值即可得到管地电位的大小。根据SY/J 32—1988《电力线路对埋地钢质管道交流电干扰测试方法》，管道上微小杂散电流计算公式如下：
 
式中I——管道受杂散电流影响流动的微电流，A
    V4,5——4、5两点之间的电位差平均值，V
    δ——管子壁厚，m
    D——管子外径，m
    ρ——管道的电阻率，Ω·m
    L——管道的长度，m
为了测定两个测试桩之间的电位差平均值V4,5，在检测的过程中先设定检测的周期和一次检测的时间，然后进行检测，其电位差平均值V4,5按式(2)计算。
 
式中V5——点5电位，V
    V4——点4电位，V
    n——在检测时间范围内的数据读取次数
    V4,5测定结束后，再测定式(1)中的其他参数，即可计算出管道上微小的杂散电流。
    通过实验研究发现，各种杂散电流源对管道的影响并不是单一的，当检测直流杂散电流时，也有一定量的交流杂散电流流过管道，当检测交流杂散电流时，也有一定量的直流杂散电流流过管道，只是检测值要小得多。为了全面检测出杂散电流的影响，杂散电流五点检测系统在模数转换模块的前端还设置了直流交流种类识别电路，识别直流杂散电流和交流杂散电流的大小，通过模数转换后变成数字量在显示模块进行显示。
3.4 杂散电流种类和方向的判断
    杂散电流五点检测法的优势在于能判断杂散电流的种类和方向。在检测过程中，用点4的管地电位V2,4和点2、3的地电位梯度V2,3判断杂散电流的种类和方向。当V2,4的值在[-1350mV，-850mV]区间，且不波动变化，V2,3的值在自然地电位梯度范围内，在某一个方向上也不变化，则说明埋地燃气管道没有受到杂散电流的干扰；当V2,4和V2,3的值在某一个方向上经过了5个检测周期后的值为一恒定值，或者在某一个范围内波动的幅度很小，且V2,4不在[-1350mV，-850mV]区间，则可以判断为管道受到直流杂散电流的干扰。当V2,3为正时，管道受到的直流杂散电流方向为4→5；当V2,3为负时，管道受到的直流杂散电流方向为5→4。当V2,4和V2,3的值在某一个方向上经过了5个检测周期后的值大小和方向都在变化，或者在某一个范围内呈现周期性的变化，V2,4不在[-1350mV，-850mV]区间，V2,3出现有规律的正弦波变化，则可以判断管道受到交流杂散电流的干扰。交流杂散电流方向的判断较为复杂，不能用管地电位V2,4和地电位梯度V2,3来判断，此时用管道上4、5两点的平均电位差比；来判断交流杂散电流的方向，原因是交流杂散电流在土壤中为正弦波周期变化，作用于管道的管地电位和地电位梯度也是正弦波周期变化，这个周期变化的微电流对管道的作用方向怎样，必须检测管道上4、5两点的微电流，的方向。根据式(1)和式(2)，微电流I的方向和V4,5的方向一致，因此检测V4,5即可判断交流杂散电流的方向。当V4,5为正时，管道受到的交流杂散电流方向为4→5，当V2,4为负时，管道受到交流杂散电流方向为5→4。当V2,4和V2,3的值在某一个方向上经过了5个检测周期后的值大小和方向都在变化，或者在某一个范围内呈现周期性的变化，V2,4不在[-1350mV，-850mV]区间，V2,3出现无规律的变化，长时间无法稳定下来，则可以判断为管道受到直流和交流杂散电流的干扰，此时通过检测管道的管地电位和地电位梯度的大小和方向来判断直流和交流杂散电流影响下的共同效应。当检测的杂散电流在设备检测的测量范围之外时，系统自动报警，此时LCD显示屏显示“超出仪器的检测范围，杂散电流过大，请查找杂散电流源头并做相应的防止处理”。
4 五点检测法的特点
    与现有技术相比，本方法改变了传统的点测量和线测量，用面测量来测量土壤中管道的杂散电流的种类、大小和方向。设备结构简单，体积小，检测精度高，可连续检测，检修和维护方便，为杂散电流的检测提供了一种高效和科学的检测方法，实现了从点线监测到面监测的一体化过程，能检测埋地燃气管道的管地电位和地电位梯度，自动判断杂散电流的大小、方向和类别，为杂散电流排流决策提供有力的依据。
5 应用
    我们将杂散电流五点检测法用在现场埋地燃气管道杂散电流检测，在测量过程中，选取DN 300mm在役埋地燃气管道，在10m管长的范围，通强电模拟杂散电流的氛围，用直流稳压电源和交流变压器进行有方向的供电。供电的两端用两个碳电极把电流导入土壤中，两个碳电极相距10m，直流杂散电流源给电方式见图2，交流杂散电流源给电方式与直流同理，混流杂散电流源给电方式见图3，五点检测法的检测安装方式如图1中的数据采集模块所示。在每一种杂散电流源的影响作用下，选取管道防腐涂层破损点及杂散电流流出的点进行检测，通强电模拟杂散电流氛围时，检测分为交流档和直流档显示。表1为自然状态下检测的管地电位和地电位梯度，表2为通直流为5、10、15、20、25V时的管地电位和地电位梯度，表3为通交流5、10、15、20、25V时交流档和直流档的管地电位和地电位梯度，表4是通直流和交流混流时直流档和交流档的管地电位和地电位梯度。通过实地测量表明，杂散电流五点检测法不仅能很好地检测管道杂散电流的种类，还能检测直流档和交流档杂散电流的大小和方向，五点法能运用于管道杂散电流的检测中。

 
6 结论
    通过五点检测系统，可以很方便地检测管道的管地电位和地电位梯度，可以检测到管道杂散电流的大小和方向，为埋地燃气管道杂散电流的检测提供了一种较精确的方法。本方法不仅可以检测埋地燃气管道杂散电流，而且还可以用在其他金属构筑物的对地电位和地电位梯度的检测上。
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(本文作者：李龙江1 刘起龙2 陶文亮3 杨刚2 广宏2 假梅莉1 1.贵州大学矿业学院贵州 贵阳550003；2.贵州燃气(集团)有限责任公司 贵州贵阳 550001；3.贵州大学化工学院 贵州贵阳 550003)