埋地钢质管道风光电互补网络式防腐系统研究

摘 要

摘要：设计了单片机控制系统，用神经模糊自适应控制方法和风光电互补的供电模式，对埋地钢质管道实行网络式检测与防腐一体化。论述了风光电互补网络式防腐系统的硬件结构和功能、
摘要：设计了单片机控制系统，用神经模糊自适应控制方法和风光电互补的供电模式，对埋地钢质管道实行网络式检测与防腐一体化。论述了风光电互补网络式防腐系统的硬件结构和功能、软件设计、控制算法。
关键词：埋地钢质管道；风光电互补；网络式防腐；自适应控制；阴极保护；杂散电流；排流：检测与防腐一体化
Study on Wind-solar-electricity Hybrid Anti-corrosion System for Buried Steel Pipeline
LIU Qilong，LI Longjiang，TAO Wenliang，YANG Gang，HUANG Fuhui
Abstract：The single chip microcomputer control system is designed，and the detection and anticorrosion of buried steel pipeline is integrated using neuro-fuzzy self-adaptive control method and wind-sorlar-electricity hybrid mode.The hardware structure and function，software design and control algorithm for wind-solar-electricity hybrid anti-corrosion system are described.
Key words：buried steel pipeline；wind-solar-electricity hybrid；networking anti-corrosion；self-adaptive control；cathode protection；stray current；electrical drainage；detection and anti-corrosion integration
1 概述
    我国已建成投入运营长输油气管道6.2×104km，海底管道逾3000km。这些钢质管道敷设在地下，与地铁、轻轨、电缆等纵横交错，数量多，环境复杂。引起管道失效泄漏的主要表现形式为腐蚀穿孔，管道一旦失效将造成严重的经济损失和人员伤亡。我国大部分钢质管道处于埋设15年以上的高风险期，面临着腐蚀防护的难题。传统的防腐方法主要有涂层防腐、排流保护、牺牲阳极阴极保护、强制电流阴极保护、阳极保护等[1～5]。
    对于埋地钢质管道，防腐涂层容易在运输和安装的过程中受到损害。经研究发现，在防腐涂层破损处，管道呈阳极区，其腐蚀速率比其他区域大得多，因此，防腐涂层只能部分缓解腐蚀。
    杂散电流是指在设计或规定回路以外流动的电流[6]，管道杂散电流是指外界非规定流动的电流，经过土壤流进管道一侧，然后从管道另一侧流出。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点流出时，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[7]。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等[8～12]。传统的方法为“点”检测或“线”检测，“面”检测刚刚起步[13]。排除杂散电流的方法有直接排流法和引流法，这些方法往往会产生新的杂散电流，从而使管道周围的金属构筑物加剧腐蚀破坏，造成二次腐蚀。
   基于上述因素，本文提出一种全新的埋地钢质管道防腐方法，用风光电互补网络式防腐系统(以下简称防腐系统)，通过互联网络短信平台，使防腐系统和公司主机有机结合起来，全面解决埋地钢质管道的防腐问题。
2 风光电互补网络式防腐系统硬件结构
   钢质管道风光电互补网络式防腐系统高效节能地对钢质管道进行保护，使管道受环境的腐蚀降低到最低程度，使用风光电互补供电方式，主要实现10m内风光电网络式防腐系统与笔记本电脑自由通信，笔记本电脑接收系统发出的状态数据、管道腐蚀种类识别与杂散电流自动面检测[13]，杂散电流排流和阴极保护一体化防腐，与公司上位机间实现动态短信发送，驱动柔性阳极，操作显示一体化等。
2.1 各功能模块硬件设计及主要功能
   为了实现系统各部分功能，设计一个以单片机为核心控制模块的防腐系统，分为9个功能模块，分别为单片机模块、数据采集模块、野外监控模块、显示模块、一体化防腐模块、无线检测和短信模块、风光电互补电源模块、时钟模块、按键模块。系统硬件结构见图1。

   ① 单片机模块：单片机模块采用性能优越的飞思卡尔公司提供的MC9S12XS128MAA单片机芯片，80管脚LQFP贴片封装。其特点为自带12位模数转换，自带看门狗电路，导电类型为双极型，工作温度为-40～80℃，并能在潮湿的环境下工作。单片机模块是系统的核心模块，主要协调和驱动各个模块的工作。
    ② 数据采集模块：主要实现腐蚀识别的数据采集，数据采集方法为五点面检测法[13]，主要数据有管道的阴阳极状态、管道上流过的微小杂散电流、管地电位和地电位梯度。
    ③ 野外监控模块：野外监控模块由单片机驱动摄像头，增配微波感应探头，可以对防腐设备周围20m2的范围进行探测，并通过无线检测和短信模块以短信方式传送图片到公司的上位机电脑，其主要目的是监控管道周围是否有非法开挖、盗管、偷气等现象发生，可实现夜间监控，解决埋地钢质管道夜间巡查难的问题，提高连续监测的效率。
    ④ 显示模块：显示模块选用221.4mm×124.5mm压电式触摸液晶显示屏，主要显示数据采集过程的状态值和最终处理值，并实现人性化的触摸动作指令。其显示任务有显示管道的阴阳极、管道与金属构筑物的电位、管道流动的微电流、管地电位和地电位梯度、自动排流的状态数据、管地电位-时间曲线、交流电位-时间曲线、杂散电流方向、无线发送短信状态、显示帮助等。显示分为4个区域，左上角显示各功能模块的原理及原理图，右上区域显示设置值和状态值，左下区域为显示内容选单，右下区域为键盘。显示内容示例见图2。
 

   ⑤ 一体化防腐模块：一体化防腐模块主要由单片机驱动的防腐电路组成，为腐蚀情况检测与防腐一体化硬件设备。当数据采集模块采集的管地电位不在[-1350mV，-850mV]区间，系统自动判断钢质管道属于哪种腐蚀，并启动强制电流保护系统。若管道受到杂散电流腐蚀，则启动强制电流杂散电流排流；若管道不受杂散电流腐蚀，则启动柔性阳极强制电流阴极保护。
    ⑥ 无线检测和短信模块：无线检测和短信模块选用GSM无线收发模块，无线收发模块有发送端和接收端，发送端和单片机相连接，接收端和上位机连接，上位机设计有接收软件。无线检测和短信模块主要实现与笔记本电脑进行10m距离内数据检测状态传输、无线进行防腐系统参数设置和用短信的形式传送防腐状态数据，传送数据用相应的上位机软件处理。短信发送要求实现每24 h给公司监控主机发送1次，发送的内容为管道腐蚀检测和防腐的状态数据、发送始端机号、故障报告等。
    ⑦ 风光电互补电源模块：系统的供能方式是风光电互补电源(民用220V交流电源、风光互补发电电源两种电源相互补充供电)，电源模块经过逆变器进行逆变，升压电路进行升压并储存，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。风光电互补供电模块含有电源模块控制器，其作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。电源模块控制器核心控制为单片机控制，对电源电压进行检测，优选电源为风光互补电源，当风光互补电源供能欠缺时，再自动启动民用220V交流电源作为补充。
    ⑥ 时钟模块：时钟模块主要实现腐蚀状况循环检测计时及一体化防腐计时。
    ⑨ 按键模块：按键模块有检测周期设定按钮、系统启停按钮、排流电流设置按钮、手动排流和自动排流操作按钮。
2.2 防腐系统外围设备设计及安装运行
    埋地钢质管道风光电互补网络式防腐系统一般在野外工作，系统设有防雷器。系统各个模块的电子元件设备设在控制箱体内，即单片机模块、数据采集模块、显示模块、时钟模块、按键模块、一体化防腐模块、无线检测和短信模块放置在箱体里，野外监控模块和风光电互补电源模块在箱体外部，模块间通过电路连接，箱体设置电磁屏蔽和防水装置。系统设计有升级口和程序写入口。接线口要求用标准接线口，方便接线。系统有通风设计，控制箱体壁面有两个小型风扇，为保证系统长时间工作，设置一个温度传感器，当温度高于30℃时启动风扇。系统的各个主要部件的设计要求模块化，设计寿命为20年，若有损坏，要求更换方便。
    为操作简单化和防止人为破坏，每台钢质管道风光电互补网络式防腐系统安装在高度为7m的钢质支撑杆上，距地面不得低于5m，其安装实物用见图3。
 

    风力发电机和太阳能帆板的功率选取要根据安装地的风力条件、光照条件和具体的防腐电流来确定。钢质管道风光电互补网络式防腐系统运行时，通过风力发电机和太阳能帆板发电，通过蓄电池储存电能，并接通辅助市电电源，组成风光电互补电池储模块，给防腐系统供电。防腐系统启动后，自动检测钢质管道的腐蚀情况，并启动软件决策系统，对钢质管道进行防腐蚀保护。防腐系统的无线检测和短信模块把数据传输给10m内支撑杆下的笔记本电脑。同时每24h实时发送1次状态数据给公司电脑或防腐主管部门。笔记本电脑的上位机软件可以设置防腐系统的状态参数，对每个防腐系统进行实时监控和更改参数。
3 防腐系统软件设计
    钢质管道风光电互补网络式防腐系统软件主要有硬件驱动程序软件、上位机短信和数据接收软件、10m距离防腐系统与笔记本电脑自由通信软件。硬件驱动程序软件用KeilC51开发系统，编制程序使单片机驱动各个模块正常工作。
    上位机短信和数据接收软件用Visual Basic 6.0开发软件，实现上位机和单片机控制的无线检测和短信模块通信。上位机能够接收防腐系统无线检测和短信模块发送的数据，能够升级，能够显示系统的状态，能够处理检测数据和防腐实时数据，能绘制管地电位-时间曲线和管地电位-距离曲线，进行交流杂散电流电压分布分析，杂散电流的大小、方向、类型的判断分析。每次处理内容都自动按时间顺序保存文件，保存历史检测数据。并提供打印接口，和打印机相连打印状态数据或处理数据。上位机一般为IBM服务器，有强大的数据库软件处理系统，一台上位机能够同时处理50个以上的防腐系统发送的实时数据，并能进行长期的跟踪分析，保存2年历史数据，生成腐蚀状况检测报表和防腐状态报表、每个防腐系统的功耗报表等。并能进行每台防腐系统的故障报警，保存历史数据并能实现绘图和打印。10m距离防腐系统与笔记本电脑自由通信软件同样用Visual Basic 6.0开发软件，软件有人性化界面，有强大的后台数据处理系统，能够实现防腐系统和笔记本电脑自由通信并实现无线指令控制。一方面，在10m范围内，笔记本电脑可以接收防腐系统的状态数据，并分析状态数据，检查测试防腐系统的各个模块功能；另一方面，笔记本电脑可以给防腐系统发送指令，实现防腐系统的启停，设置防腐系统的状态参数(数据采集频率、防腐电流设定)等。这样工作人员在野外操作时简单快捷，用笔记本电脑就可实现防腐系统的检修及维护，不用攀爬，降低风险。
4 控制算法
   埋地钢质管道风光电网络式防腐系统的控制算法为神经模糊自适应智能控制。定义管地电位的检测值为5个区间，根据其对管道腐蚀的影响程度，其值划分为优、良、中、差、劣5个区间，用高斯隶属度函数来表征管地电位对管道的腐蚀影响，其表达式见式(1)。
 
式中μ(u)——隶属度函数
    u——管地电位检测值
    a——隶属函数的中心
    σ——隶属函数的宽度
   通过实验研究可知，对于管地电位检测值U，不同的区间对管道的腐蚀影响不一样。当管地电位从-850mV向正的方向偏移时，管道被腐蚀；当管地电位从-1350mV向负的方向偏移时，在阴极区将发生析氢反应，对管道的防腐涂层起剥离作用；在区间(-1350mV，-850mV)时管地电位达到国家标准，此时管道的腐蚀影响为最小，对防腐涂层的影响作用也最小，定义此区间的管地电位值为优；在(-850mV，-630mV)区间，管道有轻微的腐蚀作用；在(-1550mV，-1350mV)区间，管道的阴极区将发生析氢反应，对管道防腐涂层有轻微的剥离作用，此时定义管道的腐蚀影响是良。如此类推，管地电位全部的区间影响程度见表1。
 

    定义管地电位检测偏差为E，偏差变化率为dE/dt(t为时间)。当偏差变化率小时，管地电位的值随着时间的变化不大，对管道的影响小，防腐电流也小；当偏差变化率大时，管道受到很大的交变电场的作用，且不稳定，这对管道的腐蚀影响非常严重，防腐电流就要求大。把输入域分为负大(NB)、负中(NM)、负小(NL)、零(ZO)、正小(PL)、正中(PM)、正大(PB)，输出值为防腐电流信号Ip，根据专家经验和模糊合成，用MATLAB7.0软件的模糊推理规则生成库，神经模糊控制模糊推理规则为if-and-then结构，根据推理方法，防腐系统软件决策系统共有32条模糊推理规则，部分如下：
   if E is NB and dE/dT is NB，then Ip is NB；
if E is NB and dE/dT is NM，then Ip is NL；
…
   if E is NB and dE/dT is NL，then Ip is NB.
   神经模糊自适应智能控制算法是综合了模糊逻辑和神经网络的自适应学习算法，有自适应匹配和修改模糊推理规则、响应快、偏差小、鲁棒性小等优点。神经模糊自适应控制器算法结构框图见图4。
    图4中，FNC表示神经模糊自适应控制器，A/D表示模数转换器，D/A表示数模转换器，Ke表示偏差系数，Kec表示偏差变化率系数，E表示偏差，Ec表示偏差变化率，Ku表示防腐调整系数，Ip表示实际防腐电流，f表示干扰信号。干扰信号f来源于大地磁场的波动、土壤的湿度和松紧度变化、季节的变更以及野外强电电位突变等。干扰信号的出现，将影响钢质管道管地电位的检测值且改变管道的腐蚀状况。
    FNC神经模糊自适应控制器结构为两个回路，一个回路为学习算法回路。防腐系统FNC控制器在工作前，管地电位的历史运行值从比较单元1取值，管地电位运行值对应的防腐电流的值从被控对象管道处取值，取值后在比较单元2处汇合，经过归一化处理和模糊推理合成，以结点加合的方式输入离线学习回路，通过MATLAB神经网络工具箱，编程对FNC进行离线学习和训练，生成模糊推理规则库，获得初始的偏差系数Ke、偏差变化率系数Kec及防腐调整系数Ku输出。图4中2条斜线表示离线状态的模糊推理规则库输出、离线防腐调整系数输出，训练完毕，自动保存训练数据。
    另一个回路为防腐系统工作回路，为二输入一输出的系统，其中输入值为给定值区间和管地电位的检测值相比较的偏差值E和检测值随着时间变化的偏差变化率E。输出值为执行变量U(t)。防腐系统工作时，先通过数据检测模块检测到管地电位值，通过模数转换器转换成数字量，然后和标准区间管地电位值[-1350mV，-850mV]相比较，得到偏差值E，同时进行本次检测和上一次检测相比较，得到偏差变化率值Ec。
    若偏差值和偏差变化率值在设定范围，防腐系统的控制算法FNC将不动作，防腐电流状态将按照模糊推理规则库进行匹配运行。偏差值和偏差变化率值不在设定范围内时，将启动神经模糊自适应控制器FNC，进行在线学习，按照偏差值和偏差变化率值重新在线修正偏差系数和偏差变化率系数，改变模糊推理规则，重新匹配防腐调整系数，重新确定防腐电流，直到使管地电位检测值达到标准的管地电位值[-1350mV，-850mV]区间，并一直保持在这个区间范围内，直到有新的干扰出现。这样就对管道进行最佳的保护，使管道受腐蚀影响降低到最低程度。
 
5 应用效果
    使用本系统进行管道的全面保护，设备结构简单，利用了风光电互补，使用清洁能源，减少市电的使用量，减少巡线人员，全面提升管道运营的可靠性。本系统已在贵阳市某段埋地燃气管道上试用，节约电能效果明显，受到了燃气企业的好评，目前正推广使用。
参考文献：
[1] 李志鹏.燃气管道检测技术综述[J].煤气与热力，2003，23(9)：567-570.
[2] 王新华，刘菊银，何仁洋，等.城镇燃气埋地钢质管道杂散电流测试方法[J].管道技术与设备，2010(2)：45-48.
[3] 肖平华.城市燃气管道防腐设计的探讨[J].煤气与热力，2001，21(2)：147-149.
[4] 周中.天然气管道防腐问题的探讨[J].煤气与热力，2001，21(3)：238-240.
[5] 喻焰.埋地天然气管道防腐技术的新进展[J].煤气与热力，2001，21(6)：535-537.
[6] 唐永祥，宋生奎，朱坤峰.油气管道的杂散电流腐蚀防护措施[J].石油化工安全技术，2006，22(4)：26-28.
[7] 李威，王禹桥.用BP模型预测地铁杂散电流腐蚀危险性[J].腐蚀科学与防护技术，2005，17(6)：438-441.
[8] 程善胜，张力君，杨安辉.地铁直流杂散电流对埋地金属管道的腐蚀[J].煤气与热力，2003，23(7)：435-437.
[9] 曹阿林，朱庆军，侯保荣，等.油气管道的杂散电流腐蚀与防护[J].煤气与热力，2009，29(3)：B06-B09.
[10] 曹阿林，朱庆军，张胜涛，等.埋地金属管道杂散电流影响因素模拟研究[J].煤气与热力，2010，30(5)：B05-B08.
[11] 许建国.浅谈杂散电流腐蚀机理及防护措施[J].铁道机车车辆，2005，25(3)：61-64.
[12] 牟龙华，金敏.新型地铁杂散电流自动监测装置：中国，ZL 200710036656[P].2008-07-23.
[13] 李龙江，刘起龙，陶文亮，等.埋地燃气管道杂散电流五点检测系统研究[J].煤气与热力，2011，31(9)：B01-B05.
 
(本文作者：刘起龙1 李龙江2 陶文亮3 杨刚1 黄富惠3 1.贵州燃气(集团)有限责任公司 贵州贵阳 550001；2.贵州大学 矿业学院 贵州贵阳 550003；3.贵州大学 化学工程学院 贵州贵阳 550003)