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：近年來因管道腐蝕防護不到位引發的安全事故頻發。外加電流陰極保護被證明是油氣管道經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行分析，數據時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、引發火災爆炸事故的主要原因之一[1]。對于電化學或化學腐蝕，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]。為實時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，采集和檢測過程諸多環節，容易發生異常和故障。本文對智能采集系統常見故障進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業人員到現場測試，近年來隨著電工電子技術的飛速發展和4G、5G通訊技術的普及應用，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，現場自動采集管道沿線及區域陰極保護相關參數并傳輸到管理平臺，實現實時監測和數據存儲[3]。

智能采集系統由現場采集層、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，如安裝在沿線測試樁的智能采集儀，現場埋設的參比電極、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無線傳輸方式上傳至管理平臺。平臺監測層根據采集的數據進行比對分析，發現異常自動報警。

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、土壤電阻率等相關參數，經過A/D轉換器，將模擬信號轉換成數字信號，再通過單片機對數字信號進行處理，將測試數據通過無線模塊發送到遠程管理平臺服務器上存儲（圖 2）。智能采集系統可根據用戶端或管理平臺軟硬件要求實現靈活、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）傳輸過程。分為長期性和間歇性傳輸故障，智能采集系統顯示聯網異常或時斷時續。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（電池欠壓時系統會發出欠壓報警）；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；更換新設備后無線傳輸地址調試不匹配導致數據無法上傳至服務器；數據采集存儲地址與平臺提供的服務器地址不一致；遠傳終端接線盒或天線與采集儀本體接線松動導致傳輸信號時斷時續；因某種原因過載導致采集儀主板損壞；系統內部時鐘模塊供電狀態異常等。

處置措施。若發現系統聯網異常，可以從現場傳輸設備供電情況、現場接線情況、設備完好情況和通訊傳輸鏈路情況分別進行排查。首先確認現場通訊信號強度是否正常。其次則利用萬用表核對現場電池電壓，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卡費用，均正常則插拔或更換SIM卡，重啟設備進行后臺解綁和綁定。若通訊仍不恢復，排查遠傳系統各接線是否有松動。若硬件排查均無問題，則登陸管理平臺查看現場存儲地址與平臺提供的服務器地址是否一致。以上均無異常則對內部時鐘供電電池進行排查，于移動端調取系統采集儀內部系統時間，若已自動恢復為出場時間，則為內部時鐘用紐扣電池故障，需更換電池并重新確認。

（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致無法斷電，表現為測量的斷電電位與通電電位時刻保持一致，系統顯示斷電電位異常且與通電電位相同；斷電電位采集時長設置不合理導致斷電電位過負發生過保護現象或因去極化導致電位偏正發生欠保護現象。

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

②通斷電電位同時產生較大偏移，系統產生斷電電位異常報警。原因主要為長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。現場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參比電極進行校正，若參數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電位偏移，系統顯示斷電電位逐漸發生偏移并發生電位異常報警。原因為極化試片失效或者發生腐蝕，一般發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長期緩慢的過程，現場核實時需要埋設新試片，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、管道線松動或發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，若發現從某一時刻開始電位發生突變且接近去極化后的自然電位，則分別測試現場管道、試片和參比電極構成的回路，開挖排查接線故障。

⑤土壤電阻率過大導致斷電電位偏正。原因為采集設備周邊土壤環境所致。

處置措施。選擇長效參比電極、試片與PVC管組合安裝，安裝點埋設膨潤土，并定期澆水維護，改善監測點埋地環境土壤電阻率。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，管道周邊高壓輸電線路、電氣化鐵路、感應雷或管道開展PCM測試等，極易引起管道電位波動，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。管道電位波動區域及時開展雜散電流干擾調查，找出電位波動真實原因，采取干擾防護措施。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系，減小管道周邊干擾電流對長效參比電極的影響，降低環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方面，電池電壓低導致欠壓報警；電池保險損壞導致系統聯網異常；采集設備回路出現故障無法進行斷電測試；系統接線虛接松動；設備休眠不啟動導致系統數據無法上傳等。

（2）軟件傳輸故障。主要包括無線傳輸模塊異常，類似于測試樁數據傳輸異常；現場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法上傳；無線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

智能采集系統實現了陰極保護數據集中存儲和參數實時監測，解決了測試工作量大、數據精度差等突出問題，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驗。目前智能采集系統仍存在產品標準化程度低、智能化水平有限等缺點，大都停留在數據采集和存儲階段，故障診斷排查需要專業人員進行數據分析并到現場驗證確定。未來針對數據智能分析、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，戴聯雙，胡亞博，畢武喜.油氣管道腐蝕檢測技術發展現狀與思考[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.埋地長輸管道腐蝕原因及改進措施[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.智慧管道站場設備狀態監測關鍵技術[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.

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