基于试片断电法的埋地钢制天然气管道防腐检测仪测量.doc
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1、基于试片断电法的埋地钢制天然气管道防腐检测仪测量摘要:试片断电法是埋地钢制天然气管道防腐检测中的一种重要检测方法。设计并实现了天然气管道防腐检测系统,介绍了系统的整体设计方案,详细阐述了主控制器采集通电电位和断电电位数据的硬件实现方法,给出了固件程序设计步骤,最后与国外知名公司的同类仪器一起进行了现场对比测试实验。实验表明,研制的天然气管道防腐检测系统与国外仪器功能一致,能准确测量天然气管道的阴极保护电位,具有错误率低、易操作等优异的性能和良好的市场推广前景。0 引言随着我国新型城镇化建设的快速推进以及人们环境保护意识的增强,天然气作为一种清洁能源,其使用量呈倍数增加1-2。天然气管道建设和维
2、护被纳入了“十三五”时期国家重大工程建设项目,将新增管道4万公里,规划到2020年我国天然气管道将达到10.4万公里3。数以万公里的埋地钢制天然气管道的安全运行是关乎国计民生的大事,管道腐蚀泄露燃爆事故在管道安全事故中占大部分比例,一旦发生危害巨大。目前,国内外主要采用外加防腐层的物理防护和阴极保护的化学防护两类方法来防止天然气管道被腐蚀4。阴极保护是天然气埋地钢制管道的主要防腐措施,也是的最后一道关键防腐机制,可以通过测量阴极保护电位的方法,来判断管道阴极保护措施是否还在正常运行。目前,天然气管道阴极保护电位测量成熟的外检测方法有:直接测量法、密间隔电位测量法(CIPS)、直流电压梯度法(D
3、CVG)、管中电流测量法(PCM)和皮尔逊法(Pearson)等5。PCM 法和Pearson法只能判断出管道有腐蚀,但不能确定腐蚀大小和状态;直接测量法通常采用万用表测量管道和参比电极之间的电位,其没有考虑IR降,测量值与真实阴极保护电位存在误差6;DCVG和CIPS联合使用可以得到阴极保护电位值,可以对管道腐蚀状态做全面评价,但其要连接电缆线沿管道长距离行走,并且两个参比电极在移动测试过程中若与大地接触不充分,也会影响测量值。试片断电法是结合并精简多种测量方法的优点提出的一种测量方法,其从电阻和电流两个方面共同考虑消除IR降,测量出管道真实阴极保护电位7。试片断电法在国外应用较多,在国内实
4、际应用处于开始阶段,许多燃气管道检测单位把从国外进口的DCVG/CIPS仪器简化重组后当成试片断电法仪器使用,比如加拿大CATH-TECH公司的Hexcorder MM(CIPS/DCVG)仪器,但其断路器和测量主机是分离的,并且每次只能设置并测量到一个延时值对应的断电电位,操作复杂。本文设计并实现了基于试片断电法的天然气管道防腐检测仪,操作简单高效。1 系统总体结构基于试片断电法的埋地钢制天然气管道防腐检测仪测量示意图如图1所示,测量系统由3部分构成,分别为参比电极、试片和检测仪器。参比电极采用铜/硫酸铜溶液电极,其电压稳定性高。试片采用和被检测管道相同材质的合适大小的钢片,其裸露点模拟管道
5、被腐蚀点,试片应尽量靠近管道。检测仪器有A、B、M和N 4个电极接头,A接头和B接头共同完成断路器的功能,一端接在待检测天然气管道或者管道测试桩上,另一端连接试片,M接头和N接头构成一对测量电极,M接头连接参比电极,N接头和B接头一起连接试片。仪器工作时分两个阶段,分别测量通电电位和断电电位。第一阶段管道和试片通过A、B两接头连接在一起,让阴极保护对裸露的试片起作用,保持5 s后,通过M、N两接头测量参比电极和试片之间的Von电压(即通电电位)。第二阶段完全断开A、B两接头,使试片和管道分离,然后连续测量并存储20 ms500 ms步进为20 ms的多个Voff电压(即断电电位),最后通过分析
6、得到真实的天然气管道阴极保护电位。检测仪器有手动和自动2种模式,手动模式下,按一次测量,得到一组数据;自动模式下,自动测量和存储,每10 s为一周期重复上面两个阶段,最大能测量和存储72 h的数据。2 系统硬件设计2.1 硬件系统结构研制的管道防腐检测仪器数据采集和控制电路框图如图2所示,主要由4部分组成,分别是前端数据采集部分、断路装置部分、信号控制处理部分和外围存储显示部分。2.2 前端数据采集电路前端数据采集部分是整个仪器的最关键部分,决定了仪器的精度和效果,前端带大量高压多频噪声的管道输入信号进入仪器后,先用高阻抗输入低阻抗输出的仪器放大器接收信号,然后用组合滤波电路去除大部分噪声信号
7、,程控放大电路对信号做进一步调理后送入高精度模数转换器中转换成数字信号。仪器放大器采用高性能、低噪声的AD8422,电路图如图3所示。现场实测发现,在地铁轨道沿线和地下高压输电管廊附近的天然气管道上,瞬态干扰信号很大,虽然AD8422两输入端差值最高可达40 V,但其压摆率只有0.8 V/s,为了保护器件和降低输入级噪声,前端采用4个二极管D6、D7、D8、D9对输入信号进行限压处理。钢制天然气管道长度很长,射频信号很容易耦合进来,R7、R8、C9C11构成低频滤波电路,对射频干扰进行压制。R9的数值控制AD8422对输入信号的放大倍数,本电路中采用0.1%精度的19.6 k电阻,放大倍数为2
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