【学术论文】基于试片断电法的天然气管道防腐检测系统设计
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（DCVG）、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 ms～500 ms步进为20 ms的多个Voff电压(即断电电位)，最后通过分析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，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/μs，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、C9～C11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 kΩ电阻,放大倍数为2.01倍，具有高共模抑制能力，同时不会让有用信号超过量程。C12和C13两个电源滤波电容在制板时尽量靠近相应芯片引脚。滤波器电路使用低偏置电流、低峰峰值噪声的运算放大器ADA4625-1芯片，电路结构采用两极Sallen-Key滤波器模型结构，有效地滤出了噪声频段，同时防止了后续的混叠现象产生。
调理后的信号进入一个24位高精度低噪声模数转换器LTC2380-24芯片中，其具有很大的动态输入范围，差分信号输入范围为-5 V～+5 V，超低功耗仅有28 mW。模数转换器的前端需要一个低阻抗差分输出的运算放大器，有利于驱动ADC在数据采集期间，快速稳定输入信号，同时起到隔离的作用。电路图如图4所示，REF/DGC#、RDL/SDI、CHAIN 3个引脚均接低电平，表明芯片工作在单器件模式，数字增益压缩功能以及SDO引脚被启用，R31、R32、C33～C35构成一个耦合滤波器，大大消弱了AD8021组成的缓冲期的反射噪声，CNV、BUSY、SCK、SDO 4个引脚与微控制器连接，控制时序并输出转换后的数字信号。天然气钢制管道大多埋在地下，而大地中充斥着高强度的工频干扰信号，要想检测出真实的天然气管道阴极保护电位，必须要在电路中滤出工频干扰信号。LTC2380-24芯片内自带50 Hz平均滤波抑制模块，本系统中采用采样频率为2 MHz，重复采样40 000次平均输出结果，来抑制50 Hz工频以及其谐波成分。
2.3 断路装置电路
试片断电法要求测试辅助试片上的通电电位Von和断电电位Voff，来计算出管道阴极保护电位，需要断路装置电路连接或者断开管道和试片。目前，通用的方法是采用簧片继电器实现通或者断，本系统的早期版本也是采用OMRON公司的G2R系列簧片继电器实现，但在实际测量中发现很多问题，继电器的簧片吸合延时比较大，并且延时一致性比较差，有时相同位置的两次测量结果存在时间轴位移现象，簧片的生命周期也有限，不适合应用于室外连续工作的仪器中。断路装置还可以用可控硅或者光电继电器实现，本系统的最新版本采用MOSFET光电继电器，其通断延时在100 μs以内，比毫秒级别的测量少一个数量级，不影响测量结果。
2.4 信号控制处理电路
信号控制处理部分包括微处理器和大规模可编程逻辑器件(CPLD)两个模块，是系统的控制核心[8-9]，对数据进行处理并发送控制指令。微处理器采用MICROCHIP公司的32位控制器芯片PIC32MX795F512L，主频80 MHz，外设资源丰富。为了控制方便和考虑到后续仪器升级的需要，利用CPLD扩展接口。
2.5 外围电路
外围电路部分包括存储器、USB接口[10]、LCD显示、键盘输入以及电源转换电路等模块，主要是负责系统中人机交互的。天然气管道防腐检测仪作为一种需要长期稳定运行的便携式设备，其电源管理系统很重要，本系统中采用LINEAR公司的汽车工业级LT8602电源转换芯片，其静态工作电流只有30 μA，体积小，长宽都只有6 mm，单片集成了4个稳压器，转换效率可达90%以上。仪器采用15 Ah的4节锂电池供电[11]，供电电压范围是14.4 V～16.8 V，4个输出电压分别为12 V、5 V、3.3 V、2.5 V，R9为28.9 kΩ电阻，设定电源芯片开关频率为2 MHz。电源转换电路原理图如图5所示。
3 系统软件设计
微处理器固件程序由以下4个步骤实现,具体实现流程图如图6所示。
(1)系统初始化。上电后，PIC配置内部寄存器和I/O口，包括定时器、中断寄存器设置，ADC的启动引脚CNV设置为低电平。仪器内部自动校准数据。
(2)功能选择。软件系统由数据采集、数据回放、参数设置3个大的功能模块组成，按键选择，默认是数据采集模块，其他两个功能相对简单，流程图中以数据采集为例详细说明。
(3)数据采集。设置CNV为高电平启动ADC转换，通过检测引脚BUSY是否为高电平来判断转换是否结束，一次采样结束后，计数器值N加1，直到计数值累计到40 000，设置SCK和SDO引脚读取Von数据。断路装置断开，以20 ms为步进延时值，重复上面判断过程，读取相应延时对应的Voff数据，然后对此组数据进行加权处理，得到真实值。
(4)模式选择。采集数据功能下有手动采集和自动采集两种模式，手动采集按一次采集按钮只读取一组数值，自动模式连续采集到更换模式为止。
4 实验结果与分析
为了验证设计的天然气管道防腐检测仪的功能，在相同环境下与本行业内知名的加拿大Cathodic Technology Ltd的Hexcorder MM(CIPS/DCVG)仪器做了对比实验，图7显示了对比测试结果，本系统仪器20 ms步进延时自动累加，只做了1次测试得到了全部结果，国外仪器需要重复设置延时，测试了26次得到相同数量的结果。
从图7中分析得到以下结论：
(1)通电电位Von一致。本系统仪器测量的Von为-1.41 V，国外仪器为-1.42 V，两者几乎没有误差，可能是测量时间的先后次序、外部噪声变化导致的。
(2)断电电位Voff随延时变化的趋势一致。两种仪器的断电电位曲线拐点都在70 ms延时处，在100 ms延时以后趋于稳定。
(3)测量结果相同。测得阴极保护电位都低于-0.85 V，判断此天然气管道阴极保护效果良好[12]。
5 结论
实验表明，本文设计的天然气管道防腐检测仪性能上达到了加拿大管道防腐检测国际知名公司Cathodic Technology Ltd同类仪器Hexcorder MM(CIPS/DCVG)的同种功能水平，并且操作简便，能实时检测并存储埋地钢制天然气管道的阴极保护电位，值得推广使用。
参考文献
[1] 陶文金，杨志炜，吴秀全，等.油气田老管道外腐蚀综合检测及评价方法[J].腐蚀科学与防护技术，2017，29(2)：188-194.
[2] 张汝义，刘海俊，杜莎.埋地钢质原油集输管道检测技术探讨[J].管道防腐，2017，36(6)：81-83.
[3] 国家发展改革委.天然气发展“十三五”规划[EB/OL]．[2018-01-19].http：∥www.china-nengyuan.com/news/103825.html.
[4] 马彦昌，李国兴，杨会香，等.用试片法测量管道的极化电位[J].电子测试，2013，14(7)：43-44.
[5] 李自力，谢跃辉，郝宏娜，等.埋地管道阴极保护电位测量方法研究进展[J].腐蚀与防护，2012，33(1)：55-59.
[6] 李秋扬，徐茂霞，王晓东，等.极化电位测量与远传技术在东黄输油老线的应用[J].油气储运，2011，30(12)：910-912.
[7] 徐剑波，吴信民，黎正根，等.电法勘探中万用表测接地电阻的探讨[J].东华理工大学学报(自然科学版)，2013，36(12)：53-56.
[8] 张建中，郝允梁，刘海洋，等.基于STM32单片机的智能消防机器人的设计与应用[J].电子技术应用，2017，43 (11)：120-123.
[9] 刘安，禹卫东，马小兵，等.基于FPGA的高速串行数据收发接口设计[J].电子技术应用，2017，43(6)：48-51.
[10] 张志伟，靳鸿，杨少博.高速大容量记录仪的USB 3.0高速读数接口设计[J].电子技术应用，2016，42(12)：54-57，61.
[11] 王胜利，吴云峰，张晨雨，等.用于锂电池模拟的高速电源设计[J].电子技术应用，2017，43(12)：125-129.
[12] 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.
作者信息:
朱 珺
（湖北广播电视大学 电信工程学院，湖北 武汉430074）