輸油管道腐蝕與雜散電流測(cè)量

1、收稿日期:2003-09-17輸油管道腐蝕與雜散電流測(cè)量姜長(zhǎng)洪,于婉麗,吳星剛,胡勝旺,宋琳(沈陽(yáng)化工學(xué)院信息工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng)110142摘要:闡述了直流雜散電流干擾對(duì)管道腐蝕的基本原理,針對(duì)直流雜散電流的特點(diǎn)及工程測(cè)試要求,設(shè)計(jì)了智能雜散電流測(cè)試儀并用于地下管道的工程測(cè)試中。實(shí)際應(yīng)用表明,該儀表具有良好的性能。關(guān)鍵詞:地下管道;電化腐蝕;管地電位;雜散電流;測(cè)試中圖分類號(hào):TE973.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1004-9614(200401-0010-03Corrosion of Oil Pipeline and Stray E lectric Current Measurement

2、JIANG Chang 2hong ,YU W an 2li ,WU Xing 2gang ,HU Sheng 2w ang ,SONG Lin(Institute of In formation Engineering ,Shenyang Institute of Chemical T echnology ,Shenyang 110142,China Abstract :Explained the basic principle of the corrosion of the oil pipeline caused by the stray electric current.C onside

3、ring the char 2acteristic of the stray electric current and the request of project application ,have designed the intelligent measuring instrument of stray electric current used in actual project applecation.The practical application indicates that the instrument has g ood per formance.K ey Words :U

4、nderground Pipeline ;E lectrochemical C orrosion ;S tray E lectric Current ;Intelligent T esting Instrument1引言隨著我國(guó)地下輸油(氣管道建設(shè)的加快以及電氣化鐵路鋪設(shè)里程的迅猛增長(zhǎng),導(dǎo)致地下管道的運(yùn)行環(huán)境日益惡化,保障地下管道的安全運(yùn)行被提到了重要的位置。由于管道地床的土壤介質(zhì)、細(xì)菌以及地下雜散電流的作用,埋在地下的金屬管道經(jīng)常受到電化學(xué)腐蝕,其中最主要的是雜散電流的危害。據(jù)東北輸油管理局統(tǒng)計(jì),東北地區(qū)共有長(zhǎng)輸油管道約2000km ,由于電氣化鐵路等設(shè)施的大規(guī)模建設(shè),受到雜散電流干擾影響的

5、管道日益增多,其中80%的腐蝕穿孔事故來(lái)自雜散電流的影響,嚴(yán)重時(shí),位于直流電氣化鐵路附近的管道,半年就發(fā)生腐蝕穿孔,雜散電流對(duì)金屬管道的強(qiáng)烈腐蝕作用由此可見(jiàn)。因此,對(duì)雜散電流的測(cè)量與研究具有十分重要的意義。為了減少地下雜散電流對(duì)管道安全運(yùn)行的威脅,有關(guān)人員在管道探測(cè)、測(cè)漏的基礎(chǔ)上努力開(kāi)發(fā)新的測(cè)腐技術(shù),如儲(chǔ)罐及地下管線的探測(cè)、雜散電流的測(cè)試等,以便建立地下地質(zhì)、管道資源信息采集系統(tǒng)及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù),為地下管網(wǎng)的安全優(yōu)化運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)。2雜散電流干擾腐蝕原理雜散電流的主要來(lái)源是直流電氣化鐵路、直流電解設(shè)備接地極、陰極保護(hù)系統(tǒng)中的陽(yáng)極地床等。其中以直流電氣化鐵路引起的雜散電流干擾腐蝕最為嚴(yán)重。當(dāng)直流

6、大電流沿地面敷設(shè)的鐵軌流動(dòng)時(shí),直流電流除了在鐵軌上流動(dòng),還會(huì)從鐵軌絕緣不良處泄漏到大地,在大地的金屬管道上流動(dòng),然后回到電源。這部分泄漏的電流稱為雜散電流。雜散電流的流動(dòng)過(guò)程形成了2個(gè)由外加電位差建立的腐蝕電池,一個(gè)是電流流出鐵軌進(jìn)入管道處,鐵軌是腐蝕電池的陽(yáng)極,發(fā)生腐蝕,管道為陰極,不腐蝕;另一個(gè)是電流流出管道返回鐵軌處,這時(shí)管道是腐蝕電池的陽(yáng)極,發(fā)生腐蝕,鐵軌則是陰極,不腐蝕。圖1給出了管道電位的變化圖,由圖1可判斷出管道腐蝕電池的陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)以及雜散電流最強(qiáng)的部位。通常,無(wú)雜散電流時(shí)腐蝕電池兩極電位差僅0165V 左右,雜散電流存在時(shí)管地電位可達(dá)89V ,因此,雜散電流干擾對(duì)金屬管道的

7、腐蝕比一般的土壤腐蝕要強(qiáng)烈得多。圖1管道電位變化圖另外,交流高壓輸電線的影響也必須關(guān)注,雖然低頻交流電輸電線對(duì)金屬管道引起的腐蝕比直流電小,一般只有直流電的1%,但是高壓輸電線與地下管道2004年第1期管道技術(shù)與設(shè)備Pipeline T echnique and Equipment 2004N o 11平行敷設(shè)時(shí),靜電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)在管道上感應(yīng)出的交變電壓和電流對(duì)管道的影響危害卻不可忽視。一條平行于10kV 輸電線的地下管道,在正常工作時(shí)管道可感應(yīng)出17V 的交流電壓。3雜散電流的特點(diǎn)及測(cè)量要求管道上是否有雜散電流,可以通過(guò)測(cè)量電流或管道與鐵軌間電位差的變化來(lái)估計(jì),如圖2所示,雜散電流在不同時(shí)間

8、內(nèi)其電位變化有不同的規(guī)律 。圖2雜散電流隨時(shí)間變化情況對(duì)于一定的區(qū)域,管地電位有其正常的自然電位值(一般為零點(diǎn)幾伏。當(dāng)管地電位不穩(wěn)定、各點(diǎn)電位隨時(shí)間而變化幅度達(dá)數(shù)伏,出現(xiàn)嚴(yán)重偏離正常電位的情況時(shí) ,說(shuō)明該地段已受到強(qiáng)烈的地下雜散電流侵襲。此外,雜散電流的頻率和大小、雜散電流在管道上出現(xiàn)的時(shí)間和部位,都是分析評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)輸油管道腐蝕勢(shì)態(tài)的重要參數(shù)。管道上是否有雜散電流,可以通過(guò)測(cè)量電流或管道與鐵軌間電位差的變化來(lái)估計(jì),其測(cè)量原理如圖3所示 。圖3雜散電流測(cè)量原理示意圖測(cè)量雜散電流時(shí),為了得到各種變化情況下雜散電流的完整數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)點(diǎn)要密集,測(cè)量時(shí)間要盡可能長(zhǎng)。一般對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)每晝夜必須進(jìn)行多次測(cè)量,

9、特別是高負(fù)荷期間,即電流電位的峰值階段,更要加強(qiáng)監(jiān)測(cè),有條件的情況下,最好連續(xù)測(cè)量。由于對(duì)地下管道腐蝕的分析和預(yù)估需要大量的雜散電流數(shù)據(jù),而這些數(shù)據(jù)應(yīng)該分布在管道沿線很長(zhǎng)距離的范圍內(nèi),是對(duì)多個(gè)測(cè)試點(diǎn)同步測(cè)量獲得的。并且雜散電流的變化規(guī)律復(fù)雜,管線是全聯(lián)通的,因此現(xiàn)場(chǎng)直接用人工的方法測(cè)試和記錄雜散電流是十分困難的。根據(jù)雜散電流的特點(diǎn)及工程測(cè)試要求,研制了智能雜散電流測(cè)試儀。該儀表采取連續(xù)檢測(cè)的工作方式,儀器依靠自身電源可以連續(xù)72h 采集交、直流管地電位;交流0200V ,直流-20+20V ;自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整和量程校正;采樣周期可以在0255s 任意設(shè)定;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量4M B (8萬(wàn)多個(gè)數(shù)據(jù);RS

10、232C 串行通信,測(cè)試結(jié)束后可將所有采集的數(shù)據(jù)回放至微機(jī)中;并提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式,以備后期數(shù)據(jù)處理。4雜散電流測(cè)試儀的電路結(jié)構(gòu)電路基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4電路基本結(jié)構(gòu)4.1信號(hào)調(diào)理電路交流信號(hào)通過(guò)分壓整流電路、放大電路放大后送至多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)C D4051;直流信號(hào)經(jīng)分壓放大后也送至C D4051。C D4051根據(jù)程序的設(shè)定選取某路信號(hào)送至IC L7135。IC L7135是14位A/D 轉(zhuǎn)換芯片,具有4位半的精度、自動(dòng)校零、自動(dòng)極性輸出、單一參考電壓、動(dòng)態(tài)字位掃描、BC D 碼輸出和自動(dòng)量程控制信號(hào)輸出等特點(diǎn),IC L7135對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換結(jié)束后通過(guò)中斷的方式將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機(jī)A

11、T 89C52進(jìn)行處理。4.2中央處理器AT 89C52是Atmel 公司生產(chǎn)的具有51內(nèi)核的單片機(jī)。IC L7135將轉(zhuǎn)換后所得到的結(jié)果送至AT 89C52,同時(shí)根據(jù)送入信號(hào)的類型調(diào)用相應(yīng)的程序和校正算法,以得到高精度的結(jié)果。AT 89C52還要輸出顯示信號(hào)、將結(jié)果存儲(chǔ)至存儲(chǔ)芯片、從PCF8583獲取時(shí)間信息、向看門(mén)狗提供控制信號(hào),從而使整個(gè)儀表處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。此外,AT 89C52還要同上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。4.3存儲(chǔ)與顯示單片機(jī)在對(duì)轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行處理后,將所得數(shù)據(jù)送至存儲(chǔ)芯片AT 45DB041B 存儲(chǔ)。AT 45DB041B 是Atmel 公司生產(chǎn)的存儲(chǔ)芯片,存儲(chǔ)容量大,接口及其外圍電

12、路簡(jiǎn)單。其存儲(chǔ)容量按照設(shè)計(jì)要求及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式,在極限情況下可存儲(chǔ)3d 的數(shù)據(jù),滿足了使用要求。數(shù)據(jù)顯示采用液晶顯示模塊LC M103,LC M103為10位多功能通用型8段式液晶顯示模塊。內(nèi)置顯示RAM ,可顯示任意字段,接口簡(jiǎn)單,可與任何單片機(jī)接口。功耗低、顯示清晰、穩(wěn)定可靠、編程簡(jiǎn)單,特別適用于便攜式儀表。AT 89C52根據(jù)儀表所處的顯示狀態(tài)將第1期姜長(zhǎng)洪等:輸油管道腐蝕與雜散電流測(cè)量11要顯示的內(nèi)容送至LC M103完成顯示過(guò)程。5程序設(shè)計(jì)采用的設(shè)計(jì)平臺(tái)是單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)K eil C ,除少數(shù)重要的程序段采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)外,絕大部分程序由C 語(yǔ)言編寫(xiě)。程序要實(shí)現(xiàn)的目的為控制并協(xié)調(diào)各器件

13、的工作,將采樣值轉(zhuǎn)化為最終結(jié)果并與上位機(jī)建立數(shù)據(jù)通信。實(shí)際上該儀表可以看作是比較簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng),但儀表程序的編寫(xiě)并沒(méi)有采用流行的RT OS ,而是采用成熟可靠的while (循環(huán)的形式。由于儀表涉及的元件多,而且每個(gè)元件的接口、 控制方式和命令字各不相同,所以需要針對(duì)各個(gè)芯片寫(xiě)出其底層控制程序,并且針對(duì)顯示、通信、數(shù)據(jù)處理等一系列功能,分別編寫(xiě)其功能模塊,從而形成了一個(gè)主程序與多個(gè)輔助模塊程序所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。有效降低了程序編寫(xiě)的難度和復(fù)雜性,且條理明晰,有利于程序編寫(xiě)和調(diào)試。程序運(yùn)行的基本流程如圖5所示。圖5程序流程圖5.1初始化程序初始化程序完成各器件初始化,常量及變量的初始化,中斷的設(shè)置,

14、讀取上次工作時(shí)的參數(shù)等。由于工作環(huán)境惡劣,為避免系統(tǒng)死機(jī),在硬件上通過(guò)看門(mén)狗芯片來(lái)完成死機(jī)時(shí)的重新啟動(dòng),在軟件上通過(guò)初始化程序?qū)Υ鎯?chǔ)在EEPROM 中的標(biāo)志位來(lái)判斷啟動(dòng)類型,讀取各種參數(shù)。如果是死機(jī)后的重啟,便自動(dòng)重新進(jìn)入采樣狀態(tài);如果是正常啟動(dòng),便等待操作命令。當(dāng)系統(tǒng)完成初始化后,主程序就接管系統(tǒng)的控制。5.2中斷程序中斷程序負(fù)責(zé)處理各種中斷事件。程序?qū)τ谥袛嗟姆峙錇橥獠恐袛?負(fù)責(zé)接收A/D 芯片轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號(hào),在中斷程序中讀取轉(zhuǎn)換值;外部中斷1負(fù)責(zé)接收時(shí)鐘芯片的頻率為1H z 的脈沖信號(hào),用于同步系統(tǒng)時(shí)間;定時(shí)器0為一個(gè)定時(shí)值為10ms 的定時(shí)器,在中斷程序中重新裝入定時(shí)值,從而不停的以1

15、0ms 的間隔觸發(fā)中斷。這個(gè)信號(hào)在程序中被用作一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn),用于在各個(gè)程序中對(duì)操作時(shí)間進(jìn)行控制。定時(shí)器1未用;定時(shí)器2用作通信的波特率發(fā)生器,其定時(shí)值用于確定通信時(shí)的波特率。5.3主程序儀表的操作方式為菜單式操作,通過(guò)選擇菜單來(lái)進(jìn)行不同的操作。主要菜單包括:工作菜單、時(shí)間日期菜單、校準(zhǔn)菜單、設(shè)定菜單等。主程序根據(jù)按鍵確定的菜單確定顯示、輸入等一系列功能。主程序?qū)嶋H上是一個(gè)不斷調(diào)用已編好的各個(gè)功能模塊的無(wú)限循環(huán),程序要完成的功能和各個(gè)模塊基本都在此被調(diào)用(中斷程序也包括一部分。在程序中設(shè)定了一些全局變量,用于保證各個(gè)模塊工作的一致性。5.4模塊程序時(shí)間處理模塊:當(dāng)PCF8583觸發(fā)中斷時(shí),程序就

16、從PCF8583中讀取最新的時(shí)間,使主程序時(shí)間同實(shí)際時(shí)間保持一致。模塊還包括對(duì)時(shí)間日期的修改功能,可以對(duì)當(dāng)前的時(shí)間日期進(jìn)行修改,并寫(xiě)入PCF8583中。顯示模塊:根據(jù)液晶顯示模塊的命令格式,通過(guò)調(diào)用編制的液晶顯示模塊的底層函數(shù),將一個(gè)固定數(shù)組的內(nèi)容按其在數(shù)組中的排列順序顯示出來(lái)。只要將要顯示的數(shù)據(jù)放在相應(yīng)的數(shù)組中,就可以完成顯示,減輕了編程工作量。校正模塊:當(dāng)儀表由于器件參數(shù)漂移,需要重新對(duì)量程校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),可以利用軟件加以校正。設(shè)計(jì)中采用2種方式進(jìn)行校正:動(dòng)態(tài)和靜態(tài)。動(dòng)態(tài)校正是在野外環(huán)境下,周?chē)鷽](méi)有標(biāo)準(zhǔn)源,可用標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)現(xiàn)有的電源進(jìn)行測(cè)量,用現(xiàn)有電源和其測(cè)量值進(jìn)行校正;靜態(tài)校正是將滿量程信

17、號(hào)加在儀表上進(jìn)行校正。這2種方法可以滿足不同條件下的工程測(cè)試要求。數(shù)據(jù)處理模塊:用于從A/D 中獲取轉(zhuǎn)換值,根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)判斷采樣類型,確定其上下限,并轉(zhuǎn)換得到最終結(jié)果。其中還包括濾波和校正程序,盡量減小電路噪聲和元件的漂移對(duì)測(cè)量值所產(chǎn)生的影響,從而得到精確結(jié)果。模塊還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀出程序,負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)芯片中,或從其中讀出。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀出程序中,都有數(shù)據(jù)校檢程序,以保證數(shù)據(jù)的正確性。通信模塊:用于同上位機(jī)程序按照約定的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。由上位機(jī)程序向下位機(jī)程序發(fā)送指令,下位機(jī)執(zhí)行指令并按照帶校檢的格式將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)程序的任務(wù)是讀出存儲(chǔ)在儀表中的數(shù)據(jù),并將其按照要求

18、的格式存儲(chǔ)在特定的文件中。在編程上選用VB ,通過(guò)調(diào)用MSC OM 控件完成儀表的通信任務(wù),傳輸數(shù)據(jù)波特率不高,傳輸協(xié)議借鑒了網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的核心思想,可實(shí)現(xiàn)校檢、出錯(cuò)重試等多種功能,以保證工作時(shí)程序的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的完整性。上位機(jī)程序?qū)x表傳來(lái)的數(shù)據(jù)按照特定的格式轉(zhuǎn)換存儲(chǔ),以便對(duì)管道腐蝕預(yù)測(cè)分析提供完整的數(shù)據(jù)。(下轉(zhuǎn)第17頁(yè)12Pipeline T echnique and Equipment Feb 12004平往復(fù)排列布置,中間形成寬敞的爐膛,因爐管在輻射段內(nèi)布置比較緊密,輻射段可以簡(jiǎn)化成為一個(gè)以爐管作為外壁的圓筒型封閉空間,煙氣在此空間內(nèi)與爐管的輻射換熱量公式3可近似寫(xiě)為Q=Ab(g T

19、g4-g T w4(2式中:A為輻射段換熱面積;b為黑體輻射常數(shù);g為煙氣對(duì)整個(gè)換熱面的平均發(fā)射率;T為氣平均溫度;g 為煙氣對(duì)爐管輻射的吸收率;T w為爐管壁的平均溫度。g和g可近似為常數(shù),由于爐管內(nèi)的水是從接近飽和狀態(tài)被加熱到濕飽和蒸汽狀態(tài),所以爐管內(nèi)工作的溫度可視為不變,爐管壁的溫度也可近似認(rèn)為不變。在燃料量不變并保證燃料完全燃燒的前提下,減小過(guò)量空氣系數(shù)使燃燒產(chǎn)物(煙氣的數(shù)量減少,而此時(shí)燃料所放出的熱量是不變的,從而使?fàn)t膛內(nèi)煙氣的溫度提高了十幾甚至上百,使煙氣所攜帶的熱量提高。由式(2可以看出,由于隨著過(guò)量空氣系數(shù)的減少,輻射段內(nèi)煙氣平均溫度增加,在輻射段內(nèi)被水所吸收的熱量將大幅度增加

20、(在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作表現(xiàn)為水蒸汽的出口溫度升高了。另外,由于煙氣所攜帶的熱量在爐內(nèi)被吸收的比例有較大程度的提高,因而使排煙溫度略有下降。4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)節(jié)情況依照以上的理論分析,對(duì)測(cè)試的注汽鍋爐在負(fù)荷不變的情況下進(jìn)行了調(diào)節(jié),所采用的方法是保持燃料量不變,調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)擋板使過(guò)量空氣系數(shù)降低。反平衡測(cè)試結(jié)果如表2。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看:對(duì)于不同廠家生產(chǎn)的23t/h注汽鍋爐,通過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)量空氣系數(shù),排煙溫度均有下降,熱效率均有不同程度的提高,其中鍋爐熱效率最大可提高615%,最小也可提高118%。以熱效率提高最小的注汽鍋爐2為例,按每天燃用15t油計(jì)算,則每天可節(jié)省燃料油270kg,若年運(yùn)行300d可節(jié)省燃料油81 t,經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。表223t/h注汽鍋爐測(cè)試結(jié)果鍋爐編號(hào)排煙處氧含量%排煙處過(guò)量空氣系數(shù)排煙溫度排煙熱損失%散熱損失%熱效率%熱效率提高量4注:調(diào)整了過(guò)量空氣系數(shù)py根據(jù)式(1和熱效率