基于大數據的長輸管道分布式陰極保護系統研究

王玉婷 李琳

摘 ?要： 針對傳統犧牲陽極的陰極保護系統采用人工定期采集得到電位，需要消耗大量人力財力，且對陰極保護效果不明顯的問題，設計基于大數據的長輸管道分布式陰極保護系統。系統總體結構采用分層結構和模塊相結合的分布結構，詳細分析了各結構的功能。系統中的測量儀包括監控中心和長輸管道遠程陰極保護監測系統，長輸管道陰極保護監測系統由無線數據收發器、陰極保護監測器和掩埋的地下管道共同組成，無線數據收發器在對數據信息進行解析后，通過RS 485接口控制掩埋的地下管道各項參數。系統軟件部分對陰極保護采集模塊進行設計，并對長輸管道分布式陰極的危險進行預警和保護。實驗結果表明，所設計系統可以降低長輸管道的腐蝕情況和腐蝕速率，保護效果較好。

關鍵詞： 大數據; 長輸管道; 分布式陰極保護系統; 犧牲陽極; 無線數據收發器; 數據采集器

中圖分類號： TN929.5?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）10?0143?04

Abstract： In the traditional sacrificial anode cathodic protection system， potentials are obtained by means of regular artificial collections， which consumes a lot of manpower and financial resources and does not have an obvious cathodic protection effect. Therefore， a distributed cathodic protection system based on big data is designed for long?distance pipelines. The distributed structure of combining the hierarchical structure with module is adopted as the overall structure of the system. The function of each structure is analyzed in detail. The measurement device of the system comprises the monitoring center and long?distance pipeline remote cathodic protection monitoring system. The long?distance pipeline cathodic protection monitoring system is composed of wireless data transceiver， cathodic protection monitor， and buried underground pipelines. The wireless data transceiver controls various parameters of buried underground pipelines via the 485 interface after parsing data information. For the software part of the system， the cathodic protection acquisition module is designed， and the danger of distributed cathodes for long?distance pipelines is warned and protected. The experimental results show that the designed system can reduce the corrosion situation and corrosion rate of long?distance pipelines， and has a good protection effect.

Keywords： big data; long?distance pipeline; distributed cathodic protection system; sacrificial anode; wireless data transceiver; data collector

0 ?引 ?言

我國石油、天然氣的長距離輸送主要依靠掩埋地下的長輸管道來實現。而掩埋地下的管道通常為鋼制結構。鋼材質在土壤化學性質不穩定情況下容易產生腐蝕，管道腐蝕是造成管道無法正常工作的主要原因。長距離輸送的管道腐蝕會造成大量的經濟損失和環境污染[1]，尋找合理有效的解決方法是當前面對的重要難題。傳統犧牲陽極的陰極保護系統采用人工定期采集得到電位，需要消耗大量人力、財力且對陰極保護效果不明顯。面對該問題，本文設計基于大數據的長輸管道分布式陰極保護系統，以提高長輸管道使用期限降低經濟成本，增強陰極保護效果。

1 ?長輸管道分布式陰極保護系統研究

1.1 ?系統總體架構

本文基于大數據的長輸管道分布式陰極保護系統的構建形式，采用分層結構和模塊相結合分布式結構，不同結構功能模塊采用接口的方式進行松耦合關聯[2]。其接口參數定義清晰、語義清晰可實現各模塊的功能。圖1為本文陰極保護系統總體結構圖。

本文設計的基于大數據的長輸管道分布式陰極保護系統主要功能有：

1） 實現各部分控制系統到實時數據庫的數據連接、采集和傳輸的功能。

2） 存儲站控系統SCADA以及一些業務系統的數據。

3） 使用互聯網實時查詢數據，對長輸管道進行實時監控，包括管道實時圖像、發生預警圖像等。

4） 實現不同級別的數據權限，保障整個系統穩定運行。

1.2 ?系統硬件設計

本文系統硬件部分的測量儀主要由監控中心和長輸管道遠程陰極保護監測系統兩部分組成，其結構如圖2所示。其中，長輸管道陰極保護監測系統由無線數據收發器、陰極保護監測器和掩埋的地下管道共同組成。陰極保護監測器可對長輸管道的保護電壓進行測量，也可對恒定電位儀的輸出電壓和電流測量[3]。無線數據收發器的作用是將陰極保護數據采集器采集的數據信息經過通信設備發送至電腦，在電腦中通過各種軟件對數據整理分析，得到最終數據結果。基于硬件測量儀的功能需要嚴格設計和選擇內置芯片，本文對硬件測量儀的選擇應遵從低能耗、采樣精度高和抗干擾能力強等條件。

基于大數據的長輸管道分布式陰極保護系統測量儀特點如下：

1） 集成電路由CMOS和BiFET共同組成，該電路構成包括MCU芯片、時鐘芯片、串口芯片以及儀表放大器和轉換器等。

2） 硬件部分電源設備采用最先進的電源管理模塊，可在系統待機狀態下保持低功率消耗[4]，當發生異常情況時會立刻進入陰極保護狀態，提高系統使用壽命。

3） 方便攜帶、全自動進行系統保護。

從圖2可看出PC計算機與GSM接收模塊通過RS 232接口共同構建監控中心。該監控中心主要功能為向無線數據收發器發送各種指令，并對無線數據收發器處理結果進行處理和保存。PC計算機采用RS 232接口向GSM接收模塊發送各種操作指令。GSM接收模塊再利用GSM網絡向無線數據收發器發送指令。無線數據收發器在對數據信息進行解析后經RS 485接口。實現對長輸管道遠程陰極保護監測系統中掩埋地下管道各項參數的控制[5]，并根據要求將數據信息保存在無線數據收發器或傳送到監控中心。

1.3 ?系統軟件設計

基于大數據的長輸管道分布式陰極保護系統軟件包括陰極保護電位采集模塊設計、陰極保護電位無線測遙模塊程序設計以及中心監控站軟件設計。無線測遙主要維持各條長輸管道的陰極保護電位的整天不間斷監測，再將監測得到的結果發送到監測中心站。中心監控軟件設計采用VC++程序進行編寫，設計包括數據分析、實時數據顯示、信號的預測和預警以及對異常情況發生的定位[6]。

1.3.1 ?陰極保護電位采集模塊設計

陰極保護電位采集模塊設計流程分析過程如下：

1） 啟動本文系統，并對系統內各設備進行初始化操作[7];

2） 系統初始化利用I/O接口和數據采集接口;

3） 利用斷電測量法對系統數據采集程序進行運行，采集長輸管道的測量數值[7?8];

4） 數據信號預處理操作;

5） GPRS將處理后數據發送到終端服務器;

6） 系統出現異常，及時向外發送采集到異常數據。

圖3為系統軟件部分陰極保護電位采集模塊工作流程圖。

1.3.2 ?無線遙感模塊工作流程設計

無線遙感模塊主要負責各條長輸管道的陰極保護電位24 h的平穩運行，并將結果傳輸到監控中心。通常為了降低系統整體的功耗，在長輸送管道無異常的情況下，每日只發送一次數據。無線遙測模塊工作流程主要進行系統初始化[9?10]、A/D信號轉換、GPRS電源控制數據以及數據信息發送等功能。圖4為其工作流程圖。

2 ?實驗分析

2.1 ?陰極保護效果分析

分析采用本文陰極保護系統對長輸管道陰極的保護效果。對采用本文系統進行陰極保護和未采用本文系統進行陰極保護的某工程的長輸管道進行實地檢測。實驗測試完成后將長輸管道外表皮的防腐層去掉后，比較兩種情況下長輸管道的損傷情況。圖5和圖6分別為外加本文系統進行陰極保護和未采用任何防護的長輸管道的腐蝕情況。

從圖5和圖6可以清晰地看出，本文系統在正常運行狀態下對長輸管道起到很好的保護作用，利用本文系統進行陰極保護的輸電線僅僅在開口處沾有少量的污泥，不存在長輸管道被腐蝕的現象，而圖5未加任何保護的管道存在大面積的腐蝕。

2.2 ?土壤環境對陰極保護影響分析

研究表明，不同的土壤環境會對長輸管道造成不同腐蝕程度，管道在地下掩埋時間越長接收土壤中酸性物質腐蝕越嚴重。實驗檢測不同土壤酸性環境下長輸管道電位測試結果，不同陰極保護電位下長輸管道的腐蝕速率，分別如表1和表2所示。

由表1數據分析能夠得出，長輸管道接觸土壤的酸性越強，需要的陰極保護電位越低，尤其是未加陰極的保護需要的保護電位更低。從表2能夠看出，在陰極保護電位在-1 050 mV左右時的長輸管道腐蝕速率最小，保護度較高。采用本文系統進行陰極保護的電位與-1 050 mV更接近，說明本文系統的應用可以增強長輸管道的保護程度降低腐蝕速率。

3 ?結 ?論

本文設計的基于大數據的長輸管道分布式陰極保護系統在解決傳統犧牲陽極的陰極保護系統對電位檢測不準確耗費大量人力上的作用較明顯，可以降低長輸管道的腐蝕增強經濟效益，對陰極保護的作用明顯。

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