基于STM32的油氣管道陰極保護電壓自動檢測系統設計與實現

汪銳，王洪鈞，焦爽

1.湖北省天然氣發展有限公司（湖北 武漢 430000）

2.中國石油西氣東輸管道公司（寧夏 銀川 754000）

0 引言

截至2018年底，我國境內油氣管道已累計建成13.60×104km，名列世界第3位[1-2]。但是，我國油氣管道的年平均事故率高于北美地區[3]，其中，腐蝕是造成油氣管道事故的主要原因之一[4]。例如：2013年11月22日青島油氣管道爆炸事故是由于管道腐蝕導致原油泄漏造成的特別重大事故。

為防止油氣管道腐蝕穿孔或失效，我國主要采用防腐涂層結合陰極保護等措施進行綜合防護。其中，陰保電位是評價管道陰保效果的重要參數。目前，主要采取人工方式在管道測試樁上進行定期采集。受現場巡護人員素質、測量儀器、自然環境等因素影響，管道企業很難獲取管道沿線準確有效的管道保護電位數據，不利于后續開展管道陰極保護有效性評價工作，無法及時發現管道的腐蝕風險。因此，本文設計了一種管道電位自動采集裝置，以協助企業定期準確獲取管道沿線各區域的陰保電位，方便企業現場管理并降低管道運行風險和成本。

1 系統設計

STM32是基于ARM Cortex?-M3內核的微處理器（MCU），內部集成有GPIO、USART、ADC、RTC、DMA等豐富的外設資源，同時具有低成本、低功耗、高性能等特點。在嵌入式系統開發時，通常僅需要配置簡單的系統供電電路，設計相應的控制電路、檢測電路和通訊電路就可實現系統的快速開發。因此，本文選用STM32作為MCU對管道陰保電位自動采集系統進行設計和開發，其系統結構框圖如圖1所示。

圖1 陰保電位自動采集系統結構框圖

1.1 電源模塊

電源模塊負責給MCU控制系統及GPRS通訊模塊分別提供3.3 V及5.0 V的供電電壓，同時也為ADC采樣提供3.3 V的高精度基準電壓。

1.2 陰保電位采集

陰保電位采集由檢測回路與電壓調理回路組成，并利用MCU的內部ADC采樣器進行采樣。檢測回路主要將管道陰保電位經過簡單的硬件濾波和極性處理后，送入電壓調理電路，將陰保電位調整到0～3.3 V供MCU進行采樣。

1.3 通訊模塊

管道測試樁“零散”分布在管道沿線，通常不具備常規的RS485、光纖等有線通信方式，本文利用MCU與GPRS模塊將陰保電位通過無線方式進行傳輸。同時，為方便用戶配置采樣周期、目標號碼等參數，利用MCU的串口實現上位機的參數配置功能。

1.4 本地存儲單元

系統配置的參數存儲在MCU內部的Flash中，與此同時，為防止GPRS模塊因信號不良或欠費造成的檢測數據丟失問題，現場將管道電位同時存儲在外部SD卡中，以便用戶必要時讀取使用。

1.5 系統休眠與喚醒

管道測試樁分布在野外，很難獲取穩定可靠的供電電源。為節約系統能耗，方便現場管理，本文利用了MCU的低功耗模式和RTC喚醒功能，使系統能夠按照用戶設定的運行模式，定期喚醒設備進行電位采集和傳輸，最大限度降低系統能耗。

2 應用分析

2.1 現場應用

將設計的管道陰極保護電位自動檢測系統在某天然氣管道現場進行了3處試點應用，其中選擇2處人員較難進入的水田，1處為普通地區。普通地區的試點測試樁同時安排巡線員在試點期間利用Fluke 115C萬用表進行陰保電位測試和記錄。現場安裝示意如圖2所示。

圖2 陰保電位自動采集系統現場安裝示意圖

在原有測試樁的基礎上，現場新裝了長效參比電極和本文設計的管道陰保電位自動采集裝置，將測試樁原有測試電纜、參比電極電纜分別與采集裝置相連，同時利用PC機對裝置的定期喚醒采集時間（每天10:00am測量）、裝置編號（位置）及目標接收端號碼進行了設置。

2.2 數據分析

現場連續1個月對3處試點測試樁進行檢測，為方便對比分析，將其中1處同時進行自動檢測和人工檢測的試點測試樁數據進行分析。試點測試樁檢測數據見表1，電位分布圖如圖3所示。

通過圖3分析可知，陰保電位自動檢測系統因經過軟、硬件濾波，同時避免人為操縱誤差，采集的數據相對人工采集的數據較為平穩和可靠，兩者相差最大的電壓誤差為0.089 V。

此外，管道巡線人員通常在執行巡線任務的同時進行陰保電位檢測，受現場監護任務、雷雨等因素影響，很難保證每天準點進行電位測量。若多點測量時，更加難以保證定時測量。而自動采集裝置每天約10:01am定時將電位檢測數據發送至指定的客戶端，通過客戶端短信不僅可以讀取陰保電位數據，還能間接反應自動檢測裝置的工作狀態。

表1 管道陰保電位檢測數據

圖3 不同采集方式下的電位分布圖

3 結束語

根據以上現場數據對照結果，本文設計的管道陰極保護電壓自動檢測系統，無需對原有測試樁進行較大改動，僅需投入較少的成本就可以實現管道電位的自動采集和傳輸，以獲取準確的管道陰保電位，有效避免了人為測量引入的較大測量誤差，同時也消除了自然環境對測量作業的不利影響，對后續陰極保護系統有效性評價及管道防護具有重要的意義。