天然氣管道雜散電流干擾遠程監控系統建設實踐

李葉斌 姚國斌 郭志宏

（華新燃氣集團有限公司）

埋地天然氣管道的防腐措施一般由兩部分組成： 管道外壁的防腐層和管道的陰極保護系統。 管道的陰極保護有兩種方法：犧牲陽極保護和強制電流保護［1，2］。管道管理部門定期檢測管道的陰極保護電位，通過對匯總數據分析、評價進而判斷管道的受保護狀態。 從文獻［3～5］的研究數據看，輸電系統、電氣化鐵路系統等與埋地天然氣管道的沖突逐年擴大，對管道雜散電流干擾的影響也越來越常態化。 文獻［6，7］的研究結果表明，雜散電流干擾呈多樣性和不規律性，檢測難度大，尤其是管線附近輸電設施故障或電力設備維護過程向大地釋放強大故障電流引起的雜散電流干擾，干擾并不規律，具有偶發性，持續時間也不是很長（電力故障解除后干擾消失），但干擾程度較大，現場很難捕捉，對管線維護人員的危害也大。

針對管道運行過程雜散電流干擾檢測和評價困難的現狀，山西天然氣有限公司根據管道生產運行需求，在埋地天然氣管道雜散電流干擾遠程監控系統建設上進行了實踐探索，開發了一套基于無線通信技術的天然氣管道雜散電流干擾遠程監控系統，實現了對部分管道特殊點位的陰極保護電位數據自動采集遠傳，讓生產運營人員坐在辦公室就能了解管線的在線陰極保護效果、雜散電流干擾規律及程度等信息。

1 技術方案總體架構

基于無線通信技術的天然氣管道雜散電流干擾遠程監控系統整體架構（圖1）包括一個數據中心、若干技術員管理工作站、智能測試樁、陰極保護管道智能恒電位儀和遠程專家診斷系統，通信方式采用全網通自適應現有移動、聯通、電信運營商的GPRS/3G/4G 網絡，實現管道通電電位、斷電電位、自然電位、交流干擾電壓、交流電流密度及直流電流密度等參數的實時在線采集。

1.1 數據中心

數據中心架構為私有云+公有云的混合云數據中心， 布署有數據庫服務和相關應用服務，架設有移動、聯通、電信互聯網專線，另有基于北斗通信系統的數據應急通信鏈路。 其互聯網專線便于通過公網固定IP 接收數據傳輸訪問，且便于實現將應用云化布署，用公網即可方便查看獲取數據，便于工程師隨時為一線人員提供技術支持與幫助。

1.2 技術員管理工作站

每個工作站都安裝雜散電流干擾遠程在線監控軟件系統和相關軟件環境，便于管理人員隨時開展工作，工作站網絡與數據中心網絡互通。

1.3 智能測試樁

智能測試樁由樁體、遠程測控裝置、極化探頭、參比電極和測量連接線5 部分構成。 遠程測控裝置是數據采集和遠程傳輸的核心元件。 智能測試樁是集樁體、遠程測控裝置和測量連接線于一體的智能設備，與極化探頭和參比電極配合使用可自動采集管道通電電位、斷電電位、自然電位、交流干擾電壓、交流電流密度及直流電流密度等參數， 并可通過GPRS/3G/4G 網絡將所采集電位數據發送至指定的中心服務器。

智能測試樁將其本身的屬性信息、所采集到的保護電位等數據通過運營商網絡傳輸到數據中心上位機，數據中心上位機也可以給智能測試樁下發控制指令和相關參數。 智能測試樁的屬性信息包括其位置、所屬線路、所屬組織機構、蓄電池狀態及工作狀態等相關信息，可以靈活地對智能測試樁屬性信息進行預置編碼。 智能測試樁的位置信息是在施工布設測試樁的同時， 由手持GPS 定位終端對其位置坐標進行標定并錄入數據庫記錄。

1.4 智能恒電位儀

智能恒電位儀與智能測試樁類似，可以將其工作參數通過GPRS 模塊傳輸到數據中心， 遠程在線監控智能恒電位儀，必要時可以發送相關參數給智能恒電位儀進行遠程調試。

智能恒電位儀的參數包括輸出電壓、輸出電流、保護電位、報警狀態及備機運行狀態等，可實時遠程上傳至軟件平臺服務器，也可將恒電位儀的給定電位、備機切換、遠程開關機、斷電測量及超差復位等參數通過軟件管理平臺發送命令進行遠程反向控制調節。

1.5 遠程專家診斷系統

遠程專家診斷系統包括數據監控、 分析統計、專家診斷、事故處理、設備管理和系統維護六大基本功能模塊，可實現對全局數據自動進行大數據分析，并給相關人員提示異常狀態，出現異常情況時進行人工干預， 判定管道的保護狀態，實現對現場一線工作人員進行遠程指導和協助的功能，為企業節約人力、物力和財力。

2 相關技術總則

2.1 陰極保護有效性評價總則

天然氣管道雜散電流干擾遠程監控系統的陰極保護有效性評價總則［8］如下：

a. 一般情況下，管道陰極保護斷電電位（即管/地界面極化電位，下同）應為-850mV（CSE）或更低，但正常情況下陰極保護狀態下管道的極限保護電位不能比-1 200mV（CSE）更低，因此當低于以上標準時，軟件平臺系統上會自動標注黃色報警。

b. 特殊情況下，不滿足以上條件時，采用陰極極化或去極化電位差大于100mV 的判據，但如果是在高溫條件下、SRB 的土壤中存在交直流干擾以及異種金屬材料耦合的管道中，就不能采用100mV 極化準則，當低于這個標準時，軟件平臺系統會出現紅色報警。

2.2 交流干擾程度判定準則

當管道上的交流干擾電壓不高于4V 時，可不采取交流干擾防護措施；高于4V 時，應采用實測采集檢查片上的交流電流密度數據進行評估［9］。

在交流干擾區域的管道智能測試樁處配套埋設腐蝕檢查片，以測量交流電流密度，對交流腐蝕和防護效果進行評價，此處檢查片的裸露面積為1cm2，判斷指標見表1。

表1 交流干擾程度判斷指標

2.3 直流干擾程度判定準則

根據軟件管理平臺上上傳的斷電電位數據，當干擾導致管道不滿足最小保護電位要求時（報警），應及時采取干擾防護措施［10］。

可以根據干擾程度和受干擾位置隨時間變化的情況（通過監控軟件管理平臺的歷史上傳數據統計判定），判定干擾的形態，并應符合下列規定：

a. 干擾程度和受干擾位置隨時間沒有變化或變化很小，應確定為靜態干擾；

b. 干擾程度和受干擾位置隨時間不斷變化，應確定為動態干擾。

可以根據軟件管理平臺上管/地電位隨距離分布曲線的特征，確定干擾的范圍、管道陽極區、管道陰極區和管道交變區的位置。

2.4 監測點的選擇原則

選點原則。 管道與特高壓交流輸電線路（電氣化鐵路）交叉或者靠近點兩側各選3 處陰極保護樁位置設置遠程監測點（智能測試樁）；管道與特高壓直流輸電線路交叉點兩側各選1 處陰極保護樁位置設置遠程監測點（智能測試樁）。

特高壓交流輸電系統對附近埋地鋼制管道的雜散電流干擾一般分為阻性干擾與電磁感應干擾，尤其是電磁感應干擾的影響范圍廣，故對其監測范圍大并且設置的監測點多。 而特高壓直流輸電系統主要影響其換流站接地極附近的埋地管道，而對輸配線路途中附近的埋地管道影響很小，在輸電正常運行中會有一些很小的不平衡電流通過桿塔接地泄漏到大地，但對管道影響范圍有限，故只在交叉點兩側設置監測點。 如果輸電線路投運后，雜散電流干擾影響范圍超出監測范圍，根據現場情況相應擴大監測范圍，并增設監測點。

3 應用實踐

3.1 監測點的選擇

山西天然氣有限公司在全省運營近2 500km的長輸天然氣管道，其陰極保護系統的正常運行至關重要。 為避免雜散電流干擾給管道運行帶來的影響以及今后管道的安全運行需要，需及時掌握管道陰極保護的運行狀態，因此公司在現有在役管道孝義-離石輸氣管線（簡稱孝離線）中，選擇其中與特高壓交直流輸電線路、電氣化鐵路交叉伴行的管段設置遠程監測系統。 孝離線全長156km、DN355mm、管材L360N、防腐層為3PE，采用外加電流陰極保護，分別在北姚站和離石站設置兩座陰極保護站為管線提供陰極保護。 該管線本體遠離特高壓直流輸電換流站100km 以上，但在該管線線路中存在3 處與±800kV 特高壓直流輸電線交叉點（表2），有6 處與1 000kV 特高壓交流輸電線交叉或靠近（表3）。

表2 孝離線與±800kV 特高壓直流輸電線交叉點情況

表3 孝離線與1 000kV 特高壓交流輸電線交叉或靠近情況

根據選點原則在孝離線設置雜散電流干擾遠程監測點20 處，設置安裝20 個智能測試樁，對所設置的管道陰極保護狀態進行全面實時監控，選定的20 個測試樁位置點見表4、圖2。

圖2 孝離線管線位置和智能測試樁選點布設

表4 孝離線智能測試樁設置位置點

3.2 智能測試樁的安裝

智能測試樁遠程測控裝置是智能測試樁系統的核心， 它內嵌于智能測試樁體中， 通過GPRS/3G/4G 自適應通信方式傳輸數據， 測試樁的電源采用太陽能+蓄電池供電方式， 實現了無后備電源情況下的連續長時間工作。

安裝智能測試樁的主要工作有安裝點的選擇、信號質量測試、安裝點土方開挖、原測試電纜與新設智能測試樁測試電纜連接、 參比電極安裝、極化探頭安裝、測試樁測控裝置接線與測試、測試樁體埋設等。 其中安裝點的信號質量必須保證穩定地傳輸數據。

3.3 軟件平臺的建設

軟件平臺的建設需要管道基礎數據支撐。 基礎數據來自規劃技術部、項目管理部、管道管理部、生產運行部及安全環境部等部門，數據包括管道設計數據、項目建設數據和管道運營維護數據。 基礎數據的歸集有助于給管道進行360°畫像，使決策者能夠對管道的整體運行狀態有直觀的了解。

另外，平臺集成現有地理信息系統（GIS）數據， 使得管道的陰極保護測試樁數據和管道的陰極保護狀態能夠在地理信息系統上實時展示， 方便管道陰極保護專工更直觀地查閱相關數據。

雜散電流干擾遠程監測軟件系統的功能模塊及其功能點如圖3 所示。

圖3 雜散電流干擾遠程監控系統功能模塊及其功能點框圖

3.4 調試工作

系統完成建設后，開展相關調試工作。 聯合調試工作分為3 部分：系統軟件的調試、硬件設備的調試和聯合調試。 調試順序為：系統軟件調試→硬件設備調試→聯合調試。

完成調試后，系統穩定運行近一年多時間。

3.5 運營實踐效益分析

傳統的長輸管道陰極保護監控一般由專業人員定期攜帶檢測設備，在現場檢測并記錄保護電位數據，之后進行統一分析并存檔記錄。 但長輸管道管線距離長，沿線地區環境復雜，這種定期人工巡檢的方式需要花費大量的人力和物力，而且檢測設備落后，檢測精度不高，時效性差，采集數據量有限，易出現誤報和誤判現象，不能準確反映管道的真實保護狀態。

天然氣管道雜散電流干擾遠程監控系統投用后，孝離線陰極保護電位曲線如圖4 所示。

圖4 孝離線陰極保護電位曲線

傳統人工方式與天然氣管道雜散電流干擾遠程監控系統相關數據的對比詳見表5。 其中，人工費用每日按300 元計算，實際采集頻率設置每天1 次。 監控系統支持每秒1 次的檢測頻率。 表5 數據量按20 個測試樁計算，車輛燃油費用、 過路費和保養費用按實際統計計算，費用概算基于2020 年1～11 月相關統計數據核算。

表5 傳統人工方式與遠程監控系統相關數據對比

4 總結及展望

基于無線通信技術的天然氣管道雜散電流干擾遠程監控系統投運后，改變了傳統的由專業人員定期攜帶檢測設備現場檢測并記錄保護電位數據的方式，具有實時性好、數據采集連續、穩定可靠、 使用簡便和運行維護成本低的優勢，有效提升了天然氣管道陰極保護監測的自動化和信息化水平，提升了監測效率和準確性，節約了人力和物力成本，降低了安全風險。

現有雜散電流遠程監控系統僅對天然氣管道中的個別點位進行監測，得到的數據還不夠全面，無法發揮雜散電流遠程監控系統（智能陰極保護遠程監控系統）的全部功能，無法對天然氣管線整體陰極保護的有效性做出全面準確的評估，無法全面掌控地下管線的腐蝕狀態，為陰極保護運行中出現的故障解決提供有力的數據支撐。

未來，應對服役管道全線采取完整的智能陰極保護遠程監測，在整條管線上均布智能測試樁，同時將陰保站的所有恒電位儀改造為智能恒電位儀并納入監控系統中。另外，軟件系統的分析功能應結合實際驗證其準確性， 并對相關數據計算模型進行修正，盡可能得出準確的分析結果。