基于集磁環的陰極保護電流測量裝置設計

侯巖光，趙弘，香朝元

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)

對于施加陰極保護系統的埋地長輸管道來說，陰極保護電流密度既是衡量防腐涂層絕緣性能的重要指標，又是表征管道真實陰極保護狀態的重要參數[1]，而測量管道中電流的前提是計算陰極保護電流密度。目前，國內外測量管道中電流的方法有電位差法、標定法、電流環法[2]。電位差法即通過測量管道上兩點的電位差，根據歐姆定律計算出流經管道的電流密度；標定法是利用外接電路改變其電路電阻，通過測量電壓、電流等數值來標定測試管段的電阻，從而計算測試管段的管中電流[3]。但由于實際管道中陰極保護電流較小、現場環境干擾嚴重等因素，兩種方法并不適用于目前具有高電阻率的防腐層管道[4]。電流環檢測技術是近些年發展起來的管道陰極保護檢測技術，美國Swain Meter公司已研制出電流環系列檢測設備，主要是基于磁通門原理進行測量，可以檢測管道中電流的大小和方向，測量數值的穩定性優于電位差法。但實際應用中，地磁的影響大約在±100 mA，使得檢測精度很難得到保證[5]。

2010年，索寒野分析了集磁環的材料屬性、結構、斷面形狀尺寸對氣隙處磁感應強度的影響，并得出集磁環材料為鐵基納米合金、矩形開口有很好的集磁效果[6]；2011年，王佳穎進一步優化了集磁環的結構，探究得出采用圓形集磁環，氣隙斷面平行結構靈敏度更高[7]；2013年，陶嘉楠首次將集磁環應用于管道電流檢測領域，分析得出系統靈敏度隨集磁環氣隙高度增加而迅速降低，而受集磁環長度及邊角影響較小[8]；2014年，李超分析了集磁式光電傳感器磁場分布受溫度的影響，建立其磁場與溫度場耦合仿真模型，并提出了一種氣隙處磁場強度溫漂補償方法[9]；2016年，李深旺提出了一種集磁環式光電互感器的自校正測量方法，可以有效提高其線性度和準確度[10]；2019年，周涵設計了一套利用集磁環檢測管道陰極保護電流的檢測系統，模擬實驗實現了對管道保護的直流信號準確檢測，誤差小于10 mA[11]。

經調研發現，集磁環主要被用于光電互感器的研究領域，以提高傳感器的靈敏度、線性度、抗干擾性，但在長輸管道電流檢測的研究領域應用較少。因此，本文設計了一套基于集磁環的陰極保護電流測量裝置，利用Maxwell軟件對管道陰極保護電流在集磁環開口處產生的磁場與集磁環開口形狀的關系進行仿真，并對集磁環裝置的測量效果進行了實驗驗證。

1 集磁環的工作原理

根據電磁場理論，一個圓柱形的導體或者空心圓柱形的導體，在有電流通過時其在導體外部產生的磁場可以等效成由圓柱中心處的一個線電流所產生的磁場[12]。基于集磁環的陰極保護電流測量裝置的工作原理是在管道周圍設置了影響并改變磁場特性的磁環，其結構如圖1所示。

圖1 基于集磁環的陰極保護電流測量裝置結構示意

集磁環的外徑為R，內徑為r，集磁環沿管道軸向的寬度為h，集磁環開口處磁感應強度為B0，集磁環介質材料的相對磁導率為μr，集磁環介質內的磁場強度為H，真空的磁導率為μ0，空氣的磁導率與真空近似，也可認為是μ0，集磁環開口處的磁場強度為H0，且滿足μr遠大于μ0。磁環與管道同心，假設管道陰極保護電流為I，集磁環開口處寬度為l，遠小于磁環徑向截面平均周長2πr0。

當管道陰極保護電流為I時，在距離管道中心r0處的磁感應強度的計算如式(1)所示：

(1)

根據安培環路定理[12]可得：

(2)

積分項展開，如式(3)所示：

H(2πr0-l)+H0l=I

(3)

在不考慮集磁環漏磁的情況下，根據磁通的連續性原理，對于磁場中任意的閉合曲面，穿進的磁通量必定等于穿出的磁通量，所以集磁環介質內的磁通量與集磁環開口處的磁通量相等，可得：

Hμrμ0=H0μ0

(4)

B0的計算如式(5)所示：

B0=μ0H0

(5)

將式(3)，式(4)代入式(5)中，消去H和H0得到B0計算公式如式(6)所示：

1158分段1#盤區三分層地板標高是1 150.772 m，而1138分段首采分層的底板標高為1149.955 m，兩分層間夾有礦資源厚度0.813 m，共計礦石資源量約為4.9萬t，相當于1#盤區三分層礦石資源的1/5，本方案就是對該部分礦石和1138分段首采分層的留礦在回采條件允許的前提下進行回收。

(6)

由于μr?1，同時滿足μr?2πr0-l，所以式(5)可化簡如式(7)所示：

(7)

對比式(1)和式(6)，因為l遠小于磁環徑向截面平均周長2πr0，放置集磁環后，開口處的磁感應強度比之前提高了2πr0/l倍，可以明顯看出磁環對管道周圍的磁場有聚集作用，所以將這種磁環稱為集磁環。

2 陰極保護電流測量裝置設計與建模分析

2.1 陰極保護電流測量裝置設計

本文所提出的測量裝置如圖2所示，由霍爾傳感器、集磁環、采集卡和顯示儀組成，集磁環整體呈環形狀套在管道上，集磁環開口處安裝霍爾傳感器，管道內通有陰極保護電流，其產生的磁力線被集磁環收集，霍爾傳感器測量集磁環開口處的磁感應強度，經計算即可得出管道內陰極保護電流大小。

圖2 陰極保護電流測量裝置示意

2.2 陰極保護電流測量裝置建模分析

2.2.1Maxwell軟件建模

采用Maxwell軟件[13]分析管道陰極保護電流在集磁環開口處產生的磁場與集磁環尺寸參數之間的數值關系。管道材料屬性設置為X70鋼，集磁環材料屬性設置為冷軋硅鋼，集磁環電流測試裝置仿真參數見表1所列。

表1 集磁環電流測試裝置仿真參數

上述理論計算公式中的磁導率均為空氣磁導率，但實際的輸油管道都是埋在土壤里的，經過查閱相關資料[8]，發現土壤的磁導率與空氣的磁導率近似相同，因此求解域的介質設置為空氣；同時為了減小邊界條件對計算結果的影響，求解域相對于集磁環及管道的尺寸要足夠大，設置其模型為一個與管道同心的長方體，為了減少計算量，計算模型采取1∶5的比例縮小。為便于觀察開口處的磁感應強度分布情況，在集磁環開口中心處取橫截面進行分析。

2.2.2集磁環磁場分布

圖3 集磁環開口中心處橫截面的磁場分布示意

2.2.3不同開口形狀對集磁環開口處磁場的影響

在進行管道陰極保護電流測量時，磁感應傳感器是安裝在集磁環開口處的，對磁場大小的影響因素有很多，陶嘉楠分析了沿管道軸向的集磁環寬度和集磁環開口高度對集磁環開口處磁場的影響[8]。根據等效電荷的磁荷觀點，將磁介質中的分子視為正負磁荷組成的磁偶極子，將磁介質理論引入磁荷的運動[12]，因此本文提出優化集磁環的開口形狀，使開口處磁荷集中通過，降低漏磁對測量裝置的影響。

本文設計了四種不同開口形狀的集磁環，如圖4所示，即開口A，開口B，開口C，開口D，利用Maxwell軟件分析不同開口形狀對集磁環開口處磁場的影響，四種開口形狀的集磁環開口中心處橫截面上的磁場分布情況： 開口A的磁場分布最為均勻；開口B，開口C的漏磁現象更為明顯；開口D比開口B，C的集磁效果更好，但相比于開口A的磁場均勻分布情況較差。

圖4 集磁環開口形狀示意

為進一步探究四種開口形狀對集磁環開口處磁場的影響，分別取集磁環開口中心處沿管道軸向和徑向兩個方向磁場分布情況，如圖5，6所示。從圖5中可以看出，磁感應強度最強處的值為0.289 mT，且偏離集磁環沿管道軸向的中心處，開口A的集磁效果最好；開口B，開口C的磁場變化趨勢基本相同，呈兩段拋物線變化；開口D的磁場開始呈線性變化，然后呈三段拋物線逐漸增強，最后降低。

圖5 集磁環開口中心處沿管道軸向的磁場分布示意

從圖6可以看出，不同開口形狀的集磁環，磁感應強度最強處分布也不同，開口A的集磁環磁感應強度最強處為沿管道徑向中心，其值為0.287 mT；開口B，開口C，開口D的集磁環磁感應強度最強處以及磁場變化趨勢也不盡相同。上述分析得出開口A具有最好的集磁效果，開口處的磁感應強度值放大了約750倍。由于受到開口形狀邊界條件的影響，四種開口形狀造成了不同的磁場變化趨勢，這對傳感器的位置結構設計具有很好的參考價值。

圖6 集磁環開口中心處沿管道徑向的磁場分布示意

3 實驗研究

基于集磁環的陰極保護電流測試裝置整體結構如圖7所示。

圖7 測試裝置整體結構示意

經過廣泛調研選擇Winson公司生產的線性霍爾傳感器WHS138，具有較佳的測量范圍和較小的溫度漂移，可以滿足測量要求；硬件采集設備選用NI公司生產的NI USB-6001采集卡采集數據，采用單端模擬輸入連接。線性霍爾傳感器模擬信號輸出端經硬件放大濾波處理后，與該采集卡模擬輸入端口連接，采集卡通過USB口與上位機傳輸數據。操作界面采用LabVIEW軟件[14]編寫程序，主程序流程如圖8所示，為減少高頻信號的干擾，在軟件編寫過程中也添加了低通濾波模塊，使得采集到的信號更加可靠。

圖8 主程序流程示意

實驗時，對管道施加0～2 A直流電流，用于模擬管道的陰極保護電流，實驗測量值與式(7)理論計算值結果對比如圖9所示，圖中擬合曲線是利用最小二乘法擬合得到的直線，這里使用最小二乘直線的斜率作為測量系統的靈敏度[15]。

由圖9可知，實際測量系統線性度相比于理論線性度差別不大，其差別主要因為理論計算所采用的磁導率值為定值，且將集磁環的磁化狀態理想化為線性，而實際上由于加工制造工藝和材料的磁導率非理想等，測量系統的線性度會有一定的波動；同時也可以看出，實際測量系統靈敏度相比于理論靈敏度值略有差距，差值為0.065，這主要是由于集磁環開口處漏磁所導致，受實驗條件限制測量時未對集磁環進行漏磁處理。因此，實際設計時需考慮對集磁環開口處的漏磁處理，才能進一步提高測量系統的靈敏度。

圖9 實驗測量值與理論計算值結果對比示意

4 結束語

本文設計了一套基于集磁環的陰極保護電流測量裝置來測量管道的陰極保護電流，通過軟件建模和實驗對其分析研究。研究得出： 由材料冷軋硅鋼集磁效果十分顯著，集磁環的磁感應強度值放大了約2 000倍；不同開口形狀的集磁環開口處磁感應強度最強處分布不同，矩形開口具有最好的集磁效果，集磁環開口處的磁感應強度值放大了約750倍，這對傳感器的位置結構設計具有很好的參考價值。管道陰極保護電流的模擬實驗研究得出： 本文設計的基于集磁環的陰極保護電流測量裝置靈敏度為0.186 mT/A，線性度為3.24%，基本滿足測量要求，實際應用時還需考慮對集磁環制造工藝、材料屬性以及開口處的漏磁處理，以進一步提高測量系統的靈敏度和線性度。