智能電位測(cè)試樁防盜定位報(bào)警功能應(yīng)用研究

唐趙林

（中海福建天然氣有限責(zé)任公司，福建 莆田 351100）

0 引言

由于管道直埋在土壤中時(shí)，管道表面存在陰極與陽(yáng)極之間的電位差，導(dǎo)致產(chǎn)生腐蝕電流，金屬作為陽(yáng)極反應(yīng)失去電子變成Fe2+離子，管道發(fā)生腐蝕。陰極保護(hù)通過(guò)恒電位儀或犧牲陽(yáng)極向管道施加陰極保護(hù)電流，消除管道表面陽(yáng)極與陰極之間的電位差，管道腐蝕得到抑制。目前陰極保護(hù)被廣泛應(yīng)用在石油、天然氣、化工等領(lǐng)域，陰極保護(hù)的管道電位是評(píng)價(jià)陰極保護(hù)有效性的最有效方式。傳統(tǒng)的陰極保護(hù)電流檢測(cè)方式主要以人工萬(wàn)用表測(cè)量，一般每隔3個(gè)月測(cè)量一次，但人工方式不能及時(shí)反映陰極保護(hù)的有效性，所以在檢測(cè)間隔時(shí)間范圍內(nèi)可能存在陰極保護(hù)電位不達(dá)標(biāo)的情況，管道處于腐蝕風(fēng)險(xiǎn)之中。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，陰極保護(hù)電位的測(cè)量在很多運(yùn)營(yíng)企業(yè)都開(kāi)始采用遠(yuǎn)程采集與無(wú)線傳輸?shù)脑诰€監(jiān)測(cè)方式，電位測(cè)量的間隔由原來(lái)的幾個(gè)月一次，降低為一天一次甚至為一小時(shí)一次，大大提高了管道陰極保護(hù)的可靠性與有效性[1-3]。

陰極保護(hù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)服務(wù)器端開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)接口實(shí)現(xiàn)與SCADA 系統(tǒng)的對(duì)接，它以地理信息系統(tǒng)（GIS）為管理平臺(tái)，以SQL-SERVER 數(shù)據(jù)庫(kù)作為系統(tǒng)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)后臺(tái)服務(wù)程序，完成GIS 空間數(shù)據(jù)與遙測(cè)遙控關(guān)系數(shù)據(jù)的整合，實(shí)現(xiàn)基于GIS/GPRS 的陰極保護(hù)在線監(jiān)控。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以公共無(wú)線數(shù)據(jù)通訊方式（GPRS）和有線通訊方式相結(jié)合的方式為數(shù)據(jù)傳輸手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道被保護(hù)狀況的在線檢測(cè)[1]。

陰極保護(hù)智能無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備多安裝在農(nóng)田，山區(qū)等野外，很容易被第三方施工破壞以及人為損壞和被盜。目前管道運(yùn)營(yíng)方主要采用機(jī)械固定結(jié)合人工巡查的方式進(jìn)行防盜，但普遍存在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況反應(yīng)不及時(shí)及難以追蹤破壞人員等問(wèn)題。智能陰極保護(hù)測(cè)試樁一旦被盜或者人為損壞時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位，將造成公司財(cái)產(chǎn)造成重大損失，也極大的增加了管道運(yùn)行安全隱患。另外，由于陰極保護(hù)測(cè)試樁內(nèi)往往連接有犧牲陽(yáng)極、管道測(cè)試線纜、試片連接線纜、參比電極連接線纜等，一旦遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備破壞或被盜，管道的陰極保護(hù)存在失效風(fēng)險(xiǎn)，管道處于腐蝕風(fēng)險(xiǎn)之中[3-5]。

因此，針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀，本文提出了一種用于測(cè)試樁的防盜定位報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)針對(duì)測(cè)試樁的人為觸動(dòng)和損壞，當(dāng)設(shè)備有震動(dòng)或位移時(shí)能馬上觸發(fā)報(bào)警，并通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)無(wú)線遠(yuǎn)程發(fā)送到云端，同時(shí)并啟動(dòng)定位跟蹤功能，從而有效解決設(shè)備的防盜定位和人為破壞的問(wèn)題。同時(shí)結(jié)合電位測(cè)量預(yù)警技術(shù)，在電位測(cè)量連續(xù)出現(xiàn)開(kāi)路或無(wú)窮大的情況時(shí)，可以初步判斷測(cè)試樁已存在被盜、破壞或故障的情況，實(shí)現(xiàn)測(cè)試樁報(bào)警系統(tǒng)的冗余備份，即在震動(dòng)或位移傳感器本身出現(xiàn)故障時(shí)，仍可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試樁狀態(tài)的預(yù)警，并與運(yùn)維人員及時(shí)掌握測(cè)試樁的運(yùn)行情況。

1 技術(shù)方案實(shí)施

這種用于智能電位測(cè)試樁的防盜定位報(bào)警系統(tǒng)，將基于現(xiàn)有的陰保智能電位測(cè)試樁進(jìn)行技術(shù)改造。該技術(shù)的具體實(shí)施方案為：

（1）在現(xiàn)有陰極保護(hù)測(cè)試樁的監(jiān)測(cè)主板上增加震動(dòng)傳感器，一旦有震動(dòng)或位移傾斜時(shí)儀器都可立即自動(dòng)喚醒遠(yuǎn)傳設(shè)備；（2）在遠(yuǎn)傳板上增加GPS定位器，當(dāng)發(fā)生震動(dòng)觸發(fā)報(bào)警后自動(dòng)將設(shè)備的GPS坐標(biāo)位置自動(dòng)時(shí)時(shí)傳輸至終端設(shè)備；（3）系統(tǒng)采用雙電源形式，一路電源采用電池外置供電，另一路電源采用平板電池內(nèi)置在主板上供電；（4）當(dāng)監(jiān)測(cè)主板檢測(cè)到設(shè)備震動(dòng)、位移或者外置電池被拔掉，便會(huì)立即觸發(fā)喚醒模式，并發(fā)送坐標(biāo)定位及信息；（5）在外置天線被拔掉后，內(nèi)置天線能繼續(xù)發(fā)送坐標(biāo)定位數(shù)據(jù)，終端設(shè)備配置短信網(wǎng)關(guān)，收到報(bào)警信號(hào)后發(fā)送短信至指定的一個(gè)或多個(gè)手機(jī)。

2 技術(shù)原理

技術(shù)原理如圖1～圖5所示，陰保智能電位測(cè)試樁的防盜定位報(bào)警系統(tǒng)，包括：智能陰保測(cè)試樁，測(cè)試樁頂端外側(cè)設(shè)有外置天線，外置天線連接設(shè)置在測(cè)試樁內(nèi)側(cè)上部的遠(yuǎn)傳設(shè)備，上部外側(cè)設(shè)有電連遠(yuǎn)傳設(shè)備的攝像頭，遠(yuǎn)傳設(shè)備上安裝GPS定位器，外側(cè)設(shè)有供電的外置電池，內(nèi)側(cè)設(shè)有內(nèi)置電池，內(nèi)側(cè)底端設(shè)有電連遠(yuǎn)傳設(shè)備的監(jiān)測(cè)主板，監(jiān)測(cè)主板上安裝震動(dòng)傳感器，監(jiān)測(cè)主板上安裝電連遠(yuǎn)傳設(shè)備的內(nèi)置天線，遠(yuǎn)傳設(shè)備通過(guò)通信模塊連接管理人員的終端設(shè)備。外置電池外側(cè)設(shè)有防水盒，震動(dòng)傳感器電連遠(yuǎn)傳設(shè)備，外側(cè)頂端安裝電連震動(dòng)傳感器的聲音報(bào)警器，終端設(shè)備是手機(jī)或者電腦。

圖1 智能陰保測(cè)試樁示意圖

圖5 電池檢測(cè)原理圖

該裝置使用過(guò)程中，陰極保護(hù)測(cè)試樁被安裝后應(yīng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，控制器休眠，系統(tǒng)處于低功耗模式；當(dāng)盜竊發(fā)生時(shí)，R1震動(dòng)傳感器產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)由振動(dòng)處理模塊轉(zhuǎn)換為電信號(hào)喚醒控制器；控制器能使GNSS模塊開(kāi)啟定位功能，同時(shí)能使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信連接云端數(shù)據(jù)中心，發(fā)送陰極保護(hù)測(cè)試樁的當(dāng)前實(shí)時(shí)位置。系統(tǒng)采用外置電池BM和內(nèi)置電池BA雙電源供電，當(dāng)盜竊發(fā)生若主電池被斷開(kāi)，電池檢測(cè)模塊會(huì)自動(dòng)切換為內(nèi)置電池供電，被發(fā)送電池丟失信號(hào)喚醒控制器，控制器能使GNSS和通信模塊發(fā)送實(shí)時(shí)位置。電源模塊的作用是實(shí)現(xiàn)電池電壓變換，并為各模塊提供電源。

監(jiān)測(cè)主板振動(dòng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)原理：R1為振動(dòng)傳感器，靜止?fàn)顟B(tài)阻抗為0，V1點(diǎn)電壓為0V，小于閾值電壓Vref，比較器輸出低電平；當(dāng)振動(dòng)發(fā)生時(shí)阻抗會(huì)增加，與電阻R2構(gòu)成分壓電路，當(dāng)R1阻值增加到使得V1點(diǎn)電壓大于閾值Vref，比較器輸出高電平,電位器R2可調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度。

外置電池?cái)嚯娫恚洪_(kāi)關(guān)S1、S2、S3的特征為控制極0V電壓時(shí)導(dǎo)通，為輸入電壓斷開(kāi)；Q1為晶體管，輸出主電池丟失信號(hào)；BM和BA分別為主電池和備用電池，當(dāng)主電池被接入時(shí)，G2點(diǎn)為輸入電壓，開(kāi)關(guān)S2S3截止；G1點(diǎn)被下拉至為0V，S1開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，由BM輸出電壓至Bat，Q1截止；當(dāng)主電池?cái)嚅_(kāi)，G2點(diǎn)被R2下拉至0V，S2、S3導(dǎo)通，由BA輸出電壓至Bat；G1點(diǎn)為輸入電壓，S1截止，Q1導(dǎo)通；開(kāi)關(guān)S1、S2、S3可選擇MOSFET、IGBT、功率三極管。

圖2 控制系統(tǒng)圖

圖3 遠(yuǎn)傳系統(tǒng)原理圖

圖4 振動(dòng)檢測(cè)原理圖

3 原理實(shí)現(xiàn)

（1）改進(jìn)現(xiàn)有陰極保護(hù)采集與傳輸中斷電路板，在原有陰保遠(yuǎn)傳板上增加震動(dòng)監(jiān)測(cè)位移模塊、防盜定位模塊、內(nèi)置防盜定位電池；

圖6 增加震動(dòng)監(jiān)測(cè)位移模塊

圖7 電路板改造前、后對(duì)比圖

（2）現(xiàn)場(chǎng)安裝監(jiān)測(cè)終端；

圖8

（3）系統(tǒng)運(yùn)行及部分功能展示；

圖9 軟件參數(shù)設(shè)置界面

該智能電位測(cè)試樁的防盜定位報(bào)警系統(tǒng)于2019年6月在福建LNG管道實(shí)施應(yīng)用，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，應(yīng)用效果良好，實(shí)現(xiàn)了陰保數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集，陰極保護(hù)設(shè)備的震動(dòng)監(jiān)測(cè)、防盜定位、電子地圖展示、短信報(bào)警等諸多功能，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控，利用現(xiàn)有的管保人員和線路巡線員，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和制止了多達(dá)20次的管道附近施工作業(yè)，很好的保護(hù)了管道及設(shè)備的運(yùn)行安全。該項(xiàng)目在福建LNG的示范性應(yīng)用，有效地解決了管道腐蝕在線監(jiān)測(cè)、陰保設(shè)備破壞遠(yuǎn)程監(jiān)控、設(shè)備丟失定位等技術(shù)難題，顯著提升了輸氣干線設(shè)備設(shè)施管理水平，建立了一支專(zhuān)業(yè)化的管道保護(hù)人才隊(duì)伍。

圖10 數(shù)據(jù)異常告警一覽表

圖11 地圖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)

圖12 陰保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

4 效益分析

直接經(jīng)濟(jì)效益：隨著國(guó)家城市化進(jìn)程及電力、鐵路的持續(xù)建設(shè)，需要的遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備越來(lái)越多，被人為破壞的概率越來(lái)越大，昂貴的遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備被盜后不能實(shí)時(shí)定位跟蹤設(shè)備位置，一旦發(fā)生丟失、經(jīng)濟(jì)損失巨大。目前，福建LNG一期372Km輸氣干線陰保智能電位測(cè)試、ER腐蝕探頭監(jiān)控系統(tǒng)及其他視頻監(jiān)控等設(shè)備（不包括管道本體）價(jià)值約1200萬(wàn)，根據(jù)設(shè)備的全生命周期管理（管道設(shè)計(jì)25年，已運(yùn)行10年），按照每年3%的丟失與破壞率計(jì)算，可節(jié)約設(shè)備成本540萬(wàn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前氣電集團(tuán)控股和未控股的管線總長(zhǎng)約4500Km，如能推廣，預(yù)計(jì)可節(jié)約設(shè)備成本6515萬(wàn)。隨著國(guó)家科技化、智能化戰(zhàn)略的進(jìn)程，技術(shù)可以逐漸在全國(guó)范圍應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益極為可觀。

間接經(jīng)濟(jì)效益：運(yùn)用智能電位測(cè)試樁實(shí)時(shí)監(jiān)控管道陰保效果，了解管道運(yùn)行實(shí)際情況，制定具有針對(duì)性的治理措施，大大降低了管道發(fā)生腐蝕穿孔的風(fēng)險(xiǎn)，避免了停氣換管造成的巨大影響和經(jīng)濟(jì)損失，防盜定位報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)施確保了長(zhǎng)輸管線智能電位測(cè)試樁及ER腐蝕探頭設(shè)備的運(yùn)行安全，為智能電位測(cè)試樁保駕護(hù)航，提升了油氣管線設(shè)備設(shè)施管理水平，節(jié)約成本的同時(shí)有效保障了國(guó)家油氣管線安全可靠運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著陰極保護(hù)遠(yuǎn)程采集與傳輸系統(tǒng)的不斷推廣與大面積應(yīng)用，有效降低了人工成本及人工在陰極保護(hù)電位測(cè)量過(guò)程中的主觀性，在有效降低陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)的綜合成本的同時(shí)，提高了檢測(cè)的有效性和準(zhǔn)確性。

遠(yuǎn)程采集與監(jiān)測(cè)終端安裝陰極保護(hù)測(cè)試樁中，測(cè)試樁往往都處于遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的偏遠(yuǎn)位置，測(cè)試樁內(nèi)往往線路復(fù)雜，涉及眾多監(jiān)測(cè)模塊，一旦出現(xiàn)破壞、被盜等事故時(shí)，管道的陰極保護(hù)可能處于失控狀況，管道存在極大的腐蝕隱患，如果長(zhǎng)時(shí)間未發(fā)現(xiàn)，管道可能出現(xiàn)腐蝕穿孔、腐蝕斷裂等嚴(yán)重事故。通過(guò)在管道安裝防盜定位報(bào)警系統(tǒng)，建立一整套針對(duì)破壞、被盜的傳感器動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)算法，有效預(yù)防了測(cè)試樁破壞、被盜等問(wèn)題。通過(guò)內(nèi)置的定位系統(tǒng)、雙電池冗余系統(tǒng)，能有效確定測(cè)試樁的既有位置，并通過(guò)影響系統(tǒng)及時(shí)回傳現(xiàn)場(chǎng)情況，充分提高了陰極保護(hù)的可靠運(yùn)行，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。