同步中斷條件下恒電位儀運行狀況對通/斷電位測量準確性的影響

吳桐宇

（中航油石化管道有限公司，北京 101318）

0 引言

油氣埋地鋼制管道腐蝕防護的核心工作包括持續識別和評估各種影響管道陰極保護有效性的風險因素，不斷采取行動將管體腐蝕控制在可接受范圍之內，以確保生產安全。GB/T 21448《埋地鋼制管道陰極保護技術規范》中提及在一般土壤和水環境下管道的最小保護電位（即管/地界面極化電位）應為-850mVCSE[1]，即應根據極化電位的水平評價管道陰極保護效果。

獲取極化電位的方法包括試片斷電法和通/斷電位法，由于管道長距離穿越各類地質、地貌環境，管道交叉并行，施工建設期隱患問題，外界環境干擾問題，管道自身及外界環境的復雜性導致陰極保護運行可靠性降低，有效開展陰極保護的維護管理需要綜合多種方法，通/斷電位法在其中發揮著不可替代的作用。基于測試樁位置開展的同步通/斷電位測試，可以確定陰極保護站的保護半徑、管道電連續狀態、輔助陽極地床陽極場的影響范圍、管道存在直流干擾的區間、陰極保護不達標的區間。即使管線受地鐵干擾，密間隔電位數據通過固定的靜態數據記錄儀做校正處理后依然可以分析出管線陰極保護不達標的區間[2,3]，尤其是在兩個測試樁之間的管線。

但是，要準確獲取通/斷電位數據，其中的關鍵步驟需要保證恒電位儀安裝同步中斷器后能持續穩定的工作，密間隔電位測試作為同步通斷法的典型應用[4]，大約在2000年前后從國外引進至中國，近20年的應用，行業逐步認識到，國內在恒電位儀上安裝同步中斷器與國外在整流器上安裝同步中斷器，其電源工作的穩定性存在本質差別。在國內使用的陰極保護電源中，恒電位儀用量超過90%，這種現象正好與國外相反，例如美國、英國、德國、獨聯體等國家，在選擇陰極保護電源設備時，原則上只考慮以可靠性高、穩定性好、故障率低、結實耐用等性能特征的整流器[5]。整流器的優勢在于實施同步中斷前后輸出電壓保持恒定不變，其穩定的工作狀態更適合開展通/斷電位測試，而恒電位儀在中斷時存在不能快速恢復輸出、故障報警、自動關機等問題[6,7]， 嚴重影響通/斷電位測量數據的準確性。

2020年更新的GB/T 21246《埋地鋼制管道陰極保護參數測量方法》與2007年版本相比，細化了斷電電位的測量方法，增加了密間隔電位測試中電流同步性的驗證要求[8]，但沒有針對國內應用較多型號的恒電位儀給出推薦的中斷周期參數，當恒電位儀安裝同步中斷器后其工作不穩定時，沒有給出解決方案，也沒有說明適應通/斷電位測試要求的恒電位儀和檢測設備應滿足的性能指標。因此，開展同步通斷條件下恒電位儀運行狀況對通/斷電電位測量準確性的影響，對于有效開展管道通/斷電位測量，評估長輸管道強制電流陰極保護系統工作的有效性具有重要的指導意義。

1 研究方法

在西部、西南、華北、華東、華南等地區，選取國內具有代表性的長輸油氣管道強制電流陰極保護系統，兼顧管道投產年份、敷設環境、直徑、防腐層類型及市場占有率較高的可控硅式和高頻開關式恒電位儀，累計涉及10種型號總計72臺恒電位儀，管線跨度3000公里。

在管道沿線多臺恒電位儀上加裝GPS中斷器，同步控制恒電位儀陰極保護電流的通斷[9]，在恒電位儀的輸出端子和每個強制電流陰極保護站特征點位置，采用Hexcorrder Pro可視化GPS同步高頻數據記錄儀[10]，基于恒電位儀恒電位、恒電壓、恒電流和手動工作模式下測試不同中斷周期和不同斷電時間恒電位儀輸出電壓和特征點電位的波形曲線，選擇合理的中斷周期，計算讀取通/斷電位的延遲時間[11-12]，同步監測恒電位儀的工作狀態，開展恒電位儀中斷有效性測試。基于測試數據，分析同步中斷條件下恒電位儀對通/斷電位測試準確性的影響：（1）選取72臺恒電位儀，結合各類陰極保護電源的工作原理，分析國內不同類型（可控硅式和高頻開關式）、不同型號恒電位儀及國外應用較多的整流器在同步中斷后工作的穩定性；（2）分析不同的工況下恒電位儀的響應時效，即不同工作模式（恒電位、恒電壓、恒電流和手動工作模式）、中斷周期和輸出參數條件，同時兼顧不同管徑，確定中斷周期和采集通/斷電位延遲時間的選取原則，當恒電位儀在強制中斷條件下不能有效工作時給出解決方案。

2 結果與討論

表1為選取的72臺恒電位儀的型號與管線分布，由表可見，72臺恒電位儀涉及兩個廠家的10種型號，諸多型號按照大類分為可控硅式恒電位儀和高頻開關式恒電位儀。其中PC-1A-1，PC-1B，PS-3E，PS-3F為可控硅式恒電位儀，HDV-4D/5B，HDV-4D-5，HDV-4D-9，HPS-1D，HPS-2，IHF為高頻開關式恒電位儀。

表1 不同型號恒電位儀分布

表2為不同類型陰極保護電源工作原理和各種工作模式說明，由表可見，恒電位儀與整流器的工作原理差異為：整流器需要用手動調節變壓器的抽頭來改變輸出；恒電位儀具有自測電路，可連續監測管地電位，并自動調節其輸出電流。

表2 不同類型陰極保護電源工作原理[13-18]

恒電位儀與整流器的工作模式差異為：整流器的輸出需要手動調整；可控硅式與高頻開關式恒電位儀其恒電位或恒電流工作模式其調節輸出的方式大體相似，都需要采樣信號與預置信號比較后自動調整輸出，其手動或恒電壓工作模式則需要通過現場測量管地電位的數值，確定恒電位儀輸出電壓的大小。

陰極保護電源的工作原理和不同的工作模式導致了同步中斷時其調整輸出響應時效的不同，其結果直接影響了同步通/斷電位測量時中斷周期和延遲時間的選擇。

2.1 同步中斷下不同類型陰極保護電源對通/斷電位測量準確性影響

經現場測試，圖2為同步中斷前述不同類型陰極保護電源形成的波形曲線，由圖可見，中斷不同類型陰極保護電源時形成的輸出電壓曲線分為六種形態：

（1）斷電周期內，恒電位儀輸出電壓持續上升至超出額定值，恢復通電，恒電位儀短時間（≤3s）無法啟動，無輸出電壓，測量通/斷電位數值一樣，計算IR降為0，代表設備為PC-1A-1，如圖2（a）所示；

（2）斷電周期內，恒電位儀輸出電壓持續上升至超出額定值，恢復通電，輸出電壓緩慢降至原始輸出值，當讀取通電電位的延遲時間過短，其數值偏負，計算IR降變大，代表設備為HPS-2、PC-1B、HPS-1D、PS-3E，如圖2（b）所示；

（3）斷電周期內，恒電位儀輸出電壓瞬間上升，未超額定值，隨后啟動輸出保護，其輸出電壓自峰值緩降，恢復通電，恒電位儀短時間（≤3s）無法啟動，無輸出電壓，測量通/斷電位數值一樣，計算IR降為0，代表設備為HDV-4D-5、HDV-4D-5B，如圖2（c）所示；

（4）斷電周期內，恒電位儀輸出電壓持續上升至額定值后，保持額定輸出狀態一直到結束斷電運行，恢復通電，恒電位儀啟動緩慢（≥3s），當讀取通電電位的延遲時間過短，測量通/斷電位數值一樣，計算IR降為0, 代表設備為IHF，如圖2（d）所示；

表2（續）

（5）恒電位儀在手動或恒壓工作模式下，斷電周期內，恒電位儀輸出電壓呈圓弧狀上升，恢復通電，輸出電壓快速恢復至原始輸出值，測試通/斷電位和實際值一致，代表設備為PS-3E、IHF，如圖2（e）所示；

（6）中斷整流器輸出，中斷和導通狀態下，整流器輸出電壓恒定，測試通/斷電位和實際值一致，如圖2（f）所示。

可見，恒電位儀在實施同步中斷時，只有呈現為（2）、（5）和（6）的工作曲線，才能有效開展通斷通/斷電位檢測，這就限定了陰極保護電源的選型：PC-1A-1、HDV-4D-5、HDV-4D-5B等型號的恒電位儀并不適合開展同步中斷測試；恒電位儀需要帶有恒電壓的工作模式，在開展通/斷電位測量時將其改至恒電壓運行，圖2（e）所示；當現有恒電位儀不能有效實施同步中斷時，可以用便攜式電源（如整流器）替換故障工作恒電位儀，模擬原始輸出參數，開展通/斷電位測試，圖2（f）所示。

圖2 同步中斷不同類型陰極保護電源形成的波形曲線

2.2 不同的工況條件下同步中斷恒電位儀其運行狀況對通/斷電位測量準確性影響

2.2.1 不同工作模式下恒電位儀響應時效分析

相同的中斷周期下（斷電1s，通電3s），測試不同型號恒電位儀在恒電位模式、恒電流模式、恒壓（手動）模式及外部安裝模擬負載模式的輸出電壓波形，并比較分析恒電位儀在自帶通斷模式下（斷電3s，通電12s）的輸出電壓波形，圖3為不同型號恒電位儀在不同工作模式和輸出參數下實施同步中斷形成的波形曲線，結果表明：

（1）由圖3（a）、圖3（c）可見，斷電周期內，恒電位儀輸出電壓上升速度的排序為：恒電流模式＞恒電位模式＞恒壓（手動）模式，恢復通電，恒電位儀輸出電壓恢復輸出的速度的排序為：恒壓（手動）模式＞恒電位模式＞恒電流模式，可以看出，恒壓（手動）模式最有利于實施中斷；

（2）當恒電位儀功能上不具備恒電壓（手動）工作模式，僅比較恒電位、恒電流工作模式下恒電位中斷時的響應時效問題：圖3（a）所示，斷電周期內，恒電位模式相比恒電流模式，恒電位儀輸出電壓限值更小，恒電流工作模式為55V，恒電位工作模式為45V，雖然恒電位儀在恒電位模式和恒電流模式都達到輸出極限，但恒電位工作模式下恒電位儀通電后啟動需要更長的時間，此時優先選擇恒電流工作模式實施中斷。另比較圖3（a）、4（b）、4（d）3臺恒電位儀的原始輸出電壓，分別為11.5V、7.3V和0.7V，原始輸出電壓越大，中斷后，輸出電壓上升至極限值持續的時間更短，此時優先選擇斷電時不會致電壓升達到極限值的工作模式來開展中斷測試，即參考圖3（b）、圖3（d）的工況選擇恒電位工作模式。可見，恒電位儀的原始輸出電壓越大，恒電位儀瞬間斷電發生輸出電壓超限的可能性就越大，此時，實施中斷測試選擇恒電位儀的工作模式時需要綜合和考慮恒電位的原始輸出參數；

圖3 恒電位儀在不同工作模式下實施同步中斷形成的波形曲線

（3）圖3（e）為恒電位實施中斷不能有效工作時，在外部加裝模擬負載[19]的測試曲線。由圖可見，外部加裝模擬負載后，反饋電位的信號和回路電阻同步切換至外部模擬負載上，斷電周期內恒電位儀輸出電壓正常，恢復通電，外部負載斷開，恒電位儀可以快速的恢復至原始輸出；

（4）圖3（f）為恒電位儀在自帶通斷模式（斷電3s，通電12s）測試輸出電壓的波形，可見，自帶通斷模式下恒電位儀輸出電壓的波形與外部安裝中斷器時形成的波形形態一致，但由于其斷電時間為3s，更長的斷電時間導致恒電位儀恢復通電后不容易啟動，恢復正常輸出的時間大于12s，這種狀態下，則不能用恒電位儀自帶通斷模式開展通/斷電位測試。

綜上，為恒電位儀選擇最優的工作模式實施中斷，有助于通/斷電位測試的順利開展。具體選擇方法為：臨時將恒電位儀轉至恒壓工作模式，模擬原始輸出電流參數，開展通/斷電位測試；當恒電位儀不具備恒電壓功能需采用恒電位或恒電流工作模式進行中斷時，應采用較短的斷時間(≤1s)，使恒電位儀輸出電壓在中斷時不發生超限問題，采用較長的通時間（≥3s），使恒電位儀能有效恢復至原始輸出狀態，保證通/斷電位測試數據的準確性；利用GPS同步高頻測試的恒電位儀輸出電壓波形數據指導開發“外部模擬負載”，通過安裝模擬負載使恒電位儀在中斷前后輸出電壓基本一致，保證中斷狀態下恒電位儀能夠持續穩定工作。

2.2.2 不同中斷周期下恒電位儀響應時效分析

分別在斷電300ms/通電700ms、斷電1s/通電3s、斷電3s/通電12s三種周期下測試恒電位儀輸出電壓波形，如圖4（a）和圖4（b）顯示，斷電周期下它們的電壓升分別為28V、44V和48V，即斷電時間越短，恒電位儀在斷電時輸出電壓就越不容易超限，這樣恒電位儀再啟動恢復至原始輸出花費的時間就更短，因此，用較短的斷電時間和相對長的通電時間更有利于開展通/斷電位測試。

圖4 不同的中斷周期對恒電位儀實施同步中斷形成的波形曲線

但是，通斷周期還需要考慮管道直徑、防腐層質量、管道敷設環境及沿線恒電位儀的輸出參數等因素，如圖5（a）所示，在同一條管線600km跨度內測試9處管地電位的波形，斷電電壓尖峰最長時間為500ms，最短時間為200ms，通電的電壓尖峰則受管道沿線各恒電位儀的工作狀態影響，圖5（b）顯示，至少需要通電2.8s后，工況最差的恒電位儀才能恢復原始輸出。對于不同的管徑，圖6（a），?1219管徑的斷電電位尖峰時間達到400ms，圖6（b），?610管徑的斷電電位尖峰時間則只有200ms，即大管徑管道斷電周期內形成的電壓尖峰持續時間更長。

圖5 同一條管線多臺恒電位儀輸出電壓和不同位置管地電位的波形曲線

圖6 不同管徑下管地電位的波形曲線

由上可見，恒電位儀在恒電位或恒電流工作模式下，中斷周期的選擇應保證：斷電時間選取應盡量短，通電時間選取要根據恒電位儀強制中斷后啟動至恢復正常輸出的時間而定；需要兼顧（避讓）斷電形成的電壓尖峰持續時間和恒電位儀再啟動恢復至正常輸出需要的時間；對于檢測距離較長的管線，讀取通/斷電位延遲的時間需要以管道沿線電壓尖峰持續時間最久位置點為基準[20]。檢測設備應滿足：中斷器應能夠靈活設置中斷周期和通/斷電時間；采集電位的數據記錄儀可以分別設置讀取通/斷電位的延遲時間等。

2.3 通/斷電電位測試條件下分析恒電位儀工作穩定性

圖7（a）記錄了3個周期的波形數據，可以看出恒電位儀每間隔1個周期啟動一次，按照這樣的狀態開展通/斷電位測試，利用數據記錄儀存儲數據后形成的曲線如圖7（c），而圖7（b）記錄了15個周期的恒電位儀輸出電壓波形，僅有4個周期內，恒電位儀做過啟動動作。這說明恒電位儀在中斷過程中可能發生間歇性工作，可見，僅采集一個周期的波形用來分析/識別中斷后恒電位儀能否穩定工作是不夠的。

圖7（d）為采用GPS同步數據記錄儀連續長時間監測恒電位儀輸出參數，形成恒電儀輸出電流/通電點電位曲線圖，持續穩定的輸出電流/通電點電位曲線說明了恒電位儀中斷過程中能夠穩定工作。可見，這種方法適用于追蹤恒電位的工作狀態，有助于尋找現場測試數據異常或無法合理解釋的原因。

圖7 通/斷電位測試條件下判別恒電位儀工作穩定性的數據曲線

2.4 同步通斷條件下中斷周期和讀取通/斷電位延遲時間的設置原則

總結不同類型陰極保護電源在不同的工作模式、輸出參數、周期、管徑、管道敷設環境等因素下測試的各種波形曲線，確定選取中斷周期和采集通/斷電位延遲時間的基本原則。

2.4.1 同步通斷條件下中斷周期設置原則

（1）在恒壓或手動的工作模式下，恒電位儀不存在強制中斷后響應延時問題，對于中斷周期的選擇較靈活；

（2）恒電位儀在恒電位或恒電流工作模式下，斷電時間選取應盡量短，控制在300ms～1s之間，斷電的最短時間應比瞬間斷電形成電壓尖峰的時間大100ms，通電時間選取要根據恒電位儀強制中斷后啟動至恢復正常輸出的時間而定，通電后恒電位儀如果長時間（≥3s）不能啟動時，應開展測試（改變現有恒電位儀的工作模式、安裝外部模擬負載、應用便攜整流器替換現有恒電位儀）選擇合理的緩解方案；

（3）中斷周期的調整原則：以管道系統內工況最差的恒電位儀所選中斷周期為基準，確定檢測區間管線其它恒電位儀的中斷參數。

2.4.2 同步通斷條件下計算讀取通/斷電位的延遲時間

（1）準確讀取通/斷電位需要確定兩個延遲時間，應以管道沿線電壓尖峰持續時間最久位置點為基準，分別設置瞬間斷電延遲時間和恒電位儀恢復輸出的延遲時間；

（2）測試斷電電位延遲時間的選擇要考慮瞬間斷時形成的電壓尖峰，電壓尖峰的大小與管徑、防腐層質量、管道敷設環境及恒電位儀輸出電流大小有關，延遲時間要根據管地電位的波形計算確定，直徑小于700mm的管道推薦的斷電時間為300ms，延遲時間為200ms，直徑大于700mm的管道推薦的斷電時間為1s，延遲時間為800ms；

（3）測試通電電位的延遲時間需要考慮恒電位儀的型號及輸出參數，根據恒電位儀輸出電壓的波形，計算其恢復正常輸出所需的時間，其延遲時間應大于恒電位恢復輸出所需要的時間。

3 結語

陰極保護電位數據采集為管道外腐蝕完整性管理提供數據支撐，是業主制定維修和維護方案的基礎，同步中斷條件下分析恒電位儀運行狀況對通/斷電位測量的適用性，通過改變恒電位儀的工作模式、調整中斷周期和采集通斷電位數據的延長時間、優化恒電位儀及檢測設備選型、安裝外部模擬負載等方式改善恒電位儀中斷過程中的響應時效問題，為順利開展通/斷電位測試奠定基礎，準確獲取陰極保護評價數據后，系統分析管道陰極保護系統存在的各類問題并開展治理，以促進管道外腐蝕管理的完整性，降低管道腐蝕風險，保證管道運行安全。