自主研制電位儀在水下構(gòu)件電位測量的應(yīng)用

柯呂雄，鄒道標(biāo)，李大全，劉　凱，湯海江，王全祿

(1．中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東湛江　524057；2．海洋石油工程股份有限公司，天津　300452)

0　引言

目前海洋平臺水下部分結(jié)構(gòu)廣泛采用的腐蝕防護方法是防腐涂層和陰極保護的聯(lián)合方法。在防腐系統(tǒng)保護下，海洋平臺表面的保護狀態(tài)可由一些參數(shù)來表征，主要包括保護電位、保護電流密度、陽極電流和陽極電壓的測量。保護電位的大小直接關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)的保護效果的好壞，應(yīng)該避免電位過正(欠保護)和電位過負(過保護)的情況。針對電位測量的特點，自主研制出一套適用于我國海洋平臺水下檢測的電位儀，并在潿洲11-4D平臺水下檢測中進行實海應(yīng)用。

1　電位測量原理

在陰極保護工程中，施加陰極保護后的結(jié)構(gòu)物表面電位(即保護電位)是判斷陰極保護系統(tǒng)有效性及保護程度的一個極其重要的參數(shù)。從電化學(xué)角度，這種測量是通過參比電極實現(xiàn)的；從海洋工程角度，將這種參比電極加以適當(dāng)處理可制成專用的測量探頭。

1.1保護電位

當(dāng)保護電位偏正，會出現(xiàn)析氫現(xiàn)象，達不到設(shè)計要求的保護效果。當(dāng)保護電位偏負時，消耗的電量加大不經(jīng)濟，同時也會出現(xiàn)“過保護”問題。因此，保護電位應(yīng)選取在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。我國將海洋鋼結(jié)構(gòu)的保護電位定為-0．77～1．05 V(相對于飽和甘汞參比電極)。

1.2參比電極

參比電極是作為基準電位的電極。影響參比電極的主要因素包括溫度、光線、電解質(zhì)濃度和雜質(zhì)玷污等。

不同的參比電極在測量保護電位時所需達到的最小保護電位是不同的，目前使用較多的是Ag/AgCl電極、飽和甘汞電極、高純鋅參比電極，飽和CuSO4等，其參比電極的部分參數(shù)如表1所示。

表1　幾種常見參比電極及其相關(guān)參數(shù)

根據(jù)以上分析，在海水環(huán)境中，Ag/AgCl電極是比較理想的電極，并且可以應(yīng)用到深海環(huán)境中，因此選用Ag/AgCl作為電位測量儀參比電極。

2　國內(nèi)外電位儀研究現(xiàn)狀

國內(nèi)適合潛水員水下操作的電位儀產(chǎn)品較少，中國鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所曾介紹了一種槍式水下電位儀，并有專利，但現(xiàn)在沒有相應(yīng)的產(chǎn)品。上海交通大學(xué)海洋研究所針對跨海大橋防腐檢測需要，研制了一款SDC-8100型水下電位測量儀，其測法是把參比電極浸到海水中需要進行電位測量的位置，在水面以上用萬用表，電導(dǎo)儀等高輸入阻抗的電表測量電位。

國外比較成熟的產(chǎn)品有英國Buckleys(UVRAL)Ltd．生產(chǎn)的BCM電位儀，深水公司生產(chǎn)的Polatrak CP Gun電位儀，均為便于水下操作的槍式結(jié)構(gòu)，電位測量采用了輸入阻抗較高的電壓表頭，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和遠程傳輸及處理功能?，F(xiàn)國內(nèi)海洋石油水下檢測行業(yè)基本上都是使用BCM電位儀。

3　自主研制電位儀研制

針對我國海洋環(huán)境，自主研制一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的可在渾濁水下電位測量的電位儀，采用STM32單片機控制，高精度的A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電位測量，RS-485完成長距離通訊。通過電位儀手柄電纜接頭與電纜連接，將測量數(shù)據(jù)傳輸至水面控制器，并由上位機控制程序?qū)崿F(xiàn)電位的水上顯示和記錄，數(shù)據(jù)處理和打印工作。電位儀也可單獨測量，測量前使用短接封堵頭將手柄電纜接頭短路，由電位儀內(nèi)置電池供電進行水下檢測，并由LED數(shù)碼管顯示測量數(shù)據(jù)。電位儀整體框圖如圖1所示。

圖1　水下電位儀電路框圖

電源送入電路主板后，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換模塊變化為電路中需要的電壓，送入各芯片。電路的主控制芯片為STM32單片機，ADC采用外接基準源來提高測量準確性。外接電位測試探頭將模擬信號送入AD623放大器中，AD623將模擬信號緩沖后，送入主芯片內(nèi)的ADC中進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后得到的電壓值將直接顯示在數(shù)碼管上。

為徹底解決渾水環(huán)境下電位測量難點，特開發(fā)一套集攝像、顯示于一體的水下攝像系統(tǒng)，如圖2所示。低照度攝像頭獲取的監(jiān)視圖像通過同軸電纜進行傳輸，經(jīng)視頻放大器放大信號，一路通過采集卡進行攝像部分，另外一路將AV信號轉(zhuǎn)換為VGA信號輸出，實現(xiàn)信號的同步VGA輸出和攝像功能。

圖2　電位儀和低照度水下攝像機集成框圖

4　自主電位儀的應(yīng)用

自主研制的電位儀在潿洲11-4D平臺水下檢測項目中進行了測試，使用自主研制的電位儀對平臺桿件及陽極進行電位測量，為使測量結(jié)果具有可比性，潛水員同時攜帶進口BCM電位儀分別對同一點進行電位測量。

4．1電位儀校準

在使用電位儀前，為了保證測量數(shù)據(jù)的準確度，需對其進行校準。電位儀校準儀器包括1．999 V電子校準器、飽和甘汞電極和高純鋅塊。

4.1.1電子校準器

用來檢查電位儀的電子部分。當(dāng)電子校準器連接到電位儀后，若電位儀內(nèi)部的電子設(shè)備工作正常，校準器將產(chǎn)生一個直流1．999 V的精確電壓。

4.1.2飽和甘汞電極

使用飽和甘汞電極檢驗整個系統(tǒng)的測量結(jié)果是否準確。

校準步驟：甘汞電極與電位儀探頭處連接，使用短接封堵頭將電位測量儀密封，將儀器放入海水中浸泡10～15 min，確保水位覆蓋整個前部椎體。甘汞電極與內(nèi)部Ag/AgCl之間產(chǎn)生的電壓差穩(wěn)定后，讀取數(shù)據(jù)。

4.1.3高純鋅塊

使用鋅試塊可以快速的檢查水下電位計。由于不同地點海水的鹽濃度的不同，以及由于海水溫度的變化，讀數(shù)之間誤差10 mV是很可能出現(xiàn)的。作為一個參考，在25 ℃環(huán)境溫度的3%的鹽溶液中，測量的讀數(shù)應(yīng)為：

Zinc(Zn)=1.00-1.05 V

4.2測點選擇

該次電位測量測點選擇遵循選擇最危險區(qū)域的原則，包括管節(jié)點，遠離陽極塊，保護層局部損壞的區(qū)域，以及消耗異常的陽極及附近結(jié)構(gòu)。陽極和桿件分別選取11處測點進行電位測量，選擇的測點能客觀反映導(dǎo)管架的保護狀況。

4．3桿件電位測量

在每個桿件測點處選取3、6、9、12點測量電位，分別同時使用巴氏電位儀和自主研制電位儀測量電位值，測量結(jié)果詳見示意圖。按照相關(guān)設(shè)計規(guī)范，平臺桿件的正常保護電位應(yīng)在-800～1 020 mV之間(所用參比電極為Ag/AgCl電極)。本次11處桿件電位測量，基本分布在-970～1 040 mV區(qū)間，桿件電位基本顯示正常，部分桿件電位存在過保護現(xiàn)象。

圖5　桿件電位分布示意圖

由桿件電位分布可以看出，巴氏電位儀測量值與自主研發(fā)電位儀測量值差值基本分布在-2～7 mV以內(nèi)，滿足電位儀研制目標(biāo)中電位儀誤差不超過±5 mV的目標(biāo)。

4．4導(dǎo)管架陽極電位測量

每個陽極選取中間和兩邊共3個點，分別同時使用巴氏電位儀和自主研發(fā)電位儀測量電位值，測量結(jié)果詳見示意圖。根據(jù)規(guī)范要求，陽極塊上的電位值是-1 000～1 100 mV(Ag/AgCl電極)之間。本次11處陽極電位測量，基本分布在-1 000～1 100 mV區(qū)間，陽極電位顯示正常。

由陽極電位分布可以看出，巴氏電位儀測量值與自主研發(fā)電位儀測量值差值基本分布在-5～4 mV以內(nèi)，滿足電位儀研制目標(biāo)中電位儀誤差不超過±5 mV的目標(biāo)。

5　結(jié)束語

針對電位測量的特點，自主研制出我國首款成產(chǎn)品的適用于我國海洋平臺水下檢測的電位測量儀，產(chǎn)品自帶LED數(shù)碼顯示，有纜模式加微光攝像頭，可在渾水環(huán)境下進行電位測量。在潿洲11-4D平臺水下檢測中進行實海應(yīng)用證實，自主研制的電位儀性能穩(wěn)定，滿足水下結(jié)構(gòu)物電位測量的要求，達到國際同類產(chǎn)品水平。

圖6　陽極電位分布示意圖

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