基于交流阻抗技術(shù)的海水管路腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張曉東，許志雄，張聰，高新華，遲迎

1海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院，湖北武漢430033

2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

0 引 言

船舶海水管路腐蝕破損95%發(fā)生在易蝕部位［1-2］，通常包括：分流管件、匯流管件、分管、插管、焊縫及異種金屬耦接部位。其中異種金屬耦接部位之間的電化學(xué)腐蝕是海水管路腐蝕破損的主要形式之一。為了防止此類(lèi)腐蝕，通常采取加裝絕緣墊片的措施隔離需要連接的不同金屬件［3］。隨著船舶服役時(shí)間延長(zhǎng)，這些墊片可能發(fā)生絕緣性能下降甚至失效的情況。一旦絕緣墊片失效，將不可避免地導(dǎo)致耦接金屬件中的金屬件加速腐蝕，在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響艦船的使用安全。因此，針對(duì)異種金屬海水管路間的電絕緣性能監(jiān)測(cè)技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注和重視。

張海麗等［4-6］通過(guò)在工業(yè)純鈦和銅鎳合金之間串聯(lián)不同阻值的電阻并進(jìn)行電偶腐蝕試驗(yàn)的方法，證明了異種金屬海水管路間的電絕緣性能與絕緣墊片的電阻值有著直接的關(guān)系。雖然可通過(guò)測(cè)量絕緣墊片的電阻來(lái)評(píng)判電絕緣性能的好壞，但對(duì)絕緣墊片阻值的測(cè)量缺乏相關(guān)研究。管路在干態(tài)下（即管內(nèi)無(wú)海水），可直接在管路兩端施加直流激勵(lì)，通過(guò)測(cè)量回路電流，根據(jù)歐姆定律，計(jì)算絕緣電阻值。這種方法只適用在干態(tài)情況下測(cè)量，而對(duì)于濕態(tài)下（即管路存在海水），管路、絕緣墊片和海水構(gòu)成了腐蝕體系，施加直流激勵(lì)會(huì)對(duì)兩端造成電荷積聚，影響腐蝕體系的正常腐蝕狀態(tài)。本文將設(shè)計(jì)一種基于交流阻抗技術(shù)的海水異種金屬管路間電絕緣性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管路在干態(tài)和濕態(tài)下均適用的電絕緣性能監(jiān)測(cè)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案

采用電化學(xué)阻抗譜法（EIS）測(cè)量管段間的絕緣墊片電阻需要在絕緣法蘭中間插入一個(gè)薄金屬片，如圖1所示。圖中，WE是工作電極，安裝于絕緣墊片上，RE是輔助電極，安裝于管路上，測(cè)量裝置通過(guò)監(jiān)測(cè)WE和RE之間的電位差和電流，用于計(jì)算交流阻抗。通過(guò)測(cè)量薄金屬片與A，B管路之間的交流（1～10 kHz）阻抗，即可計(jì)算出法蘭的絕緣電阻。測(cè)量過(guò)程中，將幅值100 mV左右的正弦波加載到金屬片與管段之間，測(cè)量阻抗譜，從而得到兩個(gè)管段間絕緣法蘭的電阻。這種方法將濕態(tài)問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)楦蓱B(tài)問(wèn)題進(jìn)行處理，測(cè)量數(shù)據(jù)精確可靠，且不會(huì)對(duì)原腐蝕體系產(chǎn)生影響。

圖1 海水管段間絕緣墊片電絕緣性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Monitoring system of the electrical insulating performance for the spacer between seawater pipe sections

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主要包括電源模塊、單片機(jī)模塊（MCU）、DDS信號(hào)發(fā)生器和通信模塊等，如圖2所示。

圖2 海水管段間絕緣墊片電絕緣性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware composition of electrical insulatine performance monitoring system for the spacer between seawater pipe sections

2 交流阻抗技術(shù)基本原理

EIS是一種以小振幅正弦波電位（或電流）為擾動(dòng)信號(hào)的電化學(xué)測(cè)量方法［7-10］。該方法對(duì)腐蝕體系擾動(dòng)的電信號(hào)振幅小，既可避免對(duì)腐蝕體系產(chǎn)生大的影響，也可使擾動(dòng)與腐蝕體系的響應(yīng)之間近似呈線(xiàn)性關(guān)系，這就使測(cè)量結(jié)果的數(shù)學(xué)處理變得簡(jiǎn)單。交流阻抗法是在電極系統(tǒng)上施加一定頻率的小幅值正弦波擾動(dòng)信號(hào)，由電極系統(tǒng)的響應(yīng)與擾動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系得到電極阻抗。

EIS主要用于研究金屬材料在各種環(huán)境中的耐蝕性能和腐蝕機(jī)理，可以同時(shí)測(cè)得絕緣電阻值和材料的極化電阻。EIS的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)被測(cè)體系干擾小、抗干擾能力強(qiáng)，可用于現(xiàn)場(chǎng)的絕緣電阻測(cè)量［11］。

測(cè)量系統(tǒng)的等效電路圖如圖3所示。圖中：Rp為絕緣墊片阻值；Rs為體系溶液電阻；Cdl為界面電容。在測(cè)量時(shí)RE處接參比電極，WE處接儀器的工作電極。電路中RE和WE兩端的等效阻抗Z為

將 s替換為 jω，有

圖3 海水管段間絕緣墊片電絕緣性能監(jiān)測(cè)等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of monitoring electrical insulating performance for the spacer between seawater pipe sections

式中：ω=2πf，為掃描信號(hào)的角頻率；s為拉普拉斯算子。

對(duì)待測(cè)體系施加不同頻率的信號(hào)，通過(guò)相關(guān)積分算法計(jì)算輸出信號(hào)到輸入信號(hào)的傳遞函數(shù)，使用頻譜法計(jì)算得到等效電路中的3個(gè)參數(shù)Rs，Rp和Cdl。測(cè)量時(shí)，考慮到待測(cè)體系中的等效電容較大，首先對(duì)其施加高頻交流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，在高頻信號(hào)下，根據(jù)電路理論，電容Cdl的阻抗較小，近似認(rèn)為短路，則待測(cè)體系等效阻抗|Z|約等于Rs。然后，再對(duì)待測(cè)體系施加低頻信號(hào)，這時(shí)電容Cdl近似為開(kāi)路狀態(tài)，則體系的等效阻抗|Z|為Rs加上Rp的值，通過(guò)高、低頻阻抗相減可以得到絕緣墊片的阻值。

3 主要電路模塊設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊設(shè)計(jì)

圖4所示為電源模塊電路。其中信號(hào)調(diào)理電路使用±5 V電壓供電，單片機(jī)系統(tǒng)采用3.3 V電壓供電。

3.2 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

采用C8051F060單片機(jī)作為主控制器，內(nèi)含2個(gè)16位AD轉(zhuǎn)換器和2個(gè)12位DA轉(zhuǎn)換器（用于模擬DDS合成正弦波激勵(lì)信號(hào)）。

3.3 通信模塊設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)與PC上位機(jī)之間采用RS-485總線(xiàn)進(jìn)行雙向通信，并對(duì)485通信電路進(jìn)行光電隔離抗干擾處理。用戶(hù)可通過(guò)PC機(jī)進(jìn)行控制測(cè)量系統(tǒng)工作、讀取測(cè)量數(shù)據(jù)等操作。圖5為通信模塊電路。

圖4 電源模塊電路Fig.4 Power supply module circuit

圖5 通信模塊電路Fig.5 Communication module circuit

3.4 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于輸入信號(hào)存在幅值（幅值可能超過(guò)單片機(jī)的輸入電壓而對(duì)單片機(jī)造成損壞）和極性（存在正、負(fù)雙極性）的不確定性，模擬信號(hào)在進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換前，需要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，如圖6所示。將輸入信號(hào)進(jìn)行限幅和極性轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換為0～2.5 V的對(duì)單片機(jī)安全的單極性信號(hào)，進(jìn)而輸入單片機(jī)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換處理。16位AD轉(zhuǎn)換器的分辨率和信號(hào)的運(yùn)算處理，可以令本系統(tǒng)對(duì)電位測(cè)量的分辨率達(dá)到0.1 mV，滿(mǎn)足測(cè)量要求。

圖6 信號(hào)調(diào)理電路Fig.6 Signal conditioning circuit

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)異種金屬海水管路間電絕緣性能監(jiān)測(cè)的具體要求，系統(tǒng)軟件要實(shí)現(xiàn)對(duì)海水管路間絕緣墊片的實(shí)時(shí)電阻測(cè)量，并能對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存和回調(diào)。系統(tǒng)軟件主要分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)測(cè)量系統(tǒng)軟件兩個(gè)部分。為滿(mǎn)足系統(tǒng)功能需求，系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用Visual Basic 6.0編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)［12］，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，控制下位機(jī)測(cè)量并顯示測(cè)量結(jié)果信息。測(cè)量系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，主要由主控制程序和量程自適應(yīng)程序組成，如圖7所示。其中，主控制程序部分主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)的初始化，通過(guò)內(nèi)部高精度定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷，在中斷服務(wù)中測(cè)量并存儲(chǔ)絕緣墊片的電阻。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)到上位機(jī)發(fā)送的指令后會(huì)產(chǎn)生串口接收中斷，在串口中斷服務(wù)中識(shí)別上位機(jī)指令，并針對(duì)不同指令分別執(zhí)行不同子程序，例如接收到讀取歷史數(shù)據(jù)指令，則立即將測(cè)量的歷史數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)軟件。

量程自適應(yīng)程序首先選擇中間量程進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)判斷測(cè)量結(jié)果偏大還是偏小，然后單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān)選擇相應(yīng)的測(cè)量量程來(lái)達(dá)到自適應(yīng)量程的目的。

5 系統(tǒng)精度測(cè)試

圖7 測(cè)量系統(tǒng)軟件流程圖Fig.7 Flow chart of measurement system software

在DN100銅—鋼管路中循環(huán)通入與海水鹽度（3.5%）相當(dāng)配比的鹽水，以此在海水管路兩端并聯(lián)電阻箱，搭建模擬海水管路試驗(yàn)臺(tái)架，分別測(cè)量7種精密電阻的阻抗值（100，1 000，10 000，100 000 Ω以及1，10，100 MΩ），并采用DMM4020泰克精密臺(tái)式萬(wàn)用表對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證。

DMM4020泰克精密臺(tái)式萬(wàn)用表具有5.5位分辨率，百兆歐以?xún)?nèi)電阻測(cè)量分辨率高達(dá)1 mΩ。

測(cè)試結(jié)果如表1所示。通過(guò)比較監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與高精度臺(tái)式萬(wàn)用表的結(jié)果，可以看出本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的阻抗測(cè)量范圍在10 MΩ以?xún)?nèi)，測(cè)量誤差均在5%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足海水管路間電絕緣性能監(jiān)測(cè)的要求。

表1 絕緣電阻測(cè)量?jī)x對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻的測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results of insulation resistance meter to standard resistance

6 結(jié) 語(yǔ)

本文主要針對(duì)目前異種金屬海水管路間絕緣墊片缺乏專(zhuān)用的電絕緣性能監(jiān)測(cè)儀器、設(shè)備的現(xiàn)狀，基于交流阻抗技術(shù)，設(shè)計(jì)和研制了一套海水異種金屬管路間電絕緣性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)絕緣墊片電阻的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)絕緣墊片的電絕緣性能間接反應(yīng)海水管路腐蝕狀況，對(duì)發(fā)生電絕緣性能下降嚴(yán)重的海水管路及時(shí)采取措施，消除隱患，減少和預(yù)防因絕緣墊片電絕緣性能下降帶來(lái)的海水管路異種金屬電化學(xué)腐蝕，確保海水管路正常運(yùn)行，對(duì)海水管路腐蝕狀況監(jiān)測(cè)具有指導(dǎo)意義，其經(jīng)濟(jì)效果顯著。本文所設(shè)計(jì)和研制的海水管路腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，達(dá)到了對(duì)異種金屬海水管路間絕緣墊片電絕緣性能監(jiān)測(cè)的使用要求，具有較高的實(shí)用價(jià)值，適合大范圍推廣使用。