基于STM32的油氣管道陰極保護電壓自動檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

汪銳，王洪鈞，焦爽

1.湖北省天然氣發(fā)展有限公司（湖北 武漢 430000）

2.中國石油西氣東輸管道公司（寧夏 銀川 754000）

0 引言

截至2018年底，我國境內(nèi)油氣管道已累計建成13.60×104km，名列世界第3位[1-2]。但是，我國油氣管道的年平均事故率高于北美地區(qū)[3]，其中，腐蝕是造成油氣管道事故的主要原因之一[4]。例如：2013年11月22日青島油氣管道爆炸事故是由于管道腐蝕導致原油泄漏造成的特別重大事故。

為防止油氣管道腐蝕穿孔或失效，我國主要采用防腐涂層結(jié)合陰極保護等措施進行綜合防護。其中，陰保電位是評價管道陰保效果的重要參數(shù)。目前，主要采取人工方式在管道測試樁上進行定期采集。受現(xiàn)場巡護人員素質(zhì)、測量儀器、自然環(huán)境等因素影響，管道企業(yè)很難獲取管道沿線準確有效的管道保護電位數(shù)據(jù)，不利于后續(xù)開展管道陰極保護有效性評價工作，無法及時發(fā)現(xiàn)管道的腐蝕風險。因此，本文設(shè)計了一種管道電位自動采集裝置，以協(xié)助企業(yè)定期準確獲取管道沿線各區(qū)域的陰保電位，方便企業(yè)現(xiàn)場管理并降低管道運行風險和成本。

1 系統(tǒng)設(shè)計

STM32是基于ARM Cortex?-M3內(nèi)核的微處理器（MCU），內(nèi)部集成有GPIO、USART、ADC、RTC、DMA等豐富的外設(shè)資源，同時具有低成本、低功耗、高性能等特點。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時，通常僅需要配置簡單的系統(tǒng)供電電路，設(shè)計相應(yīng)的控制電路、檢測電路和通訊電路就可實現(xiàn)系統(tǒng)的快速開發(fā)。因此，本文選用STM32作為MCU對管道陰保電位自動采集系統(tǒng)進行設(shè)計和開發(fā)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 陰保電位自動采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 電源模塊

電源模塊負責給MCU控制系統(tǒng)及GPRS通訊模塊分別提供3.3 V及5.0 V的供電電壓，同時也為ADC采樣提供3.3 V的高精度基準電壓。

1.2 陰保電位采集

陰保電位采集由檢測回路與電壓調(diào)理回路組成，并利用MCU的內(nèi)部ADC采樣器進行采樣。檢測回路主要將管道陰保電位經(jīng)過簡單的硬件濾波和極性處理后，送入電壓調(diào)理電路，將陰保電位調(diào)整到0～3.3 V供MCU進行采樣。

1.3 通訊模塊

管道測試樁“零散”分布在管道沿線，通常不具備常規(guī)的RS485、光纖等有線通信方式，本文利用MCU與GPRS模塊將陰保電位通過無線方式進行傳輸。同時，為方便用戶配置采樣周期、目標號碼等參數(shù)，利用MCU的串口實現(xiàn)上位機的參數(shù)配置功能。

1.4 本地存儲單元

系統(tǒng)配置的參數(shù)存儲在MCU內(nèi)部的Flash中，與此同時，為防止GPRS模塊因信號不良或欠費造成的檢測數(shù)據(jù)丟失問題，現(xiàn)場將管道電位同時存儲在外部SD卡中，以便用戶必要時讀取使用。

1.5 系統(tǒng)休眠與喚醒

管道測試樁分布在野外，很難獲取穩(wěn)定可靠的供電電源。為節(jié)約系統(tǒng)能耗，方便現(xiàn)場管理，本文利用了MCU的低功耗模式和RTC喚醒功能，使系統(tǒng)能夠按照用戶設(shè)定的運行模式，定期喚醒設(shè)備進行電位采集和傳輸，最大限度降低系統(tǒng)能耗。

2 應(yīng)用分析

2.1 現(xiàn)場應(yīng)用

將設(shè)計的管道陰極保護電位自動檢測系統(tǒng)在某天然氣管道現(xiàn)場進行了3處試點應(yīng)用，其中選擇2處人員較難進入的水田，1處為普通地區(qū)。普通地區(qū)的試點測試樁同時安排巡線員在試點期間利用Fluke 115C萬用表進行陰保電位測試和記錄。現(xiàn)場安裝示意如圖2所示。

圖2 陰保電位自動采集系統(tǒng)現(xiàn)場安裝示意圖

在原有測試樁的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場新裝了長效參比電極和本文設(shè)計的管道陰保電位自動采集裝置，將測試樁原有測試電纜、參比電極電纜分別與采集裝置相連，同時利用PC機對裝置的定期喚醒采集時間（每天10:00am測量）、裝置編號（位置）及目標接收端號碼進行了設(shè)置。

2.2 數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場連續(xù)1個月對3處試點測試樁進行檢測，為方便對比分析，將其中1處同時進行自動檢測和人工檢測的試點測試樁數(shù)據(jù)進行分析。試點測試樁檢測數(shù)據(jù)見表1，電位分布圖如圖3所示。

通過圖3分析可知，陰保電位自動檢測系統(tǒng)因經(jīng)過軟、硬件濾波，同時避免人為操縱誤差，采集的數(shù)據(jù)相對人工采集的數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)和可靠，兩者相差最大的電壓誤差為0.089 V。

此外，管道巡線人員通常在執(zhí)行巡線任務(wù)的同時進行陰保電位檢測，受現(xiàn)場監(jiān)護任務(wù)、雷雨等因素影響，很難保證每天準點進行電位測量。若多點測量時，更加難以保證定時測量。而自動采集裝置每天約10:01am定時將電位檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至指定的客戶端，通過客戶端短信不僅可以讀取陰保電位數(shù)據(jù)，還能間接反應(yīng)自動檢測裝置的工作狀態(tài)。

表1 管道陰保電位檢測數(shù)據(jù)

圖3 不同采集方式下的電位分布圖

3 結(jié)束語

根據(jù)以上現(xiàn)場數(shù)據(jù)對照結(jié)果，本文設(shè)計的管道陰極保護電壓自動檢測系統(tǒng)，無需對原有測試樁進行較大改動，僅需投入較少的成本就可以實現(xiàn)管道電位的自動采集和傳輸，以獲取準確的管道陰保電位，有效避免了人為測量引入的較大測量誤差，同時也消除了自然環(huán)境對測量作業(yè)的不利影響，對后續(xù)陰極保護系統(tǒng)有效性評價及管道防護具有重要的意義。