基于同步通斷的管道斷電電位測量方法

吳有更 李亞菲 張巍威 高 建 張 勇

（國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司榆濟管道有限責(zé)任公司，山東 濟南 250000）

0 引言

陰極保護系統(tǒng)作為油氣管道腐蝕防護系統(tǒng)的重要組成部分，可在管道防腐層局部失效的條件下，保護管道免受環(huán)境的電化學(xué)腐蝕。目前國外多是采用整流器為管道提供陰極保護電流，近年來中國天然氣管道建設(shè)已迎來快速發(fā)展階段［1-2］，考慮到中國國內(nèi)復(fù)雜的自然環(huán)境多是采用恒電位儀和犧牲陽極相結(jié)合的方法為管道提供陰極保護［3-5］，針對站外埋地長輸管道主要采用恒電位儀提供陰極保護。按照《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范：GB／T 21448—2017》標(biāo)準(zhǔn)要求［6-9］，應(yīng)采用管道對地的極化電位或斷電電位評價管道陰極保護的有效性，然而極化電位不易測量，因此在管道日常運行管理中，需要定期測量管道的斷電電位，用以評價管道陰極保護的效果。

管道斷電電位的測量主要有兩種方法，一種是極化試片法，在管道附近埋設(shè)管道同材質(zhì)的試片，通過測試樁引線對試片提供陰極保護，通過測量斷電瞬間極化程度與管道相同試片的斷電電位來獲取近似管道的陰極保護電位［10］。該方法測量時，試片需要充分極化，埋設(shè)永久試片是比較可行的辦法，但目前的長輸管道大部分均未埋設(shè)永久試片，便攜式試片極化時間較長，測試周期也較長，因此該方法在長輸管道中仍未廣泛使用。另一種方法是同步通斷法，在全線陰保站恒電位儀上安裝衛(wèi)星時鐘同步通斷器，并設(shè)置在合理的通/斷循環(huán)狀態(tài)下同步運行，采用設(shè)備對管道斷電電位進行現(xiàn)場測量。目前普遍采用的測量設(shè)備為萬用電表，考慮到萬用電表采樣周期較長，典型的通/斷周期可設(shè)置為：通電4 s，斷電1 s或通電12 s，斷電3 s。對于存在雜散電流干擾的管段，此方法很難得到理想的測量結(jié)果，可采用極化試片法來測量真實的管道電位［11-12］。

近年來，陰極保護數(shù)值模擬技術(shù)逐步發(fā)展，能夠更加直觀、全面地模擬陰極保護運行過程，還可以進一步優(yōu)化陰極保護運行方案，分析陰極保護異常情況［13-14］，為確保數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，更加需要精確地掌握管道電位情況。隨著企業(yè)對管道斷電電位的逐步重視，國內(nèi)管道企業(yè)逐步使用同步通斷法對管道斷電電位進行測量，但在斷電電位測量準(zhǔn)確性上還存在一些不確定性因素，比如通斷周期的設(shè)置、斷電電位的讀取時間、萬用表讀數(shù)的準(zhǔn)確性、恒電位儀運行的穩(wěn)定性等等。因此針對以上問題，開展基于同步通斷的管道斷電電位測量試驗，研究精確測量管道斷電電位的測量方法，可為管道保護提供參考依據(jù)。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 現(xiàn)場條件

選取某天然氣長輸管道進行試驗研究，管道全長約為218.31 km，材質(zhì)為L415螺旋埋弧焊管，采用3PE防腐，站外管道采用強制電流陰極保護系統(tǒng)進行保護，沿線每公里設(shè)置一處測試樁，共有數(shù)控高頻開關(guān)恒電位儀3臺，均裝有衛(wèi)星時鐘同步通斷器，具備同步通斷功能，同步通斷誤差小于0.01 s，沿線無明顯交直流雜散電流干擾。本試驗選取德州站恒電位儀上游2 km管線（含2處測試樁）進行研究，該區(qū)域為平原地貌，土壤電阻率約為22.6Ω·m。

1.2 試驗方法

將沿線三臺恒電位儀調(diào)整為恒電位模式輸出，預(yù)置電位設(shè)為-1.4V，投運后確保管道充分極化。由于管道斷電電位的測試會受到接地保護裝置、犧牲陽極系統(tǒng)及雜散電流的影響［15］，因此需斷開沿線犧牲陽極等設(shè)施；恒電位輸出端加裝YH-STSI型衛(wèi)星時鐘同步通斷器，選擇衛(wèi)星同步通斷模式，通斷間隔選擇1檔位（通12斷3檔位），當(dāng)檢測到衛(wèi)星時鐘信號，恒電位儀按照設(shè)定模式輸出后，開始現(xiàn)場測試工作。測試完成后，將通斷間隔選擇2檔位（通4斷1檔位），其他條件保持不變，再次開始現(xiàn)場測試。

采用YH-DL1型數(shù)據(jù)記錄儀對2處測試樁（C001，C002）管道電位進行密集采樣，其中數(shù)據(jù)記錄儀參比線（紅線）接便攜式硫酸銅參比電極，零位線（黑線）接管道測試樁。按設(shè)定采樣間隔及持續(xù)時間進行數(shù)據(jù)采集，采樣周期為0.02 s，持續(xù)時間為1 min。采樣完成后，將2處測試樁采樣數(shù)據(jù)上傳至電腦，對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析。

1.3 斷電電位讀取方法

如圖1所示，管道在充分極化后，斷電瞬間會有脈沖電壓，脈沖電壓消除后即為管道斷電電位（極化電位），隨后管道處于去極化過程。脈沖峰值是由恒電位儀的電容效應(yīng)造成的，斷電電位測量時應(yīng)避免處于脈沖峰值區(qū)間內(nèi)［16］?！堵竦劁撡|(zhì)管道陰極保護參數(shù)測量方法：GB／T 21246—2007》要求斷電電位讀數(shù)應(yīng)在通/斷電0.5 s之后進行，Marecetal等［17-18］采用斷電2s讀取斷電電位來研究管道電位測量誤差。李自力等［10，18］認(rèn)為測量埋地管道的斷電電位時，應(yīng)采用高速數(shù)據(jù)記錄儀或數(shù)據(jù)采集卡，斷電電位應(yīng)在50～100 ms之間讀取，國內(nèi)其他研究人員也將斷電后50 ms或100 ms作為斷電電位的讀取時刻［18-21］，試驗采用YH-DL1型數(shù)據(jù)記錄儀對管道電位數(shù)據(jù)進行采集，利用數(shù)據(jù)處理軟件制圖，繪制管道電位波動曲線，研究斷電電位準(zhǔn)確讀取時間。

圖1 斷電電位讀取原理圖

2 試驗結(jié)果

2.1 通斷器對斷電電位測量的影響

以測試樁C001為例，管道電位波動比較雜亂（圖2、3），由于恒電位儀加裝衛(wèi)星時鐘通斷器，測量過程會造成恒電位儀周期性輸出電壓、電流沖擊，這種沖擊不僅可能造成恒電位儀損壞，還會造成測量誤差［22-23］。當(dāng)通斷器處于斷路狀態(tài)時，恒電位輸出電壓會持續(xù)升高，輸出電流為零（此時恒電位儀會出現(xiàn)故障報警，通斷器接通后恢復(fù)正常），在通斷器接通瞬間，會有一較大的輸出電壓、電流，管道電位表現(xiàn)為在通電瞬間有較大脈沖波動，隨后管道電位逐步恢復(fù)穩(wěn)定。在通斷器斷開瞬間，管道電位有一較小的脈沖電壓，隨后管道處于去極化狀態(tài)。

通斷器接通瞬間有一較大脈沖電壓，對管道斷電電位測量有一定的影響，當(dāng)通斷器設(shè)置為通4斷1檔位時，管道電位較平常工作時負向偏移（圖2）；當(dāng)通斷器設(shè)置為通12斷3檔位時，管道電位負向偏移不明顯，但脈沖電壓仍存在（圖3）。

圖2 C001通4斷1電位波動曲線圖

圖3 C001通12斷3電位波動曲線圖

2.2 通斷周期的設(shè)置對斷電電位測量的影響

為便于數(shù)據(jù)分析，繪制C001、C002單個通斷周期電位波動圖（圖4～7）。由圖可以看出，管道電位在斷電瞬間會有脈沖電壓，脈沖電壓持續(xù)時間較短，脈沖電壓消失后，管道處于緩慢去極化過程，去極化過程管道電位波動平穩(wěn)。為便于數(shù)據(jù)分析，計算脈沖電壓持續(xù)時間、管道斷電電位、斷電1 s后管道電位（取5個通斷周期內(nèi)平均值），并做成圖表形式，如表1所示。

圖4 C001通12斷3斷電電位曲線圖

由表1可以看出：不同通斷周期的設(shè)置，管道斷電電位數(shù)值相差不大，通4斷1模式下，管道斷電電位相對偏負，可能與通斷器接通瞬間的脈沖電壓造成的管道電位負向偏移相關(guān)；斷電瞬間會有脈沖電壓，脈沖電壓持續(xù)時間從0.4～0.58 s之間不等，但斷電0.5 s后，脈沖電壓影響已可忽略不計；脈沖電壓消失后，管道處于去極化過程，管道電位波動很小，斷電1 s后管道電位與管道斷電電位差值為0.003～0.005 V。因此斷電電位的讀取時間在一定范圍內(nèi)對管道斷電電位影響很小。

圖6 C002通12斷3斷電電位曲線圖

圖7 C002通4斷1斷電電位曲線圖

表1 不同通斷周期下管道斷電電位測量數(shù)據(jù)表

2.3 斷電電位測量方法優(yōu)化

通過以上實驗可以看出，埋地管道斷電電位準(zhǔn)確性受多方面因素影響。恒電位儀通斷周期的設(shè)置、恒電位儀運行狀態(tài)都將影響斷電電位測量準(zhǔn)確性，因此在斷電電位測試前需開展現(xiàn)場調(diào)研，設(shè)置合理的通斷周期。同時為消除通電瞬間的脈沖電壓，可采用恒電流輸出模式，將恒電位儀運行的影響因素降到最低，輸出電流應(yīng)設(shè)置為恒電位儀正常運行時的電流，數(shù)據(jù)分析（圖8、9）。采用恒電流模式可以消減通電瞬間的脈沖電壓，有一定效果，但效果不明顯，如何對脈沖電壓進行消減，需要做進一步研究。

在數(shù)據(jù)讀取階段可通過數(shù)據(jù)記錄儀對管道電位進行實時監(jiān)測，通過電位曲線、數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確計算出管道的斷電電位。但在實際應(yīng)用中，此方法測量管道斷電電位效率較低，可通過CIPS設(shè)備、萬用電表等設(shè)備對斷電電位進行快速測量。CIPS設(shè)備成本相對較高，多在管道全面檢驗時對全線的管道電位進行測量、評估。萬用電表采樣周期相對較長，且斷電電位的讀取時間不一致，但從實驗可以看出管道去極化較為緩慢，萬用表讀取管道斷電電位有一定誤差，誤差約3～5 mV，在可接受范圍內(nèi)。同時為確保管道斷電電位測量的準(zhǔn)確性和測量效率，可研制管道斷電電位測試儀，實時繪制管道電位波動曲線，計算斷電電位數(shù)值，從而準(zhǔn)確讀取管道的斷電電位。

圖9 恒電流模式運行脈沖電壓曲線圖

3 結(jié)論和建議

1）恒電位儀加裝衛(wèi)星時鐘通斷器后，通斷器由斷開到接通瞬間，管道電位有一較大脈沖波動，影響管道斷電電位測試；恒電流運行模式脈沖電壓有所減緩，但效果欠佳。

2）斷電電位測試過程中，斷電瞬間有一脈沖電壓，可通過數(shù)據(jù)記錄儀對管道電位進行實時監(jiān)測，計算出管道的斷電電位。為提高斷電電位測量的準(zhǔn)確性和測量效率，可研制斷電電位測試儀進行現(xiàn)場測試。

3）管道去極化過程較為平緩，斷電1 s后管道電位一般略高于管道斷電電位，但數(shù)值變化很小。日常電位測試中，恒電位儀中斷器通斷間隔可選取通12斷3檔位，可通過萬用表進行管道斷電電位現(xiàn)場測試，測量誤差在可接受的范圍內(nèi)。