（精密仪器及机械专业论文）埋地管道安全检测若干技术的研究.pdf

摘要 管道作为与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输业之一，管道运输 业在经济建设和国防工业中发挥着越来越重要的作用。 我国油气管道随着管龄的增长以及人为破坏或者施工缺陷和腐蚀等问题的 存在造成管道防腐层严重失效，而管道防腐层失效引起的管道严重腐蚀所造成的 管体开裂、穿孔等事故不仅影响了管道的正常生产和运营，而且造成巨大的能源 浪费和经济损失，同时还将造成环境污染和生命财产的损失。所以，搞好管道安 全检测工作已成为当务之急。防腐层缺陷检测和管道缺陷检测是管道安全检测的 两个重要方面。一方面，尽管现有的防腐层检测方法和仪器多种多样，但国内的 防腐层检测技术和设备水平还很落后，大多数误差较大且不易操作。c i p s 技术是 国际上最先进的防腐层检测技术之一，也是使用手持式仪器检测防腐层缺陷的典 范，检测效率很高，但国内对相关仪器的研究与开发还处于比较落后的阶段：另 一方面，现在普遍使用的管道缺陷无损检测的方法往往费时费力，无法满足长距 离管道检测的需要。超声导波技术、模态声发射技术和应力波技术作为无损检测 领域新兴的检测技术能够弥补常规检测技术的不足来对管道进行经济、方便、有 效地检测。国内这方面的研究还处于起步阶段。 本文从埋地管道防腐层缺陷检测和管道缺陷无损检测两方面对管道安全检 测中的若干技术问题作了研究。研究了长输管道的电位分布模型，分析出根据实 测的管地电位曲线就可以对涂层的缺陷进行定位，并分析了管地电位测量中的i r 降，介绍了采用瞬时断电法解决限降问题的具体方法；介绍了c i p s 检测技术的 原理和方法，并深入研究了c i p s 方法的技术细节；在此基础上，开发了一套基 于c i ? s 检测原理的埋地管道防腐层缺陷快速检测系统，包括手持检测仪器和 w i n d o w s 下负责处理数据的数据管理系统，并在实验室条件下做了模拟试验。研 究了超声导波的基本理论和主要特性；介绍了导波在圆管中的传播理论和激励方 法；介绍了超声导波检测技术在长距离管道检测中的应用，包括单一模式导波的 激发方法和检测技术的细节问题。 关键词：管道防腐层缺陷检测密间隔电位测试便携式仪器超声导波 a b s t r a c t a so n eo ft h ef i v eb i g g e s tt r a n s p o r ti n d u s t r i e si n c l u d i n gr a i l w a y ，h i g h w a y ，a i r , s h i p t r a n s p o r t i n g ，p i p e l i n et r a n s p o r ti n d u s t r yp l a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h e e c o n o m i cc o n s t r u c t i o na n dt h ei n d u s t r i e so fn a t i o n a ld e f e n s e d u et ot h ei n c r e a s eo fa g eo fp i p e l i n e s ，t h ed e t r i m e n t ，d e f e c td u r i n gc o n s t r u c t i o n c o r r o s i o n t h ec o a t i n go fp i p e l i n ei ss e v e r e l yi n v a l i d a t e di nc h i n a t h es u b s e q u e n t a c c i d e n t s ，s u c ha sb r e a ka n dp e r f o r m i o n ，n o to n l ya f f e c tt h en o r m a lp r o d u c t i o nb u t c a u s eg r e a tl o s s e so fe n e r g ya n de c o n o m ya n di tc a ne v e nl e a dt o p o l l u t i o nt o e n v i r o n m e n ta n dc o n s i d e r a b l el o s s e so f1 i v e sa n dp r o p e r t i e so fp e o p l e s ot h eb u r i e d p i p e l i n es a f e t yd e t e c t i o ni sv e r yi m p o r t a n t o nt h eo n eh a n d ，c u r r e n t l ya l t h o u g ht h e r e a r em a n ym e t h o d sa n di n s t r u m e n t sf o rd e t e c t i n gt h ec o a t i n gd e f e c t so fb u r i e d p i p e l i n e s b u tt h ed e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t sa r es t i l lb a c k w a r di nc h i n a m o s to fw h i c hh a v el o wp r e c i s i o na n dc a n n o tb eo p e r a t e de a s i l y c i p sd e t e c t i o n t e c h n o l o g yi so n eo ft h eb e s tc o m i n gd e t e c t i n gt e c h n o l o g i e si nt h ew e r l da n di st h e g o o de x a m p l eo fp o r t a b l ei n s t r u m e n t sd e t e c t i o nt h a th a sh i 吐e f f i c i e n c y c h i n ah a s i u s ti n t r o d u c e da n du s e dt h ef o r e i g nc 口si n s t r u m e n t st w oy e a r sa g o t h e d e v e l o p m e n to fd o m e s t i cc i p si n s t r u m e n t si ss t i l lj ni n i t i a ls t a g e s o nt h eo t h e rh a n d t h et r a d i t i o n a r ym e t h o d so fp i p e l i n ed e f a u l t sn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gu s u a l l yt a k et i m e a n dg i v ea1 0 to ft r o u b l e s ot h e yc a n tm e e tt h en e e do fl o n gd i s t a n c et e s t i n g a s r i s i n gt e c h n o l o g i e si nt h ef i e l do fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，u l t r a s o n i cg u i d e dw a v e s ， m o d a la c o u s t i ce m i s s i o na n ds t r e s sw a v et e c h n o l o g yc a nm a k eu pf o rt h ed e f i c i e n c y o ft h e 1 et r a d i t i o n a r ym e t h o d sa n dd e t e c tp i p e l i n ee c o n o m i c a l l y , e x p e d i e n t l ya n d e f f e c t i v e l y t h ed o m e t i cr e s e a r c hi si ni n i t i a t i v es t a g e t h i s p a d e r i n t r o d u c e dt l l e p i f l e l i n e g r o u n dp o t e n t i a ld i s t r i b u t i n gm o d e lo f l o n g t r a n s f e r r e dp i p e l i n e a n a l y z e dt h a tc o a td e f a u l t sc a nb el o c a t e da c c o r d i n gt ot h e p i p e l i n e g r o u n dp o t e n t i a lc u r v e ，a n da n a l y z e dt h ei rd r o pm a dh o wt oe l i m i n a t ei tb y m e t h o do fs w i t c h i n ge l e c t r i c i t yi n s t a n t a n e o u s l y ；i ti n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n d m e t h o do fc i p sd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n dr e s e a r c h e di t sd e t a i l s ；b a s e do ni t as e to f b u r i e dp i p e l i n ec o m i n gd e f e c tf a s td e t e c t o rw a sd e v e l o p e du s i n gc i p st e c h n o l o g y , w h i c hi n e l u d e dh a n d d e t e c t o ra n dd a t am a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nw i n d o w s i t i n t r o d u c e dt h et h e o r yo fp r o p a g a t i o no fg u i d e d w a v e si np i p e sa n dt h eg e n e r a t e d m e t h o d s ；i n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no fu l t r a s o n i cg u i d e dw a v e st e s t i n gt e c h n o l o g yi n l o n g d i s t a n c ep i p e l i n e d e t e c t i o n ，i n c l u d i n gg e n e r a t e dm e t h o do fs i n g l em o d a l g u i d e d w a v ea n dt h ed e t a i l so f t e s t i n g t e c h n o l o g y k e yw o r d s ：p i p e l i n e ，c o a t i n g ，d e f e c t sd e t e c t i o n ，c i p s ，p o r t a b l ei n s t r u m e n t s ， u l t r a s o n i cg u i d e dw a v e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨垄盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：识 签字日期：勿 年月曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生盘望有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：祝囔赫 签字日期：抽i ；年j 月够日 铆虢批导师签名：抑埘x 签字日期：h h r 年j 月“日 第章绪论 速傅立叶变换( 2 d f f t ) 、短时傅立叶变换( s l fr ) 、小波变换。r 世纪9 0 年 代，r c a w l c y 等人最早使用一维傅立叶变换的方法，成功地把多种模式重叠的信 号分离外来；h y e o nj a es h i n 等人研究了含青聚乙烯的钢管的检测，运用了短时 间傅立叶变换对回波信号进行了时频特性分析h ”。n i c o l a s 等人对多种三维复 合材料进行导波检测时，指出使用小波变换和正确的滤波技术可以将不同模式分 离。 国内的管道检测还处于起步阶段，大多采用传统的损伤检测方法，如涡流劓 线法、成像法及传感器参数声发射法。这些榆测方法由于其抗干扰能力和精确度 较低，对一些微小、隐蔽的损伤往往造成错判或误判，且很难应t 【；i j 于长距离检测， 所以，超声导波技术作为一种新技术，在管道检测方面有很大的应用前景【4 5j 。 1 4 本文的意义及工作 、本文的意义 防腐层榆测和管道缺陷检测是埋地管道安全检测的两个重要方面，在防腐层 榆测方面，虽然现有的埋地管道防腐层检测评价技术多种多样，但绝大多数仪器 和方法不能够提供所需的全部资料，尤其不能提供防腐层是否剥离的情况资料， 而存在小漏点的剥离防腐层，会给人一种“管道处于正常阴极保护状态”的假象。 实际上存在小漏点的防腐层由于剥离的存在，屏蔽了阴保电流，使其无法到达管 体表面，管道处与阴极保护的死区，而水等一些腐蚀介质却能够通过漏点到达管 体表面，产生腐蚀，这正是管道外腐蚀的最重要的原因，也是管道防腐层缺陷榆 测的主要目标。目前，国内防腐层检测技术和设备水平还很落后，c i p s 技术和 d c v g 技术是国际上最先进的防腐层检测技术，也是使用手持式仪器检测防腐层 缺陷的典范，国内近两年才刚刚引进相关技术设备，对此类技术仅仅停留在使用 研究的阶段，尚未研制和开发相关仪器和设各；在管道缺陷检测方皿，传统常规 的检测方法往往费时费事，而超声导波由于其具有检测效率高、速度快和町检测 整个厚度等优点，使它在长距离快速检测和性能评价等方面受到无损检测者的极 大关注。 本文一方面针对我国防腐层缺陷检测落后的现状，以本课题组研究的防腐层 缺陷检测新技术和国际先进的防腐层检测技术为原理，研究和开发了防腐层缺陷 快速检测仪器。快速检测仪器可以准确、全而、办便的获取埋地管道防腐层缺陷 的信息，同时能够获得管道腐蚀和防护的综合状况，从而为管道的安全评价和修 复提供科学的依据：另一方面对在管道检测中新兴的利用超声导波检测管道歃陷 的理论和技术作了定的研究工作。 的理论和技术作了定的研究工作。 二、本文的主要工作 1 、对国内辨埋地管遴防腐层缺陷检测技术和管道超声导波检测技术的现状 进行了分析。 2 、介绍了阑际。 ：最先进的防腐层检测技术之一的c i p s ，深入分析了c i p s 方法的原理及技术细节。 3 、设计了一套以扛b 技术为原理豹完整的快速竣测仪，检测仪鸯鹾秘工作模 式：c i p s 模式和d c v g 模式，有四种采样方式：标准采样、定时采样、实时濂 测和手动采样；使用快速检测仪采集数据、传输数据，分析判断防腐层是否存在 缺陷，确定缺陷点位赞，从而能够高效率的评价防腐屡缺褊状况及阴极保护状况； 设计了一套完整的锂离子电池供电的电源解决方案，不仅适于本仪器，对其它的 便携式设计也是一个很好的参考。并且采用虚拟仪器技术设计了一套友好的人机 界面。 4 、在实验室条件下对防瘸层缺陷快速检测仪器进行了模拟试验，验证了该 快速检测仪器的检测快速、高效的特点。 5 、对超声导波技术的原理、应用和发展作了初步的理论分析和研究，尤其 对超声导波在长距离埋地管道缺陷检测中的应用作了论述。 9 第二帮防腐层缺陷检测c l p s 技术 第二奄防腐层缺陷检测c i p s 技术 2 1 管地电位沿线分布规律及测试方法 2 1 1 阴极保护下管地电位的沿线分布 防腐层和阴极保护悬防止油气长输管道腐蚀的两个最重臻的手段。两者的 作用是楣辖相成的，协同作用达到总的防蚀效采。阴极保护多采翔强制电流法， 用外部的 | 耋流电源作阴极保护的极化电源，将电源的负极接至管道( 被保护构筑 物) ，将电源的正极接至辅助阳极，在电流的作用下，使管道发生阴极极化，实 现对管道的腐蚀保护。阴极保护的示意图如图2 - 1 所示阻1 0 l 。 图2 - 1阴极保护示意图 图2 - 2 管道沿线电位分布规律 为了了解管道瞬极保护状况，有必要了解管道沿线电位分布规律。如图2 ，2 所示，电滤自电源正极流出，经姻极和大地流至汇流点的两侧管道，在两侧金擐 管壁中流动的电流是流向汇流点的。 沿线电流密度和电位的分布是不均匀的，为了在理论上推导管道沿线电位 分布的基本公式，我们作以下假设： 1 管道防腐屡均匀一致，并具有良好的电绝缘性能，与土壤接触虽质均匀一 致，因此管道沿线各点的单位面积过渡电阻相等。过渡电阻是指电流从土壤 沿径向流入管道时的电阻值，其数值主要取决于防腐层电阻。 2 因土壤截礞积糠大，主壤电阻可以忽溶不计。 零蠡 第一章防腐层缺陷检泓c i p s 技术 如图2 2 所示，在离汇流点x 公里处取微元段出，由于通入外电流以后的 阴极极化作用，出小段处的管地电位往负的方向上偏移，设其偏移值为e ，e 等 于遥毫后的保护电位与鸯然电位之差。 设单位长度金属管道的电阻为，t ，单位面积的防腐层过渡电阻为脚，单位 长度上电流从土壤流入金属管道的过渡电阻为r r ，如果管道外径为d ，则过渡 电阻r 7 欲p ，( h d ) 。 在出微元段上奄、凌豹增量搿就是在该小段上从土壤流入管道的保护电滚， 由于忽略土壤臌降，故： 棚：一旦d x 即塑一e ( 2 1 ) 墨 出 晦 式中负号表示电沆的流动方向与x 的增量方囱相反。 当电流i 轴向流过管道时，由于金属管道本身的电阻所产生的压降为： 翘：一珥出即譬：一以 ( 2 2 ) 纵 对以上二式求导，并令： 可得： 堡一拉：e ：o 2 _ 3 出 解此方程，设e 0 为茬流处的电位，可得至i 无疆长管道奄位分布公式： e = e oe x p ( 一a x ) ( 2 4 ) 当管道为有限长l 时，假设l 处，电位为e l 则： e = e l o h ( 一a ( z x ) ) ( 2 5 ) 上式是忽路了土壤i r 降麴影嫡，并认为没线跨腐层过渡邀阻均匀一致的条 件下管道沿线电位遵循的规律。实际上长距离的管线，不仅土壤电阻率大，防腐 层质量状况也很不一致，这些网素反映在疗中，d = o 碍，单位长度金属管道 的电阻的h 可以认为是定值，两r t = rt 镕+ r 女。r * b 是影响管遣电位的主要 因素。当没有缺陷时，管地电位变化缓熳。两在涂屎缺陷处，r 。；急剧下降，导 致了a 急剧上升，管地电位就发生突变，缺陷越严重的地方，突变程度也就也大。 如图2 3 所示。因此，根据测出管道沿线的管地电位，找出管地电位衰减大的地 方，就是防痣层电阻较小、有缺陷豹遗方，这样可裰据管地电位沿线分布对管道 防腐层状况进行评价。 蓐 第二帝防腐层缺陷检测c i p s 技术 管地电位一一1r 、一、 变化曲线 ， 缺陷处 图2 - 3 管地电位的变化曲线 2 1 2 管地电位测试方法 人们般把管道和它周围的电解质或土壤之间存在的电压称为管地电位。测 量管地电位通常有以下几种方法。 援 图2 4 管地电位地表参比法图2 - 5 管地电位近参比法 l 、管地电位地表参比检测法 将参魄毫极放嚣在垂壹管道( 或管顶) 豹地表瑶上，遂过电压表来测堂管道 与参比电极阅的电位差。如图2 - 4 所示。 2 、管地电位近参比检测法 将参比电极尽可能靠近管道表磷，如图2 5 所示。 上述两秘簧地电位测量方法在我国埋地管遂防瘸蚀系统检测中广泛使用，并 且有相应的标准规定。但是这两种检测方法所读取的管地电位的数据仅仅代表电 极附近一定范围内的管地电位平均值( 通常是两倍管道埋深的范围，如图2 - 6 所 示) 。同时在测试槛附近读取的管地电位也不怒真实的管地电位，其中包含土壤 i r 降。 第二章防腐崖缺陷检测c i p s 技术 翻2 - 6 参毙电极测量的萤地电位范腱 2 2 管地点电位测量中的i r 降及其渍除 通常用参比电极在管道顶部地殛上所测得的管地电位，包含流到管道上的阴 保电流形成的电位梯度中的欧姆成分，其影响如图2 7 所示，v m 为地面实测管 地电位，e p 为管道的极化电位( 郎保护电位， 是测量中浆有建成分) ，v 撒欧姆成分。只要阴 保电流存在，v m 就不会消失。尽管电路中还有 其它电位，但最主要的还是欧姆电压梯度和极 化电位，如是就有嘲： v m 2 v m + e p = i r + e p 。( - in 一) ( p 4 0 十e p 2 ( 一7 8 6 一s s o ) m v = 一1 6 3 6 m v ( c t t c u s 0 4 ) 屏 罪拯 复流电# 缓缓缓麟澎缓 图2 7 电位测量中的欧姆成分 在上面的等式中作了如下假设： i 一1 0 0 m a m 2 , 保护电流密度；p 2 0 0 q 1 1 1 ，土壤电阻率； e p 一一8 5 0 m v ，保护电位( c u c u s 0 4 ) ；r 一5 0 m m ，涂层缺赡半径，假 设缺陷是半径为r 的盘型，并且按盘型计算对远方大地近似电阻，即r e p 4 r 。 由上面的假设中看出，由于欧姆降的影响，使得通常的保护电位( c u c u s 0 4 ) 由8 5 0 m v 挪到了一1 6 3 6 m v 。 图2 - 8 从电场的角度解释淑降的影响，使得问题更加复杂。在管道上方地 面所测得的管地电位是处在几十米筷至几百米远所能影响到的涂层缺陷表面电 第二章防腐层缺陷检测c 1 p s 披术 位的平均值，而且在地面的不同位鬣将测得不阎的电位i ：4 7 。 为了消除i r 降的影响，测量得到真实的 管地电位，文献 4 8 l 中提到的方法有瞬时断 电法、极化探头法、试片断电法、土壤电位 梯度法，此外还有脉冲技术、就地参比法、 交变电流法等，不阉的方法都有自身的特 点，但从检测效率来说，瞬时甑电法是逝较 理想的方法。 瞬时断电法是将阴保电流断开一会儿， 在断开湃闰赶快测量管地电位。因为i r 降 是电流和电阻的乘积，如果i = 0 ，则 i r 降应为o ；断开阴极保护电流，阴 保回路的电位梯度可以禚极短的时 闻( 1 u s ) 内瀵失，健是极化电位还 要保持一段时闼才慢慢去极化。因此 用瞬时中断管道保护电流的方法，测 得的电位值认为是真实的管地电位。 图2 - 8 有阴保电流时，测量劣质涂 层管地电位中l r 降尉有误差图 瞬时断电豹去极化越线见图2 9 。 时瓣m s v o n 为通电保护电位，含有i r 降； 图2 - 9 瞬时断电去极化曲线 v o f f 为断电瞬间极化电位，不含i r 降，这是阴极傈护准则所确认的一o 8 5 v 的 位置。良v o 疆为起点，测量极化充位的衰减，测得的去极仡电位熬，便是保护 电位1 0 0 m v 准则的实质。 瞬时断电法涉及的问题有： 1 ) 如管段受到多个保护装置的作用，不管是强制电流还是牺牲阳极，测试 对都必须舄对断开。 2 ) 杂散电流影响严重的管段，在断电测量中仍然存在欧姆误差。 3 ) 管道必须均匀极化，因为不同极化程度缺陷之间在断电后存在的电流仍 然弓| 起欧姆误蒸。 4 ) 在菜些主壤中，去极化速度缀快以及对于涂层较始的篱段，断电瞬间存 在的电涌都对测量设备提出较高的要求。 5 ) 通电电位是多个缺陷的平均值，这意味着应该在管道上进行连续测量。 为了不使篱道在断电后造成去极化，以达到连续测量的嚣的，遥常的撤法是 采用间隔断电的方法，并且通电时间一般比断电时阍要长。后丽要论述的埋地管 道防腐层缺陷快速检测技术，就是采用这样的方法。 第二章防腐层缺陷检测c i p s 技术 2 3 防腐层缺陷检测c i p s 技术 2 3 1c i p s 检测技术概述 c i p s 测量是国外评价阴极保护系统有效性和防腐层技术状况蓄选的标准方 法之一。无论是地面参比法还是近参比法，管地电位的数据仅仅代表电极附近 定范围内的管地电位平均值( 通常是两倍管道埋深的范围，如图2 - 6 所示) 。同 时在测试桩附近读取的管地电位也不是真实的管地电位，其中包含土壤i r 降。 可以想象，如粟将参比电极在篱道的正上方逐点移动，就可溺出管道上各点的管 地电位，两通过瞬间断电法，就可以消除土壤中的i r 降，得到真实的管地电位。 以阴极保护下管地电位分布规律为理论依据，以移动参比法和瞬间断电法为测试 基础，运粥电子技术和计算机技术形成的数据采集、数据传输及数据处理的检测 方法，称为密阍隔电位捡测( c l o s e i n t e r v a l p o t e n t i a ls u r v e y ) 瓣技术，箍称c i p s h 。 如r r 图2 。1 0c i p s 测量安装示意图陶2 - 1 1典型的c i p s 测量结果曲线图 c i p s 测试的具体方法是：如图2 。1 0 所示，数据采集器一端与参比电极相连， 另一端则与滚试桩相连。将参眈电极沿管道移动，由计算梳控制的数据采集器通 过参比电极每酾一定距离连续采集并存储管地电位数据，数据经过处理后可经过 绘图软件绘成管道沿线的管地电位分布曲线。 采集时得到的电位包含土壤的i r 降。为了消除i r 降，在阴极保护电流上 审联令中断器，电淀中凝器可根据设置要求霞阴极保护电流按一定豹对润周联 进行通和断， 鲤4 量前数据袋集器应与中断器实现通和断的同步。这样，测量时， 采集器同时将两种管地电位值( 管道阴极保护系统的开电位v o n 和断电位v o f f ) 以 及管道距离保存下来。其中，才是外加电流膈极保护系统下真实的管地电位。 测量完毕后，垮缛到管她电位与距离对应的两条变化曲线。图2 一l l 足典型睦线。 由2 1 节可知，管地电位曲线在缺陷处发生突变。同时也可以闰分析i r 降 墨二兰堕塑星竺鳖堡型! 竖! 苎查 的方法来判断防腐层缺陷。当防腐层存在缺陷时，防腐层绝缘电阻大大减少，阴 极保护电流增加。但保护电流的增加值远小于界面过渡电阻的减少值，而i r ： i ( rt 镕+ rr e ) ，总体作溺的效栗使i r 降减少，丽i r 实际上等予v o n v f ，在 c i p s 的o n o f t ? 检测中表现为：o n 电位曲线和o f f 电位曲线均正向偏移并相 互接近。可以通过v o n v o f f 占v o n 百分比值的大小判断防腐层缺陷的严重程度 5 0 o 所瑷有缺陷的c i p s 检测益线实际应为： 霹i 滞，m 图2 一1 2 有缺陷的c l p s 检测的实际曲线图 c i p s 检测效率是很离的，通常出一个人背负采集器，手持两只装有参比电 极的测试探极在管道正上方行走，两只测试探极是连通的，交替向前，以保证参 比电极始终与地面接触，人以正常偏慢的速度向前行走即可，检测速度能达到 8 1 5 公里天。 2 3 2c i p $ 的优点 c i p s 在有阴极保护的管道上实旋监测有如下优点 5 1 】： 1 可以连续的完整的评价阴极保护系统在管道上的保护效采。评价阴极保护 效果宠全是用v 一僮米判蠓的。如果v 。低于最低保护下袋一8 5 0 m v 为欠镲护，高 于一1 2 5 0 m v 为过保护。 2 分析检测结果曲线能够发现管道防腐层存在的严重的缺陷。缺陷越严重， 管地电位值，特别楚v 。就下降的更多。 3 由于消除了i r 降的影蛹，评价阴极保护系统的保护电位的方法更科学、 更准确，测量结果更接近实际保护情况。 4 测量效率较高，检测速度能达到8 1 5 公里天。 第二章防腐层缺陷捡测c 1 p s 披术 3 、数据的存储和管理 由于一次榆测往往要采集几公里甚至十几公里的数据，而且检测人员常常是 几次检测完毕焉想番检测结果时牙一将数据传给p c 机。如果困为电池不足缄操作 不慎导致以前所有检测数据都丢失的话，将导致时间、人力、物力的巨大浪费。 所以应该采用大容量且掉电保护的存储介质作为仪器的数据存储器。每次检测的 距离都是不一样的，为了不让多次检测的数据混淆，仪器内部也应该有灵活的数 据管理方式。 4 、抗干扰能力和测量精度 工业现场的干扰很大，c i p s 仪器应该有良好的抗干扰能力，否则测量曲线 将出蕊失_ 囊或者缺陷处曲线的下降被干扰埋没雉以辨认。实验证曝，防腐篷缺陷 处的地面上电压撵度主要是在5 0 m v 到5 0 0 m v 之间，因此，仪器的精度能够达 到几毫伏的精度已经完全能够满足检测的需要。 2 4 本章小结 1 、分析了管道沿线管道电位的分布规律，得出了在管道防腐层缺陷处管地电位 衰减大的结沧。 2 、列出了几种测量磐地魄位的方法，特别指出了在测量簿地电位中消除壤l r 降的方法。 3 、绍了c i p s 技术的原理和方法，总结了c i p s 技术的准确商效等优点。 4 、深入分析c l p s 的技术细节，船中断器的遥断时闯、采样的距离问隔、数据豹 管理方式等。 上述原理和方法为下一章防腐层缺陷快速检测仪的设计提供了理论基础。 第三章防腐展缺陷快速检测仪的设计 第三章防腐层缺陷快速检测仪的设计 3 1 防腐层缺陷快速检测系统概述 3 1 1 功能及组成 基于以上分析的c i p s 技术，本文设计了埋地管道防腐层缺陷快速检测仪。 它与电流中断器配合，中叛器可根据设置要求搜阴极保护电流按一定的时间周 期进行通和断，而仪器的时间与中断器的时间是同步的，于是仪器可区分出电流 通与断时的电位。仪器采集、显示和存储管地电位，通过对采样的管地电位进行 分析并绘制管地电位曲线菡，从而判断埋地管道防腐层状况。仪器的总体框图如 下： 图3 - t 快速检溺仪豹整体框图 第三章防腐层缺陷快速检捌嫩的世计 该仪器的功能模块包括： 1 管地电位采样( a d ) 。每隔定的时间段( 仪器罩定为缚0 5 s ) 或一定 豹距离( 仪器里定为0 9 m ) 采集v o n 秘v o 殍电位，v o n 和v o f f 电位是通过对参比电 极采集到的电压信号进行模数转换得到的。也可以选择手动方式进行采集。 2 里程信息的记录。在采样点处采集电位信息的同时，记录各采样点的距离 信息。 3 工作摸式选择。检测仪有疆瓣工作模式：c l p s 模式和d c v g 模式。c i p s 模式下，两探头可以交替前进，每个探头是独立的采集器；而在d c v g 模式下， 两探头需协同工作检测电位梯度。通常，先采用c i p s 模式对管线进行一次普查， 根据检测结果进行僳护状况评价，辩存在严熏腐蚀的管教( 缺陷点) 再切换到 d c v g 模式进 亍精确定位。 4 电源管理模块。包括锂电池充电电路、适配器与锂电池切换电路及d c d c 转换电路。d c d c 转换电路产生+ 5 v 、数字+ 3 3 v 、充电电路用+ 3 v 和模拟+ 3 v 电 源。 5 u s b 接口电路。使用p d i u s b d l 2 接口控制器件，负责与上位机的通讯。 6 网络模块。以r t l s 0 1 9 a s 为核心，软件实现t c p i p 协议，完成网络功能， 实现多个检测仪之间的数据共牵。 7 存继模块。根据现场检测数据的大容量和掉电保护的需要，该仪器外接了 一片l m 的f l a s h ( 闪存) ，数据通过s p i 总线传输并存储在该f l a s h 上。在此f l a s h 上可以对数据文件系统进行管理，包括文件的创建、保存、删除、恢复、查询和 传送。 8 同步时钟模块。负责与g p s 通信，数据传输通过r s 2 3 2 接口完成。实现与 中断器的通断同步。 3 1 2 参比电极的选择 在遘李亍管穗电位测量鞋孛，需要专一令稳定可靠的参比电极。参魄电极是一静 可逆的电极体系，在规定的条件下具有恒定的电极电位。 参比电极的选择原则为：在一定条件下电位相当稳定，不随时间而变，温度 系数小；电极过程的交换电流密度很高，是不极化和难极化的电极体系；耐介质 腐蚀，不污染贪质，结构坚国。 仪器选用的是饱和c u c u s 0 4 参比电极。饱和c u c u s o ，参比电极稳定性较高， 平均电位偏差为3 m v ，完全可以满足现场测试要求。另外，国标g b 1 0 1 2 8 8 规定的碳钢在土壤中最小的阴极保护电位为一o 8 5 v ，就是相对予饱和c u c u s o ； 第三章防腐崖缺陷快速检测仪的设计 参比电极而定的。采用饱和c u c u s o 。参比电极结构如图3 2 所示。 3 1 3 里程轮的设计 图3 2 参比电极结孛句示意图 该仪器是对长距离管段的检测，所以需要记录里程信息。这是通过里程 轮来完成。里程轮与漆包线背包配合，一方面作为采集器的工作极与溯试桩 相连，另一方面作为辅助距离记录设餐，其结构图见鞫3 3 。检测工作翦， 将漆包线从漆包线轴引出穿过里程轮连接在测试桩上，开始检测后，随着测 试人员的行走，漆包线不断被拉出，从而带动里程轮中的磁钢转动。铜轮上 安装有磁块，在铜轮旁边放一个干簧管，锈轮每转一圈，干簧管吸合次， 从干簧管两极g | 出线就可以记录轮子转的圈数，只要事先知道轮子的直径， 就能知道拉出了多长的漆包线了。 图3 - 3里程轮的示意图 之l 一 第三章防腐层缺陷快速检测仪的设计 3 1 4g p s 在快速检测仪中的应用 快速检测仪的工作必须与中断器的配合才能正常工作。中断器的主要功能是 按照固定的间隔接通和关断阴保电流，而快速检测仪的内部时钟必须与中断器的 时钟一致，这样才能区分采得的电位值是o n 值还是o f f 值，以便绘出相应的 曲线。快速检测仪和中断器的时钟同步是通过与g p s 通信来实现的。 g p s 是英文g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 的缩写，意即全球定位系统。全球定 位系统利用导航卫星进行测时和测距，使在地球上任何地方的用户，都能计算出 他们所处的方位。 根据现场仪器的需要，本文选用了m o t o r o l ao n c o r e 家族系列的m 1 2 接收 机。m 1 2 接收机是全球体积最小的，重量最轻的接收机之一，由于采用了m o t o r o l a 专用的射频集成电路m r f i c l 5 0 4 和基于m c o r e 的超低功耗3 2 位r i s c w 微控制器 m m c 2 0 0 3 ，该接收机的功耗仅为0 2 2 5 w ，远小于其它g p s 接收机。o n c o r e 接收器 还具有定位快，抗干扰能力强，天线检测和自保护等特点。另外，m 1 2 的秒脉冲 定时精度能达到5 0 0 纳秒【58 1 。它的这些优点使它非常适合嵌入式系统的需要。 m 1 2 有两个t t l 串口，其中串口1 接收用户的命令并输出相应的用户所需 信息，其中包含时间等信息。串口2 用于接受差分r t c m 输入，用于精度要求 很高，需要进行相对定位的场合。m 1 2 的串口输出有两种数据格式：m o t o r o l a 二进制格式和n m e a 一0 1 8 3 格式，m o t o r o l a 二进制格式是m 1 2 的专用格式，数 据详尽、精确、紧凑，适合单片机处理，通信速率可以保证在9 6 0 0 b p s ( 取决于 m 1 2 ) ；而采用n m e a 一0 1 8 3 格式时，通信速率只有4 8 0 0 b p s ，同时在初始化gps 时还需要加入由m o t o r o l a 二进制转化为n m e a 0 1 8 3 的指令，相比之下较为繁琐， 所以仪器采用m o t o r o l a 二进制格式与g p s 通信。 实时时钟是m 1 2 的特征之一，它用于缩小t t f f ( 捕获时间) ，在主电源被切 断而后备电源工作时，数据和时间信息将被存储在r t c 寄存器中。g p s 默认提 供的是g m t ( 格林威治时间) ，因此用户需要根据当地的情况设置时区的偏移量 ( 中国为东8 区，+ 8 ) 。 g p s 接收机缺省值每隔一秒钟发送一次卫星定位数据，在收不到卫星信号之 前，就通过实时时钟在上一次接收信号的基础上推算出当前时间并输出，若长时 问收不到卫星信号，时间可能产生很大的累积误差，因此在使用中必须判断输出 信号的有效性。g p s 接收机输出数据中包含有当前所收到的卫星的数目，接收机 在收到四颗以上的卫星信号时，才对内部实时时钟系统进行校正，故我们可以通 过判断g p s 接收机接收到信号的卫星数目来确定输出信号是否有效。 检测仪通过串口与g p s 通信取得时分秒，通过单片机中断从g p s 的秒脉冲中 第三章防腐层缺陷快速检测仪的设计 取得精度为5 0 0 n s 的精确的时闾信息。 3 2 快速检测仪的硬件设计 仪器以m c u 芯片c 8 0 5 1 f 0 2 0 为核心，主要包含数据采集电路、电源管理模块、 以r t l 9 0 1 9 a s 为核心的网络控铷模块、数据存储部分、u s b 接口电路、按键及液 晶显示等电路。 3 2 1g , 8 0 5 1f 0 2 0 剃控镧核心器件 现场仪器爰求设计紧凑，用尽量少的电路元件完成尽量多的功能。本设计采 用了c y g n 破公葡的m c u 芯片c 9 0 5 1 f 0 2 0 为采集系统的核心。c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片 枫是集成的混合信号片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) ，具有与m c s 一5 1 内核及 指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8 0 5 1 的数字外设部件之外，片内还 集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件【3 l 。磁 是由于其体积，j 、集成度篱、功能多、配置容易、使用方便等特点，已被广泛的 应用于智能仪表、数据采集、霸动化控制等领域。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 是完全集成的混合信号系统级m c u 芯片，有6 4 个数字i o 引脚，主 要特性有【5 6 l ： 高速漉承线结毒句、与8 0 5 1 兼容豹c i p 一5 1 内拨( 可达2 5 m i p s ) ； 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) ； 真正1 2 位、l o o k s p s 的8 通道a d c ，带p g a 和模拟多路开关； 蹰个1 2 位d a c ，可编程更新瞳亭； 6 4 k 字节可在系统编程的f l a s h 存德器： 4 3 5 2 ( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 字节的片内r a m ； 可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口； 硬件实现的s p i 、s 勰u s i2 c 和两个u a r t 率行接口； 5 - 通用的1 6 位定时器； 具有5 个捕捉l l 较模块的可编程计数器定时器阵列； 片内看门狗定时器、v d d 盗视器和温度传感器； 扩展的2 2 个中断源，允许大量数字和模拟外设中断微控制器； 7 个复位源，每个复位源都可以由用户软件禁止； 2 3 - 第三章防腐层缺陷快速榆测仪的设计 独立运行的时钟发生器，时钟源可在运行刚切换刽外部时钟源。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 蹙真正能够独立工作的片上系统，每个m c u 都能有效地管理模 拟和数字夕 设，可以关闭单令或金豁夕 设以节省功耗“。f l a s h 存储器还具有 在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更掰8 0 5 1 固件。 应用程序可以使用m o v c 和m o v x 指令r v j - f l a s h 进行读或改写，每次读或写 个字节。这一特性允许将程序存储器用于非易失性数据存储以及在软件控制下 更毅程序代码。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 最大的特点是引入了数字交叉开关，允许将内部数字系统资源映 射到端n u o 。j i 脚，这特性允许用户根据特定应用选择端h i o 与所需数字资源 弱结合。 总之，使用c 8 0 5 1 f 0 2 0 大大降低了仪器的成本、缩小了仪器的体积、摁高了 系统的可靠性和电气性能等指标。 3 2 2 数据采集电路 数据采集毫路部分除了要实现数据采集豹核心功能数外，还要实现c i p s 模 式与d c v g 模式切换以及自动采集方式与手动采集方式的切换等功能。硬件电 路见图3 - 4 。 图3 - 4 数据采集电路 2 车 第三章防腐层缺陷快速检测仪的设计 图3 - 4 中h a l f c e l l l 和h a l f c e i ，l 2 是与两手持参比电极的接口，两路信 号从这里进入数据采集电路，经放大器l p v 3 2 1 放大后分别从c i l la i