输油管道腐蚀与杂散电流测量

1、收稿日期:2003-09-17输油管道腐蚀与杂散电流测量姜长洪,于婉丽,吴星刚,胡胜旺,宋琳(沈阳化工学院信息工程学院,辽宁沈阳110142摘要:阐述了直流杂散电流干扰对管道腐蚀的基本原理,针对直流杂散电流的特点及工程测试要求,设计了智能杂散电流测试仪并用于地下管道的工程测试中。实际应用表明,该仪表具有良好的性能。关键词:地下管道;电化腐蚀;管地电位;杂散电流;测试中图分类号:TE973.6文献标识码:B 文章编号:1004-9614(200401-0010-03Corrosion of Oil Pipeline and Stray E lectric Current Measurement

2、JIANG Chang 2hong ,YU W an 2li ,WU Xing 2gang ,HU Sheng 2w ang ,SONG Lin(Institute of In formation Engineering ,Shenyang Institute of Chemical T echnology ,Shenyang 110142,China Abstract :Explained the basic principle of the corrosion of the oil pipeline caused by the stray electric current.C onside

3、ring the char 2acteristic of the stray electric current and the request of project application ,have designed the intelligent measuring instrument of stray electric current used in actual project applecation.The practical application indicates that the instrument has g ood per formance.K ey Words :U

4、nderground Pipeline ;E lectrochemical C orrosion ;S tray E lectric Current ;Intelligent T esting Instrument1引言随着我国地下输油(气管道建设的加快以及电气化铁路铺设里程的迅猛增长,导致地下管道的运行环境日益恶化,保障地下管道的安全运行被提到了重要的位置。由于管道地床的土壤介质、细菌以及地下杂散电流的作用,埋在地下的金属管道经常受到电化学腐蚀,其中最主要的是杂散电流的危害。据东北输油管理局统计,东北地区共有长输油管道约2000km ,由于电气化铁路等设施的大规模建设,受到杂散电流干扰影响的

5、管道日益增多,其中80%的腐蚀穿孔事故来自杂散电流的影响,严重时,位于直流电气化铁路附近的管道,半年就发生腐蚀穿孔,杂散电流对金属管道的强烈腐蚀作用由此可见。因此,对杂散电流的测量与研究具有十分重要的意义。为了减少地下杂散电流对管道安全运行的威胁,有关人员在管道探测、测漏的基础上努力开发新的测腐技术,如储罐及地下管线的探测、杂散电流的测试等,以便建立地下地质、管道资源信息采集系统及相关数据库,为地下管网的安全优化运行奠定良好的基础。2杂散电流干扰腐蚀原理杂散电流的主要来源是直流电气化铁路、直流电解设备接地极、阴极保护系统中的阳极地床等。其中以直流电气化铁路引起的杂散电流干扰腐蚀最为严重。当直流

6、大电流沿地面敷设的铁轨流动时,直流电流除了在铁轨上流动,还会从铁轨绝缘不良处泄漏到大地,在大地的金属管道上流动,然后回到电源。这部分泄漏的电流称为杂散电流。杂散电流的流动过程形成了2个由外加电位差建立的腐蚀电池,一个是电流流出铁轨进入管道处,铁轨是腐蚀电池的阳极,发生腐蚀,管道为阴极,不腐蚀;另一个是电流流出管道返回铁轨处,这时管道是腐蚀电池的阳极,发生腐蚀,铁轨则是阴极,不腐蚀。图1给出了管道电位的变化图,由图1可判断出管道腐蚀电池的阳极区和阴极区以及杂散电流最强的部位。通常,无杂散电流时腐蚀电池两极电位差仅0165V 左右,杂散电流存在时管地电位可达89V ,因此,杂散电流干扰对金属管道的

7、腐蚀比一般的土壤腐蚀要强烈得多。图1管道电位变化图另外,交流高压输电线的影响也必须关注,虽然低频交流电输电线对金属管道引起的腐蚀比直流电小,一般只有直流电的1%,但是高压输电线与地下管道2004年第1期管道技术与设备Pipeline T echnique and Equipment 2004N o 11平行敷设时,静电场和交变磁场在管道上感应出的交变电压和电流对管道的影响危害却不可忽视。一条平行于10kV 输电线的地下管道,在正常工作时管道可感应出17V 的交流电压。3杂散电流的特点及测量要求管道上是否有杂散电流,可以通过测量电流或管道与铁轨间电位差的变化来估计,如图2所示,杂散电流在不同时间

8、内其电位变化有不同的规律 。图2杂散电流随时间变化情况对于一定的区域,管地电位有其正常的自然电位值(一般为零点几伏。当管地电位不稳定、各点电位随时间而变化幅度达数伏,出现严重偏离正常电位的情况时 ,说明该地段已受到强烈的地下杂散电流侵袭。此外,杂散电流的频率和大小、杂散电流在管道上出现的时间和部位,都是分析评价和预测输油管道腐蚀势态的重要参数。管道上是否有杂散电流,可以通过测量电流或管道与铁轨间电位差的变化来估计,其测量原理如图3所示 。图3杂散电流测量原理示意图测量杂散电流时,为了得到各种变化情况下杂散电流的完整数据,数据点要密集,测量时间要尽可能长。一般对每一个测点每昼夜必须进行多次测量,

9、特别是高负荷期间,即电流电位的峰值阶段,更要加强监测,有条件的情况下,最好连续测量。由于对地下管道腐蚀的分析和预估需要大量的杂散电流数据,而这些数据应该分布在管道沿线很长距离的范围内,是对多个测试点同步测量获得的。并且杂散电流的变化规律复杂,管线是全联通的,因此现场直接用人工的方法测试和记录杂散电流是十分困难的。根据杂散电流的特点及工程测试要求,研制了智能杂散电流测试仪。该仪表采取连续检测的工作方式,仪器依靠自身电源可以连续72h 采集交、直流管地电位;交流0200V ,直流-20+20V ;自动零点调整和量程校正;采样周期可以在0255s 任意设定;数据存储容量4M B (8万多个数据;RS

10、232C 串行通信,测试结束后可将所有采集的数据回放至微机中;并提供标准数据格式,以备后期数据处理。4杂散电流测试仪的电路结构电路基本结构如图4所示。图4电路基本结构4.1信号调理电路交流信号通过分压整流电路、放大电路放大后送至多路转换开关C D4051;直流信号经分压放大后也送至C D4051。C D4051根据程序的设定选取某路信号送至IC L7135。IC L7135是14位A/D 转换芯片,具有4位半的精度、自动校零、自动极性输出、单一参考电压、动态字位扫描、BC D 码输出和自动量程控制信号输出等特点,IC L7135对输入信号进行转换,转换结束后通过中断的方式将转换结果送入单片机A

11、T 89C52进行处理。4.2中央处理器AT 89C52是Atmel 公司生产的具有51内核的单片机。IC L7135将转换后所得到的结果送至AT 89C52,同时根据送入信号的类型调用相应的程序和校正算法,以得到高精度的结果。AT 89C52还要输出显示信号、将结果存储至存储芯片、从PCF8583获取时间信息、向看门狗提供控制信号,从而使整个仪表处于良好的运行状态。此外,AT 89C52还要同上位机进行数据通讯。4.3存储与显示单片机在对转换信号进行处理后,将所得数据送至存储芯片AT 45DB041B 存储。AT 45DB041B 是Atmel 公司生产的存储芯片,存储容量大,接口及其外围电

12、路简单。其存储容量按照设计要求及数据存储格式,在极限情况下可存储3d 的数据,满足了使用要求。数据显示采用液晶显示模块LC M103,LC M103为10位多功能通用型8段式液晶显示模块。内置显示RAM ,可显示任意字段,接口简单,可与任何单片机接口。功耗低、显示清晰、稳定可靠、编程简单,特别适用于便携式仪表。AT 89C52根据仪表所处的显示状态将第1期姜长洪等:输油管道腐蚀与杂散电流测量11要显示的内容送至LC M103完成显示过程。5程序设计采用的设计平台是单片机开发平台K eil C ,除少数重要的程序段采用汇编语言编写外,绝大部分程序由C 语言编写。程序要实现的目的为控制并协调各器件

13、的工作,将采样值转化为最终结果并与上位机建立数据通信。实际上该仪表可以看作是比较简单的嵌入式系统,但仪表程序的编写并没有采用流行的RT OS ,而是采用成熟可靠的while (循环的形式。由于仪表涉及的元件多,而且每个元件的接口、 控制方式和命令字各不相同,所以需要针对各个芯片写出其底层控制程序,并且针对显示、通信、数据处理等一系列功能,分别编写其功能模块,从而形成了一个主程序与多个辅助模块程序所构成的结构。有效降低了程序编写的难度和复杂性,且条理明晰,有利于程序编写和调试。程序运行的基本流程如图5所示。图5程序流程图5.1初始化程序初始化程序完成各器件初始化,常量及变量的初始化,中断的设置,

14、读取上次工作时的参数等。由于工作环境恶劣,为避免系统死机,在硬件上通过看门狗芯片来完成死机时的重新启动,在软件上通过初始化程序对存储在EEPROM 中的标志位来判断启动类型,读取各种参数。如果是死机后的重启,便自动重新进入采样状态;如果是正常启动,便等待操作命令。当系统完成初始化后,主程序就接管系统的控制。5.2中断程序中断程序负责处理各种中断事件。程序对于中断的分配为外部中断0负责接收A/D 芯片转换结束的信号,在中断程序中读取转换值;外部中断1负责接收时钟芯片的频率为1H z 的脉冲信号,用于同步系统时间;定时器0为一个定时值为10ms 的定时器,在中断程序中重新装入定时值,从而不停的以1

15、0ms 的间隔触发中断。这个信号在程序中被用作一个时间基准,用于在各个程序中对操作时间进行控制。定时器1未用;定时器2用作通信的波特率发生器,其定时值用于确定通信时的波特率。5.3主程序仪表的操作方式为菜单式操作,通过选择菜单来进行不同的操作。主要菜单包括:工作菜单、时间日期菜单、校准菜单、设定菜单等。主程序根据按键确定的菜单确定显示、输入等一系列功能。主程序实际上是一个不断调用已编好的各个功能模块的无限循环,程序要完成的功能和各个模块基本都在此被调用(中断程序也包括一部分。在程序中设定了一些全局变量,用于保证各个模块工作的一致性。5.4模块程序时间处理模块:当PCF8583触发中断时,程序就

16、从PCF8583中读取最新的时间,使主程序时间同实际时间保持一致。模块还包括对时间日期的修改功能,可以对当前的时间日期进行修改,并写入PCF8583中。显示模块:根据液晶显示模块的命令格式,通过调用编制的液晶显示模块的底层函数,将一个固定数组的内容按其在数组中的排列顺序显示出来。只要将要显示的数据放在相应的数组中,就可以完成显示,减轻了编程工作量。校正模块:当仪表由于器件参数漂移,需要重新对量程校准点进行校准时,可以利用软件加以校正。设计中采用2种方式进行校正:动态和静态。动态校正是在野外环境下,周围没有标准源,可用标准表对现有的电源进行测量,用现有电源和其测量值进行校正;静态校正是将满量程信

17、号加在仪表上进行校正。这2种方法可以满足不同条件下的工程测试要求。数据处理模块:用于从A/D 中获取转换值,根据系统参数判断采样类型,确定其上下限,并转换得到最终结果。其中还包括滤波和校正程序,尽量减小电路噪声和元件的漂移对测量值所产生的影响,从而得到精确结果。模块还包括数据存储和读出程序,负责将转换后的数据存储在存储芯片中,或从其中读出。在数据存储和读出程序中,都有数据校检程序,以保证数据的正确性。通信模块:用于同上位机程序按照约定的协议进行数据通信。由上位机程序向下位机程序发送指令,下位机执行指令并按照带校检的格式将数据传输至上位机。上位机程序的任务是读出存储在仪表中的数据,并将其按照要求

18、的格式存储在特定的文件中。在编程上选用VB ,通过调用MSC OM 控件完成仪表的通信任务,传输数据波特率不高,传输协议借鉴了网络传输协议的核心思想,可实现校检、出错重试等多种功能,以保证工作时程序的稳定性和数据的完整性。上位机程序将仪表传来的数据按照特定的格式转换存储,以便对管道腐蚀预测分析提供完整的数据。(下转第17页12Pipeline T echnique and Equipment Feb 12004平往复排列布置,中间形成宽敞的炉膛,因炉管在辐射段内布置比较紧密,辐射段可以简化成为一个以炉管作为外壁的圆筒型封闭空间,烟气在此空间内与炉管的辐射换热量公式3可近似写为Q=Ab(g T

19、g4-g T w4(2式中:A为辐射段换热面积;b为黑体辐射常数;g为烟气对整个换热面的平均发射率;T为气平均温度;g 为烟气对炉管辐射的吸收率;T w为炉管壁的平均温度。g和g可近似为常数,由于炉管内的水是从接近饱和状态被加热到湿饱和蒸汽状态,所以炉管内工作的温度可视为不变,炉管壁的温度也可近似认为不变。在燃料量不变并保证燃料完全燃烧的前提下,减小过量空气系数使燃烧产物(烟气的数量减少,而此时燃料所放出的热量是不变的,从而使炉膛内烟气的温度提高了十几甚至上百,使烟气所携带的热量提高。由式(2可以看出,由于随着过量空气系数的减少,辐射段内烟气平均温度增加,在辐射段内被水所吸收的热量将大幅度增加

20、(在现场实际操作表现为水蒸汽的出口温度升高了。另外,由于烟气所携带的热量在炉内被吸收的比例有较大程度的提高,因而使排烟温度略有下降。4现场实际调节情况依照以上的理论分析,对测试的注汽锅炉在负荷不变的情况下进行了调节,所采用的方法是保持燃料量不变,调节风机挡板使过量空气系数降低。反平衡测试结果如表2。从测试结果来看:对于不同厂家生产的23t/h注汽锅炉,通过调节过量空气系数,排烟温度均有下降,热效率均有不同程度的提高,其中锅炉热效率最大可提高615%,最小也可提高118%。以热效率提高最小的注汽锅炉2为例,按每天燃用15t油计算,则每天可节省燃料油270kg,若年运行300d可节省燃料油81 t,经济效益十分显著。表223t/h注汽锅炉测试结果锅炉编号排烟处氧含量%排烟处过量空气系数排烟温度排烟热损失%散热损失%热效率%热效率提高量4注:调整了过量空气系数py根据式(1和热效率