CN101865944B - 埋地金属管道防护层安全预警及缺陷定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及埋地金属管道防护层的健康状况诊断、预警及缺陷定位方法，包括埋地金属管道阴极保护电位精确测量方法、单位长度防护层横向绝缘电阻可靠评估方法、防护层安全预警及缺陷定位方法、以及测量仪表微功耗的实现方法，提出一套埋地金属管道防护层质量评价方法。

Description

埋地金属管道防护层安全预警及缺陷定位方法

技术领域

本发明涉及埋地金属管道防护层健康状况的检测、诊断、预警领域。

背景技术

埋地金属管道防护层健康诊断技术对金属管道的安全运行意义重大，多年来各国防腐工作者研究了许多种用于检测金属管道防护层缺陷的方法和技术，主要有向管线输入直流电信号或交流电信号，沿管线检测电位、电流或磁场强度的变化来实现，常用技术有管对地电位法(P/S)、密间隔电位测试法(CIPS)、直流电位梯度法(DCVG)、皮尔逊法(PEARSON)、磁场法、电位差法、管内电流法、变频选频法、电流梯度法等。上述检测方法和技术成本高、实现一条完整的金属管道检测耗时、费力。

目前，在油、气田现场，绝大多数还是采用人工巡线方法，用便携式硫酸铜参比电极和万用表为工具，检测沿埋地金属管道间隔一定距离布置的测试桩上的阴极保护电位，以-0.85V为标准来评价金属管道的受保护情况。这种工作方式存在以下缺点：1)采用人工巡线法测得的阴极保护电位，都是采用便携式硫酸铜参比电极，工作人员责任心不强、专业技术技能不同、经验不同、参比电极埋设位置和深度不同，以及不同时间土壤含水率的变化、通电点电位的变化、测量时间不同等等，都会造成测量得到的阴极保护电位具有较大差异，测得结果没有可比对性；2)埋地金属管道是否受保护，仅以测试桩上的阴极保护电位是否低于-0.85V为判断依据是不科学的。事实上存在这种情况：由于通电点电位较负，即使两个测试桩之间出现了防护层脱落，但所有测试桩上的阴极保护电位都低于-0.85V，因此无法发现管道防护层缺陷；3)阴极保护电位测量中存在测量误差，不同的测量误差引入到不同管段其单位长度防护层横向绝缘层电阻的计算误差是不同的，简单地由相邻两个测试桩上的阴极保护电位计算得到的管段单位长度防护层横向绝缘电阻来评价管段的防护层健康状况会引入很大的评价误差，从而无法实现对管道防护层的健康状况作出正确评价；4)无法实现对管道防护层缺陷的定位。

本发明基于埋地金属管道阴极保护电位遥测技术，能够消除通电点电位变化、不同时段土壤水分含量不同等引起的阴极保护电位波动对管道防护层健康诊断结果的影响，精确测量测试桩上的阴极保护电位，使测量得到的阴极保护电位具有可比对性；能够根据不同的仪表测量误差对不同位置管段实现相应的单位长度防护层横向绝缘电阻的可靠评定；并在现有管道运行条件下无需开挖施工，根据测试桩的历史和当前阴极保护电位测量值，实现对管道防护层的安全预警和缺陷位置的定位。

发明内容

本发明的目的在于：提供一套埋地金属管道阴极保护电位精确测量方法、单位长度防护层横向绝缘电阻可靠评估方法、防护层安全预警和缺陷定位方法。

本发明采用的技术方案：采用基于GPRS无线通信技术的埋地金属管道阴极保护电位无线遥测系统，监控机采用固定IP的ADSL网络通信。采用长效硫酸铜参比电极，固定埋设在测试桩旁边，以保证每次测量结果具有相同的参考。现场仪表采用电池供电，软硬件采用低功耗设计，保证系统的可实现性和长期运行。

埋地金属管道阴极保护电位的测量由微功耗单片机实现。测试桩上的金属片与A/D转换器的输入端连接，埋地金属管道阴极保护电位采集模块的“地”与长效硫酸铜参比电极相连。

在上述技术基础上，本发明包含以下内容：

1管道阴极保护电位精确测量与仪表微功耗实现方法

管道的阴极保护电位在24小时内呈现不规律的波动，其原因是多方面的，如通电点电位的变化，土壤层水分的变化、降雨等。为了精确测量对应测试桩的阴极保护电位并实现测量仪表的微功耗，采用如下方法：

确定N天为管道防护层健康诊断周期；电位测量仪表每天采样24次，即每小时采样一次，其余时间仪表处于睡眠状态，无线通信模块断电；定时时间1小时到，每个管道阴极保护电位采集模块周期采样对应测试桩上的阴极保护电位256次(采样周期0.1秒)，将采样值平均后存于内存单元；一天24小时重复上述过程24次，24小时采样结果的均值作为当天的测量结果。N天24*N次采样结果的均值作为本次诊断周期的评判依据。采用这种数据采样和处理方法，可以最大限度地逼近所在位置埋地金属管道的阴极保护电位，消除外部因素引起的各种干扰，保证每次测量的结果具有很高的可靠性和比对性。同时，到达数据无线发送时刻后，由电位测量仪表的微处理器控制打开无线通信模块的电源，进行无线数据传输，数据通信结束，重新关闭无线通信模块的供电电源，以此实现电位测量仪表的微功耗目的。

2管道防护层横向绝缘电阻的可靠评价

假定通电点距1^#、2^#、3^#、4^#……N^#测试桩的距离分别为L₁，L₂，L₃，L₄……L_N；通电点到各个测试桩的平均衰减系数依次为α₁、α₂、α₃、α₄……α_N，相应的通电点到各个测试桩的单位长度横向绝缘电阻分别为R₁、R₂、R₃、R₄……R_N；通电点到1^#测试桩、1^#测试桩到2^#测试桩、2^#测试桩到3^#测试桩……N-1^#测试桩到N^#测试桩的平均衰减系数分别为β₁、β₂、β₃、β₄……β_N，相邻测试桩之间的单位长度横向绝缘电阻分别为R_0，1、R_1，2、R_2，3、R_3，4……R_N-1，N。

将第i个测试桩的阴极保护电位测量值代入极化电位衰减公式：

$E\left(L_i\right)=\frac{E_0}{\cosh \left({\mathrm{\α}}_{i}L\right)}\cosh \left[{\mathrm{\α}}_i(L-L_i)\right]---\left(1\right)$

可以得到通电点到第i个测试桩的电位衰减系数α_i，根据公式：

$R_i=\frac{R_s}{{\mathrm{\α}}_i^2}---\left(2\right)$

得到通电点到第i个测试桩的单位长度防护层横向绝缘电阻R_i，

由于通电点到第i个测试桩的单位长度防护层横向绝缘电阻R_i和第i个测试桩到第i+1个测试桩的单位长度防护层横向绝缘电阻R_i，i+1并联得到通电点到第i+1个测试桩的单位长度防护层横向绝缘电阻R_i+1，由此可以计算得到任意两个相邻测试桩之间的单位长度防护层横向绝缘电阻：

$R_{i,i+1}=\frac{R_i\·R_{i+1}\·(L_{i+1}-L_i)}{R_i\·L_{i+1}-R_{i+1}\·L_i}---\left(3\right)$

根据单位长度防护层横向绝缘电阻R_i，i+1和表1可以评价管道防护层的健康状况。

表1中国管道外防腐层绝缘电阻值的评价指标

等级	绝缘电阻(Ω·m2)	老化程度及表现
			优	＞10000	基本无老化
良	5000-10000	老化轻微，无剥离和损伤
			一般	3000-5000	老化较轻，基本完整，涂层发脆
差	1000-3000	老化较严重，有剥离和较严重的吸水现象
			劣	＜1000	老化和剥离严重，轻剥即掉

但是，由于仪表不可避免地带有测量误差，因此根据各个测试桩的阴极保护电位和其距通电点的距离计算得到的相邻测试桩之间的单位长度防护层横向绝缘电阻R_i，i+1并不是准确的值，其随着距通电点距离的不同、防护层本身绝缘电阻的不同，带有不同的误差。

假定管道通电点电位为-1.223V，管道全长4公里，各个测试桩距离通电点的距离L₁，L₂，L₃，L₄分别为1、2、3、4公里，各个管段的防护层绝缘电阻R_0，1、R_1，2、R_2，3、R_3，4分别都为11000Ωm²，根据公式(4)

$R_{i+1}=\frac{R_i\·R_{i,i+1}\·L_{i+1}}{R_{i,i+1}\·L_i+R_i\·(L_{i+1}-L_i)}---\left(4\right)$

可以计算出通电点到各个测试桩的单位长度防护层横向绝缘电阻，进而可以计算出通电点到各个测试桩的平均衰减系数α₁、α₂、α₃、α₄……α_N，最后根据公式(1)可以计算出各个测试桩的阴极保护电位分别为-1.2230V，-1.2131V，-1.2061V，-1.2019V，-1.2005V。

如果相邻测试桩之间管段的防护层绝缘电阻在10000Ωm²，5000Ωm²，3000Ωm²和1000Ωm²四个值之间随机变化，则四段管道的防护层绝缘电阻共有256种变化可能。在通电点恒电位仪电位恒定在-1.223V不变的前提下，随着相邻测试桩之间管段的防护层绝缘电阻的变化，各个测试桩上的阴极保护电位必定会发生变化。由于仪表存在测量误差，假定测量误差最大为±0.1mV，根据公式(3)计算得到的各段管道的单位长度防护层绝缘电阻与实际防护层横向绝缘电阻之间误差极值如表2所示。

表2不同的单位长度防护层横向绝缘电阻在不同管段的测量误差极值单位：Ωm²

由表可见：不同的防护层横向绝缘电阻在不同管段(距通电点距离不同)其测量误差是不同的，距离通电点距离越远，误差越大；单位长度防护层横向绝缘电阻越大，测量误差越大，单位长度防护层横向绝缘电阻越小，误差越小。由于测量误差的存在，原本防护层质量为一般的，可能评定为差，也可能评定为良好。

针对管道防护层质量评定中存在的上述问题，本发明提出如下评价方法：

1.精确测量管道通电点电位E₀，确定沿管道各个测试桩距通电点的距离L₁，L₂，L₃，L₄……L_N，测量管道沿线各个测试桩上的阴极保护电位E(L_i)；

2.根据E₀和L₁，L₂，L₃，L₄……L_N，以及仪表的测量误差，计算表2中4种单位长度防护层横向绝缘电阻在不同管段的测量误差其中，R取值10000Ωm²，5000Ωm²，3000Ωm²和1000Ωm²四种；

3.根据公式(1)和实测通电点电位、各个测试桩的阴极保护电位及其距通电点的距离，计算通电点到各个测试桩的电位衰减系数α_i；

4.根据公式(2)计算通电点到各个测试桩的单位长度防护层横向绝缘电阻R_i；

5.根据公式(3)计算相邻测试桩之间的单位长度防护层横向绝缘电阻R_N-1，N；

6.根据R_N-1，N和

评价管段防护层的健康状况：

防护层状态优：绝缘电阻大于等于

防护层状态优与良之间：绝缘电阻介于和

之间；

防护层状态良：绝缘电阻介于

和

之间；

防护层状态良与中之间：绝缘电阻介于

和

之间；

防护层状态中：绝缘电阻介于

和

防护层状态中与差之间：绝缘电阻介于

和

防护层状态差：绝缘电阻介于

和

防护层状态差与劣之间：绝缘电阻介于

和

防护层状态劣：绝缘电阻小于

3管道防护层安全预警及缺陷定位

假定前一次管道阴极保护电位测量结果为EPOld[i]，i＝1……N，i为管道测试桩桩号，N为距管道通电点最远测试桩的桩号；最新一次管道阴极保护电位测量结果为EPNew[i]；L[i]为各个测试桩距管道通电点的距离。

管道防护层安全预警及缺陷定位方法如下：

1)计算新旧两次管道阴极保护电位测量值的差：

deltaE[i]＝EPOld[i]-EPNew[i]；

2)判断哪个测试桩电位下降最大：

(1)如果是1#测试桩阴极保护电位下降最大且大于阈值，则1^#和2^#测试桩之间管段一定程度上出现了防护层缺陷，缺陷位置在1^#和2^#测试桩之间，记：

err1＝1；err2＝2；

E1＝deltaE[1]；E2＝deltaE[2]；

L1＝L[1]；L2＝L[2]；

(2)如果是N^#测试桩阴极保护电位下降最大(N^#桩为管道末尾)，且大于阈值，则N-1^#和N^#桩之间管段一定程度上出现了防护层缺陷，缺陷位置在N-1^#和N^#桩之间，记：

err1＝N-1；err2＝N；

E1＝deltaE[N-1]；E2＝deltaE[N]；

L1＝L[N-1]；L2＝L[N]；

(3)否则，如果deltaE[i+1]＞deltaE[i]，则管道缺陷发生在第i^#桩和第(i+1)^#桩之间管段，记：

err1＝i；err2＝i+1；

E1＝deltaE[i]；E2＝deltaE[i+1]；

L1＝L[i]；L2＝L[i+1]；

否则，第(i-1)^#桩和第i^#桩之间管段一定程度上出现了防护层缺陷，缺陷位置在第(i-1)^#桩和第i^#桩之间，记：

err1＝i-1；

err2＝i；

E1＝deltaE[i-1]；E2＝deltaE[i]；

L1＝L[i-1]；L2＝L[i]；

3)定位，err[1]＝err1；err[2]＝err2；err[1]和err[2]为管道防护层缺陷预警管段对应的测试桩桩号；

记

tempE＝E1+E2；tempE为两相邻测试桩的电位变化累加和

tempL＝L2-L1；tempL为相邻测试桩之间的距离

如果(E1＜E2)，则maxE＝E2；Location＝tempL*maxE/tempE；

否则maxE＝E1；

Location＝tempL*maxE/tempE；Location即为距缺陷管段前一号桩的距离。

本发明具有如下有益效果：

本发明可以为管道安全检测人员提供一项埋地金属管道防护层健康状况诊断、管道防护层安全预警和缺陷定位的方法，并且实现了埋地金属管道阴极保护电位的低功耗无线遥测。

本发明可以实时掌握埋地金属管道防护层健康状况的动态变化，为检测部门提供埋地金属管道防护层健康诊断的方法、管道防护层安全预警和缺陷定位方法，并对缺陷类型做出危害等级的可靠评估，便于职能部门及时采取措施，减少损失。

管段不同、单位长度防护层横向绝缘电阻不同，由带电位测量误差的电位检测仪表引入的单位长度防护层横向绝缘电阻计算误差不同，针对这一现状，本发明提出了消除电位检测仪表引入的计算误差的评价方法。

本发明实现管道防护层健康状态的无线监测，在不需大量施工情况下，既能实现防护层健康诊断，又能实现管道的安全预警和缺陷定位，且成本低。可以提高工作效率，减轻工作人员野外劳动强度。

附图说明

图1埋地金属管道各个测试桩阴极保护电位、距通电点距离、平均衰减系数和单位长度防护层横向绝缘电阻关系曲线图。

图2埋地金属管道防护层健康状况诊断系统框图。

图中编号：1电位采集模块，2长效硫酸铜参比电极，3GPRS模块，4ADSL modem，5监控计算机

图3埋地金属管道阴极保护电位采集仪表电路原理图。

21——信号调理模块；30——MSP430F149单片机；31——单片机内部12位A/D；32——单片机内部UART；33——单片机内部CPU；34——单片机内部IO控制端口；41——RS-232接口；51——光耦继电器AQV101；61——6V铅酸电池；71——DC/DC模块

具体实施方式

本发明的技术路线是：在管道沿线各个测试桩安装低功耗电位采集仪表，电位采集仪表检测管道各个测试桩的阴极保护电位，通过GPRS无线发送模块将电位值、管道信息、桩号传输给监控计算机，并存入数据库。监控软件根据各个测试桩上的阴极保护电位和其距通电点的距离，评价各段管道防护层的健康状况，并根据各个测试桩前后两次电位测量结果的差(电位下降值)中的极大值是否大于阈值，决定是否发出管段安全预警并实现管道缺陷的定位。

参阅图2，埋地金属管道防护层健康状况诊断系统由阴极保护电位采集仪表1、长效硫酸铜参比电极2、GPRS无线发送模块3、监控计算机5、ADSL Modem 4和监控软件组成。监控软件包括埋地金属管道防护层健康状况诊断、管段预警、缺陷定位等功能。

电位采集仪表主要考虑系统功耗、采样精度、数据通信方式。参阅图3，电位采集仪表采用6V，24Ah的铅酸电池61供电。由MSP430F149超低功耗单片机作为微处理器30，工作电压3.3V由DC/DC模块71提供，其内嵌12位采样分辨率的A/D模块31；平时单片机处于睡眠状态，以节省电能，只有到采样时刻才被唤醒。采用光电耦合开关AQV10151作为GPRS模块的供电电源开关，平时不给GPRS模块供电，以节省电能，当需要发送数据时由微处理器的CPU 33通过内部I/O端口34控制光电耦合开关AQV10151给GPRS模块3供电，同时通过内部UART 32把数据经外部RS-232接口电路41送给GPRS模块3；参比电极2采用长效硫酸铜参比电极，连接管道阴极保护电位采集模块的“地”端，为阴极保护电位的测量提供“地”基准；其长期埋设在固定位置和固定深度，可以保证每次测量得到的电位可靠、真实，具有可比性。GPRS无线发送模块3采用深圳倚天科技开发公司的ETPro-221Ai DTU模块。

1.管道阴极保护电位精确测量及仪表低功耗实现方法：

步骤1.1：确定1天为管道防护层健康状况诊断周期；

步骤1.2：MSP430F149超低功耗单片机采用32768kHz晶振，平时处于睡眠中，定时唤醒周期为1秒；

步骤1.3：定时1秒到，累加器加1；累加60次，即定时1小时到。以0.1秒为采样周期，连续采样256次，平均值存于数组元素为24的数组M中；

步骤1.4：一天24小时重复步骤1.3共24次，24次采样结果的均值作为本诊断周期的测量结果；

步骤1.5：单片机控制光耦继电器闭合，使供电电池给GPRS模块供电，经过50秒延时后，将采样结果、管道信息、桩号通过串行接口发送给GPRS模块，最后由GPRS模块无线发送，经由ADSL传送给监控机；

步骤1.6：关断GPRS模块电源，微处理进入睡眠，回到步骤1.3，重复步骤1.3-1.5

2.管道单位长度防护层横向绝缘电阻的可靠评价方法。

步骤2.1：确定电位检测仪表的测量误差为±0.1mV；

步骤2.2：确定通电点电位为：1.2368V，各个测试桩距通电点距离分别为1.0、2.0、3.0、5.0km。计算不同的单位长度防护层横向绝缘电阻在不同管段的测量误差极值，如表3所示。

表3不同的单位长度防护层横向绝缘电阻在不同管段的测量误差单位：Ωm²

步骤2.3：实测各个测试桩的阴极保护电位为1.0332V、0.9162V、0.8696V、0.8308V。根据通电点电位1.2368V和各个测试桩距通电点的距离1.0km、2.0km、3.0km、和5.0km，计算得到各段管道的单位长度防护层横向绝缘电阻分别为：480.3Ωm²、642.7Ωm²、1029.5Ωm²和820.0Ωm²。依据表3和表1可以判断：通电点至1^#测试桩管段、1^#测试桩至2^#测试桩管段、3^#测试桩至4^#测试桩管段防护层都处于劣状态，2^#测试桩至3^#测试桩管段防护层处于差状态。

3.管道防护层建康状况预警及缺陷定位方法。

确定通电点电位为：1.2364V，各个测试桩距通电点距离分别为1.0km、2.0km、3.0km、5.0km。

上次四个测试桩的阴极保护电位实测结果分别为：1.2368V、1.0329V、0.9196V、0.8726V、0.8403V；本次四个测试桩的阴极保护电位实测结果分别为：1.2368V、1.0332V、0.9162V、0.8696V、0.8308V；选取阈值为：0.005V；每个测试桩前后电位差分别为-0.3mV、3.4mV、3.0mV和9.5mV。其中，5^#测试桩对应的阴极保护电位下降最大，且大于阈值0.005V，则4^#和5^#测试桩之间管段一定程度上出现了防护层缺陷，缺陷位置在4^#和5^#测试桩之间。两相邻测试桩4^#和5^#测试桩的电位变化累加为12.5mV，两相邻测试桩之间的距离tempL为2km，根据缺陷定位公式Location＝tempL*maxE/tempE，得出缺陷位置为距4^#测试桩1.52km处(实际缺陷位置与之相符)。

Claims (1)

1.埋地金属管道防护层安全预警及缺陷定位方法，其特征在于，包括下列步骤：

假定前一次管道阴极保护电位测量结果为EPOld[i]，i＝1……N，i为管道测试桩桩号，N为距管道通电点最远测试桩的桩号；最新一次管道阴极保护电位测量结果为EPNew[i]；L[i]为各个测试桩距管道通电点的距离；

1)计算新旧两次管道阴极保护电位测量值的差：

deltaE[i]＝EPOld[i]-EPNew[i]；

2)判断哪个测试桩电位下降最大：

a.如果是1#测试桩阴极保护电位下降最大且大于阈值，则1^#和2^#测试桩之间管段一定程度上出现了防护层缺陷，缺陷位置在1^#和2^#测试桩之间，记：

err1＝1；err2＝2；

E1＝deltaE[1]；E2＝deltaE[2]；

L1＝L[1]；L2＝L[2]；

b.如果条件a不满足，则判断：如果是N^#测试桩阴极保护电位下降最大——N^#桩为管道末尾，且大于阈值，则N-1^#和N^#桩之间管段一定程度上出现了防护层缺陷，缺陷位置在N-1^#和N^#桩之间，记：

err1＝N-1；err2＝N；

E1＝deltaE[N-1]；E2＝deltaE[N]；

L1＝L[N-1]；L2＝L[N]；

c.如果条件a和b都不满足，则判断：如果deltaE[i+1]＞deltaE[i]，则管道缺陷发生在第i^#桩和第(i+1)^#桩之间管段，记：

err1＝i；err2＝i+1；

E1＝deltaE[i]；E2＝deltaE[i+1]；

L1＝L[i]；L2＝L[i+1]；

否则，第(i-1)^#桩和第i^#桩之间管段一定程度上出现了防护层缺陷，缺陷位置在第(i-1)^#桩和第i^#桩之间，记：

err1＝i-1；

err2＝i；

E1＝deltaE[i-1]；E2＝deltaE[i]；

L1＝L[i-1]；L2＝L[i]；

3)定位，err[1]＝err1；err[2]＝err2；err[1]和err[2]为管道防护层缺陷预警管段对应的测试桩桩号；记

tempE＝E1+E2；tempE为两相邻测试桩的电位变化累加和；

tempL＝L2-L1；tempL为相邻测试桩之间的距离；

如果(E1＜E2)，则maxE＝E2；Location＝tempL*maxE/tempE；

否则maxE＝E1；

Location＝tempL*maxE/tempE；Location即为距缺陷管段前一号桩的距离。

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