CN103592363A - 监测埋地金属管道防腐涂层破损的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测埋地金属管道防腐涂层破损的方法及装置，埋地金属管道中接入电流激励系统，沿埋地金属管道设有磁场传感器节点，磁场传感器节点采集土壤磁场信号，传递到监控节点，监控节点对磁场信号进行分析处理。采用本发明的技术方案，通过磁场传感器节点对埋地金属管道防腐层破损点进行精确高效地监测。磁场传感器节点平时处在休眠状态，只有当工作人员在监控节点处向磁场传感器节点发出采集信息命令后，磁场传感器节点才从休眠中苏醒过来采集磁场信息。因此该方法与传统的无线传感器监测网络相比大大减少了传感器节点的能量消耗，提高了整个传感器监控系统的寿命。

Description

监测埋地金属管道防腐涂层破损的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种监测埋地金属管道防腐层破损的方法及装置，尤其涉及采用无线传感器网络自动化精确定位检测埋地金属管道防腐层破损的方法及装置。

背景技术

    随着石油化工产业的蓬勃发展，埋地金属管道的应用越来越多。因为埋地金属管道与土壤长时间的接触，土壤中溶解的各种电解质对管道外表面形成电化学腐蚀，当腐蚀到一定阶段管道会发生破损，会发生泄漏现象，发生泄漏后不但浪费资源而且污染环境。通过在埋地金属管道外侧涂上防腐层可有效防止金属管道腐蚀的发生，但是当金属管道外防腐涂层遭到破坏时埋地金属管道就会形成大阴极小阳极的腐蚀现象，此时会加剧管道的腐蚀。埋地金属管道一般处于高压的运输状态，因此金属管道内部存在较大的内应力，金属表面的内应力和腐蚀联合作用将会形成应力腐蚀从而加速管道的破坏和产生微裂纹。因此预先找到埋地金属管道防腐涂层的破裂处对预防管道泄漏有重要的意义。

目前，监测埋地金属管道防腐涂层破损的方法有很多种，较常见的有如下几种。交流电流衰减检测技术，它的工作原理是当电流施加在金属管道上时，根据电流衰减变化的大小探测防腐涂层的破损点。皮尔逊检测技术，基本原理是，当一个交流信号加在金属管道上，在防腐涂层破损处便会有电流泄漏入土壤中，这样在管道破损点与土壤之间会形成电压差，且在接近破损点的部位电压差最大，在管道竖直向上的地面上用仪器检测到这种电位的异常变化就可发现管道防腐层的破损点。密间隔电位检测技术（CIPS），该方法是连续测量管道与地面的电位，在埋地管道防腐层的破损处，由于电流从防腐涂层破损处流向土壤，必然会产生一个电位梯度场，该电位梯度场的形状和位置将随防腐层缺陷的大小和管道上所处的位置而变化。该检测技术通过测得的电压图中电压梯度的变化来判断管道防腐层破损点。直流电压梯度检测技术（DCVG），该技术的检测原理是在施加了阴极保护的埋地管线上，电流经过土壤介质流入管道外覆盖层破损处裸露的钢管处，在管道防腐层破损处的地面上形成了一个电压梯度场，在管道上方测量电势差即可判断管道防腐层破损点，该方法类似于，皮尔逊检测法，但是该方法的测量灵敏度更高。中国专利申请号为201110200971.7，名称为“埋地金属管道防腐层破损精确定位检测方法和装置”，公开了利用直流电压梯度的方法测量埋地金属管道防腐层破损检测的方法。

现有技术中的上述检测方法，虽然都可以检测埋地金属管道防腐层的破损，但是需要消耗大量的人力和大量的时间进行测量，检测成本高。

发明内容

为了解决现有技术中埋地金属管道防腐层的检测技术的需要耗费大量的人力和物力的问题，本发明提供了一种采用传感器网络对埋地金属管道防腐层的检测方法和检测装置。

一种采用传感器网络监测埋地金属管道防腐涂层破损的方法，埋地金属管道中接入电流激励系统，沿埋地金属管道设有磁场传感器节点，磁场传感器节点采集土壤磁场信号，传递到监控节点，监控节点对磁场信号进行分析处理。

所述的电流激励系统利用恒流源通过电流中断器周期性地接通或关断恒流源给埋地金属管道提供激励信号，如果管道防腐层有破损，电流将在破损处从管道流入，由于电流会在周围空间感应出磁场，因此在腐蚀破损处的周围将会产生较强的磁场信号。

沿着金属管道布置一系列磁场传感器节点可以监测周围土壤中的磁场信号。磁场传感器节采集周围土壤中的磁场信号后，通过Zigbee网络将采集到的磁场信号传递给相邻磁场传感器节点，信息通过无线多跳的方式依次传递到管线控制站内的监控节点，监控节点对传输来的数据进行分析处理后，在显示器上显示采集到的磁场信号，并存储采集到的磁场信息，以便分析管道防腐层的破损情况。当监控节点发现采集到的磁场信号有突变时便认为在该处发生了管道防腐层的破损，并报警，提请监控人员注意，监控人员也可以随时调用某时间段内的磁场监控记录。采用无线传感器网络埋地金属管道防腐涂层破损监测装置，由三部分组成，分别为电流激励系统、磁场传感器节点和监控节点组成。下面对各部分进行详细介绍。

电流激励系统由埋地管道测试桩、电流中断器、开关、直流电源和接地阳极五部分组成。埋地管道测试桩直接与埋地金属管道相连，埋地管道测试桩与电流中断器相连，开关将电流中断器和直流电源相连，直流电源与接地阳极相连接。埋地金属管道通常安装有阴极保护装置。

磁场传感器节点由4部分模块组成，包括数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和能量供应模块。在本发明中这4部分的具体组成是：数据采集模块由磁场传感器和A/D转换器组成，数据处理模块由微处理器和存储器组成，无线通信模块由无线射频芯片组成，能量供应模块主要由2节干电池组成。磁场传感器采集环境中的磁感应强度，首先将采集到的模拟量信号传递到A/D转换器，将采集到的模拟量信号转化为数字量信号，然后再将数字信号传输到微处理器进行数据的处理和分析并将处理好的信息传到存储器中并且将数据传输到无线射频芯片，无线射频芯片接收到数据后将接收到的数据通过Zigbee网络传输到相邻的磁场传感器节点，信息依次通过无线多跳的线性路由方式传输到管道监控站点内的监控节点。

监控节点由无线通讯模块，数据处理模块和显示器模块和能量供应模块组成，采用普通家用220V交流电对监控节点进行供电。在某时刻，工作人员想了解埋地金属管道防腐层的破损情况时，监控节点通过无线信号收发器将采集信息命令发送给正处于休眠状态的磁场传感器节点，磁场传感器节点采集周围的磁场信号并将信号发送给监控节点，监控节点中的无线信息收发器接收到信息后将数据传输到数据处理器，数据处理器对数据进行处理后将数据存放在存储器中，工作人员可随时对不同时刻各磁场传感器节点所采集到的磁场信息进行调用，并可以在显示器上显示以前某一时刻所采集到的各磁场传感器节点的信息图，或是显示某一磁场传感器节点以往所采集到的磁场信息。通过显示某时刻管道沿线各磁场传感器节点采集到的磁场信息可以判断某时刻整个管道是否有防腐层的破损现象。通过显示某一个磁场传感器节点以往所采集到的磁场信息可以判断此处传感器节点附近管道防腐层随时间的破损情况的变化。采用本发明的技术方案，通过磁场传感器节点对埋地金属管道防腐层破损点进行精确高效地监测。磁场传感器节点平时处在休眠状态，只有当工作人员在监控节点处向磁场传感器节点发出采集信息命令后，磁场传感器节点才从休眠中苏醒过来采集磁场信息。因此该方法与传统的无线传感器监测网络相比大大减少了传感器节点的能量消耗，提高了整个传感器监控系统的寿命。传统的埋地金属管道防腐层破损监测方法如，交流电流衰减检测技术、皮尔逊检测技术、密间隔电位检测技术（CIPS）、直流电压梯度检测技术（DCVG），需要工作人员使用一定的设备装置在埋地管道上方的地面上沿着管线采集数据，因此这些检测方法都需要耗费大量的时间和人力。而本发明采用无线传感器网络技术，体现了自动化和智能化，节省了时间和人力资源的消耗。 本监控系统采用Zigbee无线通信协议。Zigbee技术是具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通信技术。

相对于现有的技术中的方案，本发明的优点是：1）根据埋地金属管道防腐层破损检测对实时性要求不高的特点使用人工发送监测命令对管道防腐层进行监测的方法，提高了监测系统的寿命。2）与传统的埋地金属管道防腐层破损检测技术相比本方法大大提高了监测的效率。短时间内就可完成对埋地金属管道防腐层破损点的检测。3）本方法利用无线传感器网络技术，将管道的防腐层的破损信息自动传输给控制中心，因此与原有的监测方法相比减少了人力资源的投入。

附图说明

图1为本发明监测埋地金属管道防腐涂层破损装置的结构示意图。

图2为本发明实施例一磁场传感器节点布置的示意图。

图3为本发明实施例二磁场传感器节点布置的示意图。

图4为本发明中磁场传感器节点的结构图。

图5为本发明中监控节点的结构图。

图6为本发明埋地金属管道防腐涂层破损点附近的磁场示意图。

图7为本发明磁场传感器节点之间传递信息的路由图。

图8为本发明系统工作流程图。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

具体实施方式一：

图1为本发明中无线传感器网络监测埋地金属管道防腐涂层破损的示意图，如图1所示本系统由三部分组成分别为电流激励系统、磁场传感器节点5和监控节点6组成。下面分别对各部分的组成和基本工作过程进行说明。

如图1所示，为电流激励系统，电流激励系统由埋地管道测试桩7、电流中断器4、开关3、直流电源2和接地阳极1五部分组成。其中埋地管道测试桩7、电流中断器4、开关3、直流电源2和接地阳极1之间依次通过导线连接起来，并且埋地管道测试桩7与埋地管道连接。电流激励系统安装时先将开关3断开，然后将电流中断器4接入强制电流法阴极保护系统中，再闭合开关3，完成电流激励系统的安装。

如图4所示，磁场传感器节点5由数据采集模块13、数据处理模块14、无线通信模块15和能量供应模块16组成。磁场传感器节点的工作过程是：磁场传感器8采集环境中的磁场信号，首先将采集到的模拟量信号传输到A/D转换器9，将采集到的模拟量信号转化为数字量信号，然后再将数字信号传输到MSP430微处理器10进行数据的处理并将处理好的信息存储到存储器11并将数据传输到无线射频芯片12，无线射频芯片CC2530接收到数据后将接收到的数据通过Zigbee网络无线发送到相邻的磁场传感器节点。能量供应模块16为两节干电池提供能量。

如图5所示，监控节点6由无线通讯模块21，数据处理模块22和显示器模块23和能量供应模块24组成，使用普通家用220V交流电对监控节点进行供电。无线信号收发器17可与磁场传感器节点5进行双向数据的传输。无线信号收发器17将接收到信息传输给处理器18。处理器18将接收到的数据处理后发送到存储器20进行存储。当需要调用以往采集到的数据对管道防腐层破损情况进行分析时，相关数据将以图像或图表的形式在显示器19上显示。

图8所示为系统的工作流程：当工作人员想了解埋地金属管道防腐层的破损情况时，工作人员先将强制电流法阴极保护的开关3断开，并在其电路系统中接入电流中断器4，电流中断器以1秒为周期进行通断转换，其中断电2/3秒，通电1/3秒。接入电流中断器4后，再闭合开关3，电流激励系统安装完成。此时金属管道沿线防腐层有破损点时，土壤中将会有电流流入此破损点。

如图6所示为埋地金属管道防腐涂层破损点附近的磁场示意图。由于金属管道中有电流通过，因此在管道周围空间会感应出磁场。当有电流在土壤中通过防腐层破损点流入金属管道时，在土壤中的这部分电流也会在空间中感应出相应的磁场，这部分磁场与原有磁场相叠加，两磁场可能在区域1两相互抵消，而在区域2相互叠加。因此当磁场传感器节点监测到磁场信号增强或减弱时，都可能是管道防腐层发生了破损。

如上步所述当电流激励系统安装完成后，工作人员点击监控节点6的显示器19上的采集信息按钮后，无线信号收发器17将采集信息命令发送给正处于休眠状态的磁场传感器节点5。

在如图7中圆圈n表示监控节点6，以下简称节点n，圆圈1、2、3、4..... n-3、n-2、n-1分别表示在管道沿线依次编号的磁场传感器节点5，以下简称节点1、2、3、4..... n-3、n-2、n-1，带箭头的曲线表示传递的信息，曲线上的字母表示由哪个节点所采集到的信息，箭头方向表示信息的传递方向。节点n先将采集信息命令发送给相邻的处在休眠状态的节点n-1,节点n-1收到命令后从休眠状态中苏醒过来，命令依次传递下去，一直传递到1节点，各节点也依次从睡眠中苏醒。节点1首先采集环境中的磁场信号，并将信号传递给节点2，信息依次传递到节点n。节点2接收到节点1采集到的信号后经过一个时间周期后也将采集环境中的磁场信号，并将信息发送到节点3，并且信息将依次发送到节点n。依次类推，当某节点接收到前一节点所采集的磁场信号后，该节点经过一个时间周期也将采集周围环境中的磁场信号，并将采集到的数据发送给下一节点，并依次传递到n节点。如上所述直到n-1节点采集磁场数据并发送给节点n。一个磁场信号采集过程就这样完成了。

监控节点中的无线信息收发器接收到信息后将数据传输到数据处理器，数据处理器对数据进行处理后将数据存放在存储器中，工作人员可随时对不同时刻各磁场传感器节点所采集到的磁场信息进行调用，并可以在显示器上显示以前某一时刻所采集到的各磁场传感器节点的信息图，或是显示某一磁场传感器节点以往所采集到的磁场信息。通过显示某时刻管道沿线各磁场传感器节点采集到的磁场信息可以判断某时刻整个管道是否有防腐层的破损现象。通过显示某一个磁场传感器节点以往所采集到的磁场信息可以判断此处传感器节点附近管道防腐层随时间的破损情况的变化。当某处磁场信号有异常情况时，通过判断此处磁场是由哪个磁场传感器节点采集的信号后便可根据此磁场传感器节点的编号来精确定位管道防腐层破损点。 

如图2所示，当埋地管道铺设较浅时，磁场传感器节点5布置在管道正上方的地表上。 

具体实施方式二：   

图1为本发明中无线传感器网络监测埋地金属管道防腐涂层破损的示意图，如图1所示本系统由三部分组成分别为电流激励系统、磁场传感器节点5和监控节点6组成。下面分别对各部分的组成和基本工作过程进行说明。

如图1所示，为电流激励系统，电流激励系统由埋地管道测试桩7、电流中断器4、开关3、直流电源2和接地阳极1五部分组成。其中埋地管道测试桩7、电流中断器4、开关3、直流电源2和接地阳极1之间依次通过导线连接起来，并且埋地管道测试桩7与埋地管道连接。电流激励系统安装时先将开关3断开，然后将电流中断器4接入强制电流法阴极保护系统中，再闭合开关3，完成电流激励系统的安装。

如图4所示，磁场传感器节点5由数据采集模块13、数据处理模块14、无线通信模块15和能量供应模块16组成。磁场传感器节点的工作过程是：磁场传感器8以一定的采样周期采集环境中的磁场信号，首先将采集到的模拟量信号传输到A/D转换器9，将采集到的模拟量信号转化为数字量信号，然后再将数字信号传输到MSP430微处理器10进行数据的处理并将处理好的信息存储到存储器11并将数据传输到无线射频芯片12，无线射频芯片CC2530接收到数据后将接收到的数据通过Zigbee网络无线发送到相邻的磁场传感器节点。能量供应模块16为两节干电池提供能量。

如图5所示，监控节点6由无线通讯模块21，数据处理模块22和显示器模块23和能量供应模块24组成，使用普通家用220V交流电对监控节点进行供电。无线信号收发器17可与磁场传感器节点5进行双向数据的传输。无线信号收发器17将接收到信息传输给处理器18。处理器18将接收到的数据处理后发送到存储器20进行存储。当需要调用以往采集到的数据对管道防腐层破损情况进行分析时，相关数据将以图像或图表的形式在显示器19上显示。

图8所示为系统的工作流程：当工作人员想了解埋地金属管道防腐层的破损情况时，工作人员先将强制电流法阴极保护的开关3断开，并在其电路系统中接入电流中断器4，电流中断器以1秒为周期进行通断转换，其中断电2/3秒，通电1/3秒。接入电流中断器4后，再闭合开关3，电流激励系统安装完成。此时金属管道沿线防腐层有破损点时，土壤中将会有电流流入此破损点。

如图6所示为埋地金属管道防腐涂层破损点附近的磁场示意图。由于金属管道中有电流通过，因此在管道周围空间会感应出磁场。当有电流在土壤中通过防腐层破损点流入金属管道时，在土壤中的这部分电流也会在空间中感应出相应的磁场，这部分磁场与原有磁场相叠加，两磁场可能在区域1两相互抵消，而在区域2相互叠加。因此当磁场传感器节点监测到磁场信号增强或减弱时，都可能是管道防腐层发生了破损。

如上步所述当电流激励系统安装完成后，工作人员点击监控节点6的显示器19上的采集信息按钮后，无线信号收发器17将采集信息命令发送给正处于休眠状态的磁场传感器节点5。

在如图7中圆圈n表示监控节点6，以下简称节点n，圆圈1、2、3、4..... n-3、n-2、n-1分别表示在管道沿线依次编号的磁场传感器节点5，以下简称节点1、2、3、4..... n-3、n-2、n-1，带箭头的曲线表示传递的信息，曲线上的字母表示由哪个节点所采集到的信息，箭头方向表示信息的传递方向。节点n先将采集信息命令发送给相邻的处在休眠状态的节点n-1,节点n-1收到命令后从休眠状态中苏醒过来，命令依次传递下去，一直传递到1节点，各节点也依次从睡眠中苏醒。节点1首先采集环境中的磁场信号，并将信号传递给节点2，信息依次传递到节点n。节点2接收到节点1采集到的信号后经过一个时间周期后也将采集环境中的磁场信号，并将信息发送到节点3，并且信息将依次发送到节点n。依次类推，当某节点接收到前一节点所采集的磁场信号后，该节点经过一个时间周期也将采集周围环境中的磁场信号，并将采集到的数据发送给下一节点，并依次传递到n节点。如上所述直到n-1节点采集磁场数据并发送给节点n。一个磁场信号采集过程就这样完成了。

监控节点中的无线信息收发器接收到信息后将数据传输到数据处理器，数据处理器对数据进行处理后将数据存放在存储器中，工作人员可随时对不同时刻各磁场传感器节点所采集到的磁场信息进行调用，并可以在显示器上显示以前某一时刻所采集到的各磁场传感器节点的信息图，或是显示某一磁场传感器节点以往所采集到的磁场信息。通过显示某时刻管道沿线各磁场传感器节点采集到的磁场信息可以判断某时刻整个管道是否有防腐层的破损现象。通过显示某一个磁场传感器节点以往所采集到的磁场信息可以判断此处传感器节点附近管道防腐层随时间的破损情况的变化。当某处磁场信号有异常情况时，通过判断此处磁场是由哪个磁场传感器节点采集的信号后便可根据此磁场传感器节点的编号来精确定位管道防腐层破损点。 

如图3所示，当埋地管道铺设较深时，磁场传感器节点5中用于收发数据的数据收发模块15布置在地表面，磁场传感器节点5的其余部分布置在埋地管线附近以利于接收到磁场信息，数据处理模块14与数据发送模块15通过长的数据线连接起来。

Claims (9)

1.监测埋地金属管道防腐涂层破损的方法，其特征在于：埋地金属管道中接入电流激励系统，沿埋地金属管道设有磁场传感器节点，磁场传感器节点采集土壤磁场信号，传递到监控节点，监控节点对磁场信号进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的监测埋地金属管道防腐涂层破损的方法，其特征在于：所述电流激励系统为利用恒流源通过电流中断器周期性地接通或关断恒流源给埋地金属管道提供激励信号。

3.根据权利要求2所述的监测埋地金属管道防腐涂层破损的方法，其特征在于：管道防腐层有破损，电流将在破损处从管道流入，由于电流会在周围空间感应出磁场，在腐蚀破损处的周围将会产生较强的磁场信号。

4.根据权利要求1所述的监测埋地金属管道防腐涂层破损的方法，其特征在于：磁场传感器节点采集到的磁场信息根据Zigbee网络协议，传递到相邻的磁场传感器节点，信息通过无线多跳的方式依次传递到管线的监控节点，监控节点通过分析所采集到磁场信号的变化情况来判断金属管道防腐层是否发生泄漏及泄漏点的精确位置。

5.根据权利要求1-4任一项所述的监测埋地金属管道防腐涂层破损的方法，其特征在于：所述的磁场传感器节点处于休眠状态，其根据监控节点的采集磁场信息的命令进入工作状态。

6.监测埋地金属管道防腐涂层破损的装置，其特征在于：所述监测装置由电流激励系统、磁场传感器节点和监控节点组成，所述的电流激励系统为监测装置提供信号，磁场传感器节点采集并传递上述信号，监控节点接收并分析上述信号。

7.根据权利要求6所述的监测埋地金属管道防腐涂层破损的装置，其特征在于：所述电流激励系统由埋地管道测试桩、电流中断器、开关、直流电源和接地阳极组成，其中埋地管道测试桩直接与埋地金属管道相连，埋地管道测试桩与电流中断器相连，开关将电流中断器和直流电源相连，直流电源与接地阳极相连接。

8.根据权利要求6所述的监测埋地金属管道防腐涂层破损的装置，其特征在于：所述磁场传感器节点由数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和能量供应模块组成。

9.根据权利要求6所述的监测埋地金属管道防腐涂层破损的装置，其特征在于：所述监控节点由无线通讯模块，数据处理模块和显示器模块和能量供应模块组成。

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