CN111254443A - 一种海水管路杂散电流检测与控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于杂散电流检测与控制技术领域，涉及一种海水管路杂散电流检测与控制装置和方法，基于海水管路杂散电流只会出现在绝缘组件的两侧，杂散电流从绝缘组件的某侧管路入水，该侧管路内壁就会成为阳极，发生腐蚀溶解，绝缘组件另一侧管路成为阴极，杂散电流回流形成通路，通过在线检测异种金属管路开路电位的方式进行海水管路异种金属连接部位杂散电流的检测和判定，并利用输入外加保护电流的方式进行海水管路杂散电流的主动控制和消除，提高了海水管路杂散电流检测和控制的效果和可靠性；同时，能够通过检测法兰两侧管路内壁开路电位的变化，判断异种金属海水管路的绝缘状态，进行报警提醒以便及时更换法兰。

Description

一种海水管路杂散电流检测与控制装置和方法

技术领域：

本发明属于杂散电流检测与控制技术领域，涉及一种海水管路杂散电流检测与控制装置和方法，对船舶海水管路杂散电流进行检测和控制，还能用于海水管路电绝缘状态的失效检测。

背景技术：

杂散电流是指在设计或规定回路以外流动的电流，也被称为“迷流”，杂散电流从管道的某一部位B(称为阴极)进入管道并沿管道流动一段距离后，又从管道的另一部位C(称为阳极)中流出，C部位产生阳极氧化，即杂散电流腐蚀。

近年来，铜镍合金、钛合金等众多耐蚀材料在船舶海水管路系统上的应用逐渐增多，与原有的碳钢或铸铜泵阀等部件之间存在异种金属材料连接的问题。为了防止电偶腐蚀，在异种金属部件连接的部位大都采用了法兰电绝缘处理措施，这就为杂散电流的发生提供了条件。一旦存在焊接施工搭线错误或某些电器运行过程中存在异常漏电等现象，就会造成海水管路电绝缘法兰两侧的某段管路发生杂散电流腐蚀。杂散电流腐蚀本质上是电化学腐蚀，阳极腐蚀较为严重，是Y一种危害极大的异常腐蚀。图1是某船铜合金海水管路发生杂散电流腐蚀后的宏观形貌，严重时会在两三个月极短时间内造成管路局部腐蚀穿孔，极易引发事故。

近几年来，中国船舶重工集团公司第七二五研究所在船舶海水管路杂散电流的检测与控制技术方面的研究不断取得进展：中国专利201510362318.9公开的一种海洋船舶海水管路杂散电流检测装置包括：一个通过法兰与原海水管路连接的通水管段；一个设置在通水管段外侧壁上的集成检测模块；所述通水管段两侧端面及外表面、法兰表面及螺栓孔均设有绝缘涂层；所述集成检测模块包括电流束缚单元、微弱电流检测单元、累积单元、过电流报警单、显示单元；所述电流束缚单元主要基于先绝缘再局部连通的思路，采用优异电导率的金属丝或合金丝将通水管段两端与原海水管路电连接；所述集成检测模块表面包裹有电磁屏蔽层；所述电磁屏蔽层外层设置有加固管段；可以与原有海水管路连接，实现海洋船舶海水管路杂散电流大小及流向的检测，能够有效的寻找杂散电流源。中国专利201610486179.5公开的一种新型海水管路杂散电流检测装置包括依次相连的杂散电流感应模块、测量数据采集仪和上位机软件；所述杂散电流感应模块设计为一与原海水管路相连的通水管段，通水管段两端配上法兰结构，用以代替原海水管路之间的法兰阀门，每端所述法兰结构面内嵌导电层，两端的法兰结构上设有参比电极，导电层和参比电极用引线引出，并经信号线连接至通水管段外侧的航空插头；所述测量数据采集仪设在通水管段外侧，测量数据采集仪内集成有中央处理器及附件、电流测量单元、电位测量单元和电量累积器，电流测量单元、电位测量单元和电量累积器分别与中央处理器相连，其中：电流测量单元以串联方式接入杂散电流感应模块的电流信号，电流检测单元连接至电流传感器，电流传感器以内嵌式配置在法兰结构面的导电层为测量端，用于测量被测原海水管路的杂散电流大小，以正负的形式记录电流方向并进行显示；电流测量单元连接至电量累计器，通过每秒末时记录被测原海水管路电流值进行安时电量累计并进行显示；电压检测单元连接至电位传感器，电位传感器以参比电极作为参比端，以内嵌式配置在法兰结构面上的导电层作为测量端，用于测量被测原海水管路对参比电极的电位差并进行显示；测量数据采集仪上设有通讯接口和航空插座，通讯接口与上位机相通讯，航空插座与上述航空插头快速插接；不但实现了海水管路杂散电流直接在线检测，而且可对监测一段时间内的累积安时电量进行累积，既利于寻找杂散电流源头，又利于评估杂散电流腐蚀量。中国专利201711122322.3公开的用于船舶海水管路的杂散电流自动检测排流方法直接利用海水管路中电绝缘体两侧的金属法兰作为杂散电流的测量输入端，通过对电绝缘体两侧金属法兰间电压的连续检测，实时判断杂散电流的强度和方向，同时，以电绝缘体两侧金属法兰作为杂散电流排流端，以船体作为杂散电流回流端，当海水管路中杂散电流的测量值超过阈值范围时，根据杂散电流的流动方向，控制电流流出一侧金属法兰的杂散电流排流端与船体的杂散电流回流端短接，将海水管路中的杂散电流直接回流到船体进行排流，消除杂散电流对海水管路的腐蚀影响；解决了原有检测装置功能单一、智能化程度较低，只能对海水管路的杂散电流进行检测和预警，不能对已存在的杂散电流进行自动控制和消除的问题。另外，青岛锦浩环保科技有限公司基于现有技术，对传感器的材质和结构提出了优化或改进措施，进一步提高了检测装置的可靠性和实用性，例如，中国专利201820098858.X公开的一种海水管路杂散电流传感器和中国专利201820106218.9公开的一种在线式海水管路杂散电流传感器。

上述专利和现有技术的核心是通过检测法兰两端材料电位差的方式进行海水管路杂散电流的检测与分析，检测过程中存在两种金属材料发生电偶腐蚀从而影响杂散电流数值分析的可能；另外，仅有中国专利201711122322.3提到利用简单接地的方法将杂散电流引到船体进行排流，但这会给船体带来后续如何排除杂散电流的问题。同时，上述专利和现有技术还存在不能判断海水管路电绝缘法兰状态的问题。因此，需要研发设计一种海水管路杂散电流检测与控制装置和方法，以解决上述问题。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种海水管路杂散电流检测与控制装置和方法，提高海水管路杂散电流检测和控制的效果及可靠性，同时，判断异种金属海水管路的绝缘状态。

为了实现上述目的，本发明涉及的海水管路杂散电流检测与控制装置的主体结构包括法兰、一号参比电极、二号参比电极、采集传感器(两个)、检测导线(两段)、杂散电流检测及补偿器、一号补偿线、二号补偿线和绝缘螺栓；一号海水管路与二号海水管路通过法兰连接，一号海水管路内壁设置有一号参比电极，二号海水管路内壁设置有二号参比电极，一号参比电极和二号参比电极分别通过法兰内壁敷设的采集传感器与检测导线连接，检测导线与杂散电流检测及补偿器连接，杂散电流检测及补偿器通过一号补偿线与一号海水管路连接，杂散电流检测及补偿器通过二号补偿线与二号海水管路连接，法兰由绝缘螺栓紧固连接。

本发明涉及的杂散电流检测及补偿器的主体结构包括壳体、显示屏、电源开关、印制电路板、一号电位检测模块、二号电位检测模块、补偿电流输出模块和警示模块；壳体的外部设置有显示屏和电源开关，壳体的内部设置有印制电路板，印制电路板上集成有一号电位检测模块、二号电位检测模块、补偿电流输出模块和警示模块，显示屏和电源开关分别与印制电路板电连接。

本发明涉及的一号海水管路的材质包括铜、铜合金和钛合金；二号海水管路的材质包括碳钢、铜和铜合金；法兰为绝缘法兰，法兰的材质包括PVC(聚氯乙烯)、PEEK(聚醚醚酮)和PTFE(聚四氟乙烯)，法兰的尺寸与一号海水管路和二号海水管路的管径匹配；一号参比电极和二号参比电极的材质为银/氯化银或卤化银，一号参比电极和二号参比电极分别与水密导线的一端焊接连接，连接处采用耐压密封结构，水密导线的另一端与采集传感器连接；采集传感器通过一号参比电极和二号参比电极分别检测一号海水管路和二号海水管路的开路电位；检测导线为双通道线路，检测导线的两个端子分别与采集传感器的两端连接；杂散电流检测及补偿器通过检测导线分别对一号海水管路和二号海水管路的开路电位进行采集、分析，并通过一号补偿线和二号补偿线对一号海水管路和二号海水管路的输出电流进行检测和控制；一号补偿线和二号补偿线均为输出补偿电流的通道；绝缘螺栓是在标准钢制螺栓表面静电喷涂厚度在30微米以内的PEEK(聚醚醚酮)绝缘涂层，或是采用绝缘套筒工艺在标准钢制螺栓表面进行绝缘处理；显示屏为LED显示屏，实时显示采集传感器采集的开路电位数据、电源开关、一号电位检测模块和二号电位检测模块的量程范围±2V，精度为1mV，一号电位检测模块和二号电位检测模块通过法兰、一号参比电极或二号参比电极、采集传感器、检测导线分别与一号海水管路和二号海水管路连接，分别检测、采集和储存一号海水管路和二号海水管路的开路电位；警示模块在一号电位检测模块和二号电位检测模块检测的开路电位发生变化并超过设定的阀值时进行报警；补偿电流输出模块的量程范围±2A，精度为0.1mA，补偿电流输出模块在警示模块报警的同时，根据开路电位的变化值调配输出设定的电流，以抑制一号海水管路或二号海水管路中的杂散电流，实现主动保护一号海水管路或二号海水管路的目的。

本发明涉及的海水管路杂散电流检测与控制方法基于海水管路杂散电流检测与控制装置实现，具体为：

当开路电位较正的一侧管路的开路电位发生快速正移，超过20mV以上，同时，开路电位较负的另一侧管路的开路电位发生快速负移，杂散电流检测及补偿器检测到开路电位的变化，认定存在杂散电流，且杂散电流从开路电位较正的一侧管路出现并入水，该处管路即将或已经发生杂散电流腐蚀(阳极极化)，杂散电流检测及补偿器报警并自动启动输出电流的补偿机制，补偿时，两侧管路分别作为正负极，其中，发生阳极极化的管路设为阴极，输出电流根据两侧管路的开路电位变化趋势进行实时的调整，直至开路电位稳定在其自身开路电位初始值。

当开路电位较负的一侧管路的开路电位发生快速正移，超过20mv以上，同时，开路电位较正的另一侧管路的开路电位也在发生快速负移，杂散电流检测及补偿器检测到开路电位的迅速变化，认定存在杂散电流，且杂散电流从开路电位较负的一侧管路出现并入水，该处管路即将或已经发生杂散电流腐蚀(阳极极化)，杂散电流检测及补偿器报警并自动启动输出电流的补偿机制，补偿时，两侧管路分别作为正负极，其中，发生阳极极化的管路设为阴极，输出电流根据两侧管路的开路电位变化趋势进行实时的调整，直至开路电位稳定在其自身开路电位初始值。

当开路电位较负的一侧管路的开路电位发生缓慢正移，同时，开路电位较正的另一侧管路的开路电位发生缓慢负移，杂散电流检测及补偿器检测到开路电位的变化，认定存在杂散电流，杂散电流检测及补偿器报警并自动启动输出电流的补偿机制，杂散电流检测及补偿器输出电流对两侧管路的开路电位没有影响，说明法兰的绝缘性能失效，两侧管路即将偶合电连接，当两侧管路的开路电位的差值趋近于零时，杂散电流检测及补偿器再次报警，提示更换法兰，避免海水管路发生电偶腐蚀。

本发明涉及的海水管路杂散电流检测与控制装置和方法的原理为：海水管路杂散电流只会出现在绝缘组件的两侧，在实船设计中，只有异种金属管路连接的部位才会用到绝缘组件；杂散电流从绝缘组件的某侧管路入水，该侧管路内壁就会成为阳极，发生腐蚀溶解，绝缘组件另一侧管路成为阴极，杂散电流回流形成通路；杂散电流是具有方向性的，通过管路的时候，会导致绝缘组件两侧管路分别发生阴极极化和阳极极化，有极化电流就会有极化电位，通过检测绝缘组件两侧管路的开路电位的变化即能够判断是否有杂散电流通过。

本发明与现有技术相比，通过在线检测异种金属管路开路电位的方式进行海水管路异种金属连接部位杂散电流的检测和判定，并利用输入外加保护电流的方式进行海水管路杂散电流的主动控制和消除，提高了海水管路杂散电流检测和控制的效果和可靠性；同时，能够通过检测法兰两侧管路内壁开路电位的变化，判断异种金属海水管路的绝缘状态，进行报警提醒以便及时更换法兰。

附图说明：

图1为本发明背景技术涉及的船舶铜合金管路内壁杂散电流腐蚀形貌示意图。

图2为本发明涉及的海水管路杂散电流检测与控制装置的主体结构原理示意图。

图3为本发明涉及的杂散电流检测及补偿器8的外观示意图。

图4为本发明涉及的印制电路板的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的海水管路杂散电流检测与控制装置的主体结构包括法兰3、一号参比电极4、二号参比电极5、采集传感器6、检测导线7、杂散电流检测及补偿器8、一号补偿线9、二号补偿线10和绝缘螺栓11；一号海水管路1与二号海水管路2通过法兰3连接，一号海水管路1内壁设置有一号参比电极4，二号海水管路2内壁设置有二号参比电极5，一号参比电极4和二号参比电极5分别通过法兰3内壁敷设的采集传感器6与检测导线7连接，检测导线7与杂散电流检测及补偿器8连接，杂散电流检测及补偿器8通过一号补偿线9与一号海水管路1连接，杂散电流检测及补偿器8通过二号补偿线10与二号海水管路2连接，法兰3由绝缘螺栓11紧固连接；杂散电流检测及补偿器8的主体结构包括壳体80、显示屏81、电源开关82、印制电路板83、一号电位检测模块84、二号电位检测模块85、补偿电流输出模块86和警示模块87；壳体80的外部设置有显示屏81和电源开关82，壳体80的内部设置有印制电路板83，印制电路板83上集成有一号电位检测模块84、二号电位检测模块85、补偿电流输出模块86和警示模块87，显示屏81和电源开关82分别与印制电路板83电连接

本实施例涉及的一号海水管路1的材质为B10铜镍合金，二号海水管路2的材质为碳钢，一号参比电极4和二号参比电极5的材质均为Ag/AgCl。

本实施例涉及的海水管路杂散电流检测与控制方法基于海水管路杂散电流检测与控制装置实现，具体为：

一号电位检测模块84通过一号参比电极4检测到一号海水管路1的初始稳定开路电位为-210mV，二号电位检测模块85通过二号参比电极5检测到二号海水管路2的初始稳定开路电位为-690mV；当一号电位检测模块84检测到一号海水管路1的开路电位快速变为-150mV，同时，二号电位检测模块85检测到二号海水管路2的开路电位快速变为-750mV，说明一号海水管路1中出现杂散电流腐蚀；杂散电流检测及补偿器8报警，提示杂散电流发生，需要查找可能产生的杂散电流源：舱内焊接工艺是否接线错误，或附近某处电器设备发生漏电，以便及时采取措施。同时，杂散电流检测及补偿器8以二号海水管路2为阳极，以一号海水管路1为阴极，间断输出50mA/cm²的补偿电流，并实时检测一号海水管路1和二号海水管路2的开路电位的变化，当检测到开路电位恢复到各自的初始稳定开路电位并稳定设定时间段后，杂散电流检测及补偿器8停止发出补偿电流。

实施例2：

本实施例涉及的海水管路杂散电流检测与控制装置的主体结构同实施例1，其中，一号海水管路1的材质为TA2钛合金，二号海水管路2的材质为铸铜，一号参比电极4和二号参比电极5的材质均为Ag/AgCl。

本实施例涉及的海水管路杂散电流检测与控制方法基于海水管路杂散电流检测与控制装置实现，具体为：

一号电位检测模块84通过一号参比电极4检测到一号海水管路1的初始稳定开路电位为+50mV，二号电位检测模块85通过二号参比电极5检测到二号海水管路2的初始稳定开路电位为-320mV；当一号电位检测模块84检测到一号海水管路1的开路电位快速变为-0mV，同时，二号电位检测模块85检测到二号海水管路2的开路电位快速变为-250mV，说明二号海水管路2中出现杂散电流腐蚀；杂散电流检测及补偿器8报警，提示杂散电流发生，需要查找可能产生的杂散电流源：舱内焊接工艺是否接线错误，或附近某处电器设备发生漏电，以便及时采取措施。同时，杂散电流检测及补偿器8以一号海水管路1为阳极，以二号海水管路2为阴极，间断输出20mA/cm²的补偿电流，并实时检测一号海水管路1和二号海水管路2的开路电位的变化，当检测到开路电位恢复到各自的初始稳定开路电位并稳定设定时间段后，杂散电流检测及补偿器8停止发出补偿电流。

实施例3：

本实施例涉及的海水管路杂散电流检测与控制装置的主体结构同实施例1，其中，一号海水管路1的材质为TA2钛合金，二号海水管路2的材质为B10铜镍合金，一号参比电极4和二号参比电极5的材质均为Ag/AgCl。

本实施例涉及的海水管路杂散电流检测与控制方法基于海水管路杂散电流检测与控制装置实现，具体为：

一号电位检测模块84通过一号参比电极4检测到一号海水管路1的初始稳定开路电位为+50mV，二号电位检测模块85通过二号参比电极5检测到二号海水管路2的初始稳定开路电位为-210mV；当一号电位检测模块84检测到一号海水管路1的开路电位开始缓慢负移(比实施例2的移动速度慢的多)，同时，二号电位检测模块85检测到二号海水管路2的开路电位缓慢正移(比实施例2的移动速度慢的多)，此时，杂散电流检测及补偿器8开始报警并以一号海水管路1为阳极，以二号海水管路2为阴极，间断输出补偿电流进行补偿，一号电位检测模块84和二号电位检测模块85检测到一号海水管路1和二号海水管路2的开路电位不受输出电流影响并逐渐趋于相同时，说明法兰3的绝缘性能已经失效，一号海水管路1和二号海水管路2逐渐偶合电连接，二号海水管路2即将发生电偶腐蚀，杂散电流检测及补偿器8持续报警，显示屏81显示绝缘失效，提示更换法兰3。

Claims (5)

1.一种海水管路杂散电流检测与控制装置，其特征在于主体结构包括法兰、一号参比电极、二号参比电极、采集传感器、检测导线、杂散电流检测及补偿器、一号补偿线、二号补偿线和绝缘螺栓；一号海水管路与二号海水管路通过法兰连接，一号海水管路内壁设置有一号参比电极，二号海水管路内壁设置有二号参比电极，一号参比电极和二号参比电极分别通过法兰内壁敷设的采集传感器与检测导线连接，检测导线与杂散电流检测及补偿器连接，杂散电流检测及补偿器通过一号补偿线与一号海水管路连接，杂散电流检测及补偿器通过二号补偿线与二号海水管路连接，法兰由绝缘螺栓紧固连接。

2.根据权利要求1所述的海水管路杂散电流检测与控制装置，其特征在于杂散电流检测及补偿器的主体结构包括壳体、显示屏、电源开关、印制电路板、一号电位检测模块、二号电位检测模块、补偿电流输出模块和警示模块；壳体的外部设置有显示屏和电源开关，壳体的内部设置有印制电路板，印制电路板上集成有一号电位检测模块、二号电位检测模块、补偿电流输出模块和警示模块，显示屏和电源开关分别与印制电路板电连接。

3.根据权利要求2所述的海水管路杂散电流检测与控制装置，其特征在于一号海水管路的材质包括铜、铜合金和钛合金；二号海水管路的材质包括碳钢、铜和铜合金；法兰为绝缘法兰，法兰的材质包括PVC、PEEK和PTFE，法兰的尺寸与一号海水管路和二号海水管路的管径匹配；一号参比电极和二号参比电极的材质为银/氯化银或卤化银，一号参比电极和二号参比电极分别与水密导线的一端焊接连接，连接处采用耐压密封结构，水密导线的另一端与采集传感器连接；采集传感器通过一号参比电极和二号参比电极分别检测一号海水管路和二号海水管路的开路电位；检测导线为双通道线路，检测导线的两个端子分别与采集传感器的两端连接；杂散电流检测及补偿器通过检测导线分别对一号海水管路和二号海水管路的开路电位进行采集、分析，并通过一号补偿线和二号补偿线对一号海水管路和二号海水管路的输出电流进行检测和控制；一号补偿线和二号补偿线均为输出补偿电流的通道；绝缘螺栓是在标准钢制螺栓表面静电喷涂厚度在30微米以内的PEEK绝缘涂层，或是采用绝缘套筒工艺在标准钢制螺栓表面进行绝缘处理；显示屏为LED显示屏，实时显示采集传感器采集的开路电位数据、电源开关、一号电位检测模块和二号电位检测模块的量程范围±2V，精度为1mV，一号电位检测模块和二号电位检测模块通过法兰、一号参比电极或二号参比电极、采集传感器、检测导线分别与一号海水管路和二号海水管路连接，分别检测、采集和储存一号海水管路和二号海水管路的开路电位；警示模块在一号电位检测模块和二号电位检测模块检测的开路电位发生变化并超过设定的阀值时进行报警；补偿电流输出模块的量程范围±2A，精度为0.1mA，补偿电流输出模块在警示模块报警的同时，根据开路电位的变化值调配输出设定的电流，以抑制一号海水管路或二号海水管路中的杂散电流，实现主动保护一号海水管路或二号海水管路的目的。

4.一种海水管路杂散电流检测与控制方法，其特征在于基于海水管路杂散电流检测与控制装置实现，具体为：

当开路电位较正的一侧管路的开路电位发生正移，超过20mV以上，同时，开路电位较负的另一侧管路的开路电位发生负移，杂散电流检测及补偿器检测到开路电位的变化，认定存在杂散电流，且杂散电流从开路电位较正的一侧管路出现并入水，该处管路即将或已经发生杂散电流腐蚀，杂散电流检测及补偿器报警并自动启动输出电流的补偿机制，补偿时，两侧管路分别作为正负极，其中，发生阳极极化的管路设为阴极，输出电流根据两侧管路的开路电位变化趋势进行实时的调整，直至开路电位稳定在其自身开路电位初始值；

当开路电位较负的一侧管路的开路电位发生正移，超过20mv以上，设正移速度为v1，同时，开路电位较正的另一侧管路的开路电位也在发生负移，设负移速度为v2，杂散电流检测及补偿器检测到开路电位的变化，认定存在杂散电流，且杂散电流从开路电位较负的一侧管路出现并入水，该处管路即将或已经发生杂散电流腐蚀；杂散电流检测及补偿器报警并自动启动输出电流的补偿机制，补偿时，两侧管路分别作为正负极，其中，发生阳极极化的管路设为阴极，输出电流根据两侧管路的开路电位变化趋势进行实时的调整，直至开路电位稳定在其自身开路电位初始值；

当开路电位较负的一侧管路的开路电位发生正移，设正移速度为v3，同时，开路电位较正的另一侧管路的开路电位发生负移，设负移速度为v4，杂散电流检测及补偿器检测到开路电位的变化，认定存在杂散电流，杂散电流检测及补偿器报警并自动启动输出电流的补偿机制，杂散电流检测及补偿器输出电流对两侧管路的开路电位没有影响，说明法兰的绝缘性能失效，两侧管路即将偶合电连接，当两侧管路的开路电位的差值趋近于零时，杂散电流检测及补偿器再次报警，提示更换法兰，避免海水管路发生电偶腐蚀。

5.根据权利要求4所述的海水管路杂散电流检测与控制方法，其特征在于正移速度为v1大于正移速度为v3，负移速度为v2大于负移速度为v4。

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