同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 婁志標(biāo) 秦朝葵 陳志光

埋地管道雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 婁志標(biāo) 秦朝葵 陳志光

分析了埋地管道雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成，討論了幾種常見雜散電流監(jiān)測方法對監(jiān)測系統(tǒng)量程、續(xù)航能力、頻率的要求，評述了現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲、處理、遠(yuǎn)傳的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了幾種常見的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法，最后指出了管道雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)存的問題和未來發(fā)展的方向。

雜散電流 埋地管道 監(jiān)測系統(tǒng) 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)分析

1 概述

雜散電流是指在非指定回路中流動的電流。因來源不同，可分為直流雜散電流、交流雜散電流和大地自然電流。雜散電流腐蝕屬電化學(xué)腐蝕，與通常自然腐蝕的原電池作用相比具有以下特點(diǎn)：腐蝕強(qiáng)度高，危害大；腐蝕集中于局部位置；容易交叉干擾；干擾影響范圍大；隨機(jī)性強(qiáng)。雜散電流會對地下隧道結(jié)構(gòu)鋼筋，高架橋結(jié)構(gòu)鋼筋，沿線金屬管線，屏蔽網(wǎng)等金屬設(shè)施產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。因此，有必要對其進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，即可采取及時(shí)有效的措施進(jìn)行防護(hù)處理。

目前，軌道交通側(cè)已有成型的監(jiān)測系統(tǒng)，如西安地鐵一、二號線、武漢軌道交通1號線和上海軌道交通3號線北延伸線等均采用集中式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，沈陽地鐵一、二號線、上海軌道交通9號線、武漢軌道交通2號線采用分布式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)。然而，埋地管道側(cè)的監(jiān)測系統(tǒng)尚未有深入的研究，其監(jiān)測的手段和設(shè)備也較為簡單，實(shí)際的工程實(shí)踐更是寥寥可數(shù)。本文對管道側(cè)雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，分析現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成和關(guān)鍵技術(shù)，對其存在的問題做了總結(jié)，對其未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

2 監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分包括數(shù)據(jù)采集儀、現(xiàn)場服務(wù)器和中心服務(wù)器。軟件部分包括數(shù)據(jù)傳輸軟件和診斷分析軟件，其中數(shù)據(jù)傳輸軟件一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)上傳等功能。診斷分析軟件則可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、時(shí)頻分析、限值報(bào)警等功能。

2.2 監(jiān)測方法

目前常見的監(jiān)測方法有管地電位法、土壤電位梯度法和管中電流法。不同的監(jiān)測方法會對監(jiān)測系統(tǒng)的量程、續(xù)航時(shí)間、監(jiān)測頻率提出不同的要求。

2.2.1 管地電位法

管地電位指埋地管道與相鄰?fù)寥赖碾娢徊睿ǔＭㄟ^測量管道與對應(yīng)參比電極之間電位差獲得。

《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》(GB/T 19285—2003)規(guī)定：當(dāng)管地電位較自然電位正向偏移≥100 mV時(shí)，管道應(yīng)采取防護(hù)措施；規(guī)定測定時(shí)間段一般為40~60 min，對運(yùn)行頻繁的直流電氣化鐵路可取30 min，讀數(shù)時(shí)間間隔一般為10~30 s，電位交變激烈時(shí)，不得大于10 s。

由于不同現(xiàn)場實(shí)測管地電位變化大，有時(shí)會面臨交流電干擾，有時(shí)需要測試陰極保護(hù)電位，所以監(jiān)測系統(tǒng)的量程因根據(jù)現(xiàn)場情況和實(shí)際需求選取±5 V、±10 V甚至更大。由于自然電位難以測試，有時(shí)需要24 h連續(xù)監(jiān)測管地電位來獲得地鐵停運(yùn)時(shí)的穩(wěn)定管地電位作為“自然電位”。由于雜散電流干擾源未知，有時(shí)需要長時(shí)監(jiān)測雜散電流以尋找不同時(shí)刻的干擾原因，所以監(jiān)測系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間因根據(jù)監(jiān)測需要選取24 h甚至更長。由于交流雜散電流的干擾，雜散電流采集頻率應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)頻譜分析處理的需要選取1 Hz、50 Hz甚至更高。

2.2.2 土壤電位梯度法

土壤電位梯度指電流通過時(shí)形成的土壤電位差。通過測試布置在平行和垂直于管線方向的兩組參比電極的電位差，得到沿管線方向和垂直于管線方向上土壤電位梯度的變化，其矢量和即為該點(diǎn)土壤電位梯度，進(jìn)而可判定土壤中電流大小和方向。

《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》(GB/T 19285—2003)規(guī)定：當(dāng)管道附近土壤表面電位梯度＞2.5 mV/m時(shí)，應(yīng)采取直流排流保護(hù)或其他防護(hù)措施；規(guī)定電極間距宜為10 m，當(dāng)受到環(huán)境限制時(shí)可適當(dāng)縮短。因此，當(dāng)需采取防護(hù)措施時(shí)，土壤電位梯度法的電位差為25 mV(取間距10 m)，小于管地電位法的100 mV。尚秦玉等《高壓線路對地下輸油管道中雜散電流影響規(guī)律》中也給出了兩種方法同時(shí)采用時(shí)的實(shí)測值對比情況。因此相對于管地電位法，土壤電位梯度法對監(jiān)測系統(tǒng)的量程要求較小。使用該方法時(shí)，重要測點(diǎn)需保證監(jiān)測系統(tǒng)24 h續(xù)航時(shí)間，而對于采集頻率則沒有明確要求。

2.2.3 電流探針測試法

該法采用探針電流相對于基準(zhǔn)電流的比例及對應(yīng)電流作用時(shí)間來綜合評價(jià)雜散電流的干擾。在整個(gè)測試時(shí)間段內(nèi)，如果探針電流低于基準(zhǔn)電流某一比例的時(shí)間超過了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大可接受時(shí)間比例，或者低于基準(zhǔn)電流某一比例的累積時(shí)間超過了最大可接受持續(xù)時(shí)間，則可判定所測管道受到雜散電流影響。《直流電流雜散電流的腐蝕防護(hù)》(EN 50162—2004)的附錄D中給出了電流探針法雜散電流判定標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 電流探針法雜散電流判定標(biāo)準(zhǔn)

該判定標(biāo)準(zhǔn)并未給出電流大小，而電流探針法國內(nèi)也尚無應(yīng)用實(shí)例，實(shí)測時(shí)因根據(jù)現(xiàn)場情況確定監(jiān)測系統(tǒng)量程。該方法通常需要24小時(shí)連續(xù)測試。測試頻率以保證數(shù)據(jù)量為目標(biāo)，無明顯要求。

2.2.4 測試方法小結(jié)

現(xiàn)有的管道雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)以測試管地電位為主，土壤電位梯度為輔，國內(nèi)尚無探針電流測試的工程應(yīng)用實(shí)例。三種測試方法對監(jiān)測系統(tǒng)的量程有不同要求，但對系統(tǒng)續(xù)航能力都提出了24 h的要求，而根據(jù)測試判定的方法，三者對測試頻率沒有明確要求，可根據(jù)數(shù)據(jù)的分析處理需要確定。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸

監(jiān)測數(shù)據(jù)可以由采集儀采集后存儲在現(xiàn)場的服務(wù)器中，將數(shù)據(jù)的采集和處理分析過程分離；也可以通過虛擬儀器將采集所得數(shù)據(jù)在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和處理分析；也可以通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給中心服務(wù)器，在中心服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。

2.3.1 基于存儲

常見的存儲類型有存儲芯片存儲、SD卡存儲和USB自動存儲。姜長洪等采用AT45DB041B存儲芯片作為儲存介質(zhì)，配合AT89C51單片機(jī)研制了埋地管道的雜散電流測試儀。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格便宜(芯片和單片機(jī)單價(jià)都在10元以內(nèi))，能耗低(AT89C51單片機(jī)，在最高電流工作狀態(tài)下功耗僅為0.1 W)，缺點(diǎn)是容量小(AT45DB041B儲存芯片，容量僅為4 MB)，無法保存高頻持續(xù)采集的大量數(shù)據(jù)。

陳奧林等及施澤欽各自獨(dú)立研發(fā)了基于SD卡存儲的雜散電流測試設(shè)備。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于容量大，在GB級別，性價(jià)比高(高于1 MB/元)，但SD卡多適用于手持式電子設(shè)備，設(shè)備功能多樣，所以功耗各不相同。

王華等采用了HC-069存儲式雜散電流測試儀測試了輕軌運(yùn)行干擾下的埋地燃?xì)夤艿离s散電流情況。該設(shè)備采用USB自動存儲的方式，相比較于SD卡具有傳輸速度更快、容量配置靈活的特點(diǎn)，可插入容量從MB級別到GB級別甚至TB級別不等的U盤或移動硬盤。

2.3.2 基于虛擬儀表

虛擬儀表具有軟硬件無縫集成，使用方便，擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，測試雜散電流時(shí)常用主要有HS801和labVIEW兩種。

HS801是一款五合一的虛擬儀器，包括任意信號發(fā)生器、伏特表、頻譜分析儀、數(shù)字存儲示波器和瞬態(tài)記錄儀，但本身不具有數(shù)據(jù)分析和處理功能。李德臣等、馬草原等及馬永儒都通過軟件的二次開發(fā)各自實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)最高值、最低值、平均值的統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)波形圖的繪制顯示，數(shù)據(jù)保存至電子表格等功能。labVIEW是虛擬儀器應(yīng)用中最常見的開發(fā)平臺，使用圖形化的編程方式，并兼容大量儀器驅(qū)動程序。張維及陳志光等通過軟件編程實(shí)現(xiàn)了雜散電流測試數(shù)據(jù)的現(xiàn)場實(shí)時(shí)顯示及自動存儲。

采用虛擬儀表的優(yōu)勢在于及時(shí)顯示、分析監(jiān)測系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)，但為便于數(shù)據(jù)存檔和分析，通常會結(jié)合存儲方式將數(shù)據(jù)保存?zhèn)浞荨?/p>

2.3.3 基于無線遠(yuǎn)傳

目前雜散電流主要的無線遠(yuǎn)傳方式是GPRS。GPRS理論網(wǎng)絡(luò)傳送速率可達(dá)171.2 kbit/s，實(shí)際傳送速率在13~46 kbit/s，適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。陳飛等采用GPRS網(wǎng)絡(luò)方式，成功實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程終端與主站服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通訊，長時(shí)間連續(xù)檢測了管地電位。安成名等通過對同一時(shí)間點(diǎn)的現(xiàn)場數(shù)字式萬用表數(shù)據(jù)和無線遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)作對比，得到了GPRS無線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)結(jié)果準(zhǔn)確、效率高的結(jié)論。

2.3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸小結(jié)

采用虛擬儀表可及時(shí)顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，有利于工作人員對現(xiàn)場情況進(jìn)行判斷分析。但雜散電流腐蝕是一個(gè)緩慢長期的過程，對監(jiān)測數(shù)據(jù)并無實(shí)時(shí)處理必要，選擇存儲或者無線遠(yuǎn)傳的方式有利于將數(shù)據(jù)采集和處理的過程分離，同時(shí)降低連續(xù)監(jiān)測時(shí)工作人員的勞動強(qiáng)度。存儲方式適用于短期、小數(shù)據(jù)量的監(jiān)測，長期監(jiān)測時(shí)需要定期拷貝數(shù)據(jù)并清空存儲空間。而無線遠(yuǎn)傳方式有利于長期監(jiān)測，但也面臨信號不好時(shí)，數(shù)據(jù)易丟失的問題。如條件允許，可將存儲和遠(yuǎn)傳方式相結(jié)合，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，目前埋地管道的監(jiān)測系統(tǒng)難以利用市政供電，而蓄電池續(xù)航時(shí)間有限，各種方式都面臨電池定時(shí)更換問題。

因此基于虛擬儀表的監(jiān)測系統(tǒng)需要人員堅(jiān)守，基于存儲的監(jiān)測系統(tǒng)則需要定期維護(hù)，兩個(gè)方法無論單獨(dú)使用或結(jié)合使用都無法適用于長期、大數(shù)據(jù)量的監(jiān)測。而基于無線遠(yuǎn)傳的監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)不必定期維護(hù)，結(jié)合數(shù)據(jù)存儲可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，若能接入市電保證續(xù)航時(shí)間，該方式最具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)雜散電流的監(jiān)測數(shù)據(jù)，一般可生成監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的波形圖，統(tǒng)計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)中的最大值、最小值和平均值。

不同監(jiān)測方法對是否有雜散電流干擾的判斷標(biāo)準(zhǔn)不同，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理方式也各不相同。管地電位法會計(jì)算管地電位與自然電位的偏差值；土壤電位梯度法會由垂直和平行管道的電位梯度合成矢量方向；電流探針法會統(tǒng)計(jì)探針電流的大小及作用時(shí)間。

由于雜散電流干擾源多樣，其大小和方向往往處于激烈變化中，瞬時(shí)高頻的偏移與累積同樣會腐蝕管道，僅以平均值并不能真實(shí)反映動態(tài)雜散電流干擾的狀態(tài)?！吨绷麟娏麟s散電流的腐蝕防護(hù)》(EN 50162—2004)也提到，在電位頻繁波動的情況下雜散電流的判定應(yīng)基于管地電位正向偏移的大小以及偏移的持續(xù)時(shí)間和頻率。因此為尋找動態(tài)雜散電流的干擾源和分析雜散電流動態(tài)特性，需要將監(jiān)測數(shù)據(jù)與干擾源數(shù)據(jù)進(jìn)行同步對比，通過頻譜分析分離交流信號和直流信號，以及通過濾波處理分析主要的干擾源信號。

目前主要的數(shù)據(jù)分析工作由人工統(tǒng)計(jì)完成，對于軟件的應(yīng)用程度還不夠，尚未有針對雜散電流監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理的軟件。隨著城市軌道交通的建設(shè)完善，雜散電流的動態(tài)特性將更加明顯，對干擾源的甄別也更為困難，利用軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析和濾波處理是未來監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的發(fā)展方向。

3 問題與展望

(1)目前管道雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)以測試管地電位為主，土壤電位梯度為輔，國內(nèi)尚無探針電流測試的工程應(yīng)用實(shí)例。

(2)目前管道雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)尚不能接入市政供電，短期監(jiān)測可采用虛擬儀表與存儲結(jié)合現(xiàn)場查看數(shù)據(jù)并保存?zhèn)浞莸姆椒?，長期監(jiān)測則宜采用無和后期發(fā)展。要有效地解決武漢市的供氣調(diào)峰和事故儲備問題，需要政府相關(guān)部門出面牽頭建設(shè)一定規(guī)模的儲氣設(shè)施，完善武漢市調(diào)峰儲備的總體布局和結(jié)構(gòu)；天然氣公司也應(yīng)充分利用現(xiàn)有設(shè)施，積極發(fā)揮自我調(diào)節(jié)和平衡的能力。

完全依賴儲存設(shè)施來解決調(diào)峰問題，最終難以根本性地解決，宜采用多種形式分散和緩解調(diào)峰壓力，特別是優(yōu)化用戶市場結(jié)構(gòu)不宜忽視。儲氣設(shè)施的建設(shè)，宜著眼于解決小時(shí)調(diào)峰和日調(diào)峰，兼顧解決部分季節(jié)調(diào)峰，適當(dāng)增加事故調(diào)峰的儲備量，綜合利用各類儲氣方式的優(yōu)勢，統(tǒng)一規(guī)劃布局。建議先啟動一期LNG儲存設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，作為事故和近期調(diào)峰儲備。

儲氣設(shè)施是保障城市天然氣安全供應(yīng)必要的市政設(shè)施，其建設(shè)的問題宜未雨綢繆，盡快提到議事日程上來，不應(yīng)等到問題發(fā)生之后再來考慮解決，否則會給武漢市的可持續(xù)發(fā)展帶來不利的影響。線遠(yuǎn)傳與存儲相結(jié)合的方式保存?zhèn)鬏敱O(jiān)測數(shù)據(jù)。

(3)目前管道雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)主要由人工統(tǒng)計(jì)分析，軟件頻譜分析和濾波處理是未來處理監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)展方向。

Review of Stray Current Monitoring System near the Buried Pipeline

Mechanical & Energy Engineering College Tongji University
Lou Zhibiao Qin Chaokui Chen Zhiguang

The composition of stray current monitoring system near the buried pipeline is analyzed. Several requirements of monitoring methods for the measuring range, endurance and frequency of monitoring system are discussed. Several traditional methods monitoring data analysis were summed up. In the end, the paper concludes the existing problems of the monitoring system and its direction of future development.

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