一种新型数控高频开关恒电位仪的研制与应用_高桂飞.pdf

应用技术D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 3 0 2 0 1 4一种新型数控高频开关恒电位仪的研制与应用高桂飞,卢少同,孙 勤(青岛雅合科技发展有限公司,青岛 2 6 6 0 0 0)摘 要:动态直流杂散电流干扰会导致管道电位持续波动,传统恒电位仪以“恒电位”模式运行时无法根据管道保护电位进行实时调整,阴极保护效果不理想。介绍了一种以断电电位为控制电位运行的新型数控高频开关恒电位仪,并在某管道进行了现场测试。测试结果表明:配合土壤管测量断电电位,新型恒电位仪在动态直流杂散电流干扰下控制电位准确、调整实时、运行平稳,显著提升了线路的阴极保护效果。关键词:阴极保护;恒电位仪;直流杂散电流;断电电位中图分类号:TM 2 0 7 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 3)0 2-0 0 8 2-0 5D e v e l o p m e n t a n d A p p l i c a t i o n o f a N o v e l D i g i t a l C o n t r o l H i g h-F r e q u e n t S w i t c h P o t e n t i o s t a tGAO G u i f e i,L U S h a o t o n g,S UN Q i n(Q i n g d a o Y a h e T e c h n o l o g y D e v e l o p m e n t C o.,L t d.,Q i n g d a o 2 6 6 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e i n t e r f e r e n c e o f d y n a m i c d i r e c t c u r r e n t(D C)s t r a y c u r r e n t l e a d s t o c o n t i n u o u s f l u c t u a t i o n o f c a t h o d i c p r o t e c t i o n p o t e n t i a l.T r a d i t i o n a l p o t e n t i o s t a t c a n n o t a d j u s t i n r e a l t i m e a c c o r d i n g t o p i p e l i n e p r o t e c t i o n p o t e n t i a l s w h e n i t o p e r a t e s i n“p o t e n t i o s t a t i c”m o d e,s o t h e c a t h o d i c p r o t e c t i o n e f f e c t i s n o t i d e a l.A n o v e l d i g i t a l c o n t r o l h i g h-f r e q u e n c y s w i t c h p o t e n t i o s t a t u s i n g o f f-p o t e n t i a l a s c o n t r o l p o t e n t i a l i n o p e r a t i o n w a s i n t r o d u c e d.T h e n i t w a s t e s t e d i n a r u n n i n g p i p e l i n e.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e n o v e l p o t e n t i o s t a t c o u l d c o n t r o l p o t e n t i a l s a c c u r a t e l y,a d j u s t i n r e a l t i m e a n d r u n s m o o t h l y u n d e r t h e i n t e r f e r e n c e o f d y n a m i c D C s t r a y c u r r e n t i n c o o p e r a t i o n w i t h o f f-p o t e n t i a l m e a s u r e m e n t w i t h s o i l t u b e s.A s a r e s u l t,t h e e f f e c t o f c a t h o d i c p r o t e c t i o n w a s s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d.K e y w o r d s:c a t h o d i c p r o t e c t i o n;p o t e n t i o s t a t;d i r e c t c u r r e n t(D C)s t r a y c u r r e n t;o f f-p o t e n t i a l 动态直流杂散电流是指大小和方向始终变化的杂散电流。典型的干扰源是直流供电的地铁或轻轨1-3。以地铁系统为例,当轨地电压超出安全电压时,系统的限压柜导通,向大地排放或吸收电流;当基础钢筋对地电位持续3 0 m i n正向偏移平均值达到0.5 V时,地铁排流柜导通,将电流释放到铁轨。在其他时间,如直流电流通过走行轨回流时,轨道不可能完全绝缘,部分电流不可避免地从走行轨泄入大地,形成杂散电流,对周边的埋地油气管道等金属构件造成干扰4。动态直流杂散电流对周边埋地管道干扰主要表现为管道通电电位的持续波动。直流杂散电流随列车运行时间而变化5,干扰时间段与地铁运行时段高度吻合6-7。由于传统管道阴极保护恒电位仪控制模式的限制,动态直流杂散电流收稿日期:2 0 2 1-0 3-2 9通信作者:高桂飞(1 9 8 9-),硕士,工程师,主要从事阴极保护方面工作,1 3 5 8 9 3 6 1 6 5 6,g a o g f y a h e c p.c o m引起的管地电位持续变化使恒电位仪输出波动,严重影响了阴极保护效果8-9。恒电位仪是强制电流阴极保护系统的核心设备,传统恒电位仪主要工作模式为“恒电位”(通电电位恒定)和“恒电流”。“恒电位”模式是最为常用的运行模式,其通过调节恒电位仪输出电流,使得恒电位仪采样控制点处的通电电位与预置电位保持一致1 0-1 2。测量管道电位时,参比电极与被测对象之间土壤中的动态直流杂散电流使测量回路中电压降(简称I R降)持续波动,故管道通电电位无法准确反映管道的真实保护状况1 3。这是传统恒电位仪“恒电位”模式运行的重要缺陷,其提供的保护电位也不符合相关标准的要求1 4。此外,通电电位波动会导致恒电位仪在“恒电位”模式不能正常运行,此时会将恒电位仪调整到“恒电流”模式,但在该模式下恒电位仪将无法根据管道保护电位需要自动调整输出电流1 5-1 6。28第4 4卷 第2期2 0 2 3年2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 4 N o.2F e b r u a r y 2 0 2 3根据工程检测经验,在多数受动态直流杂散电流干扰的环境中,管道断电电位波动相对较小1 7,因此根据断电电位控制恒电位仪的输出更为合理,但现有恒电位仪无法实现该功能。本工作阐述了一种以断电电位为控制电位的新型数控高频开关恒电位仪的工作原理、控制架构,并结合某输气管道现场测试,验证了该设备在动态直流杂散电流干扰下的应用性能。1 新型数控高频开关恒电位仪介绍1.1 系统架构新型数控高频开关恒电位仪(以下称新型恒电位仪)采用模块化结构,共分为5个功能单元模块。主控模块主要负责参数设定与存储、算法、通信、状态监测等功能。每套电源配置1个主控模块。电源模块主要负责将市电电源变换成阴极保护所需的直流电,输出电流大小根据主控模块指令确定。每套电源可以配置16个电源模块。采样模块主要负责通电电位、断电电位的数据采集,每套电源可以配置11 2个采样模块。显示操作单元主要负责数据及状态显示,以及参数设置键盘,包括液晶屏、指示灯、薄膜按键等,每套电源配置1个显示操作单元。供电单元主要负责将市电电源分配给电源模块,以及为控制系统供电。每套电源配置1个供电单元。主控模块、采样模块、电源模块,通过高速C AN总线连接。新型恒电位仪对外通信接口有R S-4 8 5和以太网,其架构如图1所示。图1 新型恒电位仪架构示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f n o v e l p o t e n t i o s t a t1.2 工作模式的控制原理新型恒电位仪的恒通电电位模式(传统恒电位仪的恒电位模式)、恒电流模式、恒电压模式与传统恒电位仪相同,此处不再重复说明。该新型恒电位仪新增了恒断电电位的工作模式,以下将对其控制原理进行重点介绍。恒断电电位模式是给每路输出指定一个主控采样模块,并设定一个断电电位控制目标(预置断电电位),每路输出的预置断电电位可以不同。断电电位数据通过试片通断法进行测量,其主要的工作参数是通电时间、断电时间、断电电位采样点时间间隔。这3个工作参数可以在恒电位仪上进行设定。在恒断电电位模式运行时,新型恒电位仪首先检测断电电位,再将测量出的断电电位与预置断电电位进行比较,根据两者之间的偏差,调整恒电位仪的输出电流。1.3 安装模式新型恒电位仪可采用单机独立机箱安装或控制柜组装两种方式。当采用机箱安装时,该新型恒电位仪支持12路输出,而采用控制柜组装时,最高可提供6路输出。使用者可根据使用环境选择不同的安装方式:机箱安装的方式适用于长输管道阴极保护;控制柜组装方式适用于需要多路综合输出进行保护的情况,一般常用于大型输油气站场或罐区的阴极保护。2 新型数控高频开关恒电位仪的应用某天然气管道距起点8 41 1 0 k m管段受到地38高桂飞,等:一种新型数控高频开关恒电位仪的研制与应用铁严重的动态直流杂散电流干扰,管理单位前期检测结果显示:沿线电位测试桩通电电位波动大,最大波动幅度达5 V。大部分测试桩断电电位平均值不满足阴极保护标准要求(低于-0.8 5 V)。干扰段内有阴保间1座,位于4号阀室,但由于通电电位波动较大,恒电位仪采用恒电位(恒通电电位)模式运行时持续报警,电流输出不平稳,阴极保护效果欠佳。将新型恒电位仪应用于受动态直流杂散电流严重干扰的管段,现场测试该新型恒电位仪的应用效果。2.1 断电电位检测方法选择如以断电电位作为控制电位,其前提是断电电位需相对稳定,不能存在较大波动,否则与传统恒电位仪控制缺陷类似,效果也将不理想。在动态直流杂散电流干扰下,同步通断法不适用于断电电位的测量,常见的测试方法为极化头探头法和土壤管法1 8-1 9。极化探头可维护性较低,且存在硫酸铜污染极化试片(近参比电极)的问题,其工程应用存在诸多弊端4,因此近年来土壤管法应用较多。土壤管一般采用P V C、P E或P C管,极化试片安装在土壤管一侧,管道填充低电阻率的土壤或其他盐类,测量时将参比电极放置在管内,通过通/断极化试片测量通/断电电位。由于土壤管管材采用绝缘材料,能很好地屏蔽土壤中的电位梯度,从而消除了土壤I R降。此外,参比电极与试片距离较远时,能大大减轻试片受硫酸铜污染的问题。2.2 测试方法将4号阀室原恒电位仪更换为新型高频数控开关恒电位仪,但保留原阴极保护系统的阳极地床、管道零位电缆、阴极电缆。在采样控制点处安装土壤管,将连接参比电极的电缆和连接试片的电缆均引至恒电位仪并与相应的端子连接。测试系统安装见图2。测试时,采用恒断电控制模式,设置目标断电电位为-1.1 0 V,试片通/断周期为通4 s/断1 s,断电电位采样时间为5 0 0 m s。管道零位线与极化试片线在新型恒电位仪内部进行连接,断电电位测量时,通过隔 离 开 关 将 试 片 与 管 道 零 位 线 断 开,断 开5 0 0 m s后测量试片的断电电位。新型恒电位仪将断电电位的测量值与预置值进行比较,调整输出电流,使两者达到一致。新型恒电位仪运行2 4 h后,在线路采样控制点、管程8 5 k m以及1 0 4 k m处进行电位连续测试,图2 新型恒电位仪测试系统安装图F i g.2 I n s t a l l a t i o n d r a w i n g o f n o v e l p o t e n t i o s t a t t e s t s y s t e m分析阴极保护效果,评价新型恒电位仪的应用效果。2.3 恒电位仪参数设置在测试周期内,新型恒电位仪的运行参数设置见表1。表1 新型恒电位仪运行参数的设置T a b.1 S e t t i n g o f o p e r a t i n g p a r a m e t e r s o f n o v e l p o t e n t i o s t a t参数类型参数设置运行模式恒断电电位预置断电电位1-1.1 0 V(2 0 2 1.1.2 1 1 5:2 5至2 0 2 1.1.2 2 8:1 5)预置断电电位2-1.1 8 V(2 0 2 1.1.2 2 8:1 5至2 0 2 1.1.2 2 1 4:0 0)试片通断周期通4 s,断1 s断电电位采样延迟时间5 0 0 m s恒电位仪参数采集频率1条/m i n2.4 现场测试结果2.4.1 输出电流和输出电压在测试周期内,新型恒电位仪的输出电流与输出电压变化详见图3,数据分析详见表2。结果表明,当预置断电电位为-1.1 0 V时,输出电流运行平稳,波动较小。由于管道与阳极地床之间土壤中存在杂散电流引起的I R降,输出电压受杂散电流干扰存在波动。当预置断电电位为-1.1 8 V时,输出电流及输出电压随之升高。相比传统恒电位仪的恒通电电位控制,新型恒电位仪在恒断电电位模式下,输出波动小,运行稳定,输出电流能根据预置断电电位进行调整。2.4.2 线路阴极保护效果新型恒电位仪稳定运行后,在线路采样控制点、管 程8 5k m以及1 0 4k m处进行了电位连续监测,48高桂飞,等:一种新型数控高频开关恒电位仪的研制与应用图3 新型恒电位仪输出电流及输出电压曲线F i g.3 C u r v e s o f o u t p u t c u r r e n t a n d o u t p u t v o l t a g e o f n o v e l p o t e n t i o s t a t表2 新型恒电位仪输出电流及输出电压的数据分析T a b.2 D a t a a n a l y s i s o f o u t p u t c u r r e n t a n d o u t p u t v o l t a g e o f n o v e l p o t e n t i o s t a t预置断电电位/V输出电压/V输出电流/A最大值最小值平均值最大值最小值平均值-1.1 01 1.4 4 31.4 3 73.4 8 41.7 6 100.1 5 1-1.1 88.2 5 22.1 4 76.9 9 11.3 7 1-0.8 4图4 采样控制点电位连续检测曲线F i g.4 C o n t i n u o u s d e t e c t i o n p o t e n t i a l c u r v e s a t c o n t r o l p o i n t s图5 管程8 5 k m处电位连续检测曲线F i g.5 C o n t i n u o u s d e t e c t i o n p o t e n t i a l c u r v e s a t p o s i t i o n a l o n g p i p e l i n e p a t h o f 8 5 k m测量结果见图46,数据分析见表3。结果表明:测试点存在明显的动态直流杂散电流干扰,干扰时间图6 管程1 0 4 k m处电位连续检测曲线F i g.6 C o n t i n u o u s d e t e c t i o n p o t e n t i a l c u r v e s a t p o s i t i o n a l o n g p i p e l i n e p a t h o f 1 0 4 k m表3 各测试点电位测试数据分析T a b.3 D a t a a n a l y s i s o f p o t e n t i a l s a t t e s t p o i n t s测试位置预置断电电位/V输出电压/V输出电流/A最大值 最小值 平均值最大值 最小值 平均值采样控制点-1.1 0-0.6 7 7-4.7 1 7-2.2 1 2-0.9 4 9-1.1 6 9-1.1 3 3-1.1 8-1.4 9 4-4.4 6 7-3.2 3 5-0.9 5 1-1.1 9 1-1.1 7 7管程8 5 k m处-1.1 0-0.4 3 4-3.1 3 5-1.7 1 9-0.6 8 5-1.0 5 3-0.9 2 2-1.1 8-1.5 9 2-4.0 2 2-2.7 6 7-0.9 3 5-1.0 4 3-0.9 9管程1 0 4 k m处-1.1 02.1 4-4.0 2 7-1.4 2 40.6 3 3-1.1 2 6-0.9 1 9-1.1 81.0 2-4.3 0 3-1.6 0 6-0.6 2 3-1.1 2 7-0.9 4 1段与地铁运行时间一致,可初步认定干扰源为地铁;用土壤管测量断电电位时,土壤中杂散电流屏蔽较为明显,断电电位波动较小;恒断电电位工作模式下,采样控制点断电电位与新型恒电位仪预置断电电位基本一致,设备测量控制准确;恒断电电位工作模式下,当预置断电电位调整至-1.1 8 V后,管程8 5 k m断电电位最正值负于-0.8 5 V,电位提升效果明显;管程1 0 4 k m处电位测试桩位于两个阴保站之间,调整4号阀室新型恒电位仪输出对其电位无明显影响。虽然此处断电电位平均值满足标准要求,但还应根据A S 2 8 3 2.1-2 0 1 5标准评价其受干扰程度2 0,必要时应增加直流干扰防护措施。3 结论动态直流杂散电流干扰引起的管道通电电位波动严重影响了恒电位仪输出稳定性以及阴极保护效果。基于管道断电电位控制恒电位仪的输出可很大程度减轻通电电位持续变化引起的输出波动,从而提升阴极保护效果。该新型恒电位仪的研制与应用将为动态直流干扰下的长输管道阴极保护控制难点提供更为合理的解决方案。58高桂飞,等:一种新型数控高频开关恒电位仪的研制与应用参考文献:1 孟庆思,杜艳霞,董亮,等.埋地管道地铁杂散电流干扰的测试技术J.腐蚀与防护,2 0 1 6,3 7(5):3 5 5-3 5 9,3 8 0.2 颜达峰,刘乃勇,袁鹏斌,等.地铁维修基地杂散电流对埋地钢质管道的腐蚀及防护措施J.腐蚀与防护,2 0 1 3,3 4(8):7 3 9-7 4 2.3 刘文权.城市地铁杂散电流对埋地输油管道的危害J.全面腐蚀控制,2 0 1 4,2 8(1 1):2 9-3 2.4 冯洪臣.阴极保护系统维护M.2版.北京:中国石化出版社,2 0 2 1:1 1 8-1 1 9.5 覃慧敏,杜艳霞,路民旭,等.轨道交通对埋地管道动态直流干扰腐蚀的研究进展J.腐蚀科学与防护技术,2 0 1 8,3 0(6):6 5 3-6 6 0.6 计雪松,秦朝葵.杂散电流对埋地燃气管道的腐蚀及其监测J.上海煤气,2 0 0 7(4):1 2-1 5,4 6.7 王洪志,周桐,李博,等.地铁动态直流电流干扰下管道阴极保护有效性测试技术J.石油化工腐蚀与防护,2 0 2 0,3 7(1):4 2-4 4.8 李庆臣,柏晓鹤.地铁杂散电流对管道阴保的影响及措施J.中国石油和化工标准与质量,2 0 1 9,3 9(1 8):1 3 3-1 3 4.9 何鑫,李媛,刘正雄,等.重庆某输气管道地铁杂散电流干扰检测评价与防护案例研究J.腐蚀科学与防护技术,2 0 1 9,3 1(3):2 6 3-2 7 1.1 0 史汉宸,刘翀,汪洋,等.基于恒电位仪的管道极化电位测试方法与结构研究J.化工管理,2 0 1 8(3 0):2 0 2-2 0 3.1 1 史汉宸.输气管道阴极保护恒电位仪改造研究D.成都:西南石油大学,2 0 1 8.1 2 迟善武.阴极保护恒电位仪的技术现状与展望J.油气储运,2 0 0 6,2 5(8):5 3-5 6,6 1,1 6.1 3 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l.E x p e r i m e n t a l i n v e s-t i g a t i o n o f h e a t t r a n s f e r w i t h a s h d e p o s i t i o n i n u l t r a-l o w t e m p e r a t u r e WHR S o f c o a l-f i r e d p o w e r p l a n tJ.A p p l i e d T h e r m a l E n g i n e e r i n g,2 0 1 7,1 2 3:1 1 8 1-1 1 8 9.1 6 YANG X J,D U C W,WAN H X,e t a l.I n f l u e n c e o f s u l f i d e s o n t h e p a s s i v a t i o n b e h a v i o r o f t i t a n i u m a l l o y TA 2 i n s i m u l a t e d s e a w a t e r e n v i r o n m e n t sJ.A p p l i e d S u r f a c e S c i e n c e,2 0 1 8,4 5 8:1 9 8-2 0 9.1 7 R E C C A GN I P,GU I LHE RME L H,L U Q,e t a l.R e-d u c t i o n o f a u s t e n i t e-f e r r i t e g a l v a n i c a c t i v i t y i n t h e h e a t-a f f e c t e d z o n e o f a G l e e b l e-s i m u l a t e d g r a d e 2 2 0 5 d u p l e x s t a i n l e s s s t e e l w e l dJ.C o r r o s i o n S c i e n c e,2 0 1 9,1 6 1:1 0 8 1 9 8.1 8 WANG X J,G E H H,S HE N G K,e t a l.C o r r o s i o n b e h a v i o r o f 2 2 0 5 s t a i n l e s s s t e e l i n s i m u l a t e d f l u e g a s c o n d e n s a t e w i t h d i f f e r e n t c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s i n a w a s t e i n c i n e r a t i o n p o w e r p l a n tJ.M a t e r i a l s a n d C o r r o s i o n,2 0 2 0,7 1(7):1 0 9 1-1 1 0 1.(上接第1 8页)1 2 白真权,李鹤林,刘道新,等.模拟油田H2S/C O2环境中N 8 0钢的腐蚀及影响因素研究J.材料保护,2 0 0 3,3 6(4):3 2-3 4.1 3 王成 达,严 密林,赵新 伟,等.油 气田 开 发中H2S/C O2腐蚀研究进展J.西安石油大学学报(自然科学版),2 0 0 5,2 0(5):6 6-7 0.1 4 姜放.高酸性气田金属材料的实验室评价方法研究J.天然气工业,2 0 0 4,2 4(1 0):1 0 5-1 0 7,1 6.1 5 姚培芬.油气管道C O2与H2S腐蚀与防护研究进展J.腐蚀与防护,2 0 1 9,4 0(5):3 2 7-3 3 1,3 6 9.68高桂飞,等:一种新型数控高频开关恒电位仪的研制与应用