謝成1 劉軍1 陳少松2 易曉明2

1.國家管網(wǎng)集團(tuán)華南分公司； 2.北京安科腐蝕技術(shù)有限公司

摘要：從珠三角地區(qū)油氣管道服役環(huán)境存在多種電干擾源的背景出發(fā)，分析了管道外腐蝕檢測常規(guī)做法存在的不足，針對復(fù)雜電干擾問題提出了運(yùn)用智能監(jiān)測解決方案，并在試驗(yàn)段進(jìn)行了工程實(shí)踐探索。通過總結(jié)實(shí)施效果，指出未來管道陰極保護(hù)智能監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：油氣管道；陰極保護(hù)；腐蝕檢測；智能監(jiān)測；雜散電流干擾

油氣管道腐蝕是一個慢變量，需要長期跟蹤監(jiān)測和及時治理，防患于未然。管道腐蝕具有隱蔽性，不易檢測發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)手段，都是基于風(fēng)險(xiǎn)的概率檢測，存在漏檢誤判，一旦管道失效，將造成嚴(yán)重的安全事故或生態(tài)環(huán)境破壞。

目前珠三角地區(qū)大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正處于高速發(fā)展期，高壓交流和直流輸電、高鐵、地鐵等線路多與管道接近、并行或交叉，成為造成埋地管道腐蝕加速和運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)的主要雜散電流干擾源。

1  管道雜散電流干擾現(xiàn)狀

在珠三角地區(qū)，華南分公司運(yùn)營管道超過1300余公里，區(qū)域內(nèi)有20多條地鐵線路，造成的動態(tài)雜散電流干擾強(qiáng)度及腐蝕風(fēng)險(xiǎn)世界罕見，管地電位波動高達(dá)±30 VCSE以上，個別地段管道局部腐蝕壁厚損失接近70%，腐蝕速率最高達(dá)0.56 mm/a。

廣東省內(nèi)有6處高壓直流輸電系統(tǒng)的大型接地極，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，接地極造成的干擾電壓最高304 V，為目前監(jiān)測到的國內(nèi)最高干擾電位值。根據(jù)模擬計(jì)算，接地極在單極大地返回運(yùn)行模式下引起管地電位偏移2 V的范圍幾乎覆蓋全省范圍。此外，還存在大量高壓交流輸電線和交流電氣化鐵路等多種干擾源同時影響一條管道，以及更多復(fù)雜干擾源未被發(fā)現(xiàn)的情況。

2  管道外腐蝕檢測

管道外腐蝕檢測主要通過定期檢驗(yàn)、日常人工巡檢的方法。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，新建管道1～3 年內(nèi)完成基線檢測，隨后每 5 年定期開展外腐蝕直接評價(jià)（ECDA）。定期檢驗(yàn)結(jié)合日常人工巡檢的方法可評估管道外防腐層質(zhì)量、陰極保護(hù)有效性、雜散電流干擾情況等，并結(jié)合防腐層破損處的開挖調(diào)查，對管體腐蝕缺陷及環(huán)境腐蝕性進(jìn)行直接檢測和評價(jià)。

隨著管道運(yùn)行年限增加，防腐層老化、剝離、破損及雜散電流干擾問題越來越突出。無論從時間還是地域維度看，管道腐蝕點(diǎn)都不是平均分布的，定期檢驗(yàn)和日常人工巡檢很難及時發(fā)現(xiàn)全部外腐蝕缺陷，存在較高的漏檢概率和局限性。

（1）在時間維度上，人工檢測只能選取某個時間段操作，采集數(shù)據(jù)是不連續(xù)的，難以全時覆蓋并達(dá)到暫態(tài)級（秒級～分鐘級），而地鐵和高壓直流接地極等干擾具有暫態(tài)特征，因此很難捕捉到完整的干擾信息。

（2）從地域維度看，管道是敷設(shè)在不同地域的線性資產(chǎn)，達(dá)成覆蓋全線檢測不遺漏的成本和難度都很高；過去采取抽樣的辦法，很好地平衡了檢測成本和檢測目的的關(guān)系，但只要是抽樣就存在著漏檢和誤判風(fēng)險(xiǎn)。

（3）人工巡檢和人工記錄數(shù)據(jù)的方式很難保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，專家普遍會質(zhì)疑這類數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性，為后期評價(jià)帶來困擾。

3  智能化解決方案

3.1  陰極保護(hù)智能監(jiān)測系統(tǒng)

陰極保護(hù)智能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)包括三層，即感知層、傳輸層和分析層。

（1）感知層：以智能測試樁的形式布設(shè)于管道路由沿線，其內(nèi)部安裝自動采集儀，配合長效參比、極化試片等，實(shí)現(xiàn)對陰極保護(hù)電位、交流電壓、直流電流、交流電流、腐蝕速率、土壤特征等相關(guān)參數(shù)的自動采集，并將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時存儲或通過無線模塊實(shí)時上傳客戶端軟件管理平臺。

（2）傳輸層：數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)一方面將采集儀采集的數(shù)據(jù)通過特定方式和固定協(xié)議傳送給遠(yuǎn)端服務(wù)器系統(tǒng)并進(jìn)行存儲，另一方面可以將客戶端發(fā)出的指令發(fā)送給采集儀，控制采集儀的工作方式。目前可以使用的無線數(shù)據(jù)傳輸方式包括移動通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)等，也可以使用管道沿線的伴行光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有線傳輸。

（3）分析層：包括客戶端管理平臺的各項(xiàng)分析功能組件。管理平臺軟件作為在線陰極保護(hù)評價(jià)工具，能把從遠(yuǎn)程采集得到的陰極保護(hù)各項(xiàng)參數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行判定、分析并給出預(yù)警。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警時，軟件可指明故障原因、時間、地點(diǎn)，并將這些信息寫入數(shù)據(jù)庫，方便查閱和存檔，為維保工作提供依據(jù)。

3.2  系統(tǒng)實(shí)施情況

2018年至2020年，華南分公司選取受雜散電流干擾嚴(yán)重的某試驗(yàn)管段，共安裝智能測試樁300多套、智能抗干擾恒電位儀13套、腐蝕探頭19套，對管道的通電電位、斷電電位、交流電壓等參數(shù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，用于評估陰極保護(hù)運(yùn)行情況以及受交直流雜散電流干擾影響的程度，較全面采集了管道外腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)信息。

（1）試驗(yàn)管段地鐵雜散電流干擾監(jiān)測。HD段與深圳地鐵2號線平行并交叉，HD46+469、 HD45+076、HD47+310位于管線與地鐵交叉位置，受地鐵雜散電流干擾嚴(yán)重，測得通電電位波動范圍為﹣7.31 V～3.35 V，平均值﹣1.81 V～﹣0.91 V，斷電電位波動范圍為﹣1.53 V～0.24 V，平均值﹣1.24 V ～﹣0.65 V。

（2）試驗(yàn)管段交流干擾監(jiān)測。HD管段HD62+743智能測試樁監(jiān)測到暫態(tài)交流干擾電壓峰值達(dá)到20.71 Vac，高于15 Vac，立即提醒現(xiàn)場作業(yè)時做好安全防護(hù)。BD段BD21#智能樁監(jiān)測到穩(wěn)態(tài)交流干擾電流密度達(dá)到57.21 A/m2，交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級為中等，隨即啟動密間隔數(shù)據(jù)采集模式，對其趨勢變化進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。

（3）DP管段絕緣接頭狀態(tài)對管道電位的影響。2019年12月25日12時，試驗(yàn)管段DP69、DP76、DP82智能測試樁監(jiān)測到管道通/斷電電位出現(xiàn)同步正向偏移，經(jīng)核實(shí)，系因PH管道PS閥室絕緣接頭失效，DP管道與下游PH管道現(xiàn)場跨接連通所致（圖 1）。

圖 1 試驗(yàn)管段DP段智能測試樁電位圖

（4）鄰近管道恒電位儀運(yùn)行狀態(tài)對管道電位的影響。2020年6月8日至6月11日，DP61智能測試樁通/斷電電位正向偏移且IR降發(fā)生明顯變化，經(jīng)核實(shí)，為DP管段鄰近管道2#閥室恒電位儀意外停機(jī)所致（圖 2）。

圖 2 智能測試樁通/斷電電位圖

3.3  實(shí)施效果

（1）能夠持續(xù)實(shí)時監(jiān)測陰極保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并獲取關(guān)鍵信息，及時發(fā)現(xiàn)陰極保護(hù)設(shè)備運(yùn)行故障及保護(hù)效能下降情況，極大地縮短故障定位、診斷及通知的時間延遲。對系統(tǒng)和關(guān)鍵位置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，確保陰保系統(tǒng)運(yùn)行有效性，有利于強(qiáng)化保護(hù)性能的長期知識積累。遠(yuǎn)程便捷優(yōu)化或修改陰極保護(hù)運(yùn)行參數(shù)，減少或逐步取代定期現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作，總體降低設(shè)備全周期維護(hù)費(fèi)用等。

（2）智能監(jiān)測系統(tǒng)在及時準(zhǔn)確捕捉干擾信息方面獨(dú)具優(yōu)勢。新一代智能監(jiān)測設(shè)備包含觸發(fā)監(jiān)測功能，當(dāng)交直流干擾電位水平超過正常運(yùn)行范圍時，可以自動觸發(fā)密集采集模式，及時捕捉到動態(tài)干擾信號。多臺采集設(shè)備同步采集通斷電電位，有利于判斷干擾的范圍、強(qiáng)度、流入流出位置，確定高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)并指導(dǎo)后期的排流設(shè)計(jì)等工作。

（3）智能監(jiān)測系統(tǒng)與腐蝕速率測試結(jié)合，可以實(shí)時監(jiān)測管道腐蝕情況；與恒電位儀控制系統(tǒng)結(jié)合，根據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測并及時確定的管道欠保護(hù)位置、受干擾情況，通過設(shè)計(jì)算法可優(yōu)化區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)；通過監(jiān)測定向鉆管段等位置，結(jié)合電流環(huán)或其他電流測試技術(shù)手段，可用于評價(jià)防腐層質(zhì)量和穿越段管道的真實(shí)陰極保護(hù)水平等。

3.4  系統(tǒng)存在的問題

在成本費(fèi)用約束下，智能測試樁優(yōu)先用于雜散電流干擾嚴(yán)重管段，在接近干擾源的位置分布相對密集，而在遠(yuǎn)離干擾源的位置則覆蓋率較低。恒電位儀與管道沿線測試樁的智能化程度仍不匹配，因此，很多管道并未真正建立起具有自動調(diào)控和聯(lián)動機(jī)制的陰極保護(hù)智能監(jiān)測系統(tǒng)。目前監(jiān)測系統(tǒng)對管道腐蝕本身的監(jiān)測仍非常少，系統(tǒng)積累的大量數(shù)據(jù)尚未充分挖掘利用，與智能管道的目標(biāo)仍有相當(dāng)差距。分公司陰極保護(hù)智能管理系統(tǒng)中，僅有13套恒電位儀具有遠(yuǎn)程傳輸功能。為實(shí)現(xiàn)對管道陰極保護(hù)效果進(jìn)行全面分析評價(jià)，下一步將對恒電位儀進(jìn)行智能化改造，使其具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；改進(jìn)試驗(yàn)段安裝的腐蝕探頭使其具備遠(yuǎn)程傳輸功能，從而實(shí)現(xiàn)快速適時綜合評估。

4  改進(jìn)方向

（1）運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)自動分析和自動生成報(bào)告。感知層設(shè)備每天采集和需處理的數(shù)據(jù)達(dá)幾十萬條，解決數(shù)據(jù)不斷積累靠人工分析費(fèi)時耗力和不可持續(xù)難題；深入挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，建立新模型，以輔助管理人員高效準(zhǔn)確識別并預(yù)測腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；自動診斷系統(tǒng)故障，實(shí)現(xiàn)無需人工干預(yù)的智能管控。

（2）接入多種感知設(shè)備，包括犧牲陽極測試站、排流測試樁、交流緩解測試樁、跨接測試樁、絕緣接頭測試樁等，實(shí)現(xiàn)管道外腐蝕防護(hù)全場景的互聯(lián)互通。

（3）整合多維度、全時域和全地域的管道數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息同步化和一致性。

作者簡介：謝成，1980年生，國家管網(wǎng)集團(tuán)華南公司資產(chǎn)完整性管理部經(jīng)理，高級工程師，目前主要從事管道完整性管理及外管道管理工作。聯(lián)系方式：13533075570，xiecheng@pipechina.com.cn。