基于大数据的长输管道分布式阴极保护系统研究

王玉婷 李琳

摘  要： 针对传统牺牲阳极的阴极保护系统采用人工定期采集得到电位，需要消耗大量人力财力，且对阴极保护效果不明显的问题，设计基于大数据的长输管道分布式阴极保护系统。系统总体结构采用分层结构和模块相结合的分布结构，详细分析了各结构的功能。系统中的测量仪包括监控中心和长输管道远程阴极保护监测系统，长输管道阴极保护监测系统由无线数据收发器、阴极保护监测器和掩埋的地下管道共同组成，无线数据收发器在对数据信息进行解析后，通过RS 485接口控制掩埋的地下管道各项参数。系统软件部分对阴极保护采集模块进行设计，并对长输管道分布式阴极的危险进行预警和保护。实验结果表明，所设计系统可以降低长输管道的腐蚀情况和腐蚀速率，保护效果较好。

关键词： 大数据; 长输管道; 分布式阴极保护系统; 牺牲阳极; 无线数据收发器; 数据采集器

中图分类号： TN929.5?34                   文献标识码： A                          文章编号： 1004?373X（2018）10?0143?04

Abstract： In the traditional sacrificial anode cathodic protection system， potentials are obtained by means of regular artificial collections， which consumes a lot of manpower and financial resources and does not have an obvious cathodic protection effect. Therefore， a distributed cathodic protection system based on big data is designed for long?distance pipelines. The distributed structure of combining the hierarchical structure with module is adopted as the overall structure of the system. The function of each structure is analyzed in detail. The measurement device of the system comprises the monitoring center and long?distance pipeline remote cathodic protection monitoring system. The long?distance pipeline cathodic protection monitoring system is composed of wireless data transceiver， cathodic protection monitor， and buried underground pipelines. The wireless data transceiver controls various parameters of buried underground pipelines via the 485 interface after parsing data information. For the software part of the system， the cathodic protection acquisition module is designed， and the danger of distributed cathodes for long?distance pipelines is warned and protected. The experimental results show that the designed system can reduce the corrosion situation and corrosion rate of long?distance pipelines， and has a good protection effect.

Keywords： big data; long?distance pipeline; distributed cathodic protection system; sacrificial anode; wireless data transceiver; data collector

0  引  言

我国石油、天然气的长距离输送主要依靠掩埋地下的长输管道来实现。而掩埋地下的管道通常为钢制结构。钢材质在土壤化学性质不稳定情况下容易产生腐蚀，管道腐蚀是造成管道无法正常工作的主要原因。长距离输送的管道腐蚀会造成大量的经济损失和环境污染[1]，寻找合理有效的解决方法是当前面对的重要难题。传统牺牲阳极的阴极保护系统采用人工定期采集得到电位，需要消耗大量人力、财力且对阴极保护效果不明顯。面对该问题，本文设计基于大数据的长输管道分布式阴极保护系统，以提高长输管道使用期限降低经济成本，增强阴极保护效果。

1  长输管道分布式阴极保护系统研究

1.1  系统总体架构

本文基于大数据的长输管道分布式阴极保护系统的构建形式，采用分层结构和模块相结合分布式结构，不同结构功能模块采用接口的方式进行松耦合关联[2]。其接口参数定义清晰、语义清晰可实现各模块的功能。图1为本文阴极保护系统总体结构图。

本文设计的基于大数据的长输管道分布式阴极保护系统主要功能有：

1） 实现各部分控制系统到实时数据库的数据连接、采集和传输的功能。

2） 存储站控系统SCADA以及一些业务系统的数据。

3） 使用互联网实时查询数据，对长输管道进行实时监控，包括管道实时图像、发生预警图像等。

4） 实现不同级别的数据权限，保障整个系统稳定运行。

1.2  系统硬件设计

本文系统硬件部分的测量仪主要由监控中心和长输管道远程阴极保护监测系统两部分组成，其结构如图2所示。其中，长输管道阴極保护监测系统由无线数据收发器、阴极保护监测器和掩埋的地下管道共同组成。阴极保护监测器可对长输管道的保护电压进行测量，也可对恒定电位仪的输出电压和电流测量[3]。无线数据收发器的作用是将阴极保护数据采集器采集的数据信息经过通信设备发送至电脑，在电脑中通过各种软件对数据整理分析，得到最终数据结果。基于硬件测量仪的功能需要严格设计和选择内置芯片，本文对硬件测量仪的选择应遵从低能耗、采样精度高和抗干扰能力强等条件。

基于大数据的长输管道分布式阴极保护系统测量仪特点如下：

1） 集成电路由CMOS和BiFET共同组成，该电路构成包括MCU芯片、时钟芯片、串口芯片以及仪表放大器和转换器等。

2） 硬件部分电源设备采用最先进的电源管理模块，可在系统待机状态下保持低功率消耗[4]，当发生异常情况时会立刻进入阴极保护状态，提高系统使用寿命。

3） 方便携带、全自动进行系统保护。

从图2可看出PC计算机与GSM接收模块通过RS 232接口共同构建监控中心。该监控中心主要功能为向无线数据收发器发送各种指令，并对无线数据收发器处理结果进行处理和保存。PC计算机采用RS 232接口向GSM接收模块发送各种操作指令。GSM接收模块再利用GSM网络向无线数据收发器发送指令。无线数据收发器在对数据信息进行解析后经RS 485接口。实现对长输管道远程阴极保护监测系统中掩埋地下管道各项参数的控制[5]，并根据要求将数据信息保存在无线数据收发器或传送到监控中心。

1.3  系统软件设计

基于大数据的长输管道分布式阴极保护系统软件包括阴极保护电位采集模块设计、阴极保护电位无线测遥模块程序设计以及中心监控站软件设计。无线测遥主要维持各条长输管道的阴极保护电位的整天不间断监测，再将监测得到的结果发送到监测中心站。中心监控软件设计采用VC++程序进行编写，设计包括数据分析、实时数据显示、信号的预测和预警以及对异常情况发生的定位[6]。

1.3.1  阴极保护电位采集模块设计

阴极保护电位采集模块设计流程分析过程如下：

1） 启动本文系统，并对系统内各设备进行初始化操作[7];

2） 系统初始化利用I/O接口和数据采集接口;

3） 利用断电测量法对系统数据采集程序进行运行，采集长输管道的测量数值[7?8];

4） 数据信号预处理操作;

5） GPRS将处理后数据发送到终端服务器;

6） 系统出现异常，及时向外发送采集到异常数据。

图3为系统软件部分阴极保护电位采集模块工作流程图。

1.3.2  无线遥感模块工作流程设计

无线遥感模块主要负责各条长输管道的阴极保护电位24 h的平稳运行，并将结果传输到监控中心。通常为了降低系统整体的功耗，在长输送管道无异常的情况下，每日只发送一次数据。无线遥测模块工作流程主要进行系统初始化[9?10]、A/D信号转换、GPRS电源控制数据以及数据信息发送等功能。图4为其工作流程图。

2  实验分析

2.1  阴极保护效果分析

分析采用本文阴极保护系统对长输管道阴极的保护效果。对采用本文系统进行阴极保护和未采用本文系统进行阴极保护的某工程的长输管道进行实地检测。实验测试完成后将长输管道外表皮的防腐层去掉后，比较两种情况下长输管道的损伤情况。图5和图6分别为外加本文系统进行阴极保护和未采用任何防护的长输管道的腐蚀情况。

从图5和图6可以清晰地看出，本文系统在正常运行状态下对长输管道起到很好的保护作用，利用本文系统进行阴极保护的输电线仅仅在开口处沾有少量的污泥，不存在长输管道被腐蚀的现象，而图5未加任何保护的管道存在大面积的腐蚀。

2.2  土壤环境对阴极保护影响分析

研究表明，不同的土壤环境会对长输管道造成不同腐蚀程度，管道在地下掩埋时间越长接收土壤中酸性物质腐蚀越严重。实验检测不同土壤酸性环境下长输管道电位测试结果，不同阴极保护电位下长输管道的腐蚀速率，分别如表1和表2所示。

由表1数据分析能够得出，长输管道接触土壤的酸性越强，需要的阴极保护电位越低，尤其是未加阴极的保护需要的保护电位更低。从表2能够看出，在阴极保护电位在-1 050 mV左右时的长输管道腐蚀速率最小，保护度较高。采用本文系统进行阴极保护的电位与-1 050 mV更接近，说明本文系统的应用可以增强长输管道的保护程度降低腐蚀速率。

3  结  论

本文设计的基于大数据的长输管道分布式阴极保护系统在解决传统牺牲阳极的阴极保护系统对电位检测不准确耗费大量人力上的作用较明显，可以降低长输管道的腐蚀增强经济效益，对阴极保护的作用明显。

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