天然气管道杂散电流干扰远程监控系统建设实践

李叶斌 姚国斌 郭志宏

（华新燃气集团有限公司）

埋地天然气管道的防腐措施一般由两部分组成： 管道外壁的防腐层和管道的阴极保护系统。 管道的阴极保护有两种方法：牺牲阳极保护和强制电流保护［1，2］。管道管理部门定期检测管道的阴极保护电位，通过对汇总数据分析、评价进而判断管道的受保护状态。 从文献［3～5］的研究数据看，输电系统、电气化铁路系统等与埋地天然气管道的冲突逐年扩大，对管道杂散电流干扰的影响也越来越常态化。 文献［6，7］的研究结果表明，杂散电流干扰呈多样性和不规律性，检测难度大，尤其是管线附近输电设施故障或电力设备维护过程向大地释放强大故障电流引起的杂散电流干扰，干扰并不规律，具有偶发性，持续时间也不是很长（电力故障解除后干扰消失），但干扰程度较大，现场很难捕捉，对管线维护人员的危害也大。

针对管道运行过程杂散电流干扰检测和评价困难的现状，山西天然气有限公司根据管道生产运行需求，在埋地天然气管道杂散电流干扰远程监控系统建设上进行了实践探索，开发了一套基于无线通信技术的天然气管道杂散电流干扰远程监控系统，实现了对部分管道特殊点位的阴极保护电位数据自动采集远传，让生产运营人员坐在办公室就能了解管线的在线阴极保护效果、杂散电流干扰规律及程度等信息。

1 技术方案总体架构

基于无线通信技术的天然气管道杂散电流干扰远程监控系统整体架构（图1）包括一个数据中心、若干技术员管理工作站、智能测试桩、阴极保护管道智能恒电位仪和远程专家诊断系统，通信方式采用全网通自适应现有移动、联通、电信运营商的GPRS/3G/4G 网络，实现管道通电电位、断电电位、自然电位、交流干扰电压、交流电流密度及直流电流密度等参数的实时在线采集。

1.1 数据中心

数据中心架构为私有云+公有云的混合云数据中心， 布署有数据库服务和相关应用服务，架设有移动、联通、电信互联网专线，另有基于北斗通信系统的数据应急通信链路。 其互联网专线便于通过公网固定IP 接收数据传输访问，且便于实现将应用云化布署，用公网即可方便查看获取数据，便于工程师随时为一线人员提供技术支持与帮助。

1.2 技术员管理工作站

每个工作站都安装杂散电流干扰远程在线监控软件系统和相关软件环境，便于管理人员随时开展工作，工作站网络与数据中心网络互通。

1.3 智能测试桩

智能测试桩由桩体、远程测控装置、极化探头、参比电极和测量连接线5 部分构成。 远程测控装置是数据采集和远程传输的核心元件。 智能测试桩是集桩体、远程测控装置和测量连接线于一体的智能设备，与极化探头和参比电极配合使用可自动采集管道通电电位、断电电位、自然电位、交流干扰电压、交流电流密度及直流电流密度等参数， 并可通过GPRS/3G/4G 网络将所采集电位数据发送至指定的中心服务器。

智能测试桩将其本身的属性信息、所采集到的保护电位等数据通过运营商网络传输到数据中心上位机，数据中心上位机也可以给智能测试桩下发控制指令和相关参数。 智能测试桩的属性信息包括其位置、所属线路、所属组织机构、蓄电池状态及工作状态等相关信息，可以灵活地对智能测试桩属性信息进行预置编码。 智能测试桩的位置信息是在施工布设测试桩的同时， 由手持GPS 定位终端对其位置坐标进行标定并录入数据库记录。

1.4 智能恒电位仪

智能恒电位仪与智能测试桩类似，可以将其工作参数通过GPRS 模块传输到数据中心， 远程在线监控智能恒电位仪，必要时可以发送相关参数给智能恒电位仪进行远程调试。

智能恒电位仪的参数包括输出电压、输出电流、保护电位、报警状态及备机运行状态等，可实时远程上传至软件平台服务器，也可将恒电位仪的给定电位、备机切换、远程开关机、断电测量及超差复位等参数通过软件管理平台发送命令进行远程反向控制调节。

1.5 远程专家诊断系统

远程专家诊断系统包括数据监控、 分析统计、专家诊断、事故处理、设备管理和系统维护六大基本功能模块，可实现对全局数据自动进行大数据分析，并给相关人员提示异常状态，出现异常情况时进行人工干预， 判定管道的保护状态，实现对现场一线工作人员进行远程指导和协助的功能，为企业节约人力、物力和财力。

2 相关技术总则

2.1 阴极保护有效性评价总则

天然气管道杂散电流干扰远程监控系统的阴极保护有效性评价总则［8］如下：

a. 一般情况下，管道阴极保护断电电位（即管/地界面极化电位，下同）应为-850mV（CSE）或更低，但正常情况下阴极保护状态下管道的极限保护电位不能比-1 200mV（CSE）更低，因此当低于以上标准时，软件平台系统上会自动标注黄色报警。

b. 特殊情况下，不满足以上条件时，采用阴极极化或去极化电位差大于100mV 的判据，但如果是在高温条件下、SRB 的土壤中存在交直流干扰以及异种金属材料耦合的管道中，就不能采用100mV 极化准则，当低于这个标准时，软件平台系统会出现红色报警。

2.2 交流干扰程度判定准则

当管道上的交流干扰电压不高于4V 时，可不采取交流干扰防护措施；高于4V 时，应采用实测采集检查片上的交流电流密度数据进行评估［9］。

在交流干扰区域的管道智能测试桩处配套埋设腐蚀检查片，以测量交流电流密度，对交流腐蚀和防护效果进行评价，此处检查片的裸露面积为1cm2，判断指标见表1。

表1 交流干扰程度判断指标

2.3 直流干扰程度判定准则

根据软件管理平台上上传的断电电位数据，当干扰导致管道不满足最小保护电位要求时（报警），应及时采取干扰防护措施［10］。

可以根据干扰程度和受干扰位置随时间变化的情况（通过监控软件管理平台的历史上传数据统计判定），判定干扰的形态，并应符合下列规定：

a. 干扰程度和受干扰位置随时间没有变化或变化很小，应确定为静态干扰；

b. 干扰程度和受干扰位置随时间不断变化，应确定为动态干扰。

可以根据软件管理平台上管/地电位随距离分布曲线的特征，确定干扰的范围、管道阳极区、管道阴极区和管道交变区的位置。

2.4 监测点的选择原则

选点原则。 管道与特高压交流输电线路（电气化铁路）交叉或者靠近点两侧各选3 处阴极保护桩位置设置远程监测点（智能测试桩）；管道与特高压直流输电线路交叉点两侧各选1 处阴极保护桩位置设置远程监测点（智能测试桩）。

特高压交流输电系统对附近埋地钢制管道的杂散电流干扰一般分为阻性干扰与电磁感应干扰，尤其是电磁感应干扰的影响范围广，故对其监测范围大并且设置的监测点多。 而特高压直流输电系统主要影响其换流站接地极附近的埋地管道，而对输配线路途中附近的埋地管道影响很小，在输电正常运行中会有一些很小的不平衡电流通过杆塔接地泄漏到大地，但对管道影响范围有限，故只在交叉点两侧设置监测点。 如果输电线路投运后，杂散电流干扰影响范围超出监测范围，根据现场情况相应扩大监测范围，并增设监测点。

3 应用实践

3.1 监测点的选择

山西天然气有限公司在全省运营近2 500km的长输天然气管道，其阴极保护系统的正常运行至关重要。 为避免杂散电流干扰给管道运行带来的影响以及今后管道的安全运行需要，需及时掌握管道阴极保护的运行状态，因此公司在现有在役管道孝义-离石输气管线（简称孝离线）中，选择其中与特高压交直流输电线路、电气化铁路交叉伴行的管段设置远程监测系统。 孝离线全长156km、DN355mm、管材L360N、防腐层为3PE，采用外加电流阴极保护，分别在北姚站和离石站设置两座阴极保护站为管线提供阴极保护。 该管线本体远离特高压直流输电换流站100km 以上，但在该管线线路中存在3 处与±800kV 特高压直流输电线交叉点（表2），有6 处与1 000kV 特高压交流输电线交叉或靠近（表3）。

表2 孝离线与±800kV 特高压直流输电线交叉点情况

表3 孝离线与1 000kV 特高压交流输电线交叉或靠近情况

根据选点原则在孝离线设置杂散电流干扰远程监测点20 处，设置安装20 个智能测试桩，对所设置的管道阴极保护状态进行全面实时监控，选定的20 个测试桩位置点见表4、图2。

图2 孝离线管线位置和智能测试桩选点布设

表4 孝离线智能测试桩设置位置点

3.2 智能测试桩的安装

智能测试桩远程测控装置是智能测试桩系统的核心， 它内嵌于智能测试桩体中， 通过GPRS/3G/4G 自适应通信方式传输数据， 测试桩的电源采用太阳能+蓄电池供电方式， 实现了无后备电源情况下的连续长时间工作。

安装智能测试桩的主要工作有安装点的选择、信号质量测试、安装点土方开挖、原测试电缆与新设智能测试桩测试电缆连接、 参比电极安装、极化探头安装、测试桩测控装置接线与测试、测试桩体埋设等。 其中安装点的信号质量必须保证稳定地传输数据。

3.3 软件平台的建设

软件平台的建设需要管道基础数据支撑。 基础数据来自规划技术部、项目管理部、管道管理部、生产运行部及安全环境部等部门，数据包括管道设计数据、项目建设数据和管道运营维护数据。 基础数据的归集有助于给管道进行360°画像，使决策者能够对管道的整体运行状态有直观的了解。

另外，平台集成现有地理信息系统（GIS）数据， 使得管道的阴极保护测试桩数据和管道的阴极保护状态能够在地理信息系统上实时展示， 方便管道阴极保护专工更直观地查阅相关数据。

杂散电流干扰远程监测软件系统的功能模块及其功能点如图3 所示。

图3 杂散电流干扰远程监控系统功能模块及其功能点框图

3.4 调试工作

系统完成建设后，开展相关调试工作。 联合调试工作分为3 部分：系统软件的调试、硬件设备的调试和联合调试。 调试顺序为：系统软件调试→硬件设备调试→联合调试。

完成调试后，系统稳定运行近一年多时间。

3.5 运营实践效益分析

传统的长输管道阴极保护监控一般由专业人员定期携带检测设备，在现场检测并记录保护电位数据，之后进行统一分析并存档记录。 但长输管道管线距离长，沿线地区环境复杂，这种定期人工巡检的方式需要花费大量的人力和物力，而且检测设备落后，检测精度不高，时效性差，采集数据量有限，易出现误报和误判现象，不能准确反映管道的真实保护状态。

天然气管道杂散电流干扰远程监控系统投用后，孝离线阴极保护电位曲线如图4 所示。

图4 孝离线阴极保护电位曲线

传统人工方式与天然气管道杂散电流干扰远程监控系统相关数据的对比详见表5。 其中，人工费用每日按300 元计算，实际采集频率设置每天1 次。 监控系统支持每秒1 次的检测频率。 表5 数据量按20 个测试桩计算，车辆燃油费用、 过路费和保养费用按实际统计计算，费用概算基于2020 年1～11 月相关统计数据核算。

表5 传统人工方式与远程监控系统相关数据对比

4 总结及展望

基于无线通信技术的天然气管道杂散电流干扰远程监控系统投运后，改变了传统的由专业人员定期携带检测设备现场检测并记录保护电位数据的方式，具有实时性好、数据采集连续、稳定可靠、 使用简便和运行维护成本低的优势，有效提升了天然气管道阴极保护监测的自动化和信息化水平，提升了监测效率和准确性，节约了人力和物力成本，降低了安全风险。

现有杂散电流远程监控系统仅对天然气管道中的个别点位进行监测，得到的数据还不够全面，无法发挥杂散电流远程监控系统（智能阴极保护远程监控系统）的全部功能，无法对天然气管线整体阴极保护的有效性做出全面准确的评估，无法全面掌控地下管线的腐蚀状态，为阴极保护运行中出现的故障解决提供有力的数据支撑。

未来，应对服役管道全线采取完整的智能阴极保护远程监测，在整条管线上均布智能测试桩，同时将阴保站的所有恒电位仪改造为智能恒电位仪并纳入监控系统中。另外，软件系统的分析功能应结合实际验证其准确性， 并对相关数据计算模型进行修正，尽可能得出准确的分析结果。