大型钢结构闸门腐蚀度预警系统技术研究及应用

程新闯，王 挺

（1.绍兴市曹娥江大闸运行管理中心，浙江 绍兴 312099；2.杭州宏安四维科技有限公司，浙江 杭州 310052）

1 问题的提出

在闸门安装阳极块是当前闸门防腐的有效方法，但是阳极块在持续失去电子的情况下不断消耗，需要及时更换。为防止由于阳极块主体消耗完全而导致闸门暴露在无保护的状态、整修投入增加，需要定期检查挡潮闸工作闸门的阳极块并测量保护电位，以确定阴极保护系统正常运行[1]。由于阴极保护电位测试盒一般安装在活塞杆基座上，测量时需攀爬护拦或胸墙，存在一定的安全隐患，另外，由于潮位变化无法及时测量。故提出建立闸门腐蚀度预警系统，对阴极保护电位进行实时、不间断地监测，从而完成数据采集并远程传送到中央控制室，实现数据积累，及时发现异常情况、发布预警，并可以通过原始数据进行追溯。

2 工程特点和需求分析

曹娥江大闸挡潮工作闸门是我国水利工程的标志性闸门，28扇闸门已运行10 a以上。由于曹娥江大闸位于钱塘江与曹娥江交汇处，该处为淡咸水交界，且每日有2次涨潮过程，钱塘江强涌潮携带的大量泥沙易对涂层造成冲刷破坏。闸门长期浸泡在水下，启闭时频繁经历干湿交替、受高速水流冲刷，水线部分受到水、日光及水中生物的作用，钢材很容易腐蚀，特别是咸水的电解质浓度高，对闸门的腐蚀性较强。2010年闸门局部点出现锈蚀现象，2011年锈蚀进一步加剧。

为确保闸门的工作寿命，增加阴极保护，将38支WHCB-22型镁阳极和8支WHCB-8型镁阳极，均匀布置于闸门的支撑板或支撑管。与此同时，闸门保护电位的监测需求产生。由于镁阳极数目较多，所以对阳极块的监测、预警以及数据分析归档的智慧化要求较高。因此，充分利用互联网技术，专用测试桩配合智能采集仪，实现数据采集转化，构建集监测、分析、预警、资料归档为一体的可视化监测预警系统。系统以实时监测、综合地图、过程分析、视频监控、资料归档为主要功能，实现对闸门保护电位全天候、全方位监测预警。

3 关键技术

3.1 BIM（三维可视化场景展示技术）

BIM技术的核心是通过建立虚拟工程三维模型，并为虚拟模型加载与实际情况一致的信息库。该信息库不仅包含工程的几何信息、专业属性，还包含非工程部位的状态信息，且呈现动态变化，能够实现信息交换和共享[2]，这完全满足了闸门腐蚀度预警系统智能采集和可视化监控的建设需求。具体采用WebGL作为搭建、加载三维模型的主要框架，并利用three.js对3D对象进行封装、开发、渲染等，将闸门运行状态、保护电位、腐蚀情况的数据都集合至大闸工程的三维模型。搭建闸门的三维立体监控场景，提高大闸工程的信息集成化程度，并通过几何数据压缩技术实现大闸BIM模型的轻量化，使整个大闸工程模型在三维漫游过程中迅速且流畅地加载（见图1）。

图1 闸门可视化健康场景建设方案图

3.2 智能采集

智能采集技术解决了原位测试数据的采集和处理需求，主要由数据采集系统和采集仪器构成。

数据采集系统处理流程一般包括滤波、采样、存储和处理4个环节[3]。1个模拟信号首先经过预采样滤波器对信号进行调理，然后采样器在每一个采样时刻读出1个数据，再由模数转换器ADC量化为二进制数码，数据最后保存到存储器用于数字信号处理。智能采集系统有触发监测功能，可进行交、直流干扰监测，电位超过正常运行范围会自动触发密集采集模式。

硬件部分主要借助智能采集仪。采集仪通过设定的时间，定时采集闸门上的电位数据并传输到监控服务器，采集闸门电位的同时能够滤除干扰电压，得到正确电位。在监控中心服务器安装配套的监控软件。监控软件收到数据后进行解密并存储，从而完成数据采集。在闸门腐蚀度预警系统中，由专用测试桩配合智能采集仪对闸门的保护电位（纯极化电位）进行实时采集、存储，通过无线技术传送至闸门腐蚀度预警系统监控中心，完成数据分析，形成闸门预警。

3.3 数据模型

依据国内相关文献，得到闸门腐蚀度预警系统数据模型的3个基本参数：电流效率、最小保护电位和最大保护电位。

系统采取以下方式计算牺牲阳极试样的电流效率：

式中：η为牺牲阳极的电流效率，%；Q0为牺牲阳极的理论电容量，A·m/kg；Q为阳极的实际电容量，A·m/kg。

式中：A、B、C为合金成分的百分比，%；X、Y、Z为合金成分的理论电容量，A·m/kg；

实践中，钢铁的保护电位通常取-0.85 V（CSE，饱和铜/硫酸铜参比电极）。也就是说，金属处于低于-0.85 V（CSE）的电位时受到保护。但是也并不意味着电位越低，保护环境越稳定，低于-1.20 V（CSE）时会出现阴极剥离。

模型采用曹娥江大闸受冲刷较为严重的12#、13#、14#闸门在电流效率稳定的情况下，连续1 a的保护电位监测数据。闸门年度监测数据过程线见图2。

图2 闸门年度监测数据过程线图

从监测数据来看，闸门的保护电位在一段时间内会出现小幅度波动，一般不会超出-1.10～-0.95 V（CSE）。一旦超出则无法恢复，即意味着阳极块需要更换，系统将发出不同程度的预警。

3.4 算 法

水利智能算法基于人工智能深度学习技术，能够识别复杂场景下的图像信息，结合水利对象视图库内的图像数据，生成多种水利专用图像分析算法，满足对多样且复杂的水利场景视频进行智能分析的需求，有利于水利工程管理的运行调度与辅助决策[4]。闸门腐蚀度预警系统充分考虑闸门阴极保护的特点，利用各类分析手段与算法，结合闸门运行情况，融合现有专业知识，建立适应于保护电位监测的数据模型。研究集实时监测、趋势预测、报警预警、过程分析为一体的腐蚀度预警智能化系统，有效延长闸门运行周期，使阴极保护效果最大化。

根据阳极块保护电位存在有效区间的特性，采取MATLAB二维边界单元法，按照基本参数的区间进行预警。预警计算中使用 VARA 函数进行数据处理，经过处理的实时监测数据进入预警模型。

4 预警系统

4.1 总体架构

闸门腐蚀度预警系统以“监测—分析—预警—应用”为主线，由硬件设施、软件平台和手机APP三部分组成。其中硬件设施包括电位采集仪器、视频摄像头、恒电位仪、传感器、信息采集模块等。软件平台主要包括一张图、三维展示、预警预测、数据分析、报表统计、远程控制、运维管理、信息管理等功能模块（见图3）。闸门腐蚀度预警系统APP是对软件系统的轻量、简化，可满足移动办公的需求。

图3 系统总体架构图

在大闸工程中，电位采集仪可实时采集闸门的输出电压、电流和保护电位、断电电位等数据，通过无线通信技术上传到中控室服务器端，解析并传输至软件系统各大模块，通过图表或者模型的形式展现。管理人员可以通过Web网络或者APP进行查看和操作。

4.2 系统分项设计

闸门腐蚀度预警系统主要由实时监测、综合地图、过程分析、视频监控及资料归档5个子模块组成，并且研发配套的移动APP，使监测工作更为便捷。

4.2.1 实时监测

实时监测模块按照系统建设需求，界面最上层分布有闸门预警、闸门开闭基本情况、电极异常情况、未读公告数等数据，点击相应模块可查看及操作。界面下层构建实时监测“一张图”，展示每个闸门实时的阴极保护情况，通过提示框里的数据以及颜色可以直观查看保护电位是否超出正常范围。

其中，电极异常数量模块以实时监测数据为基础，自动对观测数据进行物理量换算，通过对数据趋势进行分析和加工清洗，及时生成腐蚀度监测预警，针对可能发生的腐蚀危险，启动预警发布。预警发布有两种形式：其一，系统在工作人员登录后弹出预警提示，并发出滴滴滴的提示音，督促工作人员查看处理。其二，系统通过短信形式通知管理员，形成高效的预警发布机制。工作人员通过点击预警提示框可查询预警具体信息，包括闸门编号、保护电位数值、原因分析，并同步将处理情况上传至后台，为档案管理模块数据收集服务。

4.2.2 综合地图

系统的综合地图模块运用GIS和BIM技术对大闸整个工程实景建模，实现可视化监测功能。考虑到大闸闸门整体规模比较大，闸门数量较多，系统创建了三维漫游方式，用户可滑动鼠标查看每个闸门的监测数据。

系统采用绿、黄、红3种颜色进行闸门健康与否的区分。如闸门显示为绿色，则表示闸门保护电位正常，阴极保护有效；闸门显示为黄色，则表示保护电位出现异常，损耗不均匀，应结合参比电极测出的保护电流进行分析，适当调整牺牲阳极的大小或位置；闸门显示红色则表示阳极块需要更换，闸门存在被腐蚀的危险。在三维场景中，每个闸门都显示实时电极数据，方便直观查看。由于每个闸门的位置、更换难易程度等特征不同，系统将相应调整闸门颜色显示的参数。

4.2.3 过程分析

过程分析模块主要对每个闸门的保护电位按照时间线进行统计分析。系统主要包含两种分析图表：第一，按照历年情况进行纵向分析，查看闸门腐蚀程度的年度变化情况，为后面闸门阳极块更换或者维修等提取客观变化规律；第二，针对每个闸门的横向分析，找出闸门腐蚀和位置之间的关系，对易腐蚀和腐蚀风险低的闸门进行不同标准的监测，为工作人员提供监测重点。

4.2.4 视频监控

视频监控系统由监视前端（视频监控点）、传输网络、监控中心3部分组成。平台接入保护电位监测的视频监控点，视频监视系统以插件的形式集成，工作人员可在系统平台通过网页或者手机端实时掌握所有闸门以及智能采集器的运行情况。工作人员可以根据业务需求调整摄像头角度，实现对仪器更换、阳极块更换、闸门安全情况等进行实时有效的监督。另外，视频监控会按照设定的频率抓拍，并将照片上传至管理平台存档。

4.2.5 资料归档

资料归档模块对系统采集的相关信息予以归档整理，最终以图表的形式输出，使闸门管理、阳极块更换、隐患排除等有数据可查。具体包括监测数据、过程分析图表、监控图片、参数设置、维修情况、负责人员信息等。一方面改变了传统抄录的复杂工序，转换为智能无纸化办公；另一方面为阳极块更换以及之后的闸门腐蚀度预警系统优化提供数据。

4.2.6 腐蚀度预警系统APP

阴极保护中阳极块的消耗是一个较为缓慢的过程，需要予以关注的时间相对较少。针对这一特性，在构建闸门腐蚀度预警系统平台的同时，开发闸门腐蚀度预警系统移动APP（见图4）。闸门腐蚀度预警系统移动APP与Web端页面模块相同，并且与系统平台用户数据互通，根据用户注册信息，及时发送预警短信，使闸门腐蚀度预警系统轻量化、可移动。

图4 APP首页图

5 结 语

闸门腐蚀度预警系统是在阴极保护方法广泛应用的背景下，迎合当前水利工程防腐蚀监管智慧化升级的需求，通过无线传输将智能采集和预警系统平台相连接，实现阴极保护的远程实时监测与预警。闸门腐蚀度预警系统的应用可解决人工测量误差大、监测任务重、成本高等传统问题，实时准确掌握钢结构闸门的阴极保护状况，做到提前预警、及时维护，保障闸门本体的健康。

鉴于曹娥江大闸闸门已安装大量镁阳极和阴极保护电位智能测试桩，闸门腐蚀度监测系统将在曹娥江大闸投入试用，对其28个重要闸门进行腐蚀度监测。对于如何远程控制监测设备升级、精准识别闸门腐蚀度以及增强传输信号等问题将在实践中进一步研究和优化。