长输油气管道阴极保护无线监控系统研制

【摘 要】油气资源的开发以及能源市场的激增，使得管道运输在世界范围内得到迅速的发展。腐蚀是威胁长输管线安全运行的重要因素之一，埋地管道阴极保护电位的实时监测，对于保障管道安全具有重要意义。本文针对管道现场对功耗的要求，分析并设计了基于MSP430和GPRS无线模块的超低功耗无线数据监控系统，系统具有超低功耗、低成本、远距离、高可靠性和易维护性等特点。

【关键词】管道；阴极保护；GPRS；MSP430；低功耗

一、引言

在石油天然气工业中，管道运输是最佳选择。而管道的腐蚀直接影响管道的使用寿命，降低管道的输送能力，因而腐蚀是引起管道系统可靠性和使用寿命的关键因素，实际上管道因腐蚀而造成破坏的价值和影响，比其本身价值还要大的多[1]。

我国的年腐蚀约为 5000 亿元，这其中很大一部分就是管道的腐蚀。作为油气勘探开发和储运的油气管道，其失效形式主要表现为腐蚀失效。尽管腐蚀很难完全避免，但可以控制[2]。目前阴极保护技术已经广泛应用到长输油气管道防腐中来，国内如西气东输管道、西部管道、兰郑长管道都采取了阴极保护技术[3]。但是目前多数管线的阴极保护电位的采集监测工作都是由人工来完成，需要大量人力物力。基于无线通讯网络的远程阴极保护电位监测技术就表现出较大的优势。远程阴极保护监测系统将传统的阴极保护监测技术与无线通信技术结合起来，组成一个分布式数据采集与信息处理系统，可广泛应用于长输油气管道的现场阴保电位监测、数据积累工作以及实验室的基础研究等[4]。

二、系统整体规划和结构设计

仪器设计首先测量恒电位仪的输出电压和输出电流值确保阴极保护系统正常工作，再通过断电测量法测量管道开路（仪器连接管道）电压和断电（仪器与管道断开）电压以及直流和交流电流的方式对管道进行阴极保护监测。

对于恒电位仪的输出电压和输出电流的监测，恒电位仪的输出端接霍尔电压和电流传感器，仪器通过测量霍尔传感器的输出来测量恒电位仪的输出电压以及输出电流。

在阴极保护系统中，对于杂散电流频率的估计也是很重要的一部分，本文设计的仪器将数据采样并传至上位机，上位机对数据进行处理，得到其频率值。上位机采用 M-Rife 算法，这是在传统 Rife 算法的基础上进行修正得到的一种更高精度的频率估计算法。

超低功耗阴极保护监控系统将由低功耗数据采集模块和监控中心组成。数据采集模块主要负责阴极保护电位的自动采集和数据的传输，数据经GPRS传输到监控中心的服务器接收端，存入数据库，用于实时数据显示，数据回调，电位分析，以及域值告警等，系统整体功能图如图1所示。

正常情况下，管道阴极保护电位应维持在工程设计时的电位值，当管道发生严重腐蚀，防腐层脱落，导致电位异常，只要实时检测管道电位的电位值，就知道管道的某个位置发生了异常，从而起到了对长输管线的安全预警。

三、阴极保护数据采集无线传输系统的软件和硬件设计

1.阴极保护数据采集无线传输硬件设计

数据采集系统采用MSP430F5438为核心，具有信号采集、信号调理，电源控制、GPRS模块控制等功能，硬件结构如图2所示。

2.阴极保护系统软件设计

阴极保护系统软件设计包括单片机程序的设计以及监控中心客户端软件的设计。主要是完成数据的定时采集和紧急情况下的实时采集，最后汇总到数据中心，供管理人员决策。系统启动后首先会初始化一些必要的设备及 IO 口。首先系统会关闭看门狗，初始化MCU 的时钟，RTC 时钟，然后初始化系统中使用到的 IO 口及 ADC。基本初始化完毕后系统会运行 ADC 采集程序，实施断电测量法，采集模拟通道的传感器数值，然后对采集到的数据进行数字处理。当数据采集工作完成后，系统会启动 GPRS 模块将采集到的数据发送到指定 IP 地址的中心服务器。系统可以根据用户的要求设置采集时间和发送数据的间隔，当管道出现异常时，可以实时发送采集到的数据。

四、结论

系统主要采用超低功耗MSP430F5438单片机为核心，实现阴极保护桩的电位值测量和远程无线传输，实现了数据实时监测。同时对电源模块进行控制，在不发送数据的时候进入休眠状态，因此系统功耗极低可常年不用更换电池。本系统能方便地实现对安装在偏远地区的监控终端设备进行监控，监测长输管网的运营安全，在突发事件发生时系统可实时监测现场状况，以便及时处理突发事件；在正常运营范围内，监控系统可以定时上报现场状况，以便记录分析阴极保护测试桩的正常事件，具有很好的应用前景。

参考文献：

[1] 祝馨.长输管道的腐蚀与防护[J].石油化工腐蚀与防护，2006，23.

[2] 寇杰，梁法春，陈婧.油气管道腐蚀与防护[M].北京：中国石化出版社，2008.

[3] 胡士信.管道阴极保护技术现状与展望[J].腐蚀与防护，2004，25.

[4] 王芷芳，朱安纲.埋地钢质管道阴极保护电位测量中的IR降及其修正[J].腐蚀与防护，2003，24（3）：110～113.