阴极保护系统信号传输问题探讨

宁海春，蒋光迹，郭惠丽，黄元和，闫红霞

(中国石油化工股份有限公司中原油田普光分公司，四川达州636150)

天然气管道外防腐蚀必须采取阴极保护技术［1-2］，普光气田阴极保护系统是腐蚀防护的重要组成部分，它与管道外3PE涂层相辅相成，最大限度地减缓了电解质对管线的腐蚀作用［3］。

阴极保护测试桩是防止埋地钢管腐蚀的重要设备［4-7］，它主要用于阴极保护电位的测试及远传，通过测试桩可以周期性测取管道阴极保护的各项参数，及时发现和判断腐蚀风险，掌握阴极保护系统的运行情况，保证管道安全运行。

根据设计要求，普光气田阀室阴极保护系统保护电位应该先传输到阀室远程终端控制系统(RTU)，再传至中控室阴极保护智能监测服务器。但目前大部分阴极保护测试桩的信号无法准确传输到中控室。分析后发现，从阀室RTU到中控室的传输信号大部分正确，而阴极保护测试桩的参比电极到阀室RTU之间信号传输问题严重。

1 阴极保护系统信号传输问题

阴极保护站设置输出信号及管道沿线保护电位，接入阀室RTU，再上传至中控室阴极保护智能监测系统服务器，进行数据处理、分析、报警。阴极保护测试桩内部为集成电路板，主要分为接线模块、电源模块、CU1模块、传感器模块及安控模块，接线模块用于电源线、信号线、参比电极线等电路的接入或连接，电源模块用于测试桩用电的传输，传感器模块的作用是将电位转变为4～20 mA的电流信号(见图1)。

图1 阴极保护测试桩内部结构Fig.1 Internal structure of cathodic protection test piles

选择7个阴极保护测试桩进行测试，参比输入和阀室RTU显示值的数据见表1。

由表中数据可知，参比输入测试值与RTU显示值存在一定差值，说明信号传输出现了问题。

2 信号传输问题分析

阴极保护测试桩内部电子模块信号传输过程为:24 V电源输入到A和B，A和B分别为CU1和直流电压传感器提供15 V和24 V直流电源。参比输入信号(电压信号)进入CU1，通过CU1给直流电压传感器提供电压信号，直流电压传感器输出4～20 mA电流信号到阀室RTU，RTU显示电压信号，此显示值应与参比输入信号实际值一致(见图2)。

表1 参比输入值与RTU显示值对比Table 1 Contrast between reference electrode input value and RTU value V

图2 阴极保护测试桩信号传输过程Fig.2 Signal transmission process of cathodic protection test piles

现场测试表明，从阴极保护测试桩输出端到RTU之间的传输正常，问题集中在阴极保护测试桩本身。表2～4为现场随机抽取几个测试桩进行测试的结果。

表2 阴极保护测试数据Table 2 Cathodic protection test data V

由表2可知，当10号测试桩检测时，直流电压传感器输出电流是8.7 mA，折合成电压为1.175 V，证明直流电压传感器有问题，但RTU到中控室传输没有问题。11号测试桩应该是RTU卡件有问题。12号测试桩阀室电源模块有问题。同时说明8号和9号测试桩基本正常。

对11号测试桩进行进一步的实验(信号源提供参比输入电压)，数据见表3。

表3 11号测试桩阴极保护测试数据Table 3 Cathodic protection test data of 11#cathodic protection test pile V

由表3的数据可以得出，电压传感器输出有问题。

对1号测试桩进行了进一步实验(信号源提供参比输入电压)，数据见表4。

表4 8号测试桩阴极保护测试数据Table 4 Cathodic protection test data of 8#cathodic protection test pile V

表4的实验数据展示了8号阴极保护测试桩各器件的正常电器特性。

分析以上数据，说明信号传输问题主要集中在测试桩上。测试桩内部进行信号转换时，由于元件的问题，使测试桩最后输出信号与输入信号不对应，导致将错误信号传到RTU和中控室，当然，也存在由于RTU机柜卡件问题导致中控室信号错误的情况(比如11号测试桩)。通过现场查看，测试桩电路焊接质量差，尤其是电源模块和CU1部分，线路凌乱，严重影响了阴极保护系统信号传输问题。

3 分析及解决方法

3.1 将测试器件安装在室外测试箱中

3.1.1 将各测试器件组合成一个功能块

选取质量好的电器元件，组装在一块印刷线路板上(见图3)，改造成便于检查和更换的电路板，使线路清晰简洁，同时保证电器特性，使信号在各功能块之间准确转换，最后输出为正确的信号。印刷线路板只测量输入和输出，就能断定电路板是否正常(线路板上应设置测试点)，便于查找问题。

图3 功能块设计图Fig.3 Design diagram of function block

根据以上改造，可以有效解决信号传输问题，并且传输一旦出现问题，也可以方便查找问题并整改。

3.1.2 用防爆胶泥封堵测试桩出口

在现场检查过程中，发现接线箱内部有锈蚀，导线上有霉变产生，测试桩接线箱下部需要封堵(图4)，以免潮气进入接线箱对电器元件造成不利影响。

图4 测试桩需要封堵的部位Fig.4 Part of test pile needed to be blocked

3.1.3 接线箱内放入干燥剂

为了保证接线箱内干燥，建议在接线箱内部放置少量干燥剂。

3.1.4 将接线箱的门严密关闭

为了防潮，现场接线箱的门需要严密关闭，可以采取增加橡胶密封圈的方法。但实际应用中，部分阴极保护测试桩的门不能准确合拢、关闭不严，以致潮气从缝隙处进入接线箱。

3.2 将测试器件安装在阀室的机柜内

如果将参比输入信号直接引入机柜间，可以达到信号不会衰减的效果，且最好把测试器件做成卡件置于机柜间。既能有效保护电器元件免于环境影响，又能确保工作的稳定性，延长使用寿命。

通过对比分析各种方法，试验研究表明，将各测试器件组合成功能块，最后再将功能块安装于阀室的机柜间。一方面能够方便地查找出测试元件的故障，故障时换上新的备件即可解决问题，另一方面能够防止测试元件受潮，有效地解决了阴极保护系统信号问题。

4 小结

普光气田阀室阴极保护系统保护电位应准确传到阀室RTU系统，再传至中控室阴极保护智能监测服务器，但目前大部分阴极保护测试桩的信号无法准确传输到中控室，主要原因为元件受潮，影响测量和传输。通过将各个测试器件组合成功能块，再将功能块安装于阀室的机柜间，有效地保证了数据传输的准确性。

［1］ 王文.管道阴极保护技术的进展［J］.石油工程建设，2002，28(1):23-25.

［2］ 胡士信.管道阴极保护技术现状与展望［J］.腐蚀与防护，2004，25(3):93-101.

［3］ 冉箭声，宁海春，鲁胜伟，等.山区管道应用阴极保护技术常见问题及解决措施［J］.石油化工腐蚀与防护，2012，29(4):31-33.

［4］ 刘晶妹，李强.浅析管道阴极保护及其应用［J］.腐蚀与防护，2005，12(2):168-173.

［5］ 金海峰.阴极保护技术在石油化工设施中的设计与应用［J］. 油气田地面工程，2009(9):37-40.

［6］ 丛军.阴极保护测试桩的发展与改进［J］.上海煤气，2012(2):18-19，25.

［7］ 丁佐暖.长输管道阴极保护参数自动采集系统的应用［J］.宁夏石油化工，2005(2):16-18.