1. 引言
油气管道常用管材为碳钢，其兼具较高强度与刚性，且成本低廉、易于加工，在工程中应用广泛。由于管道多埋设于地下，金属管壁与周边土壤、地下水等介质接触时，极易发生化学腐蚀或电化学腐蚀，进而引发石油或天然气泄漏事故[1] [2]。
实际工程中，通过阴极保护法抑制管道腐蚀是一种技术成熟、应用广泛的有效方案[3] [4]。阴极保护分为牺牲阳极式阴极保护和外加电流式阴极保护两类，长期的实践表明外加电流式阴极保护具备全生命周期成本优势，并且调节灵活、防护稳定性高[5]。
近年来，诸多学者致力于新型阴极保护装置的研发和阴极保护系统理论研究：西安石油大学崔震设计了基于STM32单片机的长输管道阴极保护装置，能够采集输出电压、输出电流、长输管道的参比电位等数据，并以L245NS管道试件作为保护对象进行验证性实验，为实验室阴极保护实验的搭建与实施提供了典范[6]。刘孟哲在其基础上增加了DTU数据传输模块，并设计实验证明相比开环控制，使用闭环控制算法PID可以使阴极保护装置在环境PH变化时具备更好的保护力度[7]。
此外，在理论研究方面，有研究表明管线钢最大的安全隐患就是有着较大的氢脆敏感性，当阴极极化达到一定负电位时，开始发生析氢反应，氢原子扩散进入管线钢内部，管线钢在外力作用下形成裂纹，是导致金属发生氢脆或氢致开裂的主要原因[8]-[10]。中国石油大学王亚楠致力于最佳保护电位的研究，通过实验给出了季节性冻土地区X80钢的最佳保护电位分布图[11]。读图可知在相同含水率下，−5℃与25℃时的最佳保护电位相差约210 mV，且低于0℃时最佳保护电位已经在−810 mVcse到−740 mVcse之间(Vcse表示相比饱和硫酸铜的电位)。此时传统的保护电位准则(−850 mVcse)已经不再适用，并且可能导致被保护管道发生氢脆。
综上，可知阴极保护的最佳电位并非固定值，而是随着埋地区土壤电气特性的变化而变化，并且考虑到析氢现象，保护电位应尽量设置为保护区间中的较小值。现役阴极保护装置并未考虑这一影响，因此本文提出动态电位的阴极保护方案。
2. 阴极保护装置总体设计
如图1所示，阴极保护装置作为埋地管道腐蚀防护的核心单元，通过多组件协同与数据交互，构建起“感知–控制–传输”一体化的智能防护体系。装置采用动态电位的阴极保护方案，通过复合传感器实现对土壤电阻率和温度数据的实时采集，系统依据相关标准与采集到的土壤参数动态调整保护电位，从而有效应对不同土壤状况对阴极保护效果的影响。
其中参比电极是测量管道电位的基点，实际工程中一般采用饱和硫酸铜参比电极；辅助阳极接入装置的输出正极，用于向管道提供保护电流，使管道表面形成阴极以抑制腐蚀；复合传感器探头埋设于管道附近，测量土壤温度、电阻率等影响电气特性的参数；装置通过测试桩与埋地管道接线，并提供现场测试点。
Figure 1. System architecture diagram of cathodic protection device
图1. 阴极保护装置系统架构图
3. 硬件系统设计
3.1. 主功率输出电路设计
主功率电路负责为管道提供持续、可控的电压电流，整体采用AC-DC降压 + 同步BUCK拓扑的两级架构，具体方案如下。
电路前级采用工业级AC-DC模块，将交流电转换为36 V直流电，具有宽输入电压与高转换效率，可适应电网波动，同时通过隔离设计保障后级电路安全，为同步BUCK拓扑提供稳定的直流母线电压。电路后级采用同步BUCK拓扑结构，如图2所示：电路选用低导通电阻的N沟道MOS管作为开关元件，其驱动电路采用专用IC，通过提高栅极电压(典型值12 V)的方式增强MOS管导通能力，有效减小MOS管开关损耗，同时搭配阻尼电阻、放电二极管等外围元件优化MOS管驱动波形，抑制电压尖峰与振荡。为保护后级电路安全，在BUCK输出端串联保险丝，当电路出现短路、过载等异常导致电流超过阈值时保险丝快速熔断切断供电回路。
Figure 2. Main power output circuit diagram
图2. 主功率输出电路图
3.2. 信号调理电路设计
信号调理电路负责主功率电路输入电压、输出电压、输出电流、管道电位的采样，是控制系统进行闭环控制的依据。
BUCK电路输入输出电压采样电路如图3所示。采用差分运放电路构成衰减器，把输出电压衰减到ADC量程内。运放选用单电源供电、轨对轨输入输出、低输入失调电压的精密运放，影响放大倍率的电阻选用0.1%精度、25 ppm的精密电阻，提高采样精度。ADC采用单片机内部12位逐次逼近型模数转换器，在输入范围为0~3.3 V时的分辨率为0.8 mV。
Figure 3. Voltage sampling circuit diagram
图3. 电压采样电路图
输出电流采样电路如图4所示。使用国产的霍尔效应电流传感器进行非接触式采样，实现与主功率电路的电气隔离。霍尔效应电流传感器的原理是当采样电流流经芯片时，其产生的磁场会在霍尔电路上感应出相应的电信号，该传感器的输出线性范围为0.33 V ~ 2.97 V，输出线性度可达0.4%。
管道电位采样电路如图5所示。管道电位作为闭环控制的反馈量，其采样结果的准确性直接影响闭环控制的效果，本方案采用仪表放大器进行差分采样：仪表放大器在差分运放的基础上增加了输入缓冲级，改善差分运放的输入阻抗低这一缺陷，能够最大程度减少信号衰减。仪表放大器的同相输入端接管道，反相输入端接参比电极，增益为1。由于管道电位有正有负(相对参比电极)，因此仪表放大器采用双电源供电。此外，再叠加2.5 V电压，把输出信号调理至ADC量程内。
Figure 4. Current sampling circuit diagram
图4. 电流采样电路图
Figure 5. Pipeline potential sampling circuit diagram
图5. 管道电位采样电路图
4. 软件系统设计
软件设计采用RTOS实时操作系统，将功能模块划分为多个线程并行，优点是一方面可解耦不同的功能模块，实现任务的高效调度与管理，另一方面是系统实时性强。此处着重介绍系统输出程序设计和管道电位动态调整程序设计。
4.1. 系统输出程序设计
系统输出程序是整个阴极保护控制系统实现精准调控的核心执行模块，其功能是根据AD采样结果动态调整保护电位，控制算法再依据该保护电位计算输出结果，并对功率电路进行实时调控，确保管道处于有效阴极保护状态。
系统输出程序流程如图6所示。首先创建周期性任务，该任务的周期是1 ms。当定时周期到达时，系统对ADC进行滤波，解析后得到土壤温度和电阻率，依据此时的测量值调整管道保护电位，继而进行PID计算，PID算法通过管道电位测量值与设定值的偏差进行比例、积分、微分运算，得到用于调节BUCK电路输出的控制量。
4.2. 管道电位动态调整程序设计
GB/T 21448-2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》中对金属材料在土壤、水中的最小电位的规定如表1所示，并明确指出在管道寿命周期内，应考虑管道周围介质电阻率变化对阴极保护电位的影响[12]。
Figure 6. System output program flow chart
图6. 系统输出程序流程图
Table 1. Reference table for minimum protection potential of carbon steel in soil and water
表1. 碳钢在土壤和水中的最小保护电位参考表
金属或合金 |
环境条件 |
自然电位参考值V |
最小保护电位V |
碳钢、低合金钢和铸铁 |
一般土壤和水环境 |
−0.65~−0.4 |
−0.85 |
40℃ < T < 60℃的土壤和水环境 |
- |
取两端点电位线性插值 |
T > 60℃的土壤和水环境 |
−0.8~−0.5 |
−0.95 |
T < 40℃，100 < ρ < 1000Ω·m |
−0.5~−0.3 |
−0.75 |
T < 40℃，ρ > 1000 Ω·m |
−0.4~−0.2 |
−0.65 |
含硫酸盐还原菌的缺氧环境 |
−0.8~−0.65 |
−0.95 |
依据该表对管道电位进行动态调整，程序流程如图7所示。其中T表示温度，ρ表示电阻率，Ep表示保护电位设定值。当T > 60℃时，设定Ep为−0.95V；当T < 40℃并且100 < ρ < 1000时，设定Ep为−0.75V；当T < 40℃并且ρ > 1000时，设定Ep为−0.65V；当40℃ < T < 60℃时，以40℃时的Ep和60℃时的Ep为两端点进行线性插值。如果均不满足上述条件，则设定为默认值−0.85 V。
注意：(1) 上表所有电位值均以饱和硫酸铜参比电极为参考基准。
(2) 由于目前对硫酸盐还原菌和土壤含氧量的检测尚无成熟的在线测量方法，因此本研究暂不将这两项参数纳入复合传感器的检测范畴。
Figure 7. Pipeline potential adjustment program flow chart
图7. 管道电位调整程序流程图
5. 实验与功能验证
5.1. 实验平台搭建
如图8所示，实验平台由20#无缝钢管、便携式饱和硫酸铜参比电极、石墨阳极、土壤溶液(NS4)组成。其中实验用钢管选用含碳量为0.2%的20#无缝钢管，初始重量均为300g，参比电极选用饱和硫酸铜参比电极(相比标准氢电极电位为316 mV)，辅助阳极选用导电性好且不易腐蚀的石墨，土壤溶液参照美国国际腐蚀工程师协会的规定进行配置。
5.2. 实验描述
本研究共设置三组对照实验，具体如下：
第1组为空白对照组，不对管道施加任何阴极保护措施；
第2组采用传统恒电位仪方案，对管道实施阴极保护；
第3组采用本文提出的动态电位阴极保护方案，对管道进行保护。
实验中，初始土壤溶液的调配比例保持完全一致；在实验过程中，持续同步调整土壤溶液的配比，以此模拟土壤电气特性动态变化的场景。实验总时长为36小时，每间隔4小时记录一次管道的实际电位。
实验结束后，取出三组实验所用的钢管，去除表面腐蚀物，经干燥处理后称重，通过钢管腐蚀前后的重量损失差异判断不同阴极保护方案的防护效果。
Figure 8. Overview diagram of experimental apparatus
图8. 实验用具概览图
5.3. 实验结果
如表2所示，通过分析管道电位监测数据可知，使用传统恒电位仪方案时，无论土壤温度和电阻率发生何种变化，管道电位始终维持在−0.85 Vcse附近，缺乏对环境的适应性调节能力。使用本文所提出的动态电位的阴极保护方案时，当土壤温度和电阻率变化时，系统会对管道电位进行动态调节，既能避免因管道电位过低(过度负偏)引发的氢脆风险，又能防止因电位过高(偏正)导致阴极保护效果不足的问题。
Table 2. Pipeline potential record table
表2. 管道电位记录表
实验时间(h) |
第2组(传统恒电位仪方案) 管道电位(Vcse) |
第3组(动态电位方案) 管道电位(Vcse) |
0 |
−0.85 |
−0.75 |
4 |
−0.85 |
−0.76 |
8 |
−0.86 |
−0.70 |
12 |
−0.84 |
−0.65 |
16 |
−0.86 |
−0.65 |
20 |
−0.88 |
−0.85 |
24 |
−0.85 |
−0.90 |
28 |
−0.87 |
−0.91 |
32 |
−0.85 |
−0.95 |
36 |
−0.85 |
−0.90 |
实验结束后对管道进行称重检测，第1组(无保护)管道重量为295.7 g，第2组(传统恒电位仪方案)管道重量为298.3 g，第3组(本文所提动态电位方案)管道重量为299.7 g。结合电位监测与重量数据可得出结论：本文设计的动态电位阴极保护方案能通过自适应调节管道电位，有效抑制管道腐蚀，其对管道的保护效果优于无保护状态和传统恒电位仪方案。
6. 总结
针对传统恒电位仪对管道埋地区环境适应性差、易因电位调节僵化导致管道欠保护或过保护这一问题，本文以提升阴极保护装置的适应性、安全性、稳定性为目标，通过硬件设计、软件设计与实验验证，完成了动态电位阴极保护装置的研发与性能验证，核心研究成果总结如下。
其一，构建了适配动态调控需求的软硬件系统。硬件层面，主功率部分以BUCK拓扑为核心，通过控制功率管的通断实现装置的可调输出。信号调理部分通过运放构建衰减器检测输入输出电压、霍尔效应电流传感器采样输出电流，仪表放大器采样管道电位，同时通过信号幅值调理，将各类检测信号统一调节到ADC的有效采样范围，确保反馈数据的准确性。软件层面，构建“参数采集–算法计算–输出控制”的闭环调控：通过对土壤参数的采集动态调整管道保护电位，并依托PID控制算法进行闭环控制，再通过定时器输出比较单元生成带死区控制的互补PWM信号调整开关管的导通占空比控制BUCK电路的输出，最终维持管道电位在有效的阴极保护范围。
其二，通过对照实验验证本文所提动态电位阴极保护方案对管道的保护效果优于传统方案与无保护状态，也比现有文献中同类装置更能适应土壤参数的波动，可为油田、化工等领域埋地管道防腐提供实用技术参考，对延长管道服役寿命、降低维护成本具有实际意义。
NOTES
*通讯作者。