自主研制电位仪在水下构件电位测量的应用

柯吕雄，邹道标，李大全，刘　凯，汤海江，王全禄

(1．中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东湛江　524057；2．海洋石油工程股份有限公司，天津　300452)

0　引言

目前海洋平台水下部分结构广泛采用的腐蚀防护方法是防腐涂层和阴极保护的联合方法。在防腐系统保护下，海洋平台表面的保护状态可由一些参数来表征，主要包括保护电位、保护电流密度、阳极电流和阳极电压的测量。保护电位的大小直接关系到钢结构的保护效果的好坏，应该避免电位过正(欠保护)和电位过负(过保护)的情况。针对电位测量的特点，自主研制出一套适用于我国海洋平台水下检测的电位仪，并在涠洲11-4D平台水下检测中进行实海应用。

1　电位测量原理

在阴极保护工程中，施加阴极保护后的结构物表面电位(即保护电位)是判断阴极保护系统有效性及保护程度的一个极其重要的参数。从电化学角度，这种测量是通过参比电极实现的；从海洋工程角度，将这种参比电极加以适当处理可制成专用的测量探头。

1.1保护电位

当保护电位偏正，会出现析氢现象，达不到设计要求的保护效果。当保护电位偏负时，消耗的电量加大不经济，同时也会出现“过保护”问题。因此，保护电位应选取在一个适当的范围内。我国将海洋钢结构的保护电位定为-0．77～1．05 V(相对于饱和甘汞参比电极)。

1.2参比电极

参比电极是作为基准电位的电极。影响参比电极的主要因素包括温度、光线、电解质浓度和杂质玷污等。

不同的参比电极在测量保护电位时所需达到的最小保护电位是不同的，目前使用较多的是Ag/AgCl电极、饱和甘汞电极、高纯锌参比电极，饱和CuSO4等，其参比电极的部分参数如表1所示。

表1　几种常见参比电极及其相关参数

根据以上分析，在海水环境中，Ag/AgCl电极是比较理想的电极，并且可以应用到深海环境中，因此选用Ag/AgCl作为电位测量仪参比电极。

2　国内外电位仪研究现状

国内适合潜水员水下操作的电位仪产品较少，中国钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所曾介绍了一种枪式水下电位仪，并有专利，但现在没有相应的产品。上海交通大学海洋研究所针对跨海大桥防腐检测需要，研制了一款SDC-8100型水下电位测量仪，其测法是把参比电极浸到海水中需要进行电位测量的位置，在水面以上用万用表，电导仪等高输入阻抗的电表测量电位。

国外比较成熟的产品有英国Buckleys(UVRAL)Ltd．生产的BCM电位仪，深水公司生产的Polatrak CP Gun电位仪，均为便于水下操作的枪式结构，电位测量采用了输入阻抗较高的电压表头，无法实现数据存储和远程传输及处理功能。现国内海洋石油水下检测行业基本上都是使用BCM电位仪。

3　自主研制电位仪研制

针对我国海洋环境，自主研制一套具有自主知识产权的可在浑浊水下电位测量的电位仪，采用STM32单片机控制，高精度的A/D转换器实现电位测量，RS-485完成长距离通讯。通过电位仪手柄电缆接头与电缆连接，将测量数据传输至水面控制器，并由上位机控制程序实现电位的水上显示和记录，数据处理和打印工作。电位仪也可单独测量，测量前使用短接封堵头将手柄电缆接头短路，由电位仪内置电池供电进行水下检测，并由LED数码管显示测量数据。电位仪整体框图如图1所示。

图1　水下电位仪电路框图

电源送入电路主板后，经过电压转换模块变化为电路中需要的电压，送入各芯片。电路的主控制芯片为STM32单片机，ADC采用外接基准源来提高测量准确性。外接电位测试探头将模拟信号送入AD623放大器中，AD623将模拟信号缓冲后，送入主芯片内的ADC中进行数据转换，转换后得到的电压值将直接显示在数码管上。

为彻底解决浑水环境下电位测量难点，特开发一套集摄像、显示于一体的水下摄像系统，如图2所示。低照度摄像头获取的监视图像通过同轴电缆进行传输，经视频放大器放大信号，一路通过采集卡进行摄像部分，另外一路将AV信号转换为VGA信号输出，实现信号的同步VGA输出和摄像功能。

图2　电位仪和低照度水下摄像机集成框图

4　自主电位仪的应用

自主研制的电位仪在涠洲11-4D平台水下检测项目中进行了测试，使用自主研制的电位仪对平台杆件及阳极进行电位测量，为使测量结果具有可比性，潜水员同时携带进口BCM电位仪分别对同一点进行电位测量。

4．1电位仪校准

在使用电位仪前，为了保证测量数据的准确度，需对其进行校准。电位仪校准仪器包括1．999 V电子校准器、饱和甘汞电极和高纯锌块。

4.1.1电子校准器

用来检查电位仪的电子部分。当电子校准器连接到电位仪后，若电位仪内部的电子设备工作正常，校准器将产生一个直流1．999 V的精确电压。

4.1.2饱和甘汞电极

使用饱和甘汞电极检验整个系统的测量结果是否准确。

校准步骤：甘汞电极与电位仪探头处连接，使用短接封堵头将电位测量仪密封，将仪器放入海水中浸泡10～15 min，确保水位覆盖整个前部椎体。甘汞电极与内部Ag/AgCl之间产生的电压差稳定后，读取数据。

4.1.3高纯锌块

使用锌试块可以快速的检查水下电位计。由于不同地点海水的盐浓度的不同，以及由于海水温度的变化，读数之间误差10 mV是很可能出现的。作为一个参考，在25 ℃环境温度的3%的盐溶液中，测量的读数应为：

Zinc(Zn)=1.00-1.05 V

4.2测点选择

该次电位测量测点选择遵循选择最危险区域的原则，包括管节点，远离阳极块，保护层局部损坏的区域，以及消耗异常的阳极及附近结构。阳极和杆件分别选取11处测点进行电位测量，选择的测点能客观反映导管架的保护状况。

4．3杆件电位测量

在每个杆件测点处选取3、6、9、12点测量电位，分别同时使用巴氏电位仪和自主研制电位仪测量电位值，测量结果详见示意图。按照相关设计规范，平台杆件的正常保护电位应在-800～1 020 mV之间(所用参比电极为Ag/AgCl电极)。本次11处杆件电位测量，基本分布在-970～1 040 mV区间，杆件电位基本显示正常，部分杆件电位存在过保护现象。

图5　杆件电位分布示意图

由杆件电位分布可以看出，巴氏电位仪测量值与自主研发电位仪测量值差值基本分布在-2～7 mV以内，满足电位仪研制目标中电位仪误差不超过±5 mV的目标。

4．4导管架阳极电位测量

每个阳极选取中间和两边共3个点，分别同时使用巴氏电位仪和自主研发电位仪测量电位值，测量结果详见示意图。根据规范要求，阳极块上的电位值是-1 000～1 100 mV(Ag/AgCl电极)之间。本次11处阳极电位测量，基本分布在-1 000～1 100 mV区间，阳极电位显示正常。

由阳极电位分布可以看出，巴氏电位仪测量值与自主研发电位仪测量值差值基本分布在-5～4 mV以内，满足电位仪研制目标中电位仪误差不超过±5 mV的目标。

5　结束语

针对电位测量的特点，自主研制出我国首款成产品的适用于我国海洋平台水下检测的电位测量仪，产品自带LED数码显示，有缆模式加微光摄像头，可在浑水环境下进行电位测量。在涠洲11-4D平台水下检测中进行实海应用证实，自主研制的电位仪性能稳定，满足水下结构物电位测量的要求，达到国际同类产品水平。

图6　阳极电位分布示意图

参考文献：

[1]陈勇，杜颖，宋春娜．项目研发技术报告-检测指导性文件．天津：海油工程维修公司，2007．

[2]Q/HS 3009—2003．海上钢质平台阴极保护检测系统．

[3]潘东民，亓夫军．用于水下定量检测的智能化腐蚀电位测量仪研制．材料腐蚀与控制学术研讨会，2012．

[4]汪良生，陈永福．水下电位测量技术．中国海洋平台，1999，14(4)．

[5]侯保荣．海洋腐蚀环境理论及其应用．北京：科学出版社，1999．

[6]DNV．Technical Note of Fixed Offshore Installations，TNA 802．