同步中断条件下恒电位仪运行状况对通/断电位测量准确性的影响

吴桐宇

（中航油石化管道有限公司，北京 101318）

0 引言

油气埋地钢制管道腐蚀防护的核心工作包括持续识别和评估各种影响管道阴极保护有效性的风险因素，不断采取行动将管体腐蚀控制在可接受范围之内，以确保生产安全。GB/T 21448《埋地钢制管道阴极保护技术规范》中提及在一般土壤和水环境下管道的最小保护电位（即管/地界面极化电位）应为-850mVCSE[1]，即应根据极化电位的水平评价管道阴极保护效果。

获取极化电位的方法包括试片断电法和通/断电位法，由于管道长距离穿越各类地质、地貌环境，管道交叉并行，施工建设期隐患问题，外界环境干扰问题，管道自身及外界环境的复杂性导致阴极保护运行可靠性降低，有效开展阴极保护的维护管理需要综合多种方法，通/断电位法在其中发挥着不可替代的作用。基于测试桩位置开展的同步通/断电位测试，可以确定阴极保护站的保护半径、管道电连续状态、辅助阳极地床阳极场的影响范围、管道存在直流干扰的区间、阴极保护不达标的区间。即使管线受地铁干扰，密间隔电位数据通过固定的静态数据记录仪做校正处理后依然可以分析出管线阴极保护不达标的区间[2,3]，尤其是在两个测试桩之间的管线。

但是，要准确获取通/断电位数据，其中的关键步骤需要保证恒电位仪安装同步中断器后能持续稳定的工作，密间隔电位测试作为同步通断法的典型应用[4]，大约在2000年前后从国外引进至中国，近20年的应用，行业逐步认识到，国内在恒电位仪上安装同步中断器与国外在整流器上安装同步中断器，其电源工作的稳定性存在本质差别。在国内使用的阴极保护电源中，恒电位仪用量超过90%，这种现象正好与国外相反，例如美国、英国、德国、独联体等国家，在选择阴极保护电源设备时，原则上只考虑以可靠性高、稳定性好、故障率低、结实耐用等性能特征的整流器[5]。整流器的优势在于实施同步中断前后输出电压保持恒定不变，其稳定的工作状态更适合开展通/断电位测试，而恒电位仪在中断时存在不能快速恢复输出、故障报警、自动关机等问题[6,7]， 严重影响通/断电位测量数据的准确性。

2020年更新的GB/T 21246《埋地钢制管道阴极保护参数测量方法》与2007年版本相比，细化了断电电位的测量方法，增加了密间隔电位测试中电流同步性的验证要求[8]，但没有针对国内应用较多型号的恒电位仪给出推荐的中断周期参数，当恒电位仪安装同步中断器后其工作不稳定时，没有给出解决方案，也没有说明适应通/断电位测试要求的恒电位仪和检测设备应满足的性能指标。因此，开展同步通断条件下恒电位仪运行状况对通/断电电位测量准确性的影响，对于有效开展管道通/断电位测量，评估长输管道强制电流阴极保护系统工作的有效性具有重要的指导意义。

1 研究方法

在西部、西南、华北、华东、华南等地区，选取国内具有代表性的长输油气管道强制电流阴极保护系统，兼顾管道投产年份、敷设环境、直径、防腐层类型及市场占有率较高的可控硅式和高频开关式恒电位仪，累计涉及10种型号总计72台恒电位仪，管线跨度3000公里。

在管道沿线多台恒电位仪上加装GPS中断器，同步控制恒电位仪阴极保护电流的通断[9]，在恒电位仪的输出端子和每个强制电流阴极保护站特征点位置，采用Hexcorrder Pro可视化GPS同步高频数据记录仪[10]，基于恒电位仪恒电位、恒电压、恒电流和手动工作模式下测试不同中断周期和不同断电时间恒电位仪输出电压和特征点电位的波形曲线，选择合理的中断周期，计算读取通/断电位的延迟时间[11-12]，同步监测恒电位仪的工作状态，开展恒电位仪中断有效性测试。基于测试数据，分析同步中断条件下恒电位仪对通/断电位测试准确性的影响：（1）选取72台恒电位仪，结合各类阴极保护电源的工作原理，分析国内不同类型（可控硅式和高频开关式）、不同型号恒电位仪及国外应用较多的整流器在同步中断后工作的稳定性；（2）分析不同的工况下恒电位仪的响应时效，即不同工作模式（恒电位、恒电压、恒电流和手动工作模式）、中断周期和输出参数条件，同时兼顾不同管径，确定中断周期和采集通/断电位延迟时间的选取原则，当恒电位仪在强制中断条件下不能有效工作时给出解决方案。

2 结果与讨论

表1为选取的72台恒电位仪的型号与管线分布，由表可见，72台恒电位仪涉及两个厂家的10种型号，诸多型号按照大类分为可控硅式恒电位仪和高频开关式恒电位仪。其中PC-1A-1，PC-1B，PS-3E，PS-3F为可控硅式恒电位仪，HDV-4D/5B，HDV-4D-5，HDV-4D-9，HPS-1D，HPS-2，IHF为高频开关式恒电位仪。

表1 不同型号恒电位仪分布

表2为不同类型阴极保护电源工作原理和各种工作模式说明，由表可见，恒电位仪与整流器的工作原理差异为：整流器需要用手动调节变压器的抽头来改变输出；恒电位仪具有自测电路，可连续监测管地电位，并自动调节其输出电流。

表2 不同类型阴极保护电源工作原理[13-18]

恒电位仪与整流器的工作模式差异为：整流器的输出需要手动调整；可控硅式与高频开关式恒电位仪其恒电位或恒电流工作模式其调节输出的方式大体相似，都需要采样信号与预置信号比较后自动调整输出，其手动或恒电压工作模式则需要通过现场测量管地电位的数值，确定恒电位仪输出电压的大小。

阴极保护电源的工作原理和不同的工作模式导致了同步中断时其调整输出响应时效的不同，其结果直接影响了同步通/断电位测量时中断周期和延迟时间的选择。

2.1 同步中断下不同类型阴极保护电源对通/断电位测量准确性影响

经现场测试，图2为同步中断前述不同类型阴极保护电源形成的波形曲线，由图可见，中断不同类型阴极保护电源时形成的输出电压曲线分为六种形态：

（1）断电周期内，恒电位仪输出电压持续上升至超出额定值，恢复通电，恒电位仪短时间（≤3s）无法启动，无输出电压，测量通/断电位数值一样，计算IR降为0，代表设备为PC-1A-1，如图2（a）所示；

（2）断电周期内，恒电位仪输出电压持续上升至超出额定值，恢复通电，输出电压缓慢降至原始输出值，当读取通电电位的延迟时间过短，其数值偏负，计算IR降变大，代表设备为HPS-2、PC-1B、HPS-1D、PS-3E，如图2（b）所示；

（3）断电周期内，恒电位仪输出电压瞬间上升，未超额定值，随后启动输出保护，其输出电压自峰值缓降，恢复通电，恒电位仪短时间（≤3s）无法启动，无输出电压，测量通/断电位数值一样，计算IR降为0，代表设备为HDV-4D-5、HDV-4D-5B，如图2（c）所示；

（4）断电周期内，恒电位仪输出电压持续上升至额定值后，保持额定输出状态一直到结束断电运行，恢复通电，恒电位仪启动缓慢（≥3s），当读取通电电位的延迟时间过短，测量通/断电位数值一样，计算IR降为0, 代表设备为IHF，如图2（d）所示；

表2（续）

（5）恒电位仪在手动或恒压工作模式下，断电周期内，恒电位仪输出电压呈圆弧状上升，恢复通电，输出电压快速恢复至原始输出值，测试通/断电位和实际值一致，代表设备为PS-3E、IHF，如图2（e）所示；

（6）中断整流器输出，中断和导通状态下，整流器输出电压恒定，测试通/断电位和实际值一致，如图2（f）所示。

可见，恒电位仪在实施同步中断时，只有呈现为（2）、（5）和（6）的工作曲线，才能有效开展通断通/断电位检测，这就限定了阴极保护电源的选型：PC-1A-1、HDV-4D-5、HDV-4D-5B等型号的恒电位仪并不适合开展同步中断测试；恒电位仪需要带有恒电压的工作模式，在开展通/断电位测量时将其改至恒电压运行，图2（e）所示；当现有恒电位仪不能有效实施同步中断时，可以用便携式电源（如整流器）替换故障工作恒电位仪，模拟原始输出参数，开展通/断电位测试，图2（f）所示。

图2 同步中断不同类型阴极保护电源形成的波形曲线

2.2 不同的工况条件下同步中断恒电位仪其运行状况对通/断电位测量准确性影响

2.2.1 不同工作模式下恒电位仪响应时效分析

相同的中断周期下（断电1s，通电3s），测试不同型号恒电位仪在恒电位模式、恒电流模式、恒压（手动）模式及外部安装模拟负载模式的输出电压波形，并比较分析恒电位仪在自带通断模式下（断电3s，通电12s）的输出电压波形，图3为不同型号恒电位仪在不同工作模式和输出参数下实施同步中断形成的波形曲线，结果表明：

（1）由图3（a）、图3（c）可见，断电周期内，恒电位仪输出电压上升速度的排序为：恒电流模式＞恒电位模式＞恒压（手动）模式，恢复通电，恒电位仪输出电压恢复输出的速度的排序为：恒压（手动）模式＞恒电位模式＞恒电流模式，可以看出，恒压（手动）模式最有利于实施中断；

（2）当恒电位仪功能上不具备恒电压（手动）工作模式，仅比较恒电位、恒电流工作模式下恒电位中断时的响应时效问题：图3（a）所示，断电周期内，恒电位模式相比恒电流模式，恒电位仪输出电压限值更小，恒电流工作模式为55V，恒电位工作模式为45V，虽然恒电位仪在恒电位模式和恒电流模式都达到输出极限，但恒电位工作模式下恒电位仪通电后启动需要更长的时间，此时优先选择恒电流工作模式实施中断。另比较图3（a）、4（b）、4（d）3台恒电位仪的原始输出电压，分别为11.5V、7.3V和0.7V，原始输出电压越大，中断后，输出电压上升至极限值持续的时间更短，此时优先选择断电时不会致电压升达到极限值的工作模式来开展中断测试，即参考图3（b）、图3（d）的工况选择恒电位工作模式。可见，恒电位仪的原始输出电压越大，恒电位仪瞬间断电发生输出电压超限的可能性就越大，此时，实施中断测试选择恒电位仪的工作模式时需要综合和考虑恒电位的原始输出参数；

图3 恒电位仪在不同工作模式下实施同步中断形成的波形曲线

（3）图3（e）为恒电位实施中断不能有效工作时，在外部加装模拟负载[19]的测试曲线。由图可见，外部加装模拟负载后，反馈电位的信号和回路电阻同步切换至外部模拟负载上，断电周期内恒电位仪输出电压正常，恢复通电，外部负载断开，恒电位仪可以快速的恢复至原始输出；

（4）图3（f）为恒电位仪在自带通断模式（断电3s，通电12s）测试输出电压的波形，可见，自带通断模式下恒电位仪输出电压的波形与外部安装中断器时形成的波形形态一致，但由于其断电时间为3s，更长的断电时间导致恒电位仪恢复通电后不容易启动，恢复正常输出的时间大于12s，这种状态下，则不能用恒电位仪自带通断模式开展通/断电位测试。

综上，为恒电位仪选择最优的工作模式实施中断，有助于通/断电位测试的顺利开展。具体选择方法为：临时将恒电位仪转至恒压工作模式，模拟原始输出电流参数，开展通/断电位测试；当恒电位仪不具备恒电压功能需采用恒电位或恒电流工作模式进行中断时，应采用较短的断时间(≤1s)，使恒电位仪输出电压在中断时不发生超限问题，采用较长的通时间（≥3s），使恒电位仪能有效恢复至原始输出状态，保证通/断电位测试数据的准确性；利用GPS同步高频测试的恒电位仪输出电压波形数据指导开发“外部模拟负载”，通过安装模拟负载使恒电位仪在中断前后输出电压基本一致，保证中断状态下恒电位仪能够持续稳定工作。

2.2.2 不同中断周期下恒电位仪响应时效分析

分别在断电300ms/通电700ms、断电1s/通电3s、断电3s/通电12s三种周期下测试恒电位仪输出电压波形，如图4（a）和图4（b）显示，断电周期下它们的电压升分别为28V、44V和48V，即断电时间越短，恒电位仪在断电时输出电压就越不容易超限，这样恒电位仪再启动恢复至原始输出花费的时间就更短，因此，用较短的断电时间和相对长的通电时间更有利于开展通/断电位测试。

图4 不同的中断周期对恒电位仪实施同步中断形成的波形曲线

但是，通断周期还需要考虑管道直径、防腐层质量、管道敷设环境及沿线恒电位仪的输出参数等因素，如图5（a）所示，在同一条管线600km跨度内测试9处管地电位的波形，断电电压尖峰最长时间为500ms，最短时间为200ms，通电的电压尖峰则受管道沿线各恒电位仪的工作状态影响，图5（b）显示，至少需要通电2.8s后，工况最差的恒电位仪才能恢复原始输出。对于不同的管径，图6（a），Ø1219管径的断电电位尖峰时间达到400ms，图6（b），Ø610管径的断电电位尖峰时间则只有200ms，即大管径管道断电周期内形成的电压尖峰持续时间更长。

图5 同一条管线多台恒电位仪输出电压和不同位置管地电位的波形曲线

图6 不同管径下管地电位的波形曲线

由上可见，恒电位仪在恒电位或恒电流工作模式下，中断周期的选择应保证：断电时间选取应尽量短，通电时间选取要根据恒电位仪强制中断后启动至恢复正常输出的时间而定；需要兼顾（避让）断电形成的电压尖峰持续时间和恒电位仪再启动恢复至正常输出需要的时间；对于检测距离较长的管线，读取通/断电位延迟的时间需要以管道沿线电压尖峰持续时间最久位置点为基准[20]。检测设备应满足：中断器应能够灵活设置中断周期和通/断电时间；采集电位的数据记录仪可以分别设置读取通/断电位的延迟时间等。

2.3 通/断电电位测试条件下分析恒电位仪工作稳定性

图7（a）记录了3个周期的波形数据，可以看出恒电位仪每间隔1个周期启动一次，按照这样的状态开展通/断电位测试，利用数据记录仪存储数据后形成的曲线如图7（c），而图7（b）记录了15个周期的恒电位仪输出电压波形，仅有4个周期内，恒电位仪做过启动动作。这说明恒电位仪在中断过程中可能发生间歇性工作，可见，仅采集一个周期的波形用来分析/识别中断后恒电位仪能否稳定工作是不够的。

图7（d）为采用GPS同步数据记录仪连续长时间监测恒电位仪输出参数，形成恒电仪输出电流/通电点电位曲线图，持续稳定的输出电流/通电点电位曲线说明了恒电位仪中断过程中能够稳定工作。可见，这种方法适用于追踪恒电位的工作状态，有助于寻找现场测试数据异常或无法合理解释的原因。

图7 通/断电位测试条件下判别恒电位仪工作稳定性的数据曲线

2.4 同步通断条件下中断周期和读取通/断电位延迟时间的设置原则

总结不同类型阴极保护电源在不同的工作模式、输出参数、周期、管径、管道敷设环境等因素下测试的各种波形曲线，确定选取中断周期和采集通/断电位延迟时间的基本原则。

2.4.1 同步通断条件下中断周期设置原则

（1）在恒压或手动的工作模式下，恒电位仪不存在强制中断后响应延时问题，对于中断周期的选择较灵活；

（2）恒电位仪在恒电位或恒电流工作模式下，断电时间选取应尽量短，控制在300ms～1s之间，断电的最短时间应比瞬间断电形成电压尖峰的时间大100ms，通电时间选取要根据恒电位仪强制中断后启动至恢复正常输出的时间而定，通电后恒电位仪如果长时间（≥3s）不能启动时，应开展测试（改变现有恒电位仪的工作模式、安装外部模拟负载、应用便携整流器替换现有恒电位仪）选择合理的缓解方案；

（3）中断周期的调整原则：以管道系统内工况最差的恒电位仪所选中断周期为基准，确定检测区间管线其它恒电位仪的中断参数。

2.4.2 同步通断条件下计算读取通/断电位的延迟时间

（1）准确读取通/断电位需要确定两个延迟时间，应以管道沿线电压尖峰持续时间最久位置点为基准，分别设置瞬间断电延迟时间和恒电位仪恢复输出的延迟时间；

（2）测试断电电位延迟时间的选择要考虑瞬间断时形成的电压尖峰，电压尖峰的大小与管径、防腐层质量、管道敷设环境及恒电位仪输出电流大小有关，延迟时间要根据管地电位的波形计算确定，直径小于700mm的管道推荐的断电时间为300ms，延迟时间为200ms，直径大于700mm的管道推荐的断电时间为1s，延迟时间为800ms；

（3）测试通电电位的延迟时间需要考虑恒电位仪的型号及输出参数，根据恒电位仪输出电压的波形，计算其恢复正常输出所需的时间，其延迟时间应大于恒电位恢复输出所需要的时间。

3 结语

阴极保护电位数据采集为管道外腐蚀完整性管理提供数据支撑，是业主制定维修和维护方案的基础，同步中断条件下分析恒电位仪运行状况对通/断电位测量的适用性，通过改变恒电位仪的工作模式、调整中断周期和采集通断电位数据的延长时间、优化恒电位仪及检测设备选型、安装外部模拟负载等方式改善恒电位仪中断过程中的响应时效问题，为顺利开展通/断电位测试奠定基础，准确获取阴极保护评价数据后，系统分析管道阴极保护系统存在的各类问题并开展治理，以促进管道外腐蚀管理的完整性，降低管道腐蚀风险，保证管道运行安全。