Doğal Gaz Boru Hattı Korozyon Önleyici Algılama Sisteminin Test Parçası Kapatma Yöntemine Dayalı "Akademik Belge" Tasarımı
Özet: Test parçası ayırma yöntemi, gömülü çelik doğalgaz boru hatlarının korozyon tespitinde önemli bir tespit yöntemidir. Bir doğal gaz boru hattı korozyon önleyici algılama sistemi tasarlandı ve uygulandı, sistemin genel tasarım planını tanıttı, güç açma potansiyeli ve kapanma potansiyeli verilerini toplamak için ana kontrolörün donanım uygulama yöntemini geliştirdi, ürün yazılımı programı tasarım adımlarını verdi ve sonunda tanınmış bir yabancı şirketle iletişime geçti Yerinde karşılaştırmalı test deneyleri benzer cihazlarla gerçekleştirildi. Deneyler, geliştirilen doğal gaz boru hattı korozyon önleyici algılama sisteminin yabancı cihazlarla aynı işlevlere sahip olduğunu, doğal gaz boru hatlarının katodik koruma potansiyelini doğru bir şekilde ölçebildiğini, düşük hata oranı, kolay kullanım ve iyi pazar promosyonu gibi mükemmel performansa sahip olduğunu göstermektedir.
0 Önsöz
Çin'in yeni kentleşme inşaatının hızla ilerlemesi ve insanların çevre koruma bilincinin artmasıyla birlikte, temiz bir enerji kaynağı olarak doğal gaz birçok kez kullanıldı. Doğalgaz boru hatlarının yapımı ve bakımı, 13. Beş Yıllık Plan döneminde önemli ulusal mühendislik inşaat projelerine dahil edilmiştir.40.000 kilometre boru hattı eklenecektir.Çin doğalgaz boru hatlarının 2020 yılına kadar 104.000 kilometreye ulaşması planlanmaktadır. On binlerce kilometrelik gömülü çelik doğal gaz boru hatlarının güvenli bir şekilde işletilmesi, ülke ekonomisi ve insanların geçim kaynakları ile ilgili önemli bir sorundur.Boru hattı güvenlik kazalarının çoğunu boru hattı korozyonu, sızıntı ve patlama kazaları oluşturur. Bir kez meydana geldiklerinde, zarar çok büyük olacaktır. Şu anda, doğal gaz boru hatlarının aşınmasını önlemek için harici korozyon önleyici tabakalı iki fiziksel koruma ve katodik korumalı kimyasal koruma yöntemi esas olarak yurt içinde ve yurt dışında benimsenmektedir. Katodik koruma, doğal gaz gömülü çelik boru hatları için ana korozyon önleyici önlemdir ve aynı zamanda son anahtar korozyon önleyici mekanizmadır.Katodik koruma potansiyeli ölçülerek boru hattı katodik koruma önlemlerinin hala normal şekilde çalışıp çalışmadığı değerlendirilebilir.
Şu anda, doğal gaz boru hatlarının katodik koruma potansiyeli ölçümü için olgun harici algılama yöntemleri şunları içerir: doğrudan ölçüm yöntemi, yakın aralık potansiyeli ölçümü (CIPS), doğru akım voltaj gradyan yöntemi (DCVG), tüp akımı ölçüm yöntemi (PCM) ve Pearson yöntemi (Pearson) )Bekle. PCM yöntemi ve Pearson yöntemi yalnızca boru hattının korozyonunu belirleyebilir, ancak korozyonun boyutunu ve durumunu belirleyemez; doğrudan ölçüm yöntemi genellikle, IR düşüşünü, ölçülen değeri ve gerçek katodik korumayı dikkate almayan boru hattı ile referans elektrot arasındaki potansiyeli ölçmek için bir multimetre kullanır. Potansiyelde bir hata var; DCVG ve CIPS'nin birlikte kullanılması, boru hattının korozyon durumunu kapsamlı bir şekilde değerlendirebilen katodik koruma potansiyeli değerini elde edebilir, ancak boru hattı boyunca uzun bir mesafe yürümek için kabloya bağlanması gerekir ve iki referans elektrot Yetersiz zemin teması da ölçülen değeri etkileyecektir. Test parçası kesme yöntemi, çoklu ölçüm yöntemlerinin avantajlarını birleştirerek ve basitleştirerek önerilen bir ölçüm yöntemidir.KR düşüşünü ortadan kaldırmak için hem direnci hem de akımı dikkate alır ve boru hattının gerçek katodik koruma potansiyelini ölçer. Test şeridi kapatma yöntemi yabancı ülkelerde yaygın olarak kullanılmaktadır ve Çin'deki asıl uygulama başlangıç aşamasındadır.Birçok gaz boru hattı denetim birimi, Kanada'daki CATH-TECH gibi bir test şeridi kapatma aracı olarak yurt dışından ithal edilen basitleştirilmiş ve yeniden düzenlenmiş DCVG / CIPS aletlerini kullanır. Şirketin Hexcorder MM (CIPS / DCVG) cihazı, ancak devre kesicisi ve ölçüm ana bilgisayarı ayrılmıştır ve yalnızca çalıştırması karmaşık olan her seferinde bir gecikme değerine karşılık gelen güç kapama potansiyelini ayarlayabilir ve ölçebilir. Bu belge, çalıştırması basit ve verimli olan test şeridi güç kapatma yöntemine dayalı bir doğal gaz boru hattı korozyon önleyici detektörü tasarlar ve uygular.
1 Genel sistem yapısı
Gömülü çelik doğalgaz boru hattı antikorozyon detektörünün test parçası güç kapatma yöntemine dayanan ölçüm şematik diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir. Ölçüm sistemi, referans elektrot, test parçası ve tespit cihazı olmak üzere üç bölümden oluşmaktadır. Referans elektrot, yüksek voltaj kararlılığına sahip bakır / bakır sülfat solüsyon elektrotunu kullanır. Test parçası, test edilen boru ile aynı malzemeden yapılmış uygun boyutta çelik bir parça olmalıdır.Açık noktası borunun korozyon noktasını simüle eder Test parçası boruya mümkün olduğunca yakın olmalıdır. Test cihazında A, B, M ve N olmak üzere 4 elektrot konektörü bulunur. A konektörü ve B konektörü, devre kesicinin işlevini tamamlamak için birlikte çalışır. Bir uç, test edilecek doğal gaz boru hattına veya boru hattı test yığınına, diğer ucu ise test parçasına, M konektörüne ve N'ye bağlanır. Konektörler bir çift ölçüm elektrotunu oluşturur, M konektörü referans elektroda bağlanır ve N konektörü ve B konektörü test parçasına birlikte bağlanır.
Cihaz çalışırken, sırasıyla güç açma potansiyelini ve güç kapatma potansiyelini ölçen iki aşamaya ayrılır. İlk aşamada, boru hattı ve test parçası, katodik korumanın çıplak test parçası üzerinde çalışmasına izin vermek için A ve B bağlantıları aracılığıyla birbirine bağlanır. 5 saniye tuttuktan sonra, referans elektrot ile test parçası arasındaki Von'u M ve N eklemlerinden ölçün. Gerilim (yani enerjili potansiyel). İkinci aşamada, test parçasını boru hattından ayırmak için A ve B konektörlerinin bağlantısı tamamen kesilir ve ardından 20 ms'den 500 ms'ye kadar 20 ms ila 500 ms'lik adımlarla sürekli olarak birden fazla Voff voltajını (yani, güç kapatma potansiyeli) ölçüp depolar ve son olarak analiz yoluyla elde edilir. Doğal gaz boru hattının gerçek katodik koruma potansiyeli. Test cihazının iki modu vardır: manuel ve otomatik.Manuel modda, bir dizi veri almak için ölçmek için bir kez basın; otomatik modda, otomatik olarak ölçün ve saklayın, yukarıdaki iki aşamayı her 10 saniyede bir tekrarlayın, maksimum ölçebilir ve saklayabilir 72 h verileri.
2 Sistem donanımı tasarımı
2.1 Donanım sistemi yapısı
Geliştirilen boru hattı korozyon önleyici tespit cihazının veri toplama ve kontrol devresi blok diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir. Esas olarak 4 kısımdan, yani ön uç veri toplama kısmı, devre kesici kısım, sinyal kontrol işleme kısmı ve çevresel depolama görüntüleme kısmı oluşmaktadır.
2.2 Ön uç veri toplama devresi
Ön uç veri toplama bölümü, aletin doğruluğunu ve etkisini belirleyen, tüm aletin en kritik parçasıdır.Yüksek miktarda yüksek voltajlı ve çok frekanslı gürültülü ön uç boru hattı giriş sinyali cihaza girdikten sonra, sinyali almak için önce yüksek empedanslı bir giriş ve düşük empedanslı çıkış enstrüman amplifikatörü kullanın ve ardından Gürültü sinyalinin çoğunu çıkarmak için bir birleşik filtre devresi kullanılır ve program kontrollü amplifikatör devresi, sinyali daha da ayarlar ve onu dijital bir sinyale dönüştürmek için yüksek hassasiyetli bir analogdan dijitale dönüştürücüye gönderir.
Enstrüman amplifikatörü, yüksek performans ve düşük gürültü ile AD8422'yi benimser Devre şeması Şekil 3'te gösterilmiştir. Saha ölçümü, geçici parazit sinyalinin, metro hattı boyunca ve yer altı yüksek voltaj iletim boru hattı galerisi yakınında doğal gaz boru hattında çok büyük olduğunu buldu.AD8422'nin iki giriş terminali arasındaki fark 40 V'a ulaşabilmesine rağmen, dönüş hızı sadece 0,8 V / s'dir. Cihazı korumak ve giriş aşamasının gürültüsünü azaltmak için ön uç, giriş sinyalinin voltajını sınırlamak için 4 diyot D6, D7, D8, D9 kullanır. Çelik doğal gaz boru hattı çok uzundur ve radyo frekansı sinyalleri kolayca bağlanabilir. R7, R8, C9 C11, radyo frekansı girişimini bastırmak için bir düşük frekanslı filtre devresi oluşturur. R9 değeri, AD8422 tarafından giriş sinyalinin amplifikasyon faktörünü kontrol eder. Bu devre% 0.1 hassasiyetli 19.6 k direnç kullanır ve amplifikasyon faktörü 2.01 kattır.Yüksek ortak mod reddine sahiptir ve yararlı sinyallerin aralığı aşmasına izin vermez. İki güç filtresi kapasitörleri C12 ve C13, kartı yaparken karşılık gelen çip pinlerine mümkün olduğunca yakın olmalıdır. Filtre devresi, düşük öngerilim akımı ve düşük tepeden tepeye gürültüye sahip bir operasyonel amplifikatör ADA4625-1 yongası kullanır Devre yapısı, gürültü frekans bandını etkili bir şekilde filtreleyen ve sonraki örtüşmeyi önleyen iki kutuplu bir Sallen-Key filtre modeli yapısını benimser. .
Koşullu sinyal, geniş bir dinamik giriş aralığına sahip 24 bitlik yüksek hassasiyetli düşük gürültülü analogdan dijitale dönüştürücü LTC2380-24 yongasına girer ve diferansiyel sinyal giriş aralığı -5 V + 5 V'dir ve ultra düşük güç tüketimi yalnızca 28 mW. Analogdan dijitale dönüştürücünün ön ucu, veri toplama sırasında giriş sinyalini hızlı bir şekilde stabilize etmek için ADC'yi sürmeye elverişli olan ve aynı zamanda bir izolasyon rolü oynayan, düşük empedanslı bir diferansiyel çıkış işlemsel amplifikatör gerektirir. Devre şeması Şekil 4'te gösterilmektedir. REF / DGC #, RDL / SDI ve CHAIN'in 3 pininin tümü düşük seviyeye bağlıdır, bu da çipin tek cihaz modunda çalıştığını, dijital kazanç sıkıştırma işlevinin ve SDO pininin etkinleştirildiğini gösterir, R31, R32, C33 C35, AD8021'den oluşan tampon süresinin yansıyan gürültüsünü büyük ölçüde azaltan bir kuplaj filtresi oluşturur. 4 pin CNV, BUSY, SCK ve SDO, zamanlamayı kontrol etmek ve dönüştürülen dijital sinyali çıkarmak için mikrodenetleyiciye bağlanır. Doğal gaz çelik boru hatlarının çoğu yeraltına gömülüdür ve toprak, yüksek mukavemetli güç frekansı parazit sinyalleriyle doludur.Doğal gaz boru hatlarının gerçek katodik koruma potansiyelini tespit etmek için, güç frekansı parazit sinyalleri devrede filtrelenmelidir. LTC2380-24 yongası 50 Hz ortalama filtre bastırma modülü ile birlikte gelir.Bu sistemde örnekleme frekansı 2 MHz'dir ve ortalama çıkış sonucu 50 Hz güç frekansını ve harmonik bileşenlerini bastırmak için 40.000 kez yeniden örneklenir.
2.3 Devre Kesici
Test şeridi güç kapatma yöntemi, boru hattının katodik koruma potansiyelini hesaplamak için yardımcı test şeridi üzerinde enerji verilmiş potansiyel Von ve güç kapatma potansiyeli Voff'un test edilmesini gerektirir.Boru hattını ve test şeridini bağlamak veya ayırmak için bir devre kesici gerektirir. Şu anda, genel yöntem, açık veya kapalı elde etmek için saz röleleri kullanmaktır. Bu sistemin ilk sürümü, OMRON'un G2R serisi dilli röleleri kullanılarak da uygulanmaktadır. Ancak, gerçek ölçümde birçok sorun bulunmuştur. Rölenin kamış çekme gecikmesi karşılaştırması Büyüktür ve gecikme tutarlılığı nispeten zayıftır Bazen aynı pozisyondaki iki ölçüm sonucu zaman ekseni yer değiştirme fenomenine sahiptir ve tarağın yaşam döngüsü de sınırlıdır, bu da sürekli dış mekan aletleri için uygun değildir. Devre kesici, silikon kontrollü veya fotoelektrik röle ile de gerçekleştirilebilir.Bu sistemin en son sürümü, bir MOSFET foto röle kullanır.Açma-kapama gecikmesi, milisaniye ölçümünden daha küçük bir büyüklük sırası olan 100 s içindedir ve ölçüm sonucunu etkilemez.
2.4 Sinyal kontrol işleme devresi
Sinyal kontrol işleme kısmı, verileri işleyen ve kontrol komutları gönderen sistemin kontrol çekirdeği olan iki modül, bir mikroişlemci ve büyük ölçekli bir programlanabilir mantık cihazı (CPLD) içerir. Mikroişlemci, MICROCHIP Company'nin 32-bit denetleyici çipi PIC32MX795F512L'yi benimser, ana frekans 80 MHz'dir ve çevre birimleri bol miktarda bulunur. Kontrolü kolaylaştırmak ve sonraki cihaz yükseltmelerinin ihtiyaçlarını hesaba katmak için CPLD genişletme arayüzü kullanılır.
2.5 Çevresel devre
Çevresel devre parçası, esas olarak sistemdeki insan-bilgisayar etkileşiminden sorumlu olan bellek, USB arayüzü, LCD ekran, klavye girişi ve güç dönüştürme devresi gibi modülleri içerir. Doğalgaz boru hattı antikorozyon dedektörü, uzun süreli kararlı çalışma gerektiren portatif bir cihazdır.Güç yönetim sistemi çok önemlidir.Bu sistemde LINEAR'ın otomotiv sanayi sınıfı LT8602 güç dönüştürme çipi kullanılır.Statik çalışma akımı sadece 30 A, boyutları küçük ve uzundur. Genişlik sadece 6 mm'dir ve 4 voltaj regülatörü tek bir yongaya entegre edilmiştir ve dönüşüm verimliliği% 90'ın üzerine çıkabilir. Cihaz, 15 Ah ile 4 lityum pil ile çalışır, güç kaynağı voltaj aralığı 14,4 V ila 16,8 V, 4 çıkış voltajı 12 V, 5 V, 3,3 V, 2,5 V, R9, 28,9 k dirençtir, güç yongası anahtarını ayarlayın Frekans 2 MHz'dir. Güç dönüştürme devresinin şematik diyagramı Şekil 5'te gösterilmektedir.
3 Sistem yazılım tasarımı
Mikroişlemci ürün yazılımı prosedürü aşağıdaki 4 adımda gerçekleştirilir, somut gerçekleştirme akış şeması Şekil 6'daki gibi gösterilir.
(1) Sistem başlatma. Güç açıldıktan sonra PIC, zamanlayıcı ve kesme kayıt ayarları dahil olmak üzere dahili kayıtları ve G / Ç bağlantı noktalarını yapılandırır ve ADC başlatma pini CNV, düşük seviyeye ayarlanır. Cihazın içinde otomatik kalibrasyon verileri.
(2) İşlev seçimi. Yazılım sistemi üç büyük işlevsel modülden oluşur: veri toplama, veri oynatma ve parametre ayarı Düğme seçilir Varsayılan değer veri toplama modülüdür.Diğer iki işlev nispeten basittir Akış şeması ayrıntılı açıklama için veri toplamayı örnek olarak alır.
(3) Veri toplama. ADC dönüşümünü başlatmak için CNV'yi yüksek seviyeye ayarlayın. BUSY pininin yüksek seviyede olup olmadığını tespit ederek dönüşümün bitip bitmediğini belirleyin. Bir örneklemeden sonra, sayaç değeri N, sayma değeri 40000'e ulaşana kadar 1 artar. SCK ve SDO'yu liderliğe ayarlayın. Pin, Von verilerini okur. Devre kesicinin bağlantısı kesildiğinde, adım gecikme değeri olarak 20 ms alın, yukarıdaki değerlendirme sürecini tekrarlayın, ilgili gecikmeye karşılık gelen Voff verilerini okuyun ve ardından gerçek değeri elde etmek için bu veri grubu üzerinde ağırlıklandırma işlemi gerçekleştirin.
(4) Mod seçimi. Veri toplama işlevi altında iki mod vardır: manuel toplama ve otomatik toplama Manüel toplama, yalnızca toplama düğmesine bir kez basarak bir dizi değeri okur ve otomatik mod, mod değiştirilene kadar sürekli olarak toplar.
4 Deneysel sonuçlar ve analiz
Tasarlanan doğal gaz boru hattı antikorozyon dedektörünün işlevini doğrulamak için, aynı ortamda, endüstride tanınmış bir Kanadalı şirket olan Cathodic Technology Ltd'nin Hexcorder MM (CIPS / DCVG) cihazı ile karşılaştırmalı bir deney gerçekleştirildi. Şekil 7, karşılaştırmalı test sonuçlarını göstermektedir. Cihazın 20 ms'lik adım gecikmesi otomatik olarak birikir ve tüm sonuçları almak için yalnızca bir test yapılmıştır.Yabancı cihazların gecikmeyi tekrar tekrar ayarlaması gerekir ve 26 kez test edildikten sonra aynı sayıda sonuç elde edilmiştir.
Şekil 7'deki analizden aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir:
(1) Enerji verilmiş potansiyel Von aynıdır. Bu sistem enstrümanı tarafından ölçülen Von -1.41 V ve yabancı enstrüman -1.42 V'dir. İkisi arasında neredeyse hiç hata yoktur; bu, ölçüm zamanı sırası ve harici gürültüdeki değişikliklerden kaynaklanabilir.
(2) Gecikme ile değişen güç kapatma potansiyeli Voff eğilimi tutarlıdır. İki enstrümanın kapanma potansiyeli eğrilerinin bükülme noktaları 70 ms gecikmesindedir ve 100 ms gecikmeden sonra stabilize olma eğilimindedir.
(3) Ölçüm sonuçları aynıdır. Ölçülen katodik koruma potansiyellerinin tümü -0.85 V'den düşüktür ve bu doğal gaz boru hattının katodik koruma etkisinin iyi olduğu değerlendirilmektedir.
5. Sonuç
Deneyler, bu yazıda tasarlanan doğal gaz boru hattı korozyon önleyici dedektörün performansının, Cathodic Technology Ltd.'nin benzer bir enstrümanı olan Hexcorder MM (CIPS / DCVG) ile aynı işlevsel seviyeye ulaştığını göstermektedir. Yeraltı çelik doğalgaz boru hatlarının katodik koruma potansiyeli popülerleşmeye değerdir.
Referanslar
Tao Wenjin, Yang Zhiwei, Wu Xiuquan ve diğerleri.Petrol ve gaz alanlarında eski boru hatlarının dış korozyonu için kapsamlı algılama ve değerlendirme yöntemleri. Korozyon Bilimi ve Koruma Teknolojisi, 2017, 29 (2): 188-194.
Zhang Ruyi, Liu Haijun, Du Sha. Gömülü çelik ham petrol toplama ve nakliye boru hattının tespit teknolojisi üzerine tartışma. Boru hattı antikorozyonu, 2017, 36 (6): 81-83.
Ulusal Kalkınma ve Reform Komisyonu, Doğal Gaz Kalkınma için 13. Beş Yıllık Plan. .http: www.china-nengyuan.com / haberler / 103825.html.
Ma Yanchang, Li Guoxing, Yang Huixiang, et al.Test parçası yöntemiyle boruların polarizasyon potansiyelinin ölçülmesi Elektronik Test, 2013, 14 (7): 43-44.
Li Zili, Xie Yuehui, Hao Hongna ve diğerleri Gömülü boru hatlarının katodik koruma potansiyelinin ölçümünde araştırma ilerlemesi.Korozyon ve Koruma, 2012, 33 (1): 55-59.
Li Qiuyang, Xu Maoxia, Wang Xiaodong, ve diğerleri.Eski Donghuang petrol boru hattında polarizasyon potansiyeli ölçümü ve uzaktan iletim teknolojisinin uygulanması. Petrol ve Gaz Depolama ve Taşıma, 2011, 30 (12): 910-912.
Xu Jianbo, Wu Xinmin, Li Zhenggen ve diğerleri.Elektrikli keşifte multimetre ile topraklama direnci ölçümü üzerine tartışma.Elektrikli araştırmada Journal of East China University of Technology (Natural Science Edition), 2013, 36 (12): 53-56.
Zhang Jianzhong, Hao Yunliang, Liu Haiyang, vb. STM32 Tek Çipli Mikrobilgisayarına Dayalı Akıllı Yangın Söndürme Robotunun Tasarımı ve Uygulaması Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (11): 120-123.
Liu An, Yu Weidong, Ma Xiaobing, et al.FpGA tabanlı yüksek hızlı seri veri alıcı-verici arayüzünün tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (6): 48-51.
Zhang Zhiwei, Jin Hong, Yang Shaobo.Yüksek hızlı ve büyük kapasiteli kayıt cihazları için USB 3.0 yüksek hızlı okuma arayüzü tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (12): 54-57, 61.
Wang Shengli, Wu Yunfeng, Zhang Chenyu, vb. Lityum pil simülasyonu için yüksek hızlı güç kaynağı tasarımı Elektronik teknoloji uygulaması, 2017, 43 (12): 125-129.
Fu Gengyang, Mou Nanxiang. Gömülü boru hattının kaçak akım paraziti altında polarizasyon potansiyelinin ölçülmesi.Korozyon ve Koruma, 2013, 34 (6): 533-535.
yazar bilgileri:
Zhu Jun
(Telekomünikasyon Mühendisliği Okulu, Hubei Radyo ve Televizyon Üniversitesi, Wuhan 430074, Hubei)
