0.   引言

船舶海水管路腐蚀破损95%发生在易蚀部位^[1-2]，通常包括：分流管件、汇流管件、分管、插管、焊缝及异种金属耦接部位。其中异种金属耦接部位之间的电化学腐蚀是海水管路腐蚀破损的主要形式之一。为了防止此类腐蚀，通常采取加装绝缘垫片的措施隔离需要连接的不同金属件^[3]。随着船舶服役时间延长，这些垫片可能发生绝缘性能下降甚至失效的情况。一旦绝缘垫片失效，将不可避免地导致耦接金属件中的金属件加速腐蚀，在较短时间内产生严重的电化学腐蚀现象，严重影响舰船的使用安全。因此，针对异种金属海水管路间的电绝缘性能监测技术越来越受到关注和重视。

张海丽等^[4-6]通过在工业纯钛和铜镍合金之间串联不同阻值的电阻并进行电偶腐蚀试验的方法，证明了异种金属海水管路间的电绝缘性能与绝缘垫片的电阻值有着直接的关系。虽然可通过测量绝缘垫片的电阻来评判电绝缘性能的好坏，但对绝缘垫片阻值的测量缺乏相关研究。管路在干态下（即管内无海水），可直接在管路两端施加直流激励，通过测量回路电流，根据欧姆定律，计算绝缘电阻值。这种方法只适用在干态情况下测量，而对于湿态下（即管路存在海水），管路、绝缘垫片和海水构成了腐蚀体系，施加直流激励会对两端造成电荷积聚，影响腐蚀体系的正常腐蚀状态。本文将设计一种基于交流阻抗技术的海水异种金属管路间电绝缘性能监测系统，实现管路在干态和湿态下均适用的电绝缘性能监测。

1.   监测系统总体实现方案

采用电化学阻抗谱法（EIS）测量管段间的绝缘垫片电阻需要在绝缘法兰中间插入一个薄金属片，如图 1所示。图中，WE是工作电极，安装于绝缘垫片上，RE是辅助电极，安装于管路上，测量装置通过监测WE和RE之间的电位差和电流，用于计算交流阻抗。通过测量薄金属片与A，B管路之间的交流（1~10 kHz）阻抗，即可计算出法兰的绝缘电阻。测量过程中，将幅值100 mV左右的正弦波加载到金属片与管段之间，测量阻抗谱，从而得到两个管段间绝缘法兰的电阻。这种方法将湿态问题转变为干态问题进行处理，测量数据精确可靠，且不会对原腐蚀体系产生影响。

图  1  海水管段间绝缘垫片电绝缘性能监测系统

Figure  1.  Monitoring system of the electrical insulating performance for the spacer between seawater pipe sections

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监测系统硬件主要包括电源模块、单片机模块（MCU）、DDS信号发生器和通信模块等，如图 2所示。

图  2  海水管段间绝缘垫片电绝缘性能监测系统硬件组成

Figure  2.  Hardware composition of electrical insulatine performance monitoring system for the spacer between seawater pipe sections

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2.   交流阻抗技术基本原理

EIS是一种以小振幅正弦波电位（或电流）为扰动信号的电化学测量方法^[7-10]。该方法对腐蚀体系扰动的电信号振幅小，既可避免对腐蚀体系产生大的影响，也可使扰动与腐蚀体系的响应之间近似呈线性关系，这就使测量结果的数学处理变得简单。交流阻抗法是在电极系统上施加一定频率的小幅值正弦波扰动信号，由电极系统的响应与扰动信号之间的关系得到电极阻抗。

EIS主要用于研究金属材料在各种环境中的耐蚀性能和腐蚀机理，可以同时测得绝缘电阻值和材料的极化电阻。EIS的主要优点是对被测体系干扰小、抗干扰能力强，可用于现场的绝缘电阻测量^[11]。

测量系统的等效电路图如图 3所示。图中：R_p为绝缘垫片阻值；R_s为体系溶液电阻；C_dl为界面电容。在测量时RE处接参比电极，WE处接仪器的工作电极。电路中RE和WE两端的等效阻抗Z为

图  3  海水管段间绝缘垫片电绝缘性能监测等效电路图

Figure  3.  Equivalent circuit diagram of monitoring electrical insulating performance for the spacer between seawater pipe sections

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将s替换为jω，有

式中：ω=2πf，为扫描信号的角频率；s为拉普拉斯算子。

对待测体系施加不同频率的信号，通过相关积分算法计算输出信号到输入信号的传递函数，使用频谱法计算得到等效电路中的3个参数R_s，R_p和C_dl。测量时，考虑到待测体系中的等效电容较大，首先对其施加高频交流信号进行测量，在高频信号下，根据电路理论，电容C_dl的阻抗较小，近似认为短路，则待测体系等效阻抗|Z|约等于R_s。然后，再对待测体系施加低频信号，这时电容C_dl近似为开路状态，则体系的等效阻抗|Z|为R_s加上R_p的值，通过高、低频阻抗相减可以得到绝缘垫片的阻值。

3.   主要电路模块设计

3.1   电源模块设计

图 4所示为电源模块电路。其中信号调理电路使用±5 V电压供电，单片机系统采用3.3 V电压供电。

图  4  电源模块电路

Figure  4.  Power supply module circuit

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3.2   单片机模块设计

采用C8051F060单片机作为主控制器，内含2个16位AD转换器和2个12位DA转换器（用于模拟DDS合成正弦波激励信号）。

3.3   通信模块设计

测量系统与PC上位机之间采用RS-485总线进行双向通信，并对485通信电路进行光电隔离抗干扰处理。用户可通过PC机进行控制测量系统工作、读取测量数据等操作。图 5为通信模块电路。

图  5  通信模块电路

Figure  5.  Communication module circuit

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3.4   信号调理电路设计

由于输入信号存在幅值（幅值可能超过单片机的输入电压而对单片机造成损坏）和极性（存在正、负双极性）的不确定性，模拟信号在进入单片机进行AD转换前，需要经过信号调理电路，如图 6所示。将输入信号进行限幅和极性转换处理，转换为0~2.5 V的对单片机安全的单极性信号，进而输入单片机进行采集和转换处理。16位AD转换器的分辨率和信号的运算处理，可以令本系统对电位测量的分辨率达到0.1 mV，满足测量要求。

图  6  信号调理电路

Figure  6.  Signal conditioning circuit

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4.   系统程序设计

根据异种金属海水管路间电绝缘性能监测的具体要求，系统软件要实现对海水管路间绝缘垫片的实时电阻测量，并能对测量数据进行显示、储存和回调。系统软件主要分为上位机软件和下位机测量系统软件两个部分。为满足系统功能需求，系统上位机软件采用Visual Basic 6.0编程语言设计^[12]，实现人机交互界面，控制下位机测量并显示测量结果信息。测量系统软件采用C语言设计，主要由主控制程序和量程自适应程序组成，如图 7所示。其中，主控制程序部分主要实现系统测量参数的初始化，通过内部高精度定时器产生定时中断，在中断服务中测量并存储绝缘垫片的电阻。当测量系统检测到上位机发送的指令后会产生串口接收中断，在串口中断服务中识别上位机指令，并针对不同指令分别执行不同子程序，例如接收到读取历史数据指令，则立即将测量的历史数据发送至上位机软件。

图  7  测量系统软件流程图

Figure  7.  Flow chart of measurement system software

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量程自适应程序首先选择中间量程进行测量，通过判断测量结果偏大还是偏小，然后单片机控制模拟开关选择相应的测量量程来达到自适应量程的目的。

5.   系统精度测试

在DN100铜—钢管路中循环通入与海水盐度（3.5%）相当配比的盐水，以此在海水管路两端并联电阻箱，搭建模拟海水管路试验台架，分别测量7种精密电阻的阻抗值（100，1 000，10 000，100 000 Ω以及1，10，100 MΩ），并采用DMM4020泰克精密台式万用表对监测系统测量精度进行验证。

DMM4020泰克精密台式万用表具有5.5位分辨率，百兆欧以内电阻测量分辨率高达1 mΩ。

测试结果如表 1所示。通过比较监测系统的测量结果与高精度台式万用表的结果，可以看出本监测系统的阻抗测量范围在10 MΩ以内，测量误差均在5%以内，满足海水管路间电绝缘性能监测的要求。

表  1  绝缘电阻测量仪对标准电阻的测量结果

Table  1.  Measurement results of insulation resistance meter to standard resistance

电阻标称值/kΩ	样机测量值原始数据/kΩ					平均值/kΩ	万用表测量值/kΩ	测量误差/%
1×105	97 970	98 390	97 030	97 080	97 130	97 520	87 350	11.64
1×104	10 440	10 520	10 330	10 470	10 460	10 450	9 990	4.56
1×103	1 023	1 035	1 018	1 031	1 029	1 027	990	3.81
100	103.96	105.00	103.00	104.35	104.10	104.08	100.3	3.77
10	10.336 56	10.431 75	10.236 14	10.374 23	10.345 46	10.344 83	9.978	3.68
1	1.037 92	1.047 90	1.027 94	1.041 91	1.039 96	1.039 13	1.003	3.60
0.1	0.101 92	0.105 00	0.103 00	0.104 40	0.104 10	0.103 68	0.100 3	3.37

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6.   结语

本文主要针对目前异种金属海水管路间绝缘垫片缺乏专用的电绝缘性能监测仪器、设备的现状，基于交流阻抗技术，设计和研制了一套海水异种金属管路间电绝缘性能监测系统，实现了对绝缘垫片电阻的实时自动监测，通过绝缘垫片的电绝缘性能间接反应海水管路腐蚀状况，对发生电绝缘性能下降严重的海水管路及时采取措施，消除隐患，减少和预防因绝缘垫片电绝缘性能下降带来的海水管路异种金属电化学腐蚀，确保海水管路正常运行，对海水管路腐蚀状况监测具有指导意义，其经济效果显著。本文所设计和研制的海水管路腐蚀监测系统原理简单、测量精度高，达到了对异种金属海水管路间绝缘垫片电绝缘性能监测的使用要求，具有较高的实用价值，适合大范围推广使用。