Система непрерывного мониторинга протяженных объектов для предотвращения экономического и экологического ущерба

Д.В. Зазирный

Российская Федерация занимает второе место в мире по протяженности магистральных трубопроводов. Общая их длина превышает 240 тыс. км, а вместе с промысловыми -тыс. км. Трубопроводный транспорт по праву считается наиболее безопасным и экономичным. Между тем, нефте- или газопровод, часто пролегающий в малонаселенных районах страны, уязвим с точки зрения самых разных воздействий: от обустройства кустарных врезок вплоть до террористических актов. В то же время, российские продуктопроводы сами все чаще становятся источником серьезной опасности. По данным Института стратегического развития ТЭК, срок эксплуатации только 7 % магистральных нефтепроводов страны не превышает 10 лет; 25 % нефтепроводов эксплуатируется 10-20 лет, 34% - уже 20-30 лет и еще 34 % - более 30 лет. Таким образом, более 2/3 российских магистральных нефтепроводов работают более 20 лет, т.е. достигли критического возраста».

По данным МЧС, в России из-за аварий происходит не менее 20 тыс. разливов нефти в год. Как отмечалось на конференции «Международный опыт борьбы с разливом нефти и ликвидация аварий в связи с разрывом трубопроводов, по которым транспортируются нефть и нефтепродукты», ежегодно из-за физического износа и коррозии из трубопроводов по всему миру вытекает от 10 млн. до 15 млн. т нефти - примерно столько добывает в год не самая мелкая нефтяная компания.

Российская компания «Петролайт» разработала систему непрерывного мониторинга протяженных объектов (СМПО), которая гарантирует практически мгновенное обнаружение места утечки флюида из трубопровода или участка, на котором предпринимается попытка сделать врезку, причем еще на стадии земляных работ. В основе конструкции СМПО лежит использование принципа рефлектометрии оптоволоконного кабеля, который играет роль распределенного датчика виброакустических возмущений окружающей среды.

В состав системы входят оптоволоконный кабель серийного производства, логический модуль и персональный компьютер оператора, соединяемый с логическим модулем посредством любого существующего протокола связи. Схема прокладки кабеля над трубопроводом показана на рис. 1. Датчик СМПО реализован на серийном бронированном оптоволоконном кабеле ОКЛ-0,22 диаметром 13 мм, не имеющем в своем составе проводников электрического тока, размещенном в оптимальном случае на глубине 0,5 м.

Система мониторинга протяженных объектов обладает следующими параметрами:

- точность локализации воздействия - +5 м;

- длина участка, контролируемого одним модулем СМПО - до 140 км;

- число каналов измерения - до 28 тыс.;

- временное разрешение в каждом канале - 1 мс;

- чувствительность - интерференционная, на уровне 0,1 рад;

- механическая чувствительность по отношению к удлинению оптического волокна - не ниже 4-108 м;

- взаимное влияние каналов - не более 10 дБ для соседних каналов;

- возможное число одновременно регистрируемых одинаковых и/или различных воздействий - по числу каналов измерения.

Технологии, реализованные в СМПО компанией «Петролайт», позволяют получать одночастотный режим генерации лазерного источника излучения, при этом ширина линии излучения составляет 105 - 106 Гц. Работа волоконного рефлектометра с таким источником приводит к появлению в рефлектограмме квазихаотических пиков, обусловленных случайной фазой рассеянного в волокне излучения. Это затрудняет определение параметров световода, однако обусловливает появление нового качества - фазовой чувствительности оптического волокна к внешним воздействиям. Использование рефлектометрического принципа, аналогичного радиолокационному, позволяет однозначно и с высокой точностью определять место и тип воздействия.

Для определения координаты внешнего воздействия оптоволоконный тракт разбит на независимые каналы, число которых на одном плече может достигать 14 тыс. В каждом канале проводятся отсчет амплитуды сигнала с заданной дискретизацией и цифровая обработка полученной информации. На фоне регистрируемых системой медленных изменений сигнала в каждом канале ярко выделяются локальные возмущения (акустические, механические, тепловые и др.). Они существенно ускоряют модуляцию интенсивности излучения, рассеянного с данного отрезка световода, делает возможным с использованием соответствующей математической обработки точно определять координаты области и тип воздействия.

ЗАО «Промтехинвест» на одном из подмосковных полигонов организовало цикл презентаций и полевых испытаний СМПО. В ходе тестов, на которые были приглашены специалисты крупнейших российских энергетических компаний, выявлены важные особенности системы, которые могут существенно расширить спектр ее применения. Так, не было зафиксировано ложных срабатываний, что обусловлено технической реализацией процесса получения и обработки информационного сигнала и точностью локализации воздействий СМПО при большом числе одновременных одинаковых или различных воздействий на кабель по всей его длине. Точность определения характера воздействия позволила определить даже частоту вращения двигателя автомашины, использовавшейся для имитации приближения возможных злоумышленников. Кроме того, непрерырывный анализ спектра колебаний контролируемого объекта по всей ширине диапазона позволяет надеяться, что в дальнейшем система мониторинга позволит контролировать степень износа трубопровода, своевременно определять участки, достигшие критического состояния.

В процессе полевых испытаний для проверки работоспособности СМПО были проведены опыты по определению и локализации следующих видов воздействий: земляные работы в охраняемом коридоре подземного трубопровода, подъезд тяжелого транспорта к охраняемому коридору, различные воздействия на металл трубопровода, утечка транспортируемого флюида из трубопровода, обрыв кабеля. Образцы полученных сигналов для некоторых видов воздействия приведены на рис. 2-6. Таким образом. СМПО, разработанная компанией «Петролайт», позволяет при относительно низких затратах обеспечить высокую степень защиты различных протяженных объектов (трубопроводов, линий электропередач, автомобильных и железнодорожных магистралей) от любых попыток нарушения их целостности, что существенно снижает риск экономического и экологического ущерба, способствует увеличению прибыли. Разработка запатентована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам; сертифицирована Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии, а также МВД России.

Представляется, что идеология СМПО, ставшая плодом труда российских ученых, созвучна требованиям текущего момента. Ведь повышение безопасности трубопроводов, нарушение которой чревато серьезными проблемами экономического и геополитического характера, стало одной из первоочередных задач государственной политики России. Это нашло отражение в частности в намерении Российской Федерации, председательствующей в 2006 году в «Большой восьмерке», сделать энергетическую безопасность стержневой темой российских форумов «G-8».

Журнал «Нефтяное хозяйство» № 5, 2006