Сайдулин Е.Г.
директор ООО «ЭТРА-спецавтоматика», Новосибирск
E-mail автора - Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Аннотация

Предлагается система мониторинга целостности трубопроводов на основе непрерывного теплового контроля пространства вокруг трубопровода и непосредственно на нем с помощью чувствительного оптико-волоконного кабеля большой протяженности. В статье подробно описывается научный подход, методика обнаружения и непосредственно техническое решение данной проблемы.

В начале нашей статьи процитируем директора компании PIPELINEBRAZIL Marcelino Guedes Gomes

«Когда специалисты из других отраслей спрашивают нас о наиболее важных видах деятельности в трубопроводах, мы обычно называем три области. Первая - это Управление операционными рисками, вторая - Целостность трубопровода, а третья - Контрольно-измерительные приборы и Управление технологическим процессом.

Первая область говорит нам, можем ли мы эксплуатировать трубопровод или нет;
вторая - показывает нам состояние конструкции трубопровода, включая стенку трубы, которая удерживает продукт внутри трубопровода,
и третья - даёт нам условия для мониторинга работы.

Не желая обсуждать, что является наиболее важным, мы не сомневаемся, что системы обнаружения утечек, определения местоположения и мониторинга являются одним из наиболее важных направлений и все трубопроводчики из диспетчерской знают об этом.» [100]

100. Marcelino Guedes Gomes, Director. PIPELINEBRAZIL Pipeline Leak Detection, Location and Monitoring systems. Past and FuturePipeline Technology Journal №2/2021

Трубопроводы являются основой образа жизни современных сообществ и абсолютно необходимы для транспортировки воды, газа, нефти и всех видов продуктов. Неисправности в этих системах не только приводят к перебоям в обслуживании и финансовым потерям, но и могут привести к утечкам, вызывающим загрязнение окружающей среды или даже катастрофические аварии.

Трубопроводы сегодня являются высоконадёжным и безопасным транспортным средством. Однако утечки и катастрофические события все же случаются. По статистике около 50% всех утечек были вызваны деятельностью третьих лиц, за которыми следовали разрушения конструкции, материалов, коррозия и движение грунта. Большинства утечек можно было бы избежать, если бы действия третьих лиц могли быть обнаружены вовремя, чтобы вмешаться до того, как возникнет фактическая утечка. Несмотря на усилия по отслеживанию полосы отвода трубопровода путём обхода, объезда и облёта по полосе отвода, полный охват полосы отвода трубопровода с помощью оборудования для мониторинга в реальном времени долгое время был невозможен. Это связано с непомерно высокими затратами на установку, эксплуатацию и обслуживание буквально тысяч точечных датчиков, таких как датчики вибрации или движения и видеокамеры, которые должны быть установлены, включая источники питания и средства связи, вдоль трассы трубопровода с использованием классической технологии.

Эти и многие другие проблемы могут быть решены с помощью распределённых волоконно-оптических сенсорных кабелей, которые чувствительны по всей своей длине и способны определять температуру с высокой точностью определения местоположения. Поскольку волоконно-оптические кабели нечувствительны к электромагнитной совместимости, разработаны для тяжёлых условий и независимости от дополнительного полевого источника питания или дополнительных коммуникационных установок, они оптимально подходят для приложений мониторинга распределённых трубопроводов [200].

200. Jochen Frings, ILF Consulting Engineers, Germany, Enhanced Pipeline Monitoring with Fiber Optic Sensors, 6th Pipeline Technology Conference 2011

Для измерения непрерывного профиля температуры на большие расстояния используется оптическое волокно, в которое направляется сигнал лазера.

Оптоволокна изготавливаются из синтетического кварцевого стекла. Воздействия на оптоволокно, такие как тепловое, давление, растяжение могут повлиять на волокно и точечно изменить светопроницаемость волокна.

Тепловое воздействие вызывает колебания молекул внутри массива кварцевого стекла оптического волокна. Когда свет лазера попадает на возбуждённые молекулярные колебания, то происходит взаимодействие фотонов и электронов в молекуле. В оптоволокне происходит рассеяние света, известное как рассеяние Рамана.

Если молекула вещества оптоволокна перешла в возбуждённое состояние, то в спектре рассеяния появляются линии, имеющие большую длины волны по сравнению с несущей длины волны лазерного импульса (т.н Стокс). Обратный процесс перехода молекулы оптоволокна из возбуждённого состояния именуется анти-Стокс.

Всё это означает, что после того как в оптоволокно входит лазерный импульс с несущей частотой ν0, то в спектре обратно рассеянного света будет наблюдаться центральный пик на несмещённой частоте ν0 и два дополнительных пика, смещённых на частоту ν: νs= ν0-ν (Стокс) и νas= ν0+ν (анти-Стокс) (рис.1).

Рисунок 1 – Рассеяние света в оптическом волокне

Заселённость возбуждённого уровня напрямую зависит от температуры вещества, а значит, и интенсивность анти-Стоксовой компоненты будет проявлять температурную зависимость.

Следовательно, измеряя соотношение стоксовой и анти-стоксовой компонент, получаем температуру в месте точечного теплового воздействия. Для этого сигнал полупроводникового лазера направляется в оптоволокно и проводится анализ отражённого света. Время, затраченное на возврат отражённого света от места возбуждения, позволяет определить местоположение теплового воздействия.

Этот принцип действия позволяет использовать оптические волокна длиной несколько километров для измерения температур на объектах большой длины или площади.

Как всякая измерительная система, система, использующая оптоволокно имеет определённые характеристики обнаружения теплового воздействия.

Длина измеряемой части описывается диапазоном измерения расстояния (Measurement distance range) и предельная длина для многомодового кабеля составляет порядка 10 км для одномодового – порядка 40 км.

Важное значение имеет точность определения теплового воздействия. Этот параметр впрямую зависит от пространственного разрешения (Spatial resolution), которое, в свою очередь состоит из ряда измерений, расстояние между которыми определяется дискретностью данных по дальности (Sampling resolution).

Система ТОРЕКС. Состав и работа.

Система ТОРЕКС предназначена для обеспечения автоматического мониторинга протяжённых объектов и выделения предаварийных и аварийных состояний путём контроля температуры.

Автоматический мониторинг изменения температуры объектов позволяет перейти к техническому обслуживанию по текущему состоянию устройств, перейти к возможности автоматического обнаружения повреждения механизмов, которое может вызвать останов оборудования и возгорание в том числе.

ТОРЕКС – это Тепловой Оптико-волоконный РЕгистратор Критических Состояний.

ТОРЕКС анализирует температуру объекта, выделяет тренд температуры на фоне температуры окружающего воздуха и позволяет определить критические состояния оборудования «Внимание» и «Неисправность» и, что важно для быстрого устранения неисправности - указать место роста температуры, т.е. расстояние в метрах до места неисправности.

Для задачи контроля перегрева и возгорания малоразмерных, функционально связанных объектов использование оптоволоконного кабеля как чувствительного элемента позволяет обеспечить тепловой контроль над многими объектами. При этом система содержит меньшее количество компонентов, по сравнению с точечными датчиками, что всегда положительно влияет на надёжность системы в целом.

Система ТОРЕКС состоит из блока оптоволоконных датчиков, который устанавливается вблизи у контролируемого объекта и соединяется с компьютером линией связи.

Блок оптоволоконных датчиков проводит мониторинг температуры объекта, для чего в качестве чувствительного элемента использует до 4 оптоволоконных кабелей, каждый длиной до 4000 метров. Измерение по каждому каналу независимы.

Полученные данные передаются в компьютер с аналитической программой, назначение которой определить степень опасности измеренной температуры для контролируемого объекта и в виде сигналов «норма», «внимание» и «опасность» передать на рабочее место оператора. Сигналы имеют свой адрес, которым является расстояние от блока оптоволоконных датчиков. Это позволяет быстро определить повреждённый объект или участок.

В системе автоматической диагностики ТОРЕКС удалось добиться высокого разрешения температуры, высокого разрешения по дальности: блок волоконно-оптического датчика проводит измерения контрольных точек с шагом (Sampling resolution) 0,1 м, что позволяет обеспечить пространственное разрешение 0,5 м и высокую надёжность измерения температуры.

Малое пространственное разрешение позволяет обнаруживать тепловые потоки меньшей, чем обычно, мощности.

Оптоволоконный кабель (ОК) содержит измерительную среду – оптическое волокно (ОВ). Оптическое волокно является одновременно датчиком температуры, средой для получения данных и средой обеспечения питания всего чувствительного элемента (рис.2).

Рисунок 2 – Оптоволоконный кабель чувствительного элемента системы ТОРЕКС

Само по себе оптоволокно весьма хрупкое. Для обеспечения сохранности оптическое волокно защищается стальными защитными нитями и полимерной оболочкой. Эта конструкция называется оптическим кабелем. Структура кабеля показано на рис. 3. Оптоволоконный кабель обеспечивает достаточно высокие механические характеристики.

Рисунок 3 – Структура оптоволоконного кабеля

Оптоволоконный кабель, используемый в качестве чувствительного элемента, обладает следующими достоинствами:

• - Многоразовость. Оптоволоконный кабель не разрушается при обнаружении перегрева или пожара, поэтому может их обнаруживать неоднократно. Поскольку кабели могут быть проложены в трубах, за обшивкой (особенно суда), то средство их контроля по сроку службы должно совпадать с контролируемым объектом.
• - Устойчивость к электромагнитным помехам. Если оптоволоконный кабель используется для мониторинга объектов в условиях ЭМП, то очень важно его способность быть невосприимчивым к ЭМП, что обеспечивает его работоспособность в условиях 4 степени жёсткости электромагнитной обстановки (самая тяжёлая ЭМО). Поскольку речь идёт об объектах, вызывающие электромагнитные помехи, то контролирующее устройство должно быть устойчиво к ЭМО 3-4 степени жёсткости.
• - Адресность. Контролирующее устройство позволяет максимально точно определить место повреждения.

Система ТОРЕКС. Трубопроводный транспорт

Трубопроводный транспорт – один из наиболее распространённых видов транспорта, обеспечивающих доставку горячей и водопроводной воды, нефти, газа, кислот и прочее.

Проблемой и причиной убытков являются утечки из труб. Ситуация осложняется тем, что трубы зачастую находятся под землёй и их нельзя визуально осмотреть и своевременно принять меры по устранению утечек. Утечка это место разрыва трубы и она может только увеличиваться, быстро или медленно – но расти.

Одним из признаков утечки является изменение температуры грунта вследствие воздействия на грунт тепловым потоком носителя.

Распределённый и функциональный мониторинг температуры может значительно улучшить управление трубопроводом и безопасность. Регулярно получая параметры, отражающие функциональное состояние напорного трубопровода, мониторинг может помочь предотвратить отказ, вовремя обнаружить проблему и её положение, вовремя провести техническое обслуживание и ремонт. Таким образом повышается безопасность, оптимизируются затраты на техническое обслуживание и снижаются экономические потери. Наиболее интересными функциональными параметрами являются распределение температуры, утечка и стороннее вторжение.

Использование точечных датчиков температуры практически невозможно, поскольку требует установки тысяч тепловых датчиков, обеспечения их питанием и подключение к системе сбора данных.

Существуют методы контроля, сравнивающие расход в начале и конце трубопровода. При появлении разницы расходов для поиска места утечки по трассе трубопровода используются ручные приборы. Однако такие методы связаны с большими трудозатратами и отличаются невысокой оперативностью.

Система мониторинга ТОРЕКС использует в качестве чувствительных элементов 4 оптоволоконных кабеля длиной до 4000 метров. Каждый оптоволоконный кабель заменяет собой несколько тысяч точечных тепловых датчиков, а также систему питания и среду передачи данных.

Разрешающая способность по длине системы ТОРЕКС позволяет локализовать утечку с точностью 0,5 метра.

Оптоволоконный кабель системы ТОРЕКС успешно эксплуатируется в диапазоне температур от минус 40° до +70°С, обладает высокой степенью взрывозащиты и не может быть причиной возгорания вытекающего огнеопасного или взрывоопасного носителя.

Конструктивно оптоволоконный кабель защищён стальными проволоками и устойчив к сжатию и к грызунам.

Основной принцип обнаружения утечек в трубопроводе с помощью волоконно-оптического датчика очень прост: когда утечка происходит из трубопровода, то распределение температуры в определённом месте вдоль трубопровода изменяется. Изменение температуры локализовано как в пространстве, что определяет место утечки, так и во времени, что определяет начало утечки.

Вид температурного возмущения зависит от типа трубопровода и транспортируемого носителя. Например:

• - вытекающая жидкость теплее окружающей почвы, что характерно для подземных жидкостных и нефтяных трубопроводов (рис.4);
• - вытекающая жидкость холоднее окружающей почвы, это типично для водопроводов;
• - выбрасываемый газ вызывает местное охлаждение за счёт падения давления, это характерно для подземных, подводных, надводных трубопроводов.

Рисунок 4: Профиль температуры почвы вокруг нефтепровода (зима) [250].

250. Jochen Frings, ILF Consulting Engineers, Germany, Enhanced Pipeline Monitoring with Fiber Optic Sensors, 6th Pipeline Technology Conference 2011

Вытекающая жидкость изменяет теплоёмкость грунта и влияет на естественные температурные циклы день/ночь.

Вышеуказанные виды распространения теплового потока влияют на правильное размещение кабеля по отношению к трубопроводу.

В случае заглублённого нефтепровода или трубопровода с горячей водой лучшее место для чувствительного элемента (оптоволоконного кабеля) - под трубой, но не в непосредственном контакте. В этом случае существует максимальная вероятность сбора вышедшей жидкости, независимо от места утечки (рис.5). Для обеспечения требуемой разницы температур необходимо соблюдать расстояние более полуметра от нижней части трубы [200].

Рисунок 5 – Размещение оптоволоконного кабеля под трубопроводом для обнаружения утечки жидкости.

Если трубопровод установлен ниже уровня грунтовых вод или под водой, нефть будет иметь тенденцию подниматься, а не опускаться. В этом случае правильное размещение изменяется на противоположное.

Как уже было отмечено, утечка газа вызывает падение температуры в месте утечки. В результате охлаждается трубопровод и грунт, в котором расположен трубопровод. Лучшее место для оптоволоконного кабеля чувствительного элемента температуры в такой ситуации - это прямой контакт с поверхностью трубопровода. В этом случае используются хорошие теплопроводные свойства самого трубопровода, чтобы передать охлаждение от места утечки к оптоволоконному кабелю. Пример такой установки изображён на рисунке 6.

Рисунок 6 – Размещение оптоволоконного кабеля над трубопроводом для обнаружения утечки газа и вскрытия грунта.

Такое же размещение оптоволоконного кабеля может использоваться для обнаружения вскрытия грунта над трубопроводом (рис.6). Когда поверхность трубы подвергается воздействию воздуха, это также вызывает локальное тепловое изменение, которое может быть обнаружено с помощью того же кабеля. В этой ситуации, очевидно, лучшим местом размещения оптоволоконного кабеля является размещение над трубопроводом.

Рисунок 7 – Укладка трубопровода с закреплённым оптоволоконным кабелем чувствительного элемента (оранжевый). Фото из журнала Pipeline Technology Journal 2/2021

Аналогичный подход используется для обнаружения факта и места утечки из трубопровода для транспортировки рассола (Brine pipeline) [400].

Трубопровод для транспортировки рассола - распространённый способ транспортировки соли из соляных шахт, соляных колодцев и раковин к местам испарения соли (солончаки, солончаки). Рассольные трубопроводы также используются в нефтяной и газовой промышленности, а также для удаления солей и загрязнений из источников водоснабжения.

На рис. 8 показаны результаты испытаний для сертификации системы в качестве системы обнаружения утечек для трубопровода с рассолом. Трубопровод был закопан на глубине около 1,80 м. Разница температур между протекающим рассолом и окружающей почвой составляла около 5°C. Чувствительный кабель был установлен вдоль трубопровода в положении "6 часов". Нижние кривые на рис. 8 показывают температуру почвы перед появлением утечки. Верхние кривые показывают распределение температуры вокруг утечек при скорости утечки 50 мл/мин.

Рис 8: Распределение температуры по трубопроводу с рассолом со скоростью утечки 50 мл/мин

[400] Stephan Grosswig (GESO GmbH & Co. Projekt KG), Pipeline leakage detection using distributed fibre optical temperature sensing. Article in Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering · May 2005 DOI: 10.1117/12.623803

Система ТОРЕКС. Работа.

Система ТОРЕКС с помощью блока оптоволоконного датчика температуры получает термограмму вдоль трубопровода, анализирует её абсолютное значение, среднее на участке, прирост и скорость прироста температуры и выделяет сигналы «внимание» и «неисправность», которые отображаются на мониторе диспетчера.

На рис.9,10 показана термограммы, полученные блоком оптоволоконного датчика температуры системы ТОРЕКС, на которых можно увидеть положительный прирост температуры (рис.9), снижение температуры (рис.10) причиной которых была утечка носителя. На термограмме по пику скачка можно определить расстояние до скачка температуры.

Рисунок 9 – Положительный прирост температуры из-за утечки горячего носителя. Длина оптоволоконного кабеля 1870 метров, место утечки на расстоянии 960 м.

Рисунок 10 – Отрицательный скачок температуры из-за утечки холодного носителя. Длина оптоволоконного кабеля 1870 метров, место утечки на расстоянии 960-980 м.

Используя 4 канала системы ТОРЕКС можно вдоль трубопровода проложить 4 оптоволоконных кабеля, расположив под трубой, слева и справа от трубы, на трубе, тем самым уменьшая время обнаружения от разного рода утечек.

При возникновении нагрева или охлаждения система позволяет определить местоположение повреждения с точностью 0,5 м.

Оптоволоконный кабель многоразовый, его не требуется заменять после каждого инцидента.

Конструкция кабеля самонесущая, использует защитные стальные нити, прочность его на растяжение сопоставима с несущим тросом такого же диаметра.

Кабель герметичен и не подвержен проблемам пыли и влажности.

Оптоволоконный кабель взрывобезопасен, обеспечиваемая маркировка взрывозащиты Ex op is IIC T6 Gа / Ex op is I Ма / Ex op is T85°C IIIC Da.

Блок датчиков, к которому подключаются оптоволоконные кабеля и который обеспечивает измерение температуры по оптоволоконным кабелям ударопрочный, взрывозащищённый. Блок датчиков собран в ударопрочной оболочке, при необходимости – во взрывозащищённом исполнении. Блок подключается к компьютеру для продолжения проведения анализа температур и отображения в форме, удобной для восприятия оператором.

Маркировка взрывозащиты блока датчиков 1Ex d [ia Ga] [Ex op is Gа] IIC T6 Gb/ PB Ex d [ia Ma] [Ex op is Ма] I Mb/ Ex ta [ia Da] [Ex op is Da] IIIC T85°C Da для оболочки из нержавеющей стали и 1Ex d [ia Ga] [Ex op is Gа] IIC T6 Gb / Ex tb [ia Da] [Ex op is Da] IIIC T85°C Db для оболочки из алюминиевого сплава.

Цель системы ТОРЕКС – это выделение неисправных участков, потенциально неисправных участков и предоставление полученных результатов оператору в удобной для него форме либо вышестоящей автоматизированной системе.

Система ТОРЕКС обеспечивает мониторинг каждого канала с шагом в 0,5 м, выделяет зоны нормальные, зоны потенциально опасные и зоны опасные. При этом система в расчёте на одну точку контроля имеет небольшую стоимость.

Выходным индикатором системы является экран монитора компьютера оператора. На нем выводится текущее состояние наблюдаемых объектов.

Рисунок 11 – Экран рабочего места оператора ТОРЕКС, демонстрационный режим. Зелёный – норма, жёлтый – «внимание», красный – «неисправность объекта».

Система ТОРЕКС обеспечивает автоматический поиск неисправных участков в режиме 24/7, что позволяет осуществлять устранение проблем по факту неисправности.

Заключение

Волоконно-оптический метод измерения температуры открывает новые возможности для решения краткосрочных и долгосрочных задач мониторинга температуры. Приведённые выше результаты показывают, что утечки в трубопроводах могут быть обнаружены и локализованы с помощью этой технологии, даже если скорость утечки невелика. Так, могут быть обнаружены скорости утечки 50 мл/мин на трубопроводах для рассола и 10 мл/мин на химических трубопроводах.

Подводя итог, можно сказать, что технология волоконно-оптического зондирования, реализованная в системе ТОРЕКС, способна обнаруживать и определять место опасных ситуаций на ранней стадии и, таким образом, оптимизировать процессы, минимизировать возможный ущерб и предупреждать людей.

Система ТОРЕКС разгружает оператора от необходимости анализировать последовательность термограмм, предоставляя оператору экспертное суждение о месте неисправности и необходимом внимании к повреждённому участку.

Благодарности

Численный расчёт нагрева кабеля от источника нагрева малой площади выполнен в рамках государственного задания ИТ СО РАН.