На сегодняшний день наибольший интерес для создания систем мониторинга объектов трубопроводной инфраструктуры представляют технологии распределенного измерения эффектов рассеяния Мандельштам-Бриллюэна, Рамана и Рэлея, которые способны предоставлять данные об опасных тенденциях изменения параметров, указывающих на потенциальный выход этих объектов из строя. Принцип действия данных технологий основан на регистрации обратного рассеяния света в оптическом волокне сенсора при прохождении через него оптического импульса и измерения интенсивности или частоты этого излучения

Для измерений, основанных на регистрации сдвига частот вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), возникающего в распределенных волоконно-оптических сенсорах при деформационных и температурных воздействиях на них, применяется оптический импульсный спектроанализатор. К одному анализатору может быть подключено до 20 участков мониторинга по топологии типа «звезда», каждый такой участок может быть протяженностью до 80 км (160 км между анализаторами).
При реализации метода измерений с использованием Рэллевского рассеяния применяется виброакустический анализатор, принцип работы которого основан на фазовой чувствительности волоконно-оптического кабеля к внешним акустическим и вибрационным воздействиям. Диапазон действия такого анализатора при двухстороннем подключении составляет 80 км (40 км в каждую сторону). При использовании внешнего оптического переключателя число подключаемых сенсоров может быть увеличено до 8.
Третий тип анализатора работает на основе Рамановского рассеяния и может быть использован для контроля распределения температуры на участках продуктопроводов небольшой протяженности до 50км.
Сенсор представляет собой специальный волоконно-оптический кабель, который в зависимости от конструкции (способа фиксации и защиты оптического волокна) может быть чувствителен к температуре и/или деформации, а также акустическим и вибрационным воздействиям. При этом сенсор является полностью пассивным устройством, не требующим электропитания. Он подключается к анализатору либо петлей, либо с одного конца и размещается вдоль всего контролируемого участка.

Элементы системы мониторинга

Волоконно-оптическая система геотехнического мониторинга (ВОС ГТМ)

ВОС ГТМ реализована на принципе Бриллюэновского рассеяния и предназначена для сбора, обработки, хранения и передачи информации о геотехническом состоянии магистральных трубопроводом в автономном периодическом режиме по следующим параметрам:

• распределенной температуре грунта вдоль трассы трубопровода (обнаружения утечки продукта из трубопровода, обнаружения растепления многолетнемерзлого грунта);
• деформации грунта вдоль трассы трубопровода (относительно начального состояния):
         обнаружение провалов грунта вследствие карстовых или суффозионных проявлений;
         обнаружения смещений грунта вследствие оползневых процессов;
         обнаружение смещений грунта в зонах активных тектонических разломов;
•  распределенной температуре трубопровода (температуры продукта по длине трубопровода);
• параметрам напряженно-деформированного состояния трубопровода (относительно начального состояния): 
       продольные растягивающие и сжимающие деформации контролируемых образующих трубопровода, вызванные растяжением-сжатием и изгибом трубопровода;
        поперечное перемещение трубопровода вследствие геологического или техногенного влияния. 

Волоконно-оптическая система предупреждения опасных процессов на продуктопроводах

При распространении непрерывного зондирующего излучения и короткого импульса накачки, направленных навстречу друг другу с разных концов, в оптическом волокне возникает ВРМБ со сдвигом частоты рассеянного сигнала относительно сигнала накачки. За измерение этого сдвига отвечает оптический импульсный спектроанализатор ВРМБ, который является измерительным прибором программно-аппаратной части системы. Уникальная методика обеспечивает быстрые и точные замеры температуры и деформации с высоким пространственным разрешением и большим динамическим диапазоном (26 дБ в канале и от 14 дБ в сенсоре). Измерения проводят в режиме реального времени непрерывно по всей длине волокна.
В линейную часть системы входит волоконно-оптический сенсор (ВОС) температуры и деформации. Это бронированный (предусмотрено различное исполнение в зависимости от решаемой задачи) волоконно-оптический кабель, который монтируется на дне траншеи вдоль трубопровода, либо непосредственно на самом трубопроводе, также возможна его укладка в отдельной траншее рядом с трубопроводом.
Программное обеспечение осуществляет комплексный контроль трубопроводной системы, разделяя ее на зоны, каждой из которой соответствуют определенные пороговые значения температуры и деформации, а также различные относительно степени повреждения уровни предупреждений и тревог. Таким образом, даже малейшие температурные изменения могут бать успешно идентифицированы системой как начало утечки, а обнаруженные локальные напряжения в кабеле как ранние признаки подвижек грунта.

Смещение грунта

Контроль смещений грунта позволяет выявить потенциальное опасные явления на ранней стадии и таким образом предотвращать повреждение крупных сооружений и объектов, таких как автомобильные и железные дороги, трубопроводы, здания и др.
При любом протаивании либо пучении грунта, оползневых смещениях грунта и т.д. секция сенсорного кабеля, находящаяся в месте подвижек грунта, будет испытывать дополнительное натяжение/сжатие (деформацию).
            Согласно рисунку ниже (рис. 4), секция d сенсорного кабеля будет испытывать деформацию ɛ, в отличие от остальной части сенсора. Удлинение сенсора ∆d зависит от поперечного смещения L и ɛ определяется как:

Преобразуя формулу, получаем:

где отношение L / d дает информацию о величине смещения сенсорного кабеля.

Рисунок 4 - Схема, поясняющая принципы регистрации смещения грунта

В целях обеспечения отсутствия проскальзывания сенсора деформации грунта при грунтовых подвижках (для повышения точности системы) внешнюю оболочку сенсора делают волнистой (гофрированной). Кроме того, используют так называемые якоря, эффективная площадь парусов которых и частота установки подбирается исходя из типа грунта и требуемой точности системы мониторинга. Отличительной особенностью якоря, представленного на рис.4.Б является то, что при больших подвижках грунта при приближении к максимально допустимым растягивающим усилиям, характерным для той или иной конструкции сенсора деформации грунта, срабатывают предохранители и якорь отсоединяется от сенсора. Это снимает значительную часть нагрузки с сенсора, позволяет ему частично проскальзывать в грунте и таким образом спасает сенсор от повреждения (обрыва).

Рисунок 5 – Сенсоры деформации грунта с обычным якорем и с якорем с предохранителем

Мониторинг подвижек грунта

Наибольшую опасность в сейсмоустойчивых районах среди почвенных процессов для целостности железных дорог представляют оползневые склоновые процессы и эрозия почвы. В свою очередь эрозия почвы наблюдается в следующих условиях:

•  на болотных участках;
•  на участках с высоким уровнем подземных вод;
•  на переходах через русла рек
•  в горных районах
•  в северных районах с мерзлыми грунтами

Рисунок 6

Деформации продуктопровода

Для критически опасных участков залегания продуктопровода, когда информации о смещениях грунта в непосредственной близости от трубы недостаточно, разработана система мониторинга распределения деформации трубопровода. В этом случае сенсорные кабели инсталлируются непосредственно на трубопровод, что позволяет контролировать в реальном времени поведение трубопровода в пространстве, строить его 3D-модель (для этого нужно 3 (три) сенсора деформации на трубе), точно рассчитывать деформации, возникающие на разных участках трубопровода (напряженно-деформированное состояние металла трубопровода по всей длине). Достигается это с помощью соответствующих программных комплексов математического моделирования. Диапазон измерения такой системы составляет 10 000 микрострейн (10 мм/м) с чувствительностью от 25 микрострейн (25 мкм/м), которые зависят от ряда факторов (количество и место расположения сенсоров, метод крепления сенсоров к трубе, наличие температурной компенсации, длина контролируемого участка, периодичность опроса, алгоритм математической интерпретации и т.д.).

Рисунок 7 – Сенсорные кабели

Рисунок 8 – Автоматизированный комплекс разработки, способный одновременно инсталлировать 3 сенсора деформации трубы вместе с защитой со скоростью до 5м/мин

Утечки

Традиционные методы диагностики дефектов трубопроводных систем требуют достаточно большого объема подготовительных работ (очистка, обследование, развертывание специального оборудования и т.д.), тем самым способствуя увеличению времени простоя. Точная же локализация места утечки с помощью систем распределенного мониторинга температуры способна сократить время реакции на событие, снизить потери продукта, сократить простой производства, а также вредное воздействие на окружающую среду. Таким образом, применение систем обнаружения утечек на основе распределенных датчиков температуры позволяют оперативно обнаружить факт утечки, установить место ее образования и свести к минимуму время простоя трубопроводной системы. Волоконно-оптическая система обнаружения утечек из трубопроводов может быть построена на принципе Бриллюэновского или Рамановского рассеяния.

Общий принцип обнаружения утечек основывается на данных анализа температурных эффектов, происходящих вблизи трубопровода. При возникновении утечки происходит образование т.н. теплового пятна. Для газопроводов утечка газа приводит к понижению его температуры вследствие эффекта Джоуля-Томсона. Для нефтепроводов утечка приводит к повышению температуры вмещающего грунта.

Рисунок 9 – Схема обнаружения утечек. Утечки газа или эрозия вызывают резкое локальное понижение температуры (образование “холодного пятна”). Утечки нефти вызывают резкое локальное повышение температуры (образование “горячего пятна”)

Утечки метана на магистральных газопроводах

В мире потери газа достигают нескольких млрд. куб. м ежегодно, что в свою очередь, приводит к существенному экономическому ущербу и серьезным экологическим последствиям. Для безопасной эксплуатации газотранспортных систем необходимо регулярное инспектирование и контроль состояние объектов с целью своевременного обнаружения утечек газа.
        Уникальная разработка ВОС обнаружения взрывоопасной концентрации метана в воздухе позволяют удаленно (дальность действия до 40 км) детектировать взрывоопасные концентрации метана на объектах инфраструктуры газопроводного транспорта.

Рисунок 10 – Принципиальная схема решения на основе датчиков метана

Принцип действия системы с применением ВОД обнаружения взрывоопасной концентрации метана в воздухе состоит в следующем:

• Световые сигналы через оптическое волокно посылаются к датчикам метана, установленным в необходимых для мониторинга локациях.
• Присутствующие в датчиках концентрации метана частично поглощают свет и преобразовывают возвращающийся световой импульс.
• Показания датчиков обновляются ежесекундно, что позволяет удаленно отслеживать концентрацию метана на рабочем месте оператора.

Данная система осуществляет мониторинг концентрации метана в стандартных средствах вентиляции (вытяжные свечи) переходов трубопровода через автомобильные и ЖД трассы, оповещение соответствующих служб заказчика о достижении концентрации метана в измеряемом протоке атмосферного воздуха величины в 0.1 нижнего предела взрывной концентрации (нижнего предела концентрации поддержания горения).