Тепловые методы
УДК 621.383
ДИСТАНЦИОННАЯ ДИАГНОСТИКА ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ПО ТЕПЛОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ
Б.Н. Епифанцев
Для оперативного прогнозирования чрезвычайных ситуаций на трассе пролегания подземных магистральных трубопроводов предложено использовать модернизированный вариант получения и анализа теплового изображения этой трассы. Его особенность — формирование имитаторов предвестников чрезвычайных ситуаций и последовательность операций по преобразованию "диагностической" информации в принимаемые решения.
Ключевые слова: трубопровод, утечка, врезка, тепловое изображение, адаптивный порог, надежность обнаружения.
ВВЕДЕНИЕ
В [1] обоснована необходимость развития и расширения сферы применения физических методов и средств диагностики действующих трубопроводов, указывается на наличие бортовых оптико-электронных, инфракрасных и радиолокационных приборов, которые могли бы быть использованы при вертолетных исследованиях для обнаружения мест утечек нефти, определения водонасыщенности участков трассы и др.
В [2] проблема обеспечения трубопроводной сети надежными системами диагностирования возводится в ранг особо актуальной со ссылкой на отраслевые документы, правительственные постановления, утвержденные программы.
Реализуемость обозначенного направления диагностики магистральных трубопроводов заметно возросла с появлением сравнительно недорогих беспилотных летательных аппаратов* Однако сохраняется ряд проблемных вопросов, без решения которых ожидать прогресса в указанном сегменте контроля состояния эксплуатируемых объектов не приходится.
Как известно, диагностика (diagnostics) — установление и изучение признаков, характеризующих состояние технических систем для предсказания возможных отклонений и предотвращения нарушений нормального режима их работы [4]. Прогностические задачи рассматриваемого вида, характеризующиеся длительным временем исполнения принятых решений, изложены в [5]. Способы решения задач, требующих оперативного обнаружения и устранения нарушений безопасной работы трубопровода, в систематизированном виде изложены в [6]. К задачам дистанционной диагностики отнесено обнаружение сквозных дефектов газопроводов с помощью инфракрасных газоанализаторов, устанавливаемых на воздушных носителях. В конце ХХ века в рассматриваемом секторе техносферы обозначились новые проблемы.
Главная особенность трубопроводного транспорта России — чрезмерный износ. Половина всех прорывов трубопроводов в мире (или более двадцати тысяч ежегодно) происходят в Российской Федерации [7]. Сохраняется устойчивая тенденция увеличения аварийности в данном сегменте транспорта на 7—9 % в год [2]. Для обнаружения утечек в основном используют методы, основанные на измерении расхода или давления перекачиваемой жидкости.
* В качестве примера укажем на беспилотный вертолет Nitrohawk, который помещается в багажнике автомобиля, характеризуется скоростью полета 250 км/ч, имеет режим зависания над подозрительным местом, отличается невысокой стоимостью (~1 млн руб.) [3].
Борис Николаевич Епифанцев, доктор техн. наук, профессор кафедры "Информационная безопасность" ФГБОУ ВПО "Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ)", г. Омск Тел. (3812) 24-16-97. E-mail: nigrey.n@mail.ru
Однако пороговая чувствительность этих методов недостаточна для обнаружения утечек малой интенсивности (~1 % от производительности трубопровода). При производительности трубопровода 104 м3/ч за сутки в окружающую среду поступит 2400-103 л нефти. Интервал времени от начала появления утечки до ее обнаружения — важнейший показатель системы диагностики. Необходимость уменьшения величины этого показателя очевидна.
Другим состоянием трубопровода, подлежащим обнаружению, является наличие искусственно созданных приспособлений для хищения перекачиваемого продукта (так называемые "врезки"). Потери от таких хищений только по компании "Транснефть" составляют более 1 млрд руб. в год [8]. При проведении операций по отбору углеводородного сырья часто возникают через-вычайные ситуации (ЧС) [9], ущерб от которых нередко превышает потери от похищенного продукта.
В основу технологии обнаружения врезок положен принцип регистрации изменений расхода перекачиваемого продукта. Нейтрализация возможностей этой технологии злоумышленниками свелась к закачке воды в трубопровод в объеме, равном отбираемому [10].
Учитывая протяженность эксплуатируемых в России магистральных трубопроводов (~230 тыс. км [11]) и прогнозируемый прирост правонарушений обозначенного вида в ближайшей перспективе [12], единственно экономически оправданным вариантом решения поставленной задачи может быть дистанционная диагностика с использованием воздушных носителей. На сегодняшний день неясно, по каким признакам должно оцениваться рассматриваемое состояние объекта контроля.
По-видимому, к третьему виду ЧС на трубопроводе (по масштабу возможных потерь) следует отнести установку боеприпаса для его подрыва. Анализ многочисленной литературы позволяет сделать заключение, что тенденция роста диверсионных актов обозначилась достаточно четко и объясняется причинами системного характера. Общесистемные законы роста в общественных структурах имеют экспоненциальный характер и не обращать внимание на наметившуюся тенденцию было бы неправильно. Достаточно указать на террористическую активность по подрыву нефтепроводов в Нигерии, результаты которой уже привели к снижению экспорта нефти на 25 % [8], чтобы задуматься о методах противодействия этому виду деятельности человека.
Какие физические принципы предложено использовать для раннего обнаружения перечисленных видов нарушений нормального состояния трубопровода?
В патентной литературе в течение 2005—2011 гг. по рассматриваемой тематике предложено 69 технических решений, 20 из которых направлено на совершенствование внутритрубной диагностики, 13 — на измерение расхода продукта, 10 — на обнаружение дефектов электромагнитным методом контроля и др. Для дистанционного обнаружения малых утечек перекачиваемого продукта предложено использовать тепловизионные системы, установленные на воздушных носителях [13].
В периодической литературе найдены 53 статьи, причем 49 % из них посвящены совершенствованию средств измерения расхода и давления, 9,4 %— внутритрубной диагностике и т. д.
На возможность обнаружения малых утечек на начальной стадии их образования по тепловым излучениям подстилающей поверхности указано в [14]. При выбросе нефтепродуктов в грунт на этой поверхности формируется тепловая аномалия в пределах 0,6—6,8 К, под снежный покров 0,5—2 К и т. д. Изображения тепловых аномалий от утечек выглядят преимущественно в виде кругов с рваными краями. При существующей чувствительности тепло-визионных систем (~0,05 К) решить проблему обнаружения утечек на ранней стадии их образования на первый взгляд представляется несложной задачей.
Исследование по обнаружению врезок в трубопровод с использованием тепловизионных средств приведено в [15].
Для установки врезки формируют шурф над трубопроводом. Затем производят раскоп траншеи (шириной 30—40 см) для отвода продукта за границу охранной зоны. В нее укладывают металлическую или пластмассовую трубу диаметром 5—6 см. Далее производят врезку в трубопровод, места раскопов засыпают почвой и маскируют. По данным [15], "места несанкционированных врезок не видны глазом ни с земли, ни с патрульного вертолета и могут быть выявлены последовательным протыканием почвы металлическим прутом". В то же время замаскированный раскоп дешифрируется в дальней ИК-области (8—13,5 мкм) [16]. Однако нестабильность получаемых результатов во времени явилась причиной осторожных рекомендаций использования тепловых излучений для выявления подземных коммуникаций, пустот и др.
Признаками готовящихся диверсий могут служить тепловые аномалии над залегающим трубопроводом определенных размеров и формы.
Таким образом, поставленная задача относится к классу задач по обнаружению малоразмерных целей на фоне помех по тепловому излучению. Среди таких задач наиболее изученной следует считать обнаружение закопанных мин с воздушных носителей [17]. Важнейшим выводом этой работы является экспериментально подтвержденный факт изменения теплового контраста нарушенного и ненарушенного слоев почвы во времени по случайному закону (вплоть до исчезновения контрастов). Как в таких условиях обеспечить достоверность результатов работ по диагностике трубопроводов? Ответ на поставленный вопрос изложен ниже.
1. ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ ДИАГНОСТИКИ ТРУБОПРОВОДОВ ПО ТЕПЛОВЫМ
ИЗЛУЧЕНИЯМ
Надежность обнаружения предвестников ЧС определяется параметрами (амплитуда, форма, размеры) сигнала, интенсивностью помех и маскировочными характеристиками фона (корреляционной функцией). Маскировочные характеристики отражают наличие тепловых аномалий по размерам и форме подобным сигналам.
Под изображением предвестника ЧС будем понимать локальный выброс на исследуемом поле и(х, у) в окрестности произвольной точки (х0, у0)
и(х - х« у - у0) =
и ф +АП
1- (х - х0 ) - (у - У0 )
при (ху)еВ (х-x0,у-У0)
и ф, при (x, у ) В (х - xo, у - У0)
если выполняется условие
(5 > Ь [ и(х - х0, у - у0) - и А > и> 5 ) &
^ тах ^ 4 0? ^ 0/ пр шт^
& (Ь . < Ь. [и(х - х0, у - у0) - и.] > и) < Ь ,
^ тт Ь |-4 0? ^ 0/ пр^ шах--
(1)
где А и — приращение амплитуды сигнала по сравнению со средним значением фона иф; гх, гу — параметры, характеризующие размеры области В тепловой аномалии; Ь — коэффициент формы сигнала (при Ь = 0, и(х, у) е В — параллелепипед, при Ь = 1 — эллипсоид); Ь5, ЬЬ — операторы определения параметров изображения объекта: площади 5 и коэффициента
формы b соответственно; U , S , S , b , b — пороги принятия решет г ' пр min max min max г г г
ний. Амплитудный порог U находим из решения интегрального уравнения
Рпо = J<»(AU/D )d AU,
(2)
отражающего условие "вероятность правильного обнаружения объекта ипо должна быть не ниже допустимой", ю(ДЦШ) — плотность распределения приращений амплитуд от искомых объектов.
При задании Рпо(и ) плотность ложных решений определяем через известные выражения [18]:
Лл
K'
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.