Проблема обеспечения промышленной и экологической безопасности трубопроводного транспорта углеводородов (УВ) – нефтепроводов, продуктопроводов и газопроводов – всегда была актуальной. Трубопроводы работают под большим давлением и при нарушении их герметичности происходит значительный по объему выброс продуктов перекачки. Это не только причиняет материальный ущерб предприятиям трубопроводного транспорта в связи с потерями продукта перекачки, затратами на ликвидацию аварий, штрафными санкциями, но и приводит к загрязнению окружающей среды, создает предпосылки для возникновения чрезвычайных экологических ситуаций техногенного характера. 

Для России необходимость обеспечения безопасности трубопроводного транспорта УВ носит особенно острый характер. Это связано в первую очередь с большой протяженностью действующих и проектируемых трубопроводов. Кроме того, серьезной проблемой являются несанкционированные врезки в трубопроводы с целью отбора продукта перекачки, приобретающие все более серьезные масштабы. Рост числа таких врезок напрямую связан с увеличением стоимости УВ и продуктов их переработки. Несанкционированные врезки сопровождаются механическими воздействиями на трубопровод, утечками продукта перекачки, наносят значительный материальный ущерб компаниям, эксплуатирующим трубопроводы, и в ряде случаев приводят к серьезным экологическим катастрофам.

Компании, эксплуатирующие трубопроводы, прилагают немало усилий для обеспечения их безопасной эксплуатации. Значительные средства расходуются на охрану трубопроводов, текущее обслуживание, диагностику и ремонт.
   Для обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводного транспорта, защиты от несанкционированных врезок необходима надежная система непрерывного дистанционного контроля технического состояния трубопроводов с функциями обнаружения утечек и охраны. Такие системы интенсивно разрабатываются как в России, так и за рубежом.

В настоящее время на трубопроводах эксплуатируется ряд систем, работа которых основана на различных физических принципах.
   Акустические системы регистрируют в акустическом диапазоне частот волны, сформированные утечками. К этим системам относятся:

• СНКГН-1, СНКГН-2 (НИИ интроскопии при Томском политехническом университете);
• "LeakWave" (фирма "Энергоавтоматика", Москва);
• "Капкан" (ООО "Проект-ресурс", Нижний Новгород);
• "WaveAlert Acoustic Leak Detection System" (компания Acoustic Systems Incorporated, США);
• "Leak and Impact / Shock Detection System L.D.S." (Франция).

Параметрические системы основаны на измерении давления и расхода продукта перекачки. К таким системам относятся:

• "Leak Detection System" (компания Process Automation Systems, Чехия);
• "LeakSpy" (фирма "Энергоавтоматика", Россия); "Leak Detection System" (компания S.E.I.C., Италия);
• "Pipeline Leak Detection System" (компания Tokyo Keiso - KROHNE Pte. Ltd., Сингапур);
• "ATMOS (TM) Pipe" (компания ATMOS INTERNATIONAL LIMITED, Великобритания);
• "Leak detection and location system" (компания Sinulation Software Limited", Великобритания)
• и некоторые другие.

Предлагаются также системы, работающие на других физических принципах, среди которых, в частности, следует отметить:

• систему виброакустического мониторинга на основе волоконно-оптического кабеля (ООО "ПЕТРОЛАЙТ", Россия);
• волоконно-оптический датчик (кабель) для обнаружения утечек нефти и нефтепродуктов (ООО "Управляющая компания "Созвездие" совместно с ИПМ РАН);
• систему оперативного дистанционного контроля утечек (ОДК) (ЗАО "МосФлоулайн"), основанную на измерении проводимости изоляционного покрытия трубопровода.

Акустические и параметрические системы имеют преимущества по сравнению с другими благодаря более высоким техническим характеристикам и экономическим показателям. При сравнении систем существенным показателем является стоимость оборудования, его монтажа и текущего обслуживания в расчете на 1 км протяженности трубопровода. И если характеристики двух систем сравнимы, то предпочтение отдается, безусловно, экономически более привлекательной разработке.

Анализ экономических показателей позволяет условно разделить перечисленные системы на две стоимостные группы (распределенные и протяженные системы), которые отличаются способом монтажа оборудования на трубопроводе:
   в распределенных системах регистрирующие модули устанавливаются на трубопроводе, как правило, на значительном расстоянии друг от друга и используют доступные каналы связи - радиоканал, спутниковый, телемеханический, оптоволоконный. К этой группе относятся акустические и параметрические системы;
   в протяженных системах устанавливаемое оборудование требует прокладки вдоль трубопровода дополнительного канала связи.

Для распределенных систем стоимость оборудования, монтажа и текущего обслуживания в расчете на 1 км примерно в 10 раз ниже по сравнению с протяженными системами.

В то же время анализ технических характеристик указанных систем показывает, что они обеспечивают регистрацию крупных утечек, сопровождающихся падением давления, и имеют предел чувствительности, который составляет около 1 % производительности трубопровода. При этом утечки с низкой интенсивностью (менее 1 %) такие системы не регистрируют. Так, например, при производительности 2000 м³/ч система с чувствительностью 1 % способна обнаружить только утечку с интенсивностью 333,3 л/мин и более.

Чувствительность рассматриваемых систем ограничена "шумом" измеряемых параметров. В последнее время растет производительность магистральных трубопроводов, что приводит к увеличению "шума" и снижению чувствительности систем. Реализация только одной функции контроля технического состояния в акустических и параметрических системах является их существенным недостатком.

Для обеспечения нескольких функций, например таких, как регистрация утечек, охрана трубопровода, сопровождение (контроль местоположения) внутритрубных устройств, необходимо устанавливать 3 разные системы, что приводит к снижению надежности при реализации отдельных функций и росту общих затрат.

Актуальность регистрации утечек с низкой интенсивностью чрезвычайно высока, поскольку такие утечки в ряде случаев приводят к масштабным катастрофам. В качестве примера можно привести утечку из Трансаляскинского нефтепровода 2 марта 2006 г., которая привела к одному из крупнейших разливов нефти в США. Установленная на нефтепроводе, эксплуатируемом компанией ВР, система обнаружения утечек с чувствительностью 1 % не позволила зарегистрировать утечку. За 5 сут. разлива нефти экологии был нанесен катастрофический ущерб.

Утечки с низкой интенсивностью характерны и для несанкционированных врезок. Так, например, при производительности трубопровода 2000 м³/ч достаточно 30 мин, чтобы, не превышая предела чувствительности системы обнаружения утечек в 1 %, заполнить автоцистерну вместимостью 10 м3. Крупные трубопроводы имеют производительность в ряде случаев около 10000 м3/ч, и рассматриваемый процесс несанкционированного отбора продукта на таких трубопроводах занимает около 6 мин. В случае разлива продукта с интенсивностью 1 % из трубопровода, работающего при производительности 10000 м³/ч, в течение 5 сут. происходит загрязнение территории площадью 1,2 км² и толщиной слоя продукта 1 см. Опасен разлив при попадании продукта в реки, в этом случае негативные последствия могут быть катастрофическими.

К сожалению, в большинстве случаев факт обнаружения утечки при несанкционированном отборе не позволяет предотвратить хищение. Действительно, в течение нескольких минут отбора служба охраны трубопровода не успевает предпринять защитных мер. В то же время существует возможность раннего обнаружения несанкционированного доступа, поскольку работы, связанные с врезками, сопровождаются механическими воздействиями на трубопровод, которые могут быть зарегистрированы.

Таким образом, для безопасной эксплуатации трубопроводного транспорта УВ, защиты от несанкционированных врезок необходима надежная система непрерывного дистанционного контроля (мониторинга) технического состояния трубопроводов, которая должна обеспечить:

• обнаружение утечек с чувствительностью к их интенсивности более 1 % производительности трубопровода;
• охрану трубопровода (регистрацию механических воздействий).

   Для этого система должна характеризоваться:

• высоким быстродействием (1-2 мин);
• предельно малым числом ложных срабатываний;
• относительно низкой стоимостью оборудования, его монтажа и обслуживания.

Чувствительность системы и ее быстродействие, т.е. способность обнаруживать слабые утечки и механические повреждения в минимально короткое время, являются одними из важнейших требований. Слабые, но длительные по времени утечки могут, как показывает опыт, приводить к значительным экологическим и финансовым последствиям. Кроме того, именно в режиме слабой утечки организован отбор продукта при несанкционированных врезках, так как он практически не поддается контролю применяемыми системами регистрации.
   В 2006-2007 гг. на действующих трубопроводах проведены комплексные испытания новой, разработанной новосибирскими учеными, многофункциональной системы мониторинга технического состояния трубопроводов с функциями обнаружения утечек, охраны и дополнительными функциями, отвечающей перечисленным выше требованиям*. Система получила название "Инфразвуковая система мониторинга трубопроводов"(ИСМТ).
   Первый образец этой системы, реализующей функцию "сопровождение (пассивная локация) внутритрубных устройств", эксплуатируется на магистральных нефтепроводах с 2001 г. ИСМТ сертифицирована как взрыво-защищенная и имеет разрешение Ростехнадзора на применение.
   В ИСМТ используется метод регистрации инфразвуковых колебаний, которые, как показали исследования, распространяются внутри трубопровода (по крайней мере, с жидкими продуктами) на расстояния до нескольких сотен километров. Благодаря слабому затуханию инфразвуковых волн эта система способна обнаружить утечку из трубопровода, механическое воздействие на стенку трубы, источники "шума", формирующиеся на значительном удалении от места регистрации.

ИСМТ состоит из модулей регистрации (инфразвуковых антенн), модулей обработки (многофункциональных высокопроизводительных контроллеров), компьютера управления, программного обеспечения и канала связи (рисунок).

Структурная схема Инфразвуковой системы мониторинга трубопроводов

Результаты обработки данных, полученных в контроллере, передаются в компьютер управления, и на географической и технологической картах трубопровода фиксируются параметры утечек (местоположение и интенсивность), механические воздействия, местоположение и скорость внутритруб-ных снарядов и некоторые другие данные. Минимальный масштаб карт (1 м в 1 см) позволяет получать максимально возможную детализацию.
   Архитектура ИСМТ имеет 2 основных отличия: во-первых, позволяет контролировать практически неограниченное число участков трубопроводов с помощью программного обеспечения, установленного на одном компьютере управления, во-вторых, значительно повышает надежность работы системы в целом. Действительно, выход из строя любого модуля системы, установленного на линейной части трубопровода, не влияет на работоспособность системы на других участках.
   Испытания ИСМТ проведены в 4 ведущих трубопроводных компаниях России, действующие трубопроводы которых характеризуются различными диаметрами и составом продукта перекачки: конденсатопровод-720 мм, магистральный нефтепровод-720 мм, напорный нефтепровод - 325 мм и продуктопровод - 720 мм**.
   Функции и полученные при испытаниях технические характеристики системы приведены в таблице.

   *   % производительности перекачки по трубопроводу.
   ** "+" - регистрируется.

ИСМТ осуществляет:

• постоянный дистанционный контроль состояния трубопровода в режиме реального времени;
• регистрацию утечки, в том числе с низкой интенсивностью (0,04 % производительности трубопровода, что в 25 раз лучше известных аналогов);
• охрану трубопровода в режимах регистрации механических воздействий, подъезда автотранспорта и подхода людей;
• определение местоположения движущихся или остановившихся внутритрубных устройств;
• регистрацию механических дефектов трубопровода.

Высокая чувствительность системы обеспечивает сопровождение внутритрубных снарядов для ряда участков трубопроводов протяженностью до 100 км с помощью одной инфразвуковой антенны, установленной на трубопроводе. В системе реализована возможность подключения к известным каналам связи, организована передача результатов мониторинга во внешние системы управления технологическими процессами.
   Практика внедрения ИСМТ показала, что требования к надежности оборудования, устанавливаемого на трубопроводах, крайне высоки, поскольку оно работает на большом расстоянии от оператора и средств технической поддержки. В ИСМТ реализованы аппаратные и программные решения, которые обеспечивают ее стабильную автономную работу. Текущее обслуживание не требуется благодаря функции автоматической дистанционной самодиагностики (сервисная функция "охрана и диагностика собственных модулей"), включающей элементы прогноза технического состояния оборудования и запись архивов результатов диагностики с длительностью до 3 мес. в энергонезависимую память. Благодаря реализации указанной функции обеспечиваются повышение надежности работы оборудования ИСМТ, его безаварийная эксплуатация в течение не менее 6 лет. Все это позволяет минимизировать затраты на его обслуживание.

В настоящее время в России планируется строительство новых трубопроводных систем большой протяженности для транспортировки УВ. Одна из таких систем - магистральный нефтепровод "Восточная Сибирь -Тихий океан" (ВСТО) - имеет протяженность около 5 тыс. км. Строительство первой очереди этой системы уже ведется. Трасса нефтепровода пройдет вблизи природоохранных и сейсмически опасных зон. В связи с этим обеспечение промышленной и экологической безопасности системы ВСТО - задача первостепенной важности, которую необходимо было решать качественно еще на стадии проектирования.

*   Разработчик - ООО "Научно-производственная фирма "ТОРИ", Новосибирск.
** Результаты испытаний ИСМТ, реализующей функции "Обнаружение утечек", "Охрана трубопровода", "Сопровождение (пассивная локация) внутритрубных устройств", "Регистрация дефектов трубопровода", выполненных на конденсатопроводе, представлены на II научно-технической конференции "Обеспечение промышленной и экологической безопасности трубопроводного транспорта углеводородов" 15-16 февраля 2007 г. в Оренбурге.

Журнал «Минеральные ресурсы России. Экономика и управление», № 6, 2007г., стр.51-54.