На сегодняшний день проведение мониторинга по выявлению состояния безопасности магистральных трубопроводов проводится на основе передовых достижений науки во всем мире. Эти методы диагностики основываются на разных законах физики: УЗИ, оптическом, термическом, радиоволновом и прочих. Также наблюдение за нефтегазосборными трубопроводами проводят при помощи НЛС, используют съемки с космических спутников и воздушных средств. Один из основных интересов любой нефтегазовой компании — поддерживать свои трубопроводы и производство в хорошем состоянии. Добыча и транспортировка нефти и газа в 70% случаев происходит в труднодоступных районах, зачастую с очень суровыми климатическими условиями. При таких условиях, риск техногенной аварии очень высок. По этой причине, отношение к охране окружающей среды со стороны специализированных управлений крайне внимательное. Своевременное получение информации о техническом состоянии трубопроводов играет ключевую роль, а получать ее в столь короткие сроки помогает выполнение работ с помощью беспилотных летательных аппаратов. Большой выбор бортового оборудования и способность нести большую полезную нагрузку, делают их применение крайне востребованным на предприятиях, занимающихся нефтегазопереработкой. Выполнение мониторинга (обследования) магистральных нефтегазопроводов, экологический контроль прилегающей территории и многое другое — это перечень возможного применения беспилотной авиационной техники. В этой статье рассмотрим некоторые способы применения БЛА, выполнения термометрической съемки при мониторинге трубопроводов и оборудования. Это один из передовых способов в современном мире, имеющий огромные перспективы для дальнейшего развития.
Введение
Нефтепроводная сеть имеет стратегическое значение в обеспечении финансовой безопасности России. Обширная сеть магистральных трубопроводов наглядно показывает экономическое состояние страны. Так как РФ обладает одной из самых протяженных территорий в мире, соответственно, и длина трубопроводной сети составляет более 250 тысяч км. Объем перекачиваемой нефти по этой сети составляет чуть более 90% добычи нефти в стране. Транспортировка таких объемов нефти должна проходить совершенно безопасно. Утрата надежности трубопроводов — это огромный удар по экономике страны, возникновение техногенных аварий. В результате разлива нефти возможна остановка перекачки нефти на одном из трубопроводов. Разгерметизация трубы может привести к крупной промышленной катастрофе, загрязнению почвы и водных ресурсов.
Поддержание бесперебойной работы нефтепровода — одна из самых непростых задач, с которой приходится сталкиваться сотрудникам нефтяных компаний России. Так как трубопроводы по своей протяженности составляют многие сотни километров. Они проходят через болота и леса, соответственно, передвижение в таких условиях затруднено. В некоторых местах передвижение персонала совершенно невозможно. Самый распространенный вариант наблюдения за трубопроводами был и в некоторых случаях остается проезд на вездеходной технике вдоль трассовой дороги (технологический проезд) с целью осмотра и выявления критических нарушений магистрального нефтепровода. Также при необходимости задействуют вертолет. Кроме этого, были и другие подходы к решению этих задач. Что касается затрат, то эти способы очень затратные и низкоэффективные. Для осуществления мониторинга с применением вертолета необходимо иметь и содержать взлетно-посадочные площадки. Что само по себе несет очень высокие финансовые затраты для нефтедобывающей компании.
Также содержание парка вездеходной техники ложится финансовым бременем на предприятие. Все возможные датчики и измерительные приборы не нашли широкого применения по причине необходимости содержания в штате специально обученных людей для их обслуживания и настройки. Развитие не остановить, поскольку в настоящее время наблюдение осуществляется с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). После успешного выхода на мировой рынок услуг ГИС. Применение БПЛА для наблюдения за крупными нефтепроводами способствовало повышению эффективности затрат и уменьшению опасности для окружающей среды.
В состав бортового оборудования БПЛА входят различные приборы, которые в зависимости от текущей задачи могут выполнять видеосъемку или делать фотоснимки высокого качества. Вся информация может храниться на карте памяти внутри самого прибора либо, по желанию оператора, можно синхронно записывать и передавать данные на пульт управления. При помощи современных программных комплексов маршрут проектируется заранее.
После загрузки полетного задания дрон может выполнять полет самостоятельно или, в случае необходимости, оператор может внести коррективы в полет в ручном режиме.
Большинство моделей производителей БПЛА могут выполнять полеты в различных погодных условиях, что дает ряд преимуществ перед другими методами обследования нефтепроводов.
Большой охват ранее недоступной территории — это одно из основных достоинств этой техники. А сочетание низкой цены и простоты управления не оставляет конкурентам ни малейшего шанса в этой области работ.
Результаты исследований
Задачи, с которыми может справиться БПЛА:
- Патрулирование по оси магистрального нефтепровода позволяет обнаружить места разлива нефтепродуктов. Передача точных координат места загрязнения почвы. Выявление мест с повреждениями обваловки и засыпки трубопроводов. Съемка в дальнем инфракрасном диапазоне.
- Обнаружение разгерметизации нефтепровода, иных технических неисправностей. Обнаружение участков трубопроводов, которые находятся не в проектном положении.
- Определение зон деформации земной поверхности, оседания, провалов и эрозии почвы. Нахождение мест незапланированного выхода трубопровода на поверхность.
- Организация работы аварийно-восстановительной бригады в режиме реального времени. Осмотр и анализ технического состояния трубопровода.
- Координация строительно-ремонтных работ на аварийных участках трубопровода.
- Сбор и анализ полученных сведений о текущем состоянии охранных зон, наземных объектов, трубопровода и минимально допустимых зон и расстояний.
- Оперативное выявление несанкционированных работ и проездов в охранной зоне трубопровода. Выявление мест незаконной деятельности и других нарушений.
В настоящее время существует множество инженерно-конструкторских решений создания БПЛА. Однако наиболее перспективные решения нашли свое отражение в двух модификациях: вертолетного типа (дрон) и вертолетного типа (квадрокоптер) (рис. 1), самолетного (рис. 2).
Рисунок 1. БПЛА вертолетного типа
Рисунок 2. БПЛА самолетного типа
Таблица 1
Основные характеристики БПЛА
| Наименование | Общий вид | Характеристики |
| Летательный аппарат (ЛА) самолетного типа |  |
Подъемная сила создается аэродинамическим способом за счет напора воздуха, набегающего на неподвижное крыло. Аппараты такого типа, как правило, отличаются большей длительностью полета, максимальной высотой полета и высокой скоростью. |
| ЛА вертолетного типа (дрон) |  |
Аппараты вертолетного типа с вращающимся крылом. Подъемная сила этого типа создается аэродинамически, но не за счет крыльев, а за счет вращающихся лопастей несущего винта (винтов). Крылья либо отсутствуют вовсе, либо играют вспомогательную роль. |
| ЛА вертолетного типа (квадрокоптер) |  |
Основные характеристики БПЛА представлены ГК «Геоскан», «Беспилотные системы», «АС-КАМ» в таблице 1. БПЛА имеет широкий перечень выполняемых работ, каждая ситуация уникальна и требует нестандартных решений. Программы для обработки снимков позволяют создать цифровую модель местности с передачей высот земной поверхности и допустимой точностью, а также рассчитать расстояния, площадь поверхности и объем.
Инфракрасная съемка является одним из ключевых способов исследования нефте-газопроводов. Тепловизионная (инфракрасная) съемка, выполненная при помощи БЛА, помогает обеспечить безопасность трубопроводов, выявить утечку и незаконные врезки в нефтепроводы, увидеть лиц, находящихся на охраняемой территории, объекты, которые оказались в охранной зоне нефтепроводов. Все это возможно наблюдать в любое время суток.
Инфракрасная съемка способна видеть степень нагрева объекта, в отличие от обычной оптической камеры, которая собирает отраженный свет от объекта. ИК-камера работает и днем и ночью — в этом ее неоспоримый плюс. На экране тепловизора оператор наблюдает, насколько объект нагрет на фоне других объектов. ИК-съемка — это основная система диагностики, которая способна осуществлять точный контроль технического состояния оборудования, все это происходит без остановки технических процессов. Проведение диагностики оборудования в момент его работы дает большой шанс распознать будущую неисправность. Проведение ИК-съемки при помощи БЛА позволяет продлить срок технической эксплуатации оборудования, промышленных зданий, подстанций. Все эти меры способствуют снижению риска возникновения техногенных катастроф, а затраты на проведение ИК-съемки с БЛА намного меньше, чем ликвидация инцидента. Итогом ИК-съемки является термограмма, на снимке объекта представлена температурная шкала, по отличительным цветам есть возможность узнать температуру конкретного места мониторинга. Цена работы зависит от размера объекта, его расположения, географических характеристик и других факторов.
Рисунок 4. Инфракрасная съемка
Способ ИК-съемки, выполненной при помощи БЛА, обладает высокой производительностью и большим выбором способов решения задач. Один из примеров такой работы является диагностика объектов электроэнергетики, мониторинг трубопроводов и различные экологические наблюдения. А способность решать чрезвычайные задачи делает этот способ наблюдения одним из передовых достижений в науке и технике на рубеже двадцать первого века. В качестве бортового оборудования на БПЛА используются камеры для спектрозональной съемки, тепловизоры, такие как Zenmuse H20N и H20T (рис. 5), LIDAR и гиперспектральные камеры, что позволяет проводить мониторинг мест разлива нефтепродуктов (рис. 4).
Одним из факторов, вызывающих разрушение трубопроводов и коррозию металла, можно назвать избыточно влажный грунт. Обнаружение следов гидроксида железа (Fe(OH)3) при специальной спектральной обработке снимка может говорить о наличии коррозии на объекте. При длине волны 0,4–0,5 мкм в коротковолновом участке видимого диапазона без особого труда определяется избыточная увлажненность. На смену видеостандарту PAL с его разрешением в 720×576 px пришли фотоснимки HD-качества с разрешением в 5184×3456 px. Исходя из этого факта, фотоснимки имеют огромное преимущество перед аналоговой видеосъемкой.
Рисунок 5. Тепловизионная съемка
При нагреве углеводородов солнечными лучами проявляется их характерная особенность — повышенная излучательная способность в ИК диапазоне.
Утечка на нефте- и газопроводе всегда сопровождается перепадом температуры рядом с его прохождением по территории, она изменяется в пределах от 2 до 2,5 К. Снимки теплового диапазона волн имеющие длину волн 10–12 мкм достаточно хорошо обнаруживают эти объекты. Вдобавок чувствительность этих снимков составляет примерно 0,2 К.
В случае аварии вблизи водных объектов, где нефть попала на водную поверхность, разница температур между нефтью и водой составляет 1,5 К. Так как нефть холоднее воды, ночью этот контраст отрицательный, а днем пленка нефти поглощает более интенсивно солнечное излучение, что приводит к ее нагреву, соответственно, контраст положительный.
По отдельности каждый из способов может обнаружить только разные свойства исследуемых объектов, в комплексе же обработка этой информации дает возможность получить полную картину, полностью изучить объект и окружающую его инфраструктуру.
Все вышеперечисленные способы съемки возможны только благодаря применению БЛА (беспилотный летательный аппарат). Только с его помощью можно добиться получения результата в кратчайшие сроки и с минимальными финансовыми вложениями. Способы ДЗЗ трубопровода при помощи БЛА нашли свое отражение в аэрокосмическом способе диагностики трубопровода, это можно назвать частным случаем в этой области.
Выводы
Становится очевидным, что для сохранения и надежной работы трубопроводов и нефтегазодобывающей промышленности в России и всего мира обойтись без применения БПЛА в качестве средств для дистанционного мониторинга невозможно. Эти аппараты стали широко применяться по всему миру, рынок ГИС услуг будет нуждаться в их применении еще очень длительное время, замены им в нынешнее время нет.
Беспилотные летательные аппараты большой дальности позволяют осуществлять воздушное наблюдение за нефтепроводами. БПЛА среднего радиуса действия эффективны для оперативной рекогносцировки трубопроводных маршрутов. БПЛА малого радиуса действия пригодны для осмотра объектов в непосредственной близости, требующих подробного изучения.
Также беспилотные летательные аппараты применяются для обследования факельных труб, нефтехранилищ, линий электропередач и трубопроводов. Основное преимущество беспилотников — возможность добраться к труднодоступным местам и опасным зонам. Беспилотные летательные аппараты повышают безопасность проведения работ.
С их помощью производится сбор больших объемов данных, по результатам которых составляется модель, она отражает все сбои и неполадки на объекте мониторинга. Беспилотник может исследовать различные элементы технологических узлов, некоторые из них опасны для человека, либо для их проверки нужно остановить производство — к примеру, факелы для сжигания попутного газа на нефтяных и газовых месторождениях. Отслеживать трещины и коррозию, наносить на карту динамику их развития, выявлять утечки газа, места разлива нефти. Патрулирование и обследование линейной части и мониторинг магистральных нефтегазопроводов. Обладая поистине большими географическими расстояниями и суровым климатом, обследование и мониторинг нефтепроводов и газопроводов без использования беспилотников в некоторых случаях просто невозможны.
Более 226 тыс. км составляет протяженность нефтепроводов и газопроводов по территории России. Привлечение беспилотных летательных аппаратов для такого мониторинга экономически выгодно и эффективно.
ИК-съемка с применением БЛА расширила уровень использования беспилотных летательных систем. За небольшой отрезок времени БЛА прочно вошли в обиход. Их использование на данном этапе невозможно переоценить, а сферы, где они могут быть использованы, до сих пор расширяются. Большой запас для дальнейшей модификации БЛА дает возможность расширить сферу деятельности и спрогнозировать, какие еще области затронет использование БЛА, пока это не представляется возможным.
С появлением нового технического оборудования и инновационных решений часто встает вопрос о том, какой продукт или услугу выбрать. Выбор будет зависеть от масштабов деятельности. Наблюдение за магистральными нефтепроводами — это колоссальный объем работы. Так что в ваших интересах содержать свой собственный флот беспилотников без помощи сторонних компаний.
Во избежание создания нового департамента было бы целесообразно включать информацию об организации работы в описания должностных обязанностей сотрудников по вопросам безопасности и технического управления, мониторинг беспилотных летательных аппаратов и согласование полетов с местными службами, отвечающими за безопасность воздушного движения.
В статье приведены различные примеры использования беспилотных летательных аппаратов и задачи, которые они могут решать.
В первую очередь это:
- постоянный мониторинг сети магистральных нефтепроводов и газопроводов, проходящих в труднодоступных районах и со сложным рельефом местности;
- выявление утечек трубопровода, незаконных врезок;
- профилактика аварийных ситуаций и экологических катастроф;
- обнаружение дефектов на трубопроводе;
- различные техногенные аварии, провал грунта, подтопление территории.
Исходя из всего вышеперечисленного, широкий диапазон задач при обслуживании магистральных нефтепроводов и газопроводов применение беспилотных летательных аппаратов станет оптимальным и доступным средством для выполнения мониторинга ввиду ряда преимуществ:
- возможность работать на местности, не подходящей для инспектирования традиционным наземным способом;
- высокая скорость покрытия территории при облете с передачей данных оператору на землю в режиме реального времени;
- меньшая стоимость оборудования и его обслуживания по сравнению с вертолетным мониторингом местности.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Авторы статьи: Носков И.В., Прохоров А.В. (оба — ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова», Барнаул, Россия).
Опубликовано в журнале «Вестник Евразийской науки», 2022, Том 14, № 6.