Полный текст

Введение Трубопроводный транспорт - один из самых безопасных, надежных, эффективных экономичных методов непрерывной транспортировки неограниченного потока перекачиваемых продуктов на большие расстояния независимо от погоды. Общая протяженность трубопроводов России на 2018 г. составляет около 285 тыс. км. Однако статистика чрезвычайных ситуаций на объектах трубопроводного транспорта свидетельствует о наличии проблемных вопросов при транспортировке нефти, нефтепродуктов, газа. По мере старения трубопроводы начинают выходить из строя, появляются утечки. Наряду с традиционными причинами аварийных ситуаций: коррозия, природные воздействия, ошибки персонала - существенную роль стали играть внешние воздействия (таблица) [1]. Информация о причинах аварий на магистральных продуктопроводах различных регионов мира Страна (регион) Причины аварий на магистральных нефтепроводах (газопроводах) внешние воздейст- вия дефекты оборудо-вания коррозия природные воздейст- вия ошибки персонала другие абс. % абс. % абс. % абс. % абс. % абс. % Россия 63 17 19 30 6 50 - - 12 3 - - США 23 25 20 19 23 23 4 10 7 2 23 21 Западная Европа 37 50 25 16 28 15 3 7 7 5 - 7 Есть и другие причины, приводящие к появлению утечек, - случайное повреждение трубопровода, террористические акты, диверсии, несанкционированные врезки с целью хищения продукта и т.д. По статистике примерно 63 % всех случаев составляет утечка, возникающая из подземных газопроводов, 27 % - это повреждения наземной части магистрального трубопровода, 10 % - случаи разрывов подводных труб. Одной из самых актуальных и сложных проблем эксплуатации магистральных трубопроводов является обнаружение несанкционированных врезок и предотвращение хищений нефти из трубопроводов [2]. Одна из основных причин аварий на нефтепроводах России - несанкционированные врезки и диверсии (69,1 %), в результате которых происходит разлив нефти, нарушается герметичность трубопроводов, что приводит к сокращению их срока службы, наносится значительный экономический ущерб, создаются предпосылки к возникновению экологических катастроф [3]. За последние 10 лет на территории России выявлено почти 4 тыс. несанкционированных врезок, что составляет 70 % всех преступлений, связанных с хищением нефти и продуктов ее переработки. Так, по предварительной оценке, уже за январь-март 2018 года злоумышленниками похищено более 18,5 тыс. т нефти на сумму свыше 400 млн руб. График количества совершенных незаконных врезок в магистральные трубопроводы на территории России (2012-2017 гг.) показан на рис. 1 [4]. Рис. 1. Динамика незаконных врезок в магистральные трубопроводы России за период с 2012 по 2017 г. Криминальные вмешательства в работу магистральных трубопроводов представляют огромную опасность для здоровья и жизни населения и угрозу окружающей среде, так как являются причиной аварий, разливов нефти и нефтепродуктов, загрязнения почвы, рек и водоемов [5]. Самыми опасными по последствиям являются разрывы магистральных газопроводов, поскольку они могут стать причиной отключения газового снабжения целых регионов. При этом даже после полного отключения объекта газоснабжения существует риск возникновения опасных последствий в виде взрыва или утечки газа, который может стать причиной загрязнения окружающей среды. Аварии приводят к утечкам нефтепродуктов, газа из трубопроводов, что представляет серьезную опасность для людей, окружающей среды, наносит огромный экономический и экологический ущерб. Динамика экологического ущерба на магистральных трубопроводах России за период с 2012 по 2016 г. представлена на рис. 2 [6, 7]. Рис. 2. Динамика экологического ущерба от аварий на магистральном трубопроводном транспорте России с 2012 по 2016 г. В последние годы показатель интенсивности аварий на магистральных трубопроводах как России, так и США стабилизировался на отметке 0,1 аварии в год на 1000 км для газопроводов и около 0,1-0,4 аварии в год на 1000 км для нефти и нефтепродуктоводов. Пресс-секретарь Гринпис России в своей публикации (февраль 2018) указал, что ежегодно в России разливается более 10 миллионов баррелей нефти. Это в два раза больше, чем при катастрофе в Мексиканском заливе [8]. В ХХI в. трубопроводный транспорт вошел изношенным на 50-70 %. По оценкам специалистов МЧС России, более 20 % магистральных трубопроводов и более 40 % промысловых нефтепроводов имеют возраст более 30 лет, хотя безаварийный период использования составляет 10-20 лет [9]. Все это приводит к тому, что Россия ежегодно теряет миллиарды долларов. Главной причиной аварий на магистральных газопроводах в США является дефект оборудования (27 %) и коррозия труб (24 %). Для магистральных газопроводов России характерны аварии, вызванные коррозией труб, - 49 %, дефектами оборудования - 32 %, для нефтепроводов в последнее десятилетие основной причиной аварий является внешнее воздействие - 60 % случаев, в то время как в США оно составляет лишь 20 % [10]. Авторы [11] провели анализ публикационной активности в области обеспечения безопасности трубопроводного транспорта и обнаружения несанкционированных действий в охранной зоне. Анализ показал, что исследования в основном сконцентрированы на создании системы физической защиты магистральных трубопроводов, реализующей принцип «не пропустить контакта злоумышленника с оболочкой трубы». Авторы [11] установили, что за последние несколько лет в международных базах данных представлено значительное количество публикаций по этой тематике: в базе данных Web of Science более 80 публикаций, в Scopus - более 60. Анализ публикаций базы данных РИНЦ за 5 лет (2012-2016) свидетельствует о том, что среди научных работников возобновился интерес к проблеме обеспечения безопасности трубопроводного транспорта и обнаружения несанкционированных врезок - более 90 работ. Результаты исследований по обнаружению утечек продукта из нефте- и газопроводов обобщены в [12, 13]. Можно констатировать, что основной интерес зарубежных исследователей концентрируется на разработке сейсмических (57 %), оптических (23 %) и виброакустических (14 %) методов обнаружения и предупреждения утечек продукта. В разработке сейсмических методов основное внимание уделяется совершенствованию алгоритмов обработки сигналов (~ 58 %), анализу возможности различных сенсоров посвящено 27 % публикаций, остальные 15 % можно отнести к описанию объектов обнаружения и результатов испытаний предложенных систем. Значительное внимание уделено применению волоконно-оптического кабеля в качестве датчика по измерению распределения температуры и механических напряжений в окружающей трубопровод среде. Локальные неоднородности этих показателей приводят к появлению составляющих комбинационного рассеяния, распространяющегося по кабелю оптического импульса (Рамана, Мандельштама - Бриллюэна и др.). По времени распространения этих компонент от места рассеяния (принцип активной радиолокации) судят о местоположении этих неоднородностей [14-16]. Волоконно-оптические датчики для нефтегазовой отрасли производятся компаниями Weatherford, Baker Hughes, Halliburton, Schlumberger, а также российскими предприятиями «Омега», «Оптолинк», «Интел-Системы». Изложенный принцип обнаружения внешних воздействий на окружающую трубопровод среду (механические напряжения) и утечек (локальные изменения температуры среды) положен в основу разработанной ОАО «АК “Транснефть”» системы обнаружения утечек и контроля активности (СОУиКА) «Омега», которая в режиме реального времени анализирует изменения температурного поля и обнаруживает утечки газа, нефти и других жидкостей также и в многофазных трубопроводах с точностью до 5 м [17]. Другая охранная волоконно-оптическая система аналогичного назначения «Дунай», прошедшая многочисленные полевые испытания на объектах ООО «Газпром», позволяет регистрировать перемещение пешехода и ручную копку непосредственно над кабелем [18]. При приближении человека, автомобиля или при проведении работ вблизи охраняемого объекта система фиксирует и передает информацию о приближении к охраняемому объекту с точностью до 10 метров на компьютер оператора. По результатам испытаний зарубежных разработок, используемых для обнаружения террористических атак на протяженные объекты, можно сделать вывод, что все вопросы, связанные с возможностью решения рассматриваемой проблемы, сняты с повестки дня [15, 19]. Однако продолжает сохраняться неясность с эффективностью работы указанных систем в присутствии шумов естественного и искусственного происхождения. Данное обстоятельство, видимо, учитывалось авторами последних публикаций, пришедших к следующим заключениям: - «В открытой печати не найдено достоверных данных об удовлетворительной работе подобных систем на протяженных (свыше 10 км) объектах» [18]; - «Для дальнейшего совершенствования метода необходимы проведение научно-исследовательских работ, <…> а также разработка методики обработки данных» [20]; - «Волоконно-оптические методы обнаружения утечек в трубопроводах <…> требуют серьезных доработок. <…> В сложных сейсмоактивных условиях возникает необходимость вкупе применения с тепловым и вибрационным методами …» [21]. Шумовой фактор Признаком террористической атаки является вторжение нарушителя в охранную зону и формирование шурфа для контакта с оболочкой трубы. В месте деформации почвогрунта формируются сейсмические колебания, которые при достижении волоконно-оптического кабеля вызывают его деформацию. В верхнем слое почвы скорость продольных волн и коэффициент поглощения пропорциональны примерно корню квадратному от частоты колебаний. В зависимости от водонасыщенности, пористости и т.д. грунта скорость этих волн может различаться более чем в 10 раз. В силу указанных причин форма регистрируемых возмущений может заметно изменяться в течение суток. Данное обстоятельство затрудняет применение оптимальных методов обнаружения этих возмущений на фоне шумов. Амплитуды естественных сейсмических шумов находятся на уровне 1 мкм [22] и соизмеримы с амплитудой сигналов, подлежащих обнаружению (рис. 3). Рис. 3. Регистограммы скорости ветра и модуля сейсмического шума на открытой местности (высота травы 0,2 м) на расстоянии 7 м от лесополосы (а); вид сигналов «раскопки лопатой» на расстоянии 9 м от датчика по горизонтальной (б) и вертикальным (в) осям Данное обстоятельство определило появление заключений вида «… анализ данных от распределенного волоконно-оптического датчика затруднен огромным уровнем помех» [23]. Для борьбы с помехами используются методы накопления, фильтрации. Наибольшее распространение получила вейвлет-фильтрация, позволяющая снизить уровень шума во всех частотных диапазонах. Большинство зарубежных исследований ориентировано на развитие этого направления. В [24] утверждается, что обнаружение сигналов рамановского рассеяния на фоне нестационарных случайных процессов оказалось неэффективным. Применение вейвлет-очистки шума позволило повысить отношение сигнал/шум на 11 дБ. Борьбе с шумами окружающей среды, влияющими на показатели фазочувствительной рефлектометрии (phi-OTDR) при обнаружении и локализации динамических возбуждений, посвящена работа [25]. Утверждается, что с использованием «специфического» спектрального анализа вероятность правильного обнаружения может быть доведена до 94 %, а уровень ложных тревог - до 6 %. Приемлемы ли эти цифры? Существующий подход по оценке требуемых показателей охранных систем формируется на базе экспертных технологий. Вероятности правильного обнаружения 0,8; 0,9; 0,97 признаются как низкая, средняя и высокая «сигнализационная» надежность. Что касается помехоустойчивости метода, то одно ложное срабатывание в течение 100 ч и менее на участке протяженностью 250 м признается неудовлетворительным. В этом случае поток ложных тревог на участке 2,5 км превосходит границу, за которой служба безопасности перестает на них реагировать. Высокой помехоустойчивостью считается 1 ложное срабатывание в течение 1300-2500 часов на участке, обслуживаемом отдельной группой охраны. Опубликованные цифры по помехоустойчивости систем мониторинга состояния магистральных трубопроводов не отражают данный аспект проблемы, и существует потребность устранить этот пробел. Целесообразно решать этот вопрос не с использованием экспертных технологий, а опираясь на принцип минимизации суммы потерь от терактов и расходов на защиту объекта [26]. Другая особенность обеспечения безопасности трубопроводного транспорта обусловлена необходимостью учета взаимодействия двух противоборствующих групп субъектов. Преступления совершают хорошо организованные структуры, которые «…щедро тратятся на подкуп нужных людей, обучение своих специалистов, … покупку спецсредств для активного противодействия полиции и службе безопасности…» [27]. Технология сокрытия похищаемого продукта путем закачки в трубопровод воды в объеме, равном отбираемому, - один из примеров «изобретательства» нападающей стороны. В патентной и периодической литературе описано множество предложений по маскировке производимых субъектом виброакустических сигналов. Промышленность выпускает широкую номенклатуру виброгенераторов для реализации этих целей. Установка такого генератора под слой грунта в охранной зоне, формирующего сейсмические сигналы «раскопки», создает серьезные проблемы для службы безопасности. На другие варианты решения задачи подготовленным нарушителем обращено внимание в [28]. К сожалению, этому аспекту противоборства групп не уделено должного внимания. Один из путей его решения рассмотрен ниже. Мультисенсорная система В области охраны критически важных объектов сформировался перечень правил, которых следует придерживаться при конструировании физических систем по обеспечению их безопасности [28, 29]. Одно из них: если используемая система обнаружения не решает задачу с требуемой надежностью, необходимо комплексирование средств с различными физическими принципами реагирования на нарушителя. Для противодействия подготовленному «на дело» лицу следует применять комбинацию из двух, трех взаимодействующих систем. Если две из них характеризуются вероятностями обнаружения Р1 и Р2, то итоговая вероятность составит величину Р0 = Р1 + Р2 (1 - Р1). При Р1 = Р2 = 0,8, Р0 = 0,96. Данное правило широко используется за рубежом при конструировании так называемых мультисенсорных систем защиты периметра [30]. Помимо распределенных оптоволоконных систем для превентивной нейтрализации террористических угроз протяженным объектам оценивались возможности видеовиброаналитических и тепловизионных систем. Видеоаналитикой называют технологию компьютерного анализа видеоданных с целью принятия решения о состоянии объекта наблюдения без участия человека. Достигнутые на сегодняшний день результаты: при использовании камеры с разрешением 640´480 пикселей наблюдение можно вести на территории протяженностью до 200 м при осадках в виде снега интенсивностью до 0,5 мм/ч и скорости ветра до 8 м/с на динамичных природных фонах. Оценки вероятностей пропуска цели и ложной тревоги при обнаружении нарушителя по результатам испытаний составили 0,041 ± 0,003 и 0,003 ± 0,001 соответственно [31]. Виброаналитический метод основан на возбуждении упругих колебаний в оболочке трубы с последующим анализом зарегистрированных сигналов на заданном удалении от сечения их возбуждения [32]. При распространении волн по оболочке заглубленного трубопровода из-за значительного различия волновых сопротивлений металла и газа переизлучение энергии распространяющегося сигнала в перекачиваемый продукт ничтожно (при нормальном падении продольной волны на границу «сталь - воздух» («воздух - сталь») переизлучается только 0,002 % энергии, но заметная доля ее уходит в окружающий грунт). За счет утечки энергии в перекачиваемую жидкость затухание распространяющихся колебаний в их оболочке будет больше, нежели в газопроводах (через границу «вода - сталь» проходит порядка 12 % энергии колебаний и такого же порядка - в окружающий грунт). При изменении параметров почвогрунтов в локальной области (выход нефти, удаление грунта и др.) формируются локальные переизлучения энергии распространяющегося по оболочке сигнала. В [31] сделан вывод о потенциальной возможности обнаружения изменений состояния трассы в 0,01 % по форме зарегистрированного сигнала - результата накопления 180 000 «прозванивающих» импульсов и продемонстрирована такая возможность в эксперименте при выявлении сформированного шурфа, установленного на трубу боеприпаса и т.д. В [33] показано, что локальное изменение физических параметров в околотрубном пространстве лучше обнаруживается по приращению энергии «прозванивающих» сигналов, нежели по изменению их формы. Модуль «генератор-приемник» позволяет контролировать участки трубопровода протяженностью 2 км и более. Для возбуждения упругих волн в оболочке трубы широко используются пьезокерамические возбудители в виде гибких поверхностных накладок различной формы [34]. Технология диагностики подземных трубопроводов по тепловому излучению с летательных аппаратов рассмотрена в [35]. Даже небольшие трещины в трубах приводят к появлению на поверхности грунта тепловых аномалий, позволяющих локализовать место утечки беспилотным летательным аппаратом [36]. Получены оценки по плотности ложных решений при обнаружении скрытых объектов разных форм на трассе пролегания трубопровода. Резкое снижение расходов на воздушный мониторинг состояния охранных зон при применении беспилотных летательных аппаратов (в 10 раз и более по сравнению с использованием вертолетов) позволило говорить о перспективности данной технологии. Опыты по выявлению утечек из трубопроводов в тепловом диапазоне оптических излучений описаны в [37, 38] и др. Завершается создание тепловой 3D-модели полей над заглубленным трубопроводом [39], интерес к использованию которой проявило ОАО «АК “Транснефть”» [40]. Также был поставлен вопрос о необходимости обеспечения качественно нового уровня надежности нефтепроводов и нефтепродуктопроводов в условиях террористических угроз. ОАО «АК “Транс-нефть”» нацелена «…на создание комплексных систем безопасности, которыми можно будет управлять из единого центра» [40]. Создание комплексных (мультисенсорных по зарубежной терминологии) систем базируется на использовании метода анализа иерархий Саати [29]. Учитывая специфику рассматриваемой задачи, необходимо располагать специфическими данными о социально-экономической обстановке и «нравственном» здоровье населения в стране в текущий период и на ближайшую перспективу [26]. Однако в простейшем варианте решения этой задачи можно ограничиться следующим примером. Рис. 4 иллюстрирует потери, которые несет собственник трубопроводной системы от нападений противоборствующей стороны. Чем меньше средств он вкладывает в обеспечение безопасности созданной инфраструктуры, тем больших потерь следует ожидать при ее эксплуатации. Рис. 4. Финансовые показатели противоборства сторон в зависимости от вероятности обнаружения атак Ра: 1 (1') - расходы на защиту при использовании односенсорной (1) и мультисенсорной (1') систем; 2 - ущерб от пропущенных атак; 3 (3') - суммарные потери собственника объекта при использовании односенсорной (3) и мультисенсорной (3') систем Точка минимума суммарных потерь определяет требуемую вероятность обнаружения Ра. Собственнику объекта известны затраты на его защиту и потери от пропущенных атак. По ним можно оценить направление совершенствования системы противодействия для обеспечения оптимального значения указанной вероятности. Однако следует иметь в виду зависимость положения и формы кривых на рис. 4, отражающих расходные статьи, от многих факторов, динамика их изменения превышает возможности модернизировать имеющиеся системы противодействия угрозам в соответствии с требованиями текущего момента [5]. Анализ публикаций за прошедшее десятилетие позволяет сделать вывод, что в основу обеспечения безопасности магистральных трубопроводов от террористических угроз на ближайшую перспективу будет положена технология обнаружения активности в охранной зоне, реализованная с использованием распределенного волоконно-оптического датчика. Поэтому следует позаботиться о нейтрализации ложных решений, особенно в условиях создания искусственных помех в охранной зоне. На сегодняшний день сформировалась точка зрения о необходимости дополнения оптоволоконных систем обнаружения несанкционированных работ одной из обозначенных выше подсистем. В рамках мультисенсорной системы требования к каждой из подсистем корректируются. В соответствии с рекомендациями [15] протяженность отдельного звена на базе волоконно-оптического датчика должна составлять порядка 40 км. Обнаружитель на его основе призван обеспечивать высокую вероятность правильного нахождения, в том числе за счет увеличения ложных решений. Задача взаимодействующей с ним системы - проверить, какое из поступающих решений правильное, а неправильное отсеять. Выводы Обозначенные выше видеоаналитическая, виброакустическая и тепловизионная системы могут быть использованы для этой цели в виде различных комбинаций взаимодействия с базовым обнаружителем и между собой. Простейшая комбинация: «волоконно-оптический канал - виброаналитический канал - служба безопасности». Для каждого звена первого вида потребуется не менее 10 звеньев второго вида. Затраты энергии на работу виброаналитического звена - порядка 0,5 Дж. Поэтому в работу оно включается сигналами «появления нарушителя», поступающими с первого звена. Если плотность ложных решений с оптоволоконной системы обнаружения составит ≤ 1 ч-1, проблема энергоэффективности мультисенсорной системы такого вида снимается. Учитывая, что в соответствии с теоретическим анализом вероятность ложных решений второго звена (признак удаления части грунта в окружении трубопровода) стремится к нулю, по прошествии времени на создание шурфа рассмотренная система будет удовлетворять по надежности обнаружения.

Об авторах

Владимир Александрович Комаров

Автор, ответственный за переписку.
Email: reallkom@gmail.com
644046, Россия, г. Омск, пр. Маркса, 35

аспирант кафедры информационной безопасности

Зинаида Васильевна Семенова

Email: zvs111@gmail.com
644080, Россия, г. Омск, пр. Мира, 5

доктор педагогических наук, профессор, заведующий кафедрой информационной безопасности

Дмитрий Алексеевич Бронников

Email: dmi-bronnikov@yandex.ru
644046, Россия, г. Омск, пр. Маркса, 35

аспирант кафедры информационной безопасности

Алексей Андреевич Нигрей

Email: nigrey.n@mail.ru
644046, Россия, г. Омск, пр. Маркса, 35

аспирант кафедры информационной безопасности

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 430

PDF (Russian) - 170

PDF (English) - 152

Ссылки

• Ссылки не определены.