CC BY
12БЕЗОПАСНОСТЬ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ И ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 622.692.4.053, 623.746.4-519
ОБ ОЦЕНКЕ ВРЕМЕНИ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ НЕФТЕГАЗОПРОВОДА ПОСРЕДСТВОМ НАБЛЮДЕНИЯ С БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
А.А. Таранцев, доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы Российской Федерации. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России; Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко Российской академии наук.
Д.А. Скороходов, доктор технических наук, профессор. Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко Российской академии наук. Ю.И. Чикитов.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Рассмотрена задача обнаружения инцидентов на магистральных нефтегазопроводах (пожар, взрыв, утечка продукта, несанкционированная врезка) с использованием беспилотных летательных аппаратов. Дан краткий анализ аварийности на магистральных нефтегазопроводах, обзор схем беспилотных летательных аппаратов и их характеристик. Приведены циклограммы мониторинга нефтегазопроводов и выражения для оценки среднего времени обнаружения инцидента. Предложено учесть данный подход при решении комплексной оптимизационной задачи определения рационального числа беспилотных летательных аппаратов, а также количества и оснащения аварийно-наладочных бригад с целью минимизации возможного экономического ущерба при транспортировке газа и нефтепродуктов.
Ключевые слова: магистральные нефтегазопроводы, пожар, взрыв, утечка, беспилотные летательные аппараты
ABOUT ESTIMATING THE TIME OF DAMAGE DETECTION OIL AND GAS PIPELINE THROUGH UAV SURVEILLANCE
A.A. Tarantsev. Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia; Institute of transport problems named after N.S. Solomenko Russian academy of sciences. D.A. Skorokhodov.
Institute of transport problems named after N.S. Solomenko Russian academy of sciences. Yu.I. Chikitov. Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
The problem of detecting incidents on the main oil and gas pipelines (fire, explosion, product leakage, unauthorized tapping) using unmanned aerial vehicle is considered. A brief analysis of accidents on main oil and gas pipelines, an overview of unmanned aerial vehicle schemes and their characteristics is given. Cyclograms of oil and gas pipeline monitoring
36
and expressions for estimating the average time of incident detection are given. It is proposed to take this approach into account when solving the complex optimization problem of determining the rational number of unmanned aerial vehicle, as well as the number and equipment of emergency commissioning teams in order to minimize possible economic damage during the transportation of gas and petroleum products.
Keywords: main oil and gas pipelines, fire, explosion, leak, unmanned aerial vehicles
Современная цивилизация всё больше потребляет энергии, основная доля которой приходится на углеводородные топлива - газ и нефтепродукты. Для доставки их от месторождений до потребителей и перерабатывающих предприятий используются нефтегазопроводы (рис. 1) [1-3], хотя практикуется и перевозка газов в сжиженном состоянии, и транспортировка нефтепродукта танкерами, железнодорожными и автоцистернами.
Для перекачки углеводородного топлива магистральные трубопроводы оборудуются перекачивающими станциями (компрессорными, насосными), находящими друг от друга на значительном расстоянии L, содержащими резервные ёмкости и служащими некими опорными пунктами. Среднее расстояние между компрессорными станциями магистрального газопровода с давлением 4 МПа может составлять L-125 км, а между насосными станциями магистрального нефтепровода и того больше.
Высокое давление в трубах, сложные климатические условия, коррозия, брак металла и строительно-монтажных работ, ошибки при эксплуатации, различные внешние воздействия и другие факторы периодически приводят к опасным инцидентам на нефтегазопроводах - пожарам (рис. 2 а), взрывам (рис. 2 б), утечкам топлива (рис. 2 в) [4-6]. Кроме того, часто имеют место незаконные врезки (рис. 2 г) с целью хищения.
Рис. 1. Магистральные нефтегазопроводы в различных климатических зонах (фото из открытых источников в интернете)
В работе [7] приведены статистические данные об аварийности на магистральных газопроводах, где показано, что основные причины аварий - коррозия (48 %), строительный брак (22 %) и механические повреждения (18 %). Там же на начало XXI в. приведена статистика по частоте X аварий в год на 1 000 км трубопровода в зависимости от их диаметра (рис. 3) и проценте отказов в зависимости от срока эксплуатации (рис. 4). Из рис. 4 следует тот важный факт, что трубопроводы, созданные ещё в период СССР, имеют большую надёжность.
Нетрудно понять, что чем быстрее место инцидента (аварии) будет установлено на многокилометровой длине трубопровода, часто проходящего по безлюдной местности, тем быстрее туда прибудут пожарные и аварийно-наладочные бригады (АНБ) и тем меньшим будет ущерб.
37
Рис. 2. Инциденты на нефтегазопроводах: а) пожар; б) взрыв газопровода; в) утечка нефтепродукта; г) врезка (фото из открытых источников в интернете)
Рис. 3. Диапазоны частот А аварий в год на 1 000 км трубопровода (цифрами указан диаметр трубы в мм, кружок - среднее значение)
Рис. 4. Вероятности аварий в зависимости от срока эксплуатации трубопровода
38
В этой связи представляется перспективным использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для идентификации мест инцидентов на магистральных трубопроводах [8-11]. Фото некоторых БПЛА приведены на рис. 5, характеристики БПЛА самолётного типа - в таблице.
Рис. 5. Типы БПЛА с системами видеонаблюдения: а) самолётного типа; б) квадрокоптер; в) вертикального взлёта (фото из открытых источников в интернете)
Таблица. Характеристики некоторых БПЛА для мониторинга трубопроводов
Тип БПЛА 0рлан-10 V-BAT BAT-4
Дальность, км 1200 650 250
Радиус действия, км 600 16 10
Скорость, км/ч 75 75 100
Взлётная масса, кг 14 29,5 45
Продолжительность полета, ч 18 10 6
Высота, м 5000 4500 4100
Цена (относительно «Орлан-10») 100 % 97,5 % 45 %
Цена летного часа (относительно «0рлан-10») 100 % 97,5 % 45 %
Примечания: ресурс - порядка 1 тыс. час, межремонтная кратность использования - 100; радиус действия V-ВАТ и ВАТ-4 ограничен приемом радиосигнала и может быть увеличен дополнительным оборудованием
Нужно отметить, что на оперативность обнаружения инцидента влияет его вид и масштаб, а также погодные условия. В частности, пожар (рис. 2 а) по столбу дыма и пламени может быть замечен издалёка, а чтобы заметить врезку (рис. 2 г) по следам «работ» БПЛА должен лететь на малой высоте.
В целом тактика применения БПЛА для мониторинга участка трубопровода длиной Ь между станциями (насосными, компрессорными), где расположены пункты обслуживания и аварийно-наладочные бригады, может быть следующей. БПЛА стартует с одной из станций и в течение времени ^ движется со скоростью V (очевидно: tп=Ь/V) вдоль
39
трубопровода, ведя наблюдение, к другой станции. При обнаружении пожара, аварии, врезки он либо сразу передаёт эту информацию (при наличии технических возможностей) на ближайшую станцию, либо делает это после приземления. На станции он остаётся в течение времени tб (при необходимости, проходит обслуживание) и стартует в обратную сторону.
Условная циклограмма полёта приведена на рис. 6. Разумеется, в реальных условиях на скорость полёта может влиять ветер, при необходимости БПЛА может зависать (кружить) над местом аварии для уточнения ситуации, продолжительность нахождения БПЛА на станциях может быть различной и т.д.
к к
/ / / / / / \ и — -* \3*~ 2♦- * \ -у ( > ь \
Рис. 6. Циклограмма движения БПЛА с вариантами возникновения и обнаружения аварийных ситуаций
В процессе мониторинга возможны три варианта событий (они показаны цифрами на рис. 6: 1 - авария произошла до подлёта БПЛА к этому месту трубопровода; 2 - авария случилась, когда БПЛА находился на станции в течение времени tб; 3 - авария произошла сразу после пролёта БПЛА над пока ещё неповреждённым местом. Очевидно, при варианте № 1 оперативность обнаружения максимальна, при варианте № 3 - минимальна.
Время ^ от начала инцидента до его обнаружения случайно. Для варианта № 1 оно имеет равномерное распределение Яп(0, [12], поскольку событие может равновероятно случиться на всей протяжённости участка. Для варианта № 2 закон распределения времени to является суперпозицией случайных времён tб и распределённых равномерно, и является трапециедальным Тг(0; тт(^, тах(^, Для варианта № 3 закон распределения
времени ^ является суперпозицией двух законов Яп(0, со сдвигом на tб, в результате чего будет иметь место треугольное распределение Симпсона Ts(tб, 2tп+tб). Плотности распределения £ времени обнаружения ^ инцидента на участке трубопровода для указанных законов распределения представлены на рис. 7. Следует иметь ввиду, что, поскольку час полёта БПЛА довольно дорог, то ^ >п.
40
час-1
I
0 у /6 /б+?п С5+2?п и, час
Рис. 7. Плотности распределения времени обнаружения инцидента на трубопроводе для трёх вариантов событий при 4 Хп (индексы соответствуют вариантам)
С учётом вышеизложенного, среднее время обнаружения инцидента на магистральном трубопроводе может быть оценено по выражению:
е=р |+Р2 ^+РэСб+'п>' (1)
где ^1=^п(2^п+^б)-1 - вероятность 1-го варианта события; р1=^б(2^п+^б)-1 - вероятность 2-го варианта; р3=п(2^п+^б)-1 - вероятность 3-го варианта.
Конечно, вышеописанный подход несколько условный. При поиске утечек или других инцидентов БПЛА, если позволяют метеоусловия, может лететь на высоте, обеспечивающей обзор части трубопровода протяжённостью ДЬ под БПЛА. Это позволит обнаружить место инцидента, возникшего через время 0,5Дt=ДL/V после пролёта БПЛА и за время 0,5Д^ перед прохождением места инцидента, что сократит среднее время обнаружения на величину до С учётом этого циклограмма примет вид, представленный на рис. 8.
При этом возможен и «нулевой» вариант, если инцидент произойдёт в «поле зрения» ДЬ БПЛА. Тогда время обнаружения будет практически мгновенным и определяться скоростью передачи информации в диспетчерский пункт ближайшей станции.
Рис. 8. Уточнённая циклограмма полёта БПЛА с учётом величины АЬ
41
Таким образом, в данной работе рассмотрен подход, заключающийся в мониторинге магистральных нефтегазопроводов с использованием БПЛA. В дальнейшем планируется рассмотреть экономическую сторону вопроса с учётом стоимости прямого и косвенного ущерба от инцидента, расходов на БПЛA и содержание AHB. Это позволит решить комплексную оптимизационную задачу и определить рациональное число и типы БПЛA, количество AHБ и их комплектацию.
Литература
1. СП 36.13330.2012. Магистральные трубопроводы. Доступ из Электронного фонда правовых и нормативно-технических документов.
2. ГОСТ Р 55989-2014. Магистральные газопроводы. ^рмы проектирования на давление свыше 10 МПа. Основные требования. Доступ из Электронного фонда правовых и нормативно-технических документов.
3. ГОСТ 31448-2012. Трубы стальные с защитными наружными покрытиями для магистральных газонефтепроводов. Технические условия. Доступ из Электронного фонда правовых и нормативно-технических документов.
4. Промышленная безопасность и надежность магистральных трубопроводов / под ред. A.H Владимирова и В.Я. Кершенбаума. М.: Haционaльный институт нефти и газа, 2009. 696 с.
5. Скороходов ДА., Поляков A.C, Стариченков A^. Методика анализа состояния и оценки рисков аварий линейной части магистральных газопроводов // ^уч^шли^ журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2017. M 1. С. 98-106.
6. Ревазов AM. Aнaлиз чрезвычайных и аварийных ситуаций на объектах магистрального газопроводного транспорта и меры по предупреждению их возникновения и снижению последствий // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. 2010. M 1. С. 68-70.
7. Проблемы трубопроводного транспорта / С.В. Савонин [и др.] // Технадзор. 2015. M 11 (108). С. 32-35.
8. Бауэрс П. Летательные аппараты нетрадиционных схем. М.: Мир, 1991.
9. Таранцев A.A., Чикитов Ю.И. Тактико-технические характеристики беспилотных летательных аппаратов вертикального взлета и посадки // Проблемы управления рисками в техносфере. 2014. M 1 (29). С. 68-72.
10. Таранцев A.A., Чикитов Ю.И. О проблемах применения БПЛA в интересах обеспечения пожарной безопасности // Проблемы управления рисками в техносфере. 2014. M 4 (22). С. 55-59.
11. AVIA.PRO. URL: https://avia.pro/blog/bat-4-tehnicheskie-harakteristiki-foto (дата обращения: 24.01.2021).
12. Таранцев A.A. Случайные величины и работа с ними: учеб.-метод. пособие / под ред. В.С. Aртaмоновa. 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: ИД «Петрополис», 2011. 160 с.
References
1. SP 36.13330.2012. Magistral'nye truboprovody. Dostup iz Elektronnogo fonda pravovyh i normativno-tekhnicheskih dokumentov.
2. GOST R 55989-2014. Magistral'nye gazoprovody. Normy proektirovaniya na davlenie svyshe 10 MPa. Osnovnye trebovaniya. Dostup iz Elektronnogo fonda pravovyh i normativno-tekhnicheskih dokumentov.
3. GOST 31448-2012. Truby stal'nye s zashchitnymi naruzhnymi pokrytiyami dlya magistral'nyh gazonefteprovodov. Tekhnicheskie usloviya. Dostup iz Elektronnogo fonda pravovyh i normativno-tekhnicheskih dokumentov.
4. Promyshlennaya bezopasnost' i nadezhnost' magistral'nyh truboprovodov / pod red. A.I. Vladimirova i V.YA. Kershenbauma. M.: Nacional'nyj institut nefti i gaza, 2009. 696 s.
42
5. Skorohodov D.A., Polyakov A.S., Starichenkov A.L. Metodika analiza sostoyaniya i ocenki riskov avarij linejnoj chasti magistral'nyh gazoprovodov // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2017. № 1. S. 98-106.
6. Revazov A.M. Analiz chrezvychajnyh i avarijnyh situacij na ob"ektah magistral'nogo gazoprovodnogo transporta i mery po preduprezhdeniyu ih vozniknoveniya i snizheniyu posledstvij // Upravlenie kachestvom v neftegazovom komplekse. 2010. № 1. S. 68-70.
7. Problemy truboprovodnogo transporta / S.V. Savonin [i dr.] // Tekhnadzor. 2015. № 11 (108). S. 32-35.
8. Bauers P. Letatel'nye apparaty netradicionnyh skhem. M.: Mir, 1991.
9. Tarancev A.A., Chikitov Yu.I. Taktiko-tekhnicheskie harakteristiki bespilotnyh letatel'nyh apparatov vertikal'nogo vzleta i posadki // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2014. № 1 (29). S. 68-72.
10. Tarancev A.A., Chikitov Yu.I. O problemah primeneniya BPLA v interesah obespecheniya pozharnoj bezopasnosti // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2014. № 4 (22). S. 55-59.
11. AVIA.PRO. URL: https://avia.pro/blog/bat-4-tehnicheskie-harakteristiki-foto (data obrashcheniya: 24.01.2021).
12. Tarancev A.A. Sluchajnye velichiny i rabota s nimi: ucheb.-metod. posobie / pod red. V.S. Artamonova. 2-e izd., pererab. i dop. SPb.: ID «Petropolis», 2011. 160 s.
43
