Кабели-датчики для распределенного мониторинга

К современным промышленным системам предъявляются все более жесткие требования. Они должны надёжно работать независимо от условий окружающей среды. Важным параметром становится наблюдаемость и управляемость. Оператор должен уметь обнаружить проблему, в том числе потенциальную, определить место ее появления и своевременно отреагировать, приняв необходимые меры для снижения временных и материальных затрат при аварийных ситуациях.

С помощью современных технологий возможно непрерывно, точно и в режиме реального времени обнаруживать малые изменения температуры, акустического фона и деформаций в любом месте промышленного объекта. Для этого на помощь приходят оптические кабели, которые традиционно применяются в телеком-отрасли для передачи информации. В зависимости от типа используемых устройств, подключаемых к оптическому кабелю, возможно обнаруживать различные события внешней среды на большом расстоянии (до нескольких десятков километров). Чувствительной средой при этом является оптическое волокно и огромное количество «виртуальных» сенсоров внутри него.

Использование оптического волокна как сенсора — относительно новое направление. Первые проекты по сбору информации с оптического волокна датируются 80-ми годами прошлого века, а массовое промышленное применение началось в нефтегазовой отрасли в начале 2000-х, где волокно использовалось как температурный сенсор, а с 2010-х и как акустический. Несмотря на то, что технология признана эффективной, она используется далеко не везде. Однако есть все признаки того, что в ближайшем будущем распределенный оптический мониторинг станет стандартом во многих отраслях промышленности.

Несомненным преимуществом распределенного мониторинга перед точечным (на основе брегговских решеток) является высокое пространственное разрешение (от долей метра до 10 метров) за счет использования светового импульса, посылаемого в оптическое волокно и анализа обратного рассеяния от этого импульса. Обратное рассеяние Рэлея, Бриллюэна и Рамана позволяет измерять акустику, деформацию и температуру, соответственно. В связи с этим, распределенный мониторинг позволяет заменить дорогостоящую и громоздкую систему сотен отдельных точечных датчиков на одно непрерывное решение.

Типы распределенного мониторинга

DAS (Distributed Acoustic Sensing) — это «виртуальные» микрофоны вдоль оптического волокна. Используется стандартное одномодовое волокно и рассеяние Рэлея, когда акустические колебания вызывают небольшие изменения показателя преломления, улавливаемые с помощью этого рассеяния. Волокно в буквальном смысле «слышит» события, происходящие в окружающей среде. Количество таких микрофонов — это комбинация пространственного разрешения, расстояния и длительности импульса. Современные системы могут работать на расстояниях до 80 км. Объединение нескольких приборов в единую сеть позволяет создавать тысячи километров линии мониторинга.

DTS (Distributed Temperature Sensing) — это «виртуальные» термометры вдоль оптического волокна. Диапазон расстояний для обычного одномодового волокна составляет до 100 км с пространственным разрешением от 1 до 5 метров и точностью измерения менее 1 градуса Цельсия, время измерения при этом составляет от 2 до 30 минут. Эти параметры являются взаимозависимыми. К примеру, чем больше время измерения, тем лучше пространственное разрешение и точность измерения и наоборот. Для измерения используется рассеяние Рамана, а точнее две его компоненты, одна из которых зависит от температуры, а другая не зависит. Температура определяется за счет измерения дельты этих двух компонент.

DSS (Distributed Strain Sensing) — это «виртуальные» тензодатчики вдоль оптического волокна. Используется стандартное одномодовое волокно и рассеяние Бриллюэна. Когда изменяется напряжение волокна происходит сдвиг частоты Бриллюэна, который может быть зафиксирован. При этом достигается пространственное разрешение около 1 метра на расстоянии до 65 км и регистрации напряжений менее 0,001%.

Распределенный оптический мониторинг в промышленности

Применение кабелей-датчиков на основе оптического волокна

• В скважинах для контроля температуры при добыче нефти методом парогравитационного дренажа;
• При геофизических исследованиях нефтеносных пластов;
• Для охраны периметров в сфере безопасности (аэропорты, границы, трубопроводы);
• Для контроля доступа в кабельную канализацию;
• Для обнаружения утечек в трубопроводах (нефть, газ, вода, жилищно-коммунальное хозяйство) и различных резервуаров;
• В системах пожарной безопасности в качестве пожарных извещателей;
• В горно-шахтной отрасли, на железных дорогах, автомобильных дорогах для контроля подвижек грунтов;
• В энергетике для локализации места удара молнии и КЗ, несанкционированного доступа на опору и т.д.

Практически в любой сфере промышленности, требующей контроля протяженного объекта, может использоваться оптический кабель в качестве датчика.

Преимущества кабелей-датчиков

• Небольшие размер и вес;
• Высокая чувствительность к изменению параметров среды;
• Возможность регистрации различных параметров;
• Надежность;
• Широкий диапазон измерений;
• Относительная низкая цена за единицу длины измерительной линии;
• Большое время эксплуатации;
• Высокое пространственное разрешение;
• Устойчивость к агрессивным средам и сложным погодным условиям эксплуатации;
• Отсутствие восприимчивости к электромагнитному возмущению;
• Не нуждаются в электропитании.

Аналитика показывает, что рынок таких проектов будет расти не менее, чем на 10% в год в обозримом будущем. Наиболее востребованы эти системы в Северной Америке. С точки зрения сферы применения наибольший потенциал имеет нефтегазовая отрасль. По типу мониторинга преобладает контроль температуры.

За последние 10 лет технология стала использоваться для мониторинга тысяч километров трубопроводов, тысяч нефтяных и газовых скважин и многого другого. Появляется множество решений, которые позволяют ускорить внедрение перспективной технологии в промышленности, приборы и кабели постоянно совершенствуются и становятся все более точными и доступными.

Все отрасли нуждаются в стандартах, которые помогают обеспечить функциональную совместимость. Несколько таких стандартов разработано и для распределенного оптического мониторинга.

К сожалению, российская промышленность пока значительно отстает от мировых темпов внедрения, несмотря на то, что на рынке присутствуют российские производители оборудования и кабелей-датчиков достаточно высокого уровня.

Элементы системы распределенного оптического мониторинга

Как любая сеть передачи данных, система распределенного оптического мониторинга состоит из активных элементов (регистрирующие приборы — интеррогаторы) и пассивных элементов (оптические кабели, шкафы, соединительные элементы и т. п.). Их взаимодействие определяет работоспособность системы в целом. Дружелюбный интерфейс для пользователей-операторов — важный компонент системы. Современные системы используют нейросети для анализа накапливаемых статистических данных и значительного улучшения автоматизированного распознавания событий. На рис. 1 изображен пример решения для мониторинга магистрального трубопровода.

Кабели-датчики

При выборе кабелей-датчиков следует учитывать следующие параметры:

• компактная и прочная конструкция, позволяющая осуществить монтаж в заданных условиях эксплуатации (задувка в трубы, прокладка в земле, подвес);
• конструкция должна обеспечивать максимальную чувствительность волокна к температурным, акустическим или деформационным воздействиям (в зависимости от условий применения);
• применение различных вариантов конструкций по материалам и свойствам, учитывающие воздействие окружающей среды (агрессивные химические вещества, высокая или низкая температура, раздавливающие нагрузки и т. п.);
• легкие конструкции, облегчающие монтаж.

Завод Инкаб разработал линейку специальных кабелей-датчиков, удовлетворяющих самым разнообразным требованиям и сферам применения.

FIMT

1

2

3

Оптическое волокно

Гидрофобный гель

Cтальной оптический модуль

1

2

3

Оптическое волокно

Гидрофобный гель

Одинарный или двойной стальной оптический модуль

1

2

3

Оптическое волокно

Cтальной оптический модуль

Внешняя оболочка

Представляет собой прочную трубку из коррозионностойкой стали, в которую помещено оптическое волокно.

Может применяться как самостоятельный кабель-датчик, так и выступать составным элементом различных кабелей.

Отличительной особенностью является возможность применения при температурах до +300 градусов или выше (для кабеля в полимерной оболочке до +260С). Вариант изготовления двухслойной трубки позволяет значительно улучшить механические характеристики, особенно в части стойкости к раздавливающим усилиям. Данная конструкция находит применение в нефтегазовой отрасли.

UniSense

1

2

3

4

Оптическое волокно

Стальной оптический модуль, заполненный гидрофобный гелем

Повив из армирующих проволок

Оболочка

1

2

3

Оптическое волокно

Стальной оптический модуль, заполненный гидрофобным гелем

Оболочка

В данной конструкции на стальной оптический модуль накладывается броня из высокопрочных стальных проволок (опция) и внешняя оболочка из полимерного материала. В зависимости от условий применения оболочка может быть выполнена как из полиэтилена, так и из полипропилена или фторполимеров.

Специально разработанный вариант с повышенной акустической чувствительностью находит применение для охраны периметра режимных объектов, мониторинга состояния ж/д путей и составов, обнаружения утечек и несанкционированного доступа вдоль трубопроводов.

На испытательном полигоне Завода Инкаб были проведены сравнительные испытания различных конструкций кабелей в разное время года (рис. 2) с помощью программно-аппаратного комплекса «Дунай» (анализатор DAS) от компании «Т8-Сенсор». Кабель был уложен в грунт и воздействие создавалось посредством падения грузов разной массы на разном удалении от кабеля. Падения грузов отчетливо видны на графиках в виде ярких точек. Причем данное воздействие фиксируется даже при падении грузов в снег с толщиной покрова порядка 50 см. Кабели имеют разную акустическую чувствительность и поэтому для систем мониторинга важно применять специально разработанные кабели с максимальной чувствительностью.

Высокая температурная чувствительность обеспечивает быстрое время реакции в системах пожарной безопасности и в горнодобывающей отрасли для контроля температуры роликов на конвейерах. Проведенные исследования показали работоспособность систем на основе DTS для раннего обнаружения перегрева таких роликов и их своевременной замены или ремонта. Кабель укладывается вдоль конвейера и должен быть достаточно защищенным от внешних механических воздействий, но при этом быстро реагировать на локальные изменения температуры. Кабель типа КДУ удовлетворяет этим требованиям.

DeepWire

1

2

3

4

5

Оптическое волокно

Стальной оптический модуль

Медная жила

Промежуточная оболочка

Повив из стальной армирующей проволоки

1

2

3

4

5

6

Оптическое волокно

Стальной оптический модуль

Изоляция

Медная жила

Промежуточная оболочка

Повив из стальной армирующей проволоки

1

2

3

3

Оптическое волокно

Стальной оптический модуль

Повив из стальной армирующей проволоки

Повив из стальной армирующей проволоки

Стальной оптический модуль бронирован одним или несколькими повивами стальных проволок. Возможно наложение дополнительной стальной трубки между повивами стальной проволоки и повива коаксиальных медных жил в изоляции. Предназначен для температурного и акустического мониторинга нефтяных скважин с возможностью работы в диапазоне температур до +300 градусов.

Наибольшее практическое применение кабели типа КДГ нашли в скважинах для контроля температуры при добыче нефти методом парогравитационного дренажа (SAGD) (рис. 3).

В добывающую скважину опускается кабель-датчик КДГ, а паронагнетательная скважина обеспечивает нагрев пласта добываемой нефти. При этом с помощью мониторинга температуры вдоль добывающей скважины определяется достаточность прогрева и возможность начала добычи нефти (рис. 4)

SlickLight

1

2

3

4

5

Оптическое волокно

Стальной оптический модуль

Медная жила

Изоляция

Стальная защитная трубка

1

2

3

4

Оптическое волокно

Стальной оптический модуль

Изоляция

Стальная защитная трубка

1

2

3

4

Оптическое волокно

Стальной оптический модуль

Повив из стальной армирующей проволоки

Стальная защитная трубка

Конструкция разработана для геофизических исследований и каротажных работ. Уменьшенный диаметр обусловлен размерами мобильного каротажного подъемника — составляющей части каротажной станции, который обычно размещен на шасси грузового автомобиля. Возможно изготовление комбинированной конструкции с оптическим волокном, для мониторинга данных, и коаксиальным повивом меди, для подключения электрических приборов.

ProLine-H

1

2

3

4

5

6

7

Оптическое волокно

Гидрофобный гель

Стальной оптический модуль

Медная жила

Изоляция

Распределенная проволочная броня, интегрированная в оболочку

Оболочка

Особенностью данной конструкции является наличие коаксиальных медных жил в единой изоляции вокруг центрального стального оптического модуля, а также распределенная проволочная броня в полимерной оболочке (опции: полиэтилен, полипропилен, фторполимер). Такая конструкция помимо температурного и акустического мониторинга нефтегазовых скважин позволяет проводить спуско-подъемные работы, питать скважинное оборудование, обеспечивая высокую стойкость к воздействию агрессивных сред.

StrainSense

1

2

3

4

5

6

Оптическое волокно

Буферное покрытие

Стальной оптический модуль

Промежуточная оболочка

Повив стальных проволок

Внешняя оболочка

Конструкция изготавливается таким образом, чтобы внешние растягивающие воздействия на кабель линейно передавались на волокно, жестко закрепленное в стальном оптическом модуле. Возможно изготовление конструкции с профилированной оболочкой для лучшего сцепления с бетоном и другими поверхностями. Это позволяет определять зарождающиеся карстовые провалы, оползни, деформации конструкций и т.п. Кабель прокладывают вдоль автомобильных и железных дорог, на мостах и эстакадах, вдоль трубопроводов.

Non-metallic MultiSense

1

2

3

4

5

6

7

Оптическое волокно

Оптическое волокно

Оптический модуль из ПБТ, заполненный гидрофобным гелем

Буферное покрытие

Стеклопластиковый пруток

Рипкорд

Оболочка

Конструкция разработана специально для мониторинга протяженных объектов: тоннелей, конвейеров, трубопроводов, дорог и железных дорог, и позволяет одновременно измерять различные параметры. Возможно изготовление с профилированной оболочкой для лучшего сцепления с объектами мониторинга.

FlatPack

1

2

2

3

4

3

2

5

3

Медная жила

Первый слой изоляции

Второй слой изоляции

Стальная трубка

Оптическое волокно

Стальная трубка

Изоляция

Оболочка

Стальная трубка

Такие кабели являются незаменимым связующим звеном между скважинными глубинными приборами (манометрами, датчиками температуры и т. д.) и наземной регистрирующей и управляющей аппаратурой. Кабели имеют плоскую форму стандартных размеров, что наилучшим образом обеспечивает размещение вдоль НКТ и совместимость с традиционными для нефтегазовой отрасли элементами крепления.

Возможно различное «наполнение» кабеля функциональными модулями:

1. Одножильный электрический.
2. Трёхжильный электрический.
3. Оптический модуль.
4. Комбинированный сердечник с оптическим волокном и медными жилами в повиве.
5. Комбинированный витой сердечник с оптическим волокном и медной жилой в изоляции.
6. Трубки линий гидравлического управления.
7. Усилитель в виде скрученных стальных проволок для защиты от внешних механических воздействий.

Такие кабели позволяют одновременно решать несколько различных задач: как распределённый оптический мониторинг, так и электрическое питание, связь и управление.

Заключение

Постоянно растет число объектов промышленности, в которых применен распределённый оптический мониторинг благодаря невосприимчивости волокна к электромагнитным помехам и возможности его надежной защиты с помощью современных конструкций кабеля. В сложных условиях эксплуатации, где время безотказной и надежной работы являются наиболее важным фактором, такой мониторинг обеспечивает непрерывность измерений и анализ данных, который позволяет обнаружить потенциальные проблемы до того, как они возникнут.

В данном материале описаны основные принципы такого мониторинга и показаны современные конструкции кабелей, которые удовлетворяют требованиям разных отраслей промышленности. За последние годы технологии получили значительное развитие, а объем рынка в обозримом будущем будет продолжать расти, стимулируя дальнейшее совершенствование систем.