Дмитро Столяренко, к.т.н., ТОВ Центр «Геоматика»
При експлуатації підводних ділянок нафто-і газопроводів необхідні регулярні технічні інспекції для контролю стану тіла труби і її опор. Пропонована технологія обстеження підводного трубопроводу з використанням гідролокатора бічного огляду характеризується високим ступенем автоматизації, інформативністю, оперативністю і низькими трудовитратами в порівнянні з традиційними способами, заснованими на застосуванні підводних апаратів або водолазів.
Найчастіше підводні трубопроводи прокладені прямо по дну або в дрібних траншеях. Вплив течій може призводити до ерозії дна і утворення великих ділянок провисання трубопроводу, які можуть викликати неприпустимі поперечні навантаження на тіло труби. Тому експлуатація таких трубопроводів передбачає регулярні технічні інспекції. Таке обстеження може здійснюватися або візуально за допомогою підводного апарату чи водолаза, або за допомогою гідролокатора бічного огляду (ГБО).
При проектуванні і будівництві трубопроводів здатність ГБО давати досить докладну рельєфну картину дна, а також виявляти перешкоди використовується при визначенні оптимального шляху прокладання підводного трубопроводу. Оскільки каламутна вода для акустичного сигналу прозора, ГБО ефективний також у ході спорудження підводних трубопроводів і морських нафтових платформ.
Можливості ГБО
Термін «бічний огляд» застосовується тому, що цей тип гідролокаторів «дивиться» в обидві сторони, вліво і вправо від маршруту зйомки, і формує зображення при фізичному русі антени гідролокатора - буксируваного пристрої - над дном. Гідролокатор бічного огляду посилає ультразвуковий імпульс під гострим кутом до площини дна і потім приймає повернувся назад відбитий від дна сигнал, розгортаючи його порядково на екрані монітора або на принтері. Так формуються окремі рядки сканування дна, з яких, в порядку надходження з частотою до 20 Гц завдяки руху антени, складається зображення дна, схоже на телевізійне [1].
Інтенсивність відбитого сигналу залежить від фізичних властивостей поверхні дна і предметів на ньому. Так, інтенсивність відбитого сигналу від труби велика, і вона представляється на зображенні світлою. Акустична тінь, відкидається трубою на дні, зображується темною. За інтенсивним відбиванням і тіням можна зробити висновок, де труба підтримується дном, а де ні, і виділити ділянки провисання. Довжина ділянки провисання і висота труби над дном може бути розрахована по довжині акустичної тіні на зображенні ГБО. Ці вимірювання використовуються для оцінки стану трубопроводу й наступної вибіркового обстеження трубопроводу з допомогою підводного апарату з відеокамерою чи водолаза.
Завдяки слабкому загасання акустичних хвиль у воді в порівнянні зі світловими видимого спектру смуга огляду акустичної зйомки значно більше і може перевищувати 1 км. Каламутна вода прозора для неї. Гідролокатор бічного огляду синтезує зображення, схоже на аерофотозйомку, але тільки в ультразвуку. Тому як засіб зменшення вартості інспекцій контроль за допомогою гідролокатора бічного огляду вельми ефективний по трудовитратах і значно швидше, ніж візуальний контроль за допомогою підводного апарату з відеокамерою. Завдяки автоматизації процедури обробки зображень в реальному часі можливе отримання звіту безпосередньо в ході зйомки без необхідності обробки даних на березі після зйомки.
Саме гострий «кут зору» ГБО створює умови формування акустичної тіні, утвореною підносяться над дном об'єктами. Тінь допомагає розпізнати ці об'єкти. Жоден інший тип гідролокатора не може дати настільки ясно інтерпретується картини дна і об'єктів на ньому. У центральній частині зображення ГБО при «куті зору», близькому до прямого, принципово присутній «мертва зона». Тому антена ГБО повинна знаходитися досить близько до дна, зазвичай на відстані від 2 до 50 метрів. Це досягається установкою антен на занурюється у воду буксированому пристрої з хорошими гідродинамічними властивостями, які зумовлюють високу стабільність положення рядків сканування ГБО. У цьому полягає головна перевага гідролокатора бічного огляду перед багатопроменевим ехолотом з вбудованою функцією ГБО, антена якого кріпиться до борту або днища судна і схильна до хитавиці.
Склад та характеристики обладнання
Система гідролокатора бічного огляду складається з погружаемого у воду на глибину буксируваного пристрої (фото 1) і пристрої збору та обробки даних на борту судна, пов'язаних кабель-тросом. При довжині кабелю більше 100 м використовується броньований геофізичний кабель з лебідкою (фото 2).
Традиційний ГБО, наприклад EdgeTech 272, приймає аналоговий сигнал і передає його по кабель-тросу з неминучим для довгого кабелю спотворенням форми сигналу. Сучасний цифровий ГБО, наприклад Гео-СМ, переводить приймається аналоговий сигнал в цифрову форму безпосередньо в самому буксированому пристрої з вбудованим процесором. Це дозволяє передавати по довгому кабель-тросу оцифрований сигнал без втрати інформації. Максимальна довжина кабелю для Гео-СМ дорівнює 6000 м, корпус буксируваного пристрої витримує занурення на глибину до 2000 м [2].
Антена ГБО Гео-СМ має широку (до 500) діаграму спрямованості у площині, поперечної руху, і дуже вузьку (до 0,20 на найвищій частоті 780 кГц) - у напрямку руху. Остання обставина дозволяє синтезувати зображення, за детальності близькі до цифрової фотографії. При цьому дозвіл Гео-СМ на дні водойми в напрямку, поперечному руху, становить 4 см.
Гідролокатор Гео-СМ може бути використаний на різних судах, від корабля водотоннажністю декілька тис. т до човна довжиною кілька метрів. Високий рівень технічної досконалості ГБО Гео-СМ ілюструється наступними характеристиками:
можливістю вибору двох або однієї частоти ЦИФРОВОГО буксируваного пристрою, що працює на частотах 102кГц, 325кГц або 780кГц. Харчування для всіх типів буксованих пристроїв подається вниз по кабелю;
широким вибором типів двопровідного кабель-троса - від короткого «м'якого» кабелю до дуже довгого армованого кабелю (до 6 км);
унікальною конфігурацією приймально-випромінюючої антени гідролокатора, яка оптимізує продуктивність і забезпечує несприйнятливість поверхневої реверберації;
наявністю страхує лина, який дозволяє буксируваному пристрою перевернутися при зіткненні з перешкодою і в той же час залишатися надійно прикріпленим до буксированому кабелю;
застосуванням нержавіючої сталі для всіх металевих частин обладнання (за винятком кабелю), що знаходяться в контакті з морською водою;
використанням пристрою збору-обробки даних, що містить всі інтерфейсні, керуючі та інші записувальні функції в одному міцному пластмасовому корпусі, що забезпечує гідрозахист класу IP67 в закритому стані;
повним набором функцій відображення, запису, редагування, міток і анотацій, вимірювання, введення зовнішніх даних і моментального доступу до повторного перегляду запису;
прив'язкою кожного рядка сканування ГБО в просторі завдяки підключається приладу супутникової навігації (GPS або GLONASS з диференціальної корекцією), що дозволяє реалізувати різні методи поліпшення зображення і автоматичної комп'ютерної обробки в реальному масштабі часу;
потужним процесором Intel і операційною системою Windows, що дозволяють використовувати не тільки входить до складу ГБО спеціалізоване програмне забезпечення, але і програмні продукти інших розробників (фото 3);
спеціальним рідкокристалічним монітором з підвищеною яскравістю 1700 св./м2 і автоматичної її регулюванням за допомогою світлочутливого датчика, що дозволяє оператору ГБО працювати з екраном навіть під впливом на екран прямих сонячних променів;
автоматичним мікропроцесорним управлінням профілем підсилення;
широким вибором потужних лебідок, включаючи портативну лебідку для кабелю довжиною до 250 м;
широким вибором можливих принтерів, якщо потрібно документувати запису на папері;
конфігурацією для автоматичного підводного апарату, доступною з інтерфейсів для цифрового телеметрії.
Зазначені технічні характеристики роблять двочастотний гідролокатор Гео-СМ з робочими частотами 325/780 кГц (або 102/325 кГц для зйомок на великій площі) оптимальним вибором серед професійних ГБО для розглянутих завдань [3].
Автоматизована інспекція трубопроводу
Розглянемо особливості автоматизованої інспекції положення трубопроводу на прикладі програмного продукту Coda PI з пакету програм GeoSurvey Productivity Suite розробки англійської фірми CodaOctopus [4].
Автоматизована інтерпретація зображення ГБО для визначення ділянок провисання трубопроводу є великою перевагою акустичної зйомки, значно підвищує ефективність контролю трубопроводів. На відміну від інтерпретації оператором-геофізиком, така інтерпретація не страждає провалами уваги і спадом продуктивності в нічний час. Вона спирається на формалізовані критерії, причому розробники CodaOctopus вважають за краще спиратися на методи математичної статистики і теорії ймовірностей, що дозволяють кількісно оцінити продуктивність системи. Однак інтерпретація людиною спирається на більш широкий контекст. Це дозволяє розпізнати ситуацію, пов'язану з можливими дорогими заходами по спуску підводного апарату та мобілізації ремонтної команди, і сконцентрувати увагу на таких ділянках. Тому програма CodaOctopus має дуже розвинений і добре інтерпретується графічний інтерфейс, що дозволяє створити ефективний людино-машинний комплекс. Автоматична інтерпретація при цьому використовується як фільтр даних, де увагу людини залучається до ділянок, де ймовірність виявлення провисання досить велика. Алгоритми фільтрації засновані на відстеженні за допомогою робастної статистики більше 30 різних змінних, що описують стан трубопроводу. Використовуються також інші методи обробки зображень. Наприклад, відображення високої інтенсивності з відкидаємо глибокої акустичної тінню відстежується з прогнозуванням положення труби. Цей метод, реалізований у програмі, незамінний у разі, коли труба на підводному ділянці місцями похована під грунтом, а місцями виходить на поверхню дна (фото 4).
Перед початком зйомки з оцінки стану трубопроводу в програму Coda PI повинні бути введені відповідні вихідні дані. Так, після введення значення діаметра труби з'являється можливість по довжині тінь в реальному часі обчислювати оцінку висоти провисання труби, що відображається в окремому вікні на дисплеї.
Разом з тим, природно, Coda PI має ряд обмежень. Перше - це припущення рівного дна, типове для всіх гідролокаторів бічного огляду. Якщо труба покладена в поглиблення з похилими стінками, то відкидається нею акустична тінь на похилу стінку поглиблення і сильне відбиття сигналу від цієї стінки не будуть давати можливість оцінити її висоту і провисання. Друге обмеження - це ненадійна інтерпретація зображень труб діаметром менше 15 см, які викликають труднощі і у людини. Чим вище робоча частота ГБО, тим вище дозвіл і якість зображення. Тому для труб малого діаметра слід розглядати високочастотні варіанти ГБО, такі як модель Гео-СМ з робочою частотою 780 кГц.
Недавня розробка, здійснена фірмою CodaOctopus спільно з компанією Fugro-Geoteam, дозволила створити на базі Coda PI «автопілот» для дистанційно керованого підводного апарату McCartney Focus 400, призначеного для операцій з контролю трубопроводів. Програма Coda PI відстежує положення трубопроводу і посилає дані про відстань підводного апарату до труби, що дозволяє витримувати цю відстань постійним [4].
Гідролокатори бічного огляду стають останнім часом широко затребуваним гідрографічним обладнанням. Впровадження таких систем дозволить більш якісно та оперативно здійснювати інспектування підводних ділянок трубопроводів, що безумовно позитивно відіб'ється на їх безпеки та ефективності експлуатації.
Список літератури
1. Fish JP, HACarr, 1990. Sound Underwater Images: A guide to the generation and interdivtation of side scan sonar data. Lower Cape Publishing, Orleans, США, 190с.
2. Гідролокатор бічного огляду Гео-СМ. Керівництво користувача. Центр «Геоматика», Москва, 2003.
3. Product Survey on Side-Scan Sonar. Hydro International, Vol.8, No. 3, April 2004, pp. 36-39.
4. McFadzean, A, R. Ceri. An Automated Side Scan Sonar Pipeline Inspection System. UnderWater Magazine. Vol.8, No.6, November / December 2000.