Уловить неуловимое: разработка российских учёных поможет обнаружить даже незначительные утечки опасных веществ

Исследователи из Пермского национального исследовательского политехнического университета создали математическую модель чувствительного оптоволоконного датчика, который позволит отслеживать любые утечки на протяжённых расстояниях. Разработка станет полезной не только для контроля промышленных процессов, но и для развития робототехники.

Роковой маршрут

3 июня 1989 года около 21:00 в центр управления трубопроводом ПК-1086, проложенного по маршруту Западная Сибирь — Урал — Поволжье, поступило сообщение о резком падении давления на одном из его участков. Оператор не стал бить тревогу, поскольку аварийная область была расположена в 250 километрах от центра управления — проверить её оперативно было невозможно. К тому же, приближалась пересменка, и принявший сообщение специалист решил, что нет смысла начинать разбирательства под конец рабочего дня. Информацию о давлении он передал сменщикам.

Заступившие в ночную смену операторы, не имея уточняющих данных и инструкций, просто увеличили давление в трубопроводе. А спустя три часа на железнодорожном перегоне Аша — Улу-Теляк неподалёку от Уфы произошёл взрыв. Погибло около 600 человек.

Расследование показало, что давление снизилось из-за небольшой трещины, образовавшейся в трубопроводе. Когда давление увеличили, трещина тоже увеличилась. Освобождающаяся через неё газобензиновая смесь копилась в низине недалеко от Транссибирской железнодорожной магистрали. В течение трёх часов небольшая утечка превратилась в огромное легковоспламеняемое облако.

В это время навстречу друг другу двигались два поезда: один ехал из Адлера в Новосибирск, а второй — в обратном направлении. Оба поезда были «курортными». Оба — переполнены. Всего несколько секунд, случайная искра — и поезда взлетели в воздух. Взрывная волна выбила стёкла во многих домах города Аша, находящегося в 11 километрах от магистрали. Лес вокруг взрыва был полностью уничтожен, а несколько сотен метров железнодорожного полотна искорёжены до неузнаваемости.

Всего в поездах находилось более 1300 пассажиров. Как минимум четверть — дети. Многие из них ехали на юг группами, без родителей — отдыхать в пионерские лагеря. Туда же направлялись хоккеисты из юношеской команды челябинского «Трактора».

Официальное число погибших — 575 человек. Но точное количество до сих пор неизвестно. По словам родных погибших, оно может достигать 780 человек. В первую очередь потому, что на детей тогда билеты не выписывали. Найти и опознать многих из них не удалось. Согласно официальным данным, погиб 181 ребёнок. Из десяти игроков «Трактора» выжить посчастливилось только одному.

Согласно данным Ростехнадзора, в России на системах трубопроводного транспорта ежегодно происходит несколько десятков аварий разной степени тяжести. В 2019 году в результате нескольких таких происшествий пострадал 51 человек, 17 погибли. А годом ранее один человек даже пропал без вести. Причины аварий разные: механические повреждения в результате транспортного наезда, коррозионный износ, разрывы по сварному стыку, превышение допустимой концентрации углеводородов внутри резервуаров, человеческий фактор и низкий уровень контроля утечек.

Всем транспортам транспорт

Трубопровод — это сооружение из труб, которое предназначено для транспортировки каких-либо веществ: жидких, газообразных, пылевидных и даже твёрдых, но в виде раствора. То есть транспортировать с помощью трубопровода можно практически всё и практически на любые расстояния. Трубы могут проложить над землёй, под землёй, на дне океана и поверх болот. В России трубопроводный транспорт входит в состав транспортной инфраструктуры.

Первыми трубами, которые использовал человек, были трубчатые растения с полыми стеблями. Применяли их и в качестве водостоков в жилищах, и в качестве оружия. Например, с помощью таких трубочек древние охотники плевали в своих жертв отравленными колючками.

По мере развития городов и производств трубы начали изготавливать из дерева, глины и металла. Прообраз современных трубопроводов появился в XVII веке. Тогда толчком к разработке более сложных, надёжных систем водопровода и первых насосных станций стала мода на фонтаны во дворцовых парках.

Позже задумались и о транспорте нефти — маслянистого горючего вещества, которое используется в качестве топлива и сырья для производства других горючих: бензина, керосина и т.д. До 60-х годов XIX века нефть транспортировали в бочках с помощью лошадей. А в 1863 году русский учёный Дмитрий Менделеев предложил доставлять сырьё по трубам.

Но первый в Российской империи нефтепровод «Балаханы — Чёрный город» был построен по проекту инженера Владимира Шухова лишь в 1878 году. Он соединял Балаханское месторождение и нефтеперерабатывающие заводы в Чёрном городе на окраине Баку. Первый газопровод был построен уже во времена СССР, в 1946 году, по маршруту Саратов — Москва, его протяжённость составила 843 км.

Канарейки, мыло и лучи

Вместе с развитием сети трубопроводов развивались и системы отслеживания утечек — любого неконтролируемого выхода жидкости, газа или сыпучих материалов за пределы трубопровода.

Утечки опасны и для человека, и для окружающей среды. Например, метан, природный газ, оказывает на человека удушающее воздействие. К тому же это горючее вещество. Если его концентрация в воздухе будет превышена, мельчайшая горящая или раскалённая частица, попавшая в загазованную область, может спровоцировать пожар.

Нефть при попадании в живой организм может вызвать отравление, кровотечение, отказ органов и мутации. Плёнка, которая образуется из-за разлива нефти на поверхности воды, мешает газообмену — под ней начинается кислородное голодание и всё живое погибает.

Самые распространённые методы контроля утечек — визуальный и инструментальный. Визуальный метод основывается не только на осмотре трубопроводов, но и на фиксации запаха, звука. Сюда же относится вспенивание мыльной эмульсии — предполагаемое место утечки обрабатывается мыльным раствором, если на поверхности трубы образуются пузыри — значит, есть утечка. Такой метод удобен для проверки небольших участков трубопроводов. Но проверить несколько километров труб будет проблематично.

Инструментальный метод контроля утечек — это проверка труб или окружающего их пространства с помощью приборов, например, газоанализаторов. Они предназначены для качественного и количественного анализа состава газовых смесей.

До появления газоанализаторов рудокопы, опускаясь в шахту, использовали в качестве таких «приборов» канареек — маленьких певчих птиц. Поскольку в природе метан — это газ без вкуса, цвета и запаха, человеку сложно его распознать вовремя. А вот канарейка обладает более быстрым обменом веществ. Поэтому, когда птица замолкала, шахтёры понимали, что пора выбираться.

Первый настоящий газовый детектор был создан американцами Чарльзом Лоу и Честером Гордоном в 1927 году. Но устройство было дорогостоящим и хрупким и применялось редко. Современные газоанализаторы более доступные и надёжные, принципы их работы зависят от вида. Например, оптические, или инфракрасные газоанализаторы измеряют оптические свойства газовых смесей. Для этого источник света в датчике подаёт инфракрасные лучи. Они проходят через газ, а затем отправляются на специальный сенсор, который измеряет их интенсивность. Пока луч проходит через пространство, часть излучения поглощается молекулами газа. Проанализировав интенсивность поступивших на сенсор лучей, можно узнать характеристики газа, через который они проходили, и понять, есть ли утечка.

Несмотря на распространённость и надёжность такого метода, использовать его возможно только в областях добычи и переработки сырья. В отдалённых местах использование приборов затруднительно и невыгодно. При этом больше половины всех газопроводов расположено именно в труднодоступных местностях.

Заметить утечку станет проще

Измерить концентрации химических веществ на протяжённых расстояниях поможет разработка учёных аэрокосмического факультета Пермского национального исследовательского политехнического университета. Исследователи создали математическую электромеханическую модель сорбционного оптоволоконного пьезоэлектролюминесцентного датчика. В дальнейшем он может стать не только сильнейшим детектором утечек, но и элементом «обоняния» человекоподобных роботов.

Модель нового датчика выглядит как цилиндр, внутри которого слоями расположены все его элементы. В центре — оптоволокно. Поверх него электролюминофор. Потом пьезоэлектрик. И всё это покрывает абсорбционный слой. При этом оптоволоконный и электролюминесцентный слои разделены светопрозрачным управляющим электродом. Ещё один управляющий электрод расположен на поверхности пьезоэлектрического слоя.

Оптоволокно — это собранные в пучок тонкие нити из кварцевого стекла. Толщина каждой нити — 125 микрон, что чуть толще человеческого волоса. Каждая нить состоит из сердцевины и оболочки. Оптоволокно служит для передачи информации с помощью света и со скоростью света. Происходит это за счёт многократного внутреннего отражения: луч света попадает на сердцевину, а затем начинает отражаться от оболочки то с одной, то с другой стороны, таким образом двигаясь вперёд.

Пьезоэлектрик — это диэлектрик (в данном случае твёрдое вещество, не способное проводить электрический ток), в котором наблюдается пьезоэффект. Прямой пьезоэлектрический эффект — это возникновение поляризации диэлектрика под действием механического давления, сжатия. Поляризация диэлектрика в свою очередь — это смещение положительно и отрицательно связанных зарядов в противоположные стороны по направлению линии напряжённости электрического поля. То есть до механического воздействия молекулы в диэлектрике, из которых он и состоит, расположены хаотично. А после они коллективно разворачиваются положительно заряженным боком в одну сторону, отрицательно заряженным — в другую. Так у диэлектрика появляется два поля — положительное и отрицательное.

Существует также обратный пьезоэлектрический эффект — это механическая деформация вещества под действием электрического поля. То есть в первом случае механическая деформация твёрдого тела приводит к возникновению электрического напряжения между его поверхностями, а во втором — воздействие внешнего электрического поля приводит к деформации вещества.

Селективный абсорбционный слой — это слой, который, как губка, впитывает газы из внешней среды. Электролюминофор — как правило, порошкообразное вещество, которое светится под действием электрического поля. А электроды — проводники электрического тока, который необходим для функционирования прибора.

Работает смоделированный датчик так. Внешний слой впитывает газы из окружающей среды. Попадая в абсорбционный слой, химические элементы, содержащиеся в газах, меняют его плотность и объём. Из-за этого колебания вибрации, которые происходят внутри датчика под действием электрического тока, меняют свою частоту. Информация об этих изменениях передаётся в оптоволокно за счёт механолюминесцентного эффекта — это результат взаимодействия электролюминесцентного и пьезоэлектрического слоёв датчика. То есть под действием электрического поля пьезоэлектрик меняет свои характеристики и воздействует на электролюминофор. Тот в свою очередь под воздействием электрического поля начинает излучать свет определённой интенсивности. Оптоволокно подхватывает его и передаёт на другие анализирующие устройства.

Чтобы понимать, какие именно данные говорят об отклонениях от нормы, учёные рассчитали «сорбционный спектр» (или «диапазон поглощения») — характеристику, которая показывает распределение поглощаемого датчиком вещества по всей его длине. Для этого они измерили интенсивность свечения на выходе из оптоволокна. А затем с помощью интегрального уравнения Фредгольма рассчитали изменения частот и форм колебаний с учётом увеличения плотности внешнего слоя.

Например, расчёты показали, что при увеличении плотности абсорбционного слоя степень колебаний снижается практически линейно. Увеличение объёма абсорбционного слоя на 30% уменьшает частоту колебаний на 27,2%, а снижение объёма на 30% — увеличивает на 63,4%.

По словам учёных, такой датчик будет способен улавливать даже самые незначительные изменения в составе поглощаемых газов. Расположить его можно где угодно, ведь благодаря оптоволокну информацию в центр управления он будет передавать почти мгновенно. Разработанная математическая модель также найдёт своё применение в робототехнике — в перспективе датчик способен наделить человекоподобных роботов возможностью различать запахи.