Особенности технологии строительства и эксплуатации волоконно-оптических кабельных линий для нефтепроводной структуры Западной Сибири

Долгосрочной программой развития ПАО ских линий связи [1]. Основная задача строитель-«Транснефть» 2016-20 гг. предусмотрено строи- ства волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) тельство более 12,5 тыс. км волоконно-оптиче- – это обеспечение надежной и безаварийной эксплуатации нефтепроводов и нефтепродукто-проводов. За счет внедрения волоконно-оптических линий передачи обеспечивается повышение надежности функционирования магистральных нефтепроводов в целом, создание технической основы для модернизации систем технологического управления и контроля за работой всех объектов нефтепроводного транспорта и использования современных информационных систем при решении производственных и управленческих задач.

К наиболее масштабным с точки зрения объемов строительства и применения новых технологий следует отнести проекты «Магистральный нефтепровод «Куюмба – Тайшет». Сети связи», «ВОЛС магистрального нефтепровода (МНП) Заполярье – Пурпе» [2-5]. Данные проекты реализуются в суровых условиях Западной и Восточной Сибири. Эти регионы имеют свои климатические особенности, с которыми раньше не приходилось сталкиваться. Это высокие перепады температур, сильнейшие ветры, тундра, болота, вечная мерзлота. Труднодоступность площадок строительства, заболоченность местности, предельно низкие температуры накладывают существенные условия к технологиям, методам строительства. Все это потребовало разработки и применения новых технологий.

В данной статье представлен анализ особенностей строительства и эксплуатации волоконнооптических кабельных линий для нефтепроводной структуры в таких экстремальных условиях, на основе которого сформулированы основные проблемы и намечены способы их решения.

С суровыми климатическими условиями пришлось столкнуться при реализации проекта «Магистральный нефтепровод «Куюмба – Тайшет». Сети связи», расположенного в Красноярском крае и Иркутской области, общая протяженность которого составляет 742 км, в том числе: Красноярский край – 551 км; Иркутская область – 191 км.

Среднегодовая температура воздуха в районе прохождения проектируемой трассы ВОЛС изменяется с юга на север от –0,7° С до –6,1°С. Среднемесячная температура самого холодного месяца, января, изменяется соответственно от –19,5°С до – 29,8°С, самого теплого, июля, от 18,3°С до 17,2°С. Абсолютный максимум температуры воздуха достигает 36°С, абсолютный минимум – 61°С.

Основная часть территории районов водонасыщена (проектируемая трасса волоконно-оптической линии связи пересекает 92 водных объек- та). Основной сток воды (60% годового объема) приходится на весеннее половодье, которое начинается в первой половине мая и длится около двух месяцев. Почвенный покров весьма разнообразен и насыщен мерзлотно-торфяными болотами, скальными и карстовыми породами.

С не менее сложными климатическими условиями столкнулись при строительстве магистрального нефтепровода по маршруту Заполярье – пос. Пурпе – Самотлор для транспортировки нефти из районов Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) и северного района Красноярского края [5]. Строительство нефтепровода по плану осуществлялось в два этапа. Первый этап был завершен в 2011 г. строительством нефтепровода на участке Пурпе – Самотлор протяженностью 429 км. Второй этап был завершен в 2016 г. строительством нефтепровода Заполярье – Пурпе.

В процессе строительства осваивались недоступные ранее районы Заполярья и севера Красноярского края. Эти районы имеют свои климатические и геологические особенности, с которыми раньше не приходилось сталкиваться. Абсолютный перепад температур составляет от –56°С зимой до +34°С летом. Сильные ветры со скоростью свыше 40 м/с, тундра с карликовой растительностью, болота, значительные территории с вечной мерзлотой. Протяженность строящегося магистрального нефтепровода «Заполярье – НПС «Пурпе» составляет 487 км диаметрами 1020 мм (336 км) и 820 мм (151 км). Трасса нефтепровода проходит в условиях сильно обводненной, болотистой местности и линзовой вечной мерзлоты по территории Ямало-Ненецкого и Ханты-Мансийского автономных округов Тюменской области. Помимо арктического климата район строительства характеризуется уникальными геологическими и гидрологическими условиями. Пересекает 180 водных преград (рек, проток, стариц, озер, ручьев), из них две судоходные реки: Таз (ширина 480 м, глубина 13 м) и Пур (ширина 650 м, глубина 3,4 м).

Традиционно нефтепроводы прокладываются подземно. Особенность же данного проекта заключается в том, что 310 км линейной части магистрального нефтепровода (64% от общей протяженности трубопровода) будут проложены способом надземной прокладки на специальных опорах и 36% протяженности, или 178 км, подземно. Также надземная прокладка будет осуществлена на переходах нефтепровода через 118 малых водных преград (шириной в межень по зеркалу воды от 10 до 25 м и глубиной менее 1,5 м или шириной менее 10 м независимо от глубины).

Применение новых технических решений во многом обусловлено необходимостью сохранения экологии в районе прокладки нефтепроводов. Природа тундры очень уязвима, требует особенно внимательного отношения к себе. Поэтому, чтобы не потревожить местную биосферу, почти все работы ведутся зимой. В другое время года запрещен даже проезд, чтобы не повредить мох ягель.

Перечисленные выше условия и специфика строительства трубопроводной системы не могли не отразиться на реализации строительства технологических волоконно-оптических кабельных линий. Здесь следует отметить, что прокладку кабеля первоначально предполагалось организовать преимущественно вдоль магистрального нефтепровода. Однако по результатам детального анализа инфраструктуры и особенностей региона было принято решение о замене технических решений и организации строительства волоконно-оптической линии связи путем подвеса на вдольтрассовые опоры высоковольтных линий электропередачи. При этом, как уже было отмечено ранее, самый удобный для строительства сезон – зима, когда многочисленные болота и водоемы Севера схвачены толстым слоем льда. Соответственно, работы по прокладке и монтажу оптического кабеля велись при экстремально низких отрицательных температурах. Суровые природные условия не только предъявляют специфические требования к используемой технике, кабелю и кабельной арматуре, но и требуют особых подходов в вопросах выполнения санитарных норм и обеспечения максимально возможного комфорта людей.

Сложнейшие геологические условия, отсутствие инфраструктуры, перепад температур ставит задачи внедрения новых технологий организации строительства волоконно-оптических линий связи для последующего достижения максимально возможного срока эксплуатации кабелей связи. Ресурсы кабельной продукции и специальной техники при низких отрицательных температурах ограничены. Это ставит коррективы в организации работы. Она осуществлялась в несколько рабочих смен.

Входной контроль кабельной продукции был организован в специально отведенных обогреваемых боксах. После проверки целостности изоляции транспортировка на площадки строительства производится исключительно после полной просушки кабеля во избежание деформации и повреждения.

Подготовка к монтажу волоконно-оптического кабеля ведется с использованием специальной гусеничной техники, которая выполняет «на-морозку» болотистых участков трассы в период предельно низких температур.

Специальные палатки и тепловые пушки помогают обеспечить обогрев кабельной продукции в процессе монтажа в грунт на предусмотренных проектом участках. Следует отметить, что в условиях вечной мерзлоты кабель укладывается в заранее подготовленную траншею после предварительно выполненного пропила, что ставит определенные задачи перед монтажными бригадами в части достижения постоянного процесса и последовательности выполнения операций.

Очевидно, что необходимость выполнения работ в экстремальных условиях (низкая отрицательная температура, высокая скорость ветра и при этом работы на высоте на опорах) приводит к ужесточению требований ко всем составляющим технологического процесса:

– специфические требования предъявляются к технике и оборудованию;

– повышаются требования к кабельной продукции и кабельной арматуре, которые должны не только эксплуатироваться, но и допускать монтаж при низких температурах;

– ужесточаются допуски на выполнение технологических операций, особенно по прокладке и монтажу кабеля.

– существенно возрастает роль человеческого фактора, значительно увеличивается цена ошибки.

Отсюда следует особая роль контроля качества выполнения работ. Предусмотренные регламентом измерения на разных стадиях строительства линии включают измерения при входном контроле барабанов с оптическим кабелем, измерения после прокладки кабеля, измерения в процессе монтажа строительных длин кабеля, контрольные измерения на смонтированном кабельном участке [6]. Основным средством измерений является стандартный импульсный оптический рефлектометр (Optical Time Domain Reflectometer – OTDR). При этом измерения фактически сводятся к определению потерь в оптических волокнах кабеля. К сожалению, приходится констатировать, что предусмотренные регламентом измерения не позволяют оценивать состояние оптического кабеля, а лишь определяют соответствие отдельных параметров оптических волокон кабеля принятым нормам [7-9].

Известно, что срок службы оптического волокна в кабеле определяется исходной прочностью оптического волокна и приложенными к нему механическими нагрузками [10-11]. Соответственно, методики оценивания состояния оптических волокон в кабеле и прогноза срока его службы базируются на измерениях распределений механических напряжений на оптических волокнах вдоль длины кабеля [7; 12-14]. Для выполнения этих измерений рекомендован импульсный оптический рефлектометр рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer – BOTDR) [7-8; 1217]. К сожалению, высокая стоимость данного средства измерений ограничила его широкое распространение, и в частности применение в качестве полевого прибора при строительстве волоконно-оптических линий передачи. Кроме того, следует отметить низкую чувствительность BOTDR к радиальным нагрузкам, в частности напряжениям на изгибах волокна [15-17], что может потребовать использования дополнительных средств измерений [13].

В качестве альтернативы BOTDR могут быть рассмотрены средства для измерений распределений избыточной длины волокна вдоль длины кабеля. Избыточная длина волокна в кабеле достаточно давно и успешно используется производителями кабельной продукции для оценки качества кабельных изделий [18-23]. Этот параметр связан с кривизной, радиусами изгиба волокна и, соответственно, с напряжениями на изгибах волокна [14; 18-24]. Можно полагать, что при отсутствии внешних нагрузок на кабель напряжения в оптических волокнах кабеля практически полностью определяются изгибами. То есть их избыточной длиной. Это позволяет использовать распределения избыточной длины волокон в кабеле в качестве оценки состояния кабеля. При этом критерием являются не только значения оценок избыточной длины волокна, но и степень равномерности распределения их по длине кабеля.

В процессе изготовления оптического кабеля за счет комплекса мер, включая применение систем автоматизированного контроля при производстве модулей оптического кабеля [25-27], обеспечивают равномерное распределение кривизны оптических волокон вдоль кабеля. Соответственно, степень нарушения этой равномерности характеризует соблюдение технологии прокладки кабеля. При этом следует учитывать, что избыточная длина волокна увеличивается с понижением температуры [19-20; 28], что упро- щает ее контроль в нашем случае. Вышесказанное позволяет рекомендовать измерения распределений избыточной длины волокна вдоль длины кабеля для контроля качества выполнения работ по прокладке и монтажу оптического кабеля при низких отрицательных температурах.

Известны рефлектометрические методы измерений распределения избыточной длины волокна по длине кабеля, базирующиеся на определении потерь на изгибах оптического волокна [24; 29-33]. Вместе с тем необходимо учесть, что производители оптического кабеля стремятся минимизировать потери за счет изгибов волокон в кабеле [19-20]. Это ограничивает возможности применения данных методов и требует дополнительных мер, например использования специальных рефлектометров, разработанных для измерений потерь на изгибах [34]. Однако внедрение на сетях оптических волокон с малыми потерями на изгибах, соответствующих рекомендациям G.657 [35], делает такой подход малоперспективным.

Предпочтение, на наш взгляд, следует отдать предложенному в работе [30] способу измерений распределений избыточной длины волокна по длине кабеля, базирующемуся на измерениях поляризационных характеристик обратного рассеяния оптических волокон. Данные измерения реализуются с помощью поляризационного импульсного оптического рефлектометра (Polarization Optical Time Domain Reflectometer – POTDR) [36-37]. Двулучепреломление оптического волокна изменяется на изгибах под действием радиальных и растягивающих нагрузок [36-37]. Это отображается поляризационными характеристиками обратного рассеяния. В отличие от методов, базирующихся на измерениях потерь на изгибах, данный метод применим и для волокон, соответствующих рекомендациям G.657. Он с одинаковым успехом может быть использован для одномодовых волокон, соответствующих рекомендациям G.652-G.655 и G.657. При этом метод на основе POTDR более универсален по сравнению BOTDR, поскольку поляризационные характеристики чувствительны как к радиальным, так и продольным нагрузкам. Реализация метода требует разработки эффективных методик измерения поляризационных характеристик обратного рассеяния, оптимальных алгоритмов обработки этих характеристик и собственно разработки специализированного POTDR, предназначенного для измерений распределений механических напряжений в оптическом волокне вдоль длины кабеля.

Таким образом, на сегодняшний день одной из основных проблем при реализации строительства ВОЛС в экстремальных условиях Севера является отсутствие относительно недорогих полевых средств измерений для оценивания состояния оптического кабеля. Это не позволяет эффективно контролировать качество выполнения работ по прокладке и монтажу оптического кабеля в условиях, когда вероятность ошибки велика. Подобные средства измерений могут быть реализованы на основе или BOTDR, или POTDR. И в том, и в другом случае требуется разработка недорогого полевого прибора. При этом POTDR потенциально позволяет создать более универсальный прибор.