Оптические сенсоры помогут предотвратить аварии на нефтепереработке

Отслеживание состояния инфраструктуры — одна из важнейших производственных задач, которая позволяет обеспечить бесперебойную работу, не допустить материальных издержек, а также предотвратить опасные производственные ситуации вплоть до аварий, затрагивающих огромные территории. Один из перспективных подходов — установка разнообразных датчиков, которые могут фиксировать даже небольшие утечки опасных веществ, перепады давлений внутри приборов, критические повышения температуры и так далее. Постоянный мониторинг показателей может позволить предотвратить катастрофу и вовремя починить устройство даже без остановки всего производственного цикла.

Оптические сенсоры лучше всего подходят для систем охраны периметра и для мониторинга протяженных инфраструктурных объектов, таких как ЛЭП и газопроводы, а также сооружений для хранения и переработки нефти — электроника в них неприменима из-за опасности возгорания и взрыва. Оснащенное сенсорной системой, нефтехранилище само заранее «почувствует» начавшееся разрушение и поднимет тревогу, чтобы предотвратить аварию вроде масштабного разлива дизельного топлива в Норильске в 2020 году.

«К нам обратилась одна компания, чтобы мы разработали сенсорную систему для мониторинга состояния ректификационной колонны — это такая башня, в которой нефть разделяется на ценные фракции. Грубо говоря, сверху заливают нефть, внизу вытекает бензин, керосин, дизель… И так оно работает. Пока не перестанет. Но никто не знает, что и где там внутри на данный момент стало засоряться или деформироваться — большой черный ящик. И когда происходит поломка, вся работа останавливается, в башне в буквальном смысле выпиливают окошко, запускают туда человека со шваброй, и он все моет, чистит, смотрит на глаз и выходит — без инноваций», — рассказывает один из авторов исследования, доцент Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Аркадий Шипулин.

Сенсоры в ректификационную колонну никто прежде не ставил, потому что условия внутри весьма суровые. Группе Шипулина и китайским коллегам удалось разработать концепт оптической сенсорной системы, которая не только способна собирать необходимую информацию, но и будет устойчива к высоким температурам и агрессивной химии. Исследователям нужно было разрешить дилемму: сенсор должен быть в достаточной степени огражден от внешнего воздействия среды, чтобы не разрушиться, и при этом достаточно открыт, чтобы улавливать изменения в этой среде.

«Выходит противоречие: каким материалом покрыть стекловолокно, чтобы его защитить, но не отгородить напрочь от влияния снаружи? — продолжает Шипулин. — Металлические покрытия используются давно, но в первую очередь для того, чтобы как раз исключить внешние воздействия на волновод, который в этом случае играет роль изолированного канала передачи данных. Как только речь заходит именно о сенсоре, нужен материал с похожим импедансом».

Импеданс некоторого материала — это величина, которая характеризует, как в нем распространяются (в данном случае акустические) волны. Исследователи рассмотрели, как различия между импедансами стекловолокна и металлического покрытия влияют на то, в какой мере падающие акустические волны отражаются сенсором обратно во внешнюю среду и, соответственно, ускользают от него. В итоге коллективу удалось подобрать материал, с которым можно максимально приблизиться к импедансу стекла с разумной стоимостью покрытия, и этим материалом оказался алюминий.

Таким образом, одна из проблем — защита, но не изоляция оптоволокна от окружающей среды — была в первом приближении решена. Тем не менее, для создания полноценной системы мониторинга необходимо не только еще решить ряд подобных частных задач, но и протестировать в лабораторных условиях работу всей системы целиком.