XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Робот-поисковик протечек нефтепроводов. Разработка модели

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Георгиев А.О. 1Седых П.А. 1Попова А.С. 1Ярметов З.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Лушникова В.А. 1Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

2.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Утечка – это нарушение герметичности магистрального трубопровода, сопровождающееся истечением из него нефтепродукта.

Обеспечение экологической и промышленной безопасности трубопроводного транспорта углеводородов (УВ) – нефтепроводов – всегда была актуальной. Нефтепроводы функционируют под высоким давлением и при их разгерметизации происходит масштабный по объему выброс перекачиваемой среды. За счет этого не только причиняется материальный ущерб компаниям трубопроводного транспорта из-за потерь перекачиваемой среды, расходами на ликвидацию аварий, штрафными выплатами, но и влечет за собой загрязнение окружающей природной среды, приводит к созданию предпосылок для появления чрезвычайных экологических ситуаций техногенного характера [1].

Для России потребность в обеспечении безопасного трубопроводного транспорта углеводородов имеет особенно острый характер. Это вызвано в первую очередь протяженностью действующих и проектируемых нефтепроводов.

Последствия утечек вызывают загрязнение окружающей среды, опасность возгорания и взрыва, ликвидация последствий ведет к серьезным экономическим потерям. В результате утечек концентрация нефтепродуктов в водоемах в 9-15 раз превышает предельно допустимые нормы; экстремальное загрязнение почвы в 150-200 раз превосходит фоновые значения, а десятки тысяч гектаров земли уже частично или полностью исключены из хозяйственного оборота.

Ситуация настолько угрожающая, что вынуждает мировое сообщество все чаще и чаще обращаться к проблеме утечки нефти и нефтепродуктов из трубопроводов [2].

Нам стала интересна данная тема, связанная с утечкой нефти из трубопроводов, и мы решили разработать робота -поисковика протечек нефтегазопроводов на базе конструктора LEGO® MINDSTORMS® EV3.

Цель: разработать решение для поиска и обнаружения протечек нефтегазопроводов, представить решение в виде модели робота-поисковика на базе конструктора LEGO® MINDSTORMS® EV3.

Задачи:

1. Изучить проблемы полезных ископаемых в Тюменской области;

2. Провести исследование выбранной проблемы;

3. Изучение проблемы с экспертом;

4. Выявить причины возникновения утечек;

5. Проанализировать методы обнаружения утечек нефти из трубопровода;

6. Провести комплексный отбор идей;

7. Выбрать идею, прописать инновационные характеристики;

8. Разработать демонстрационную модель на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3;

9. Поделиться своим решение с экспертами, усовершенствовать модель;

10. Провести демонстрацию проекта.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты. При конструировании движимых частей нам помогали книги и методические пособия о простых и сложных механических передач.

Мы перед собой поставили большое количество задач. Благодаря тому, что нас в команде 8 человек, мы успешно справились со всеми задачами. Мы разделились на две команды по 4 человека и подробно изучили проблемы , связанные с добычей и транспортировкой полезных ископаемых Тюменского региона, выделили одну проблему и подробно её исследовали, сгенерировали несколько идей по решению проблемы, разработали инновационное решение и представили свой проект в виде модели на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3 экспертам и судейской коллегии на региональном чемпионате по робототехнике. Подробную разработку модели можно посмотреть в проекте других ребят из нашей команды - Робот-поисковик протечек нефтепроводов. Разработка модели. Эта работа также представлена в секции «Техническое творчество и изобретательство» на XIX Международном конкурсе научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» Российской Академии Естествознания.

Глава 1 Теоретические аспекты

1. 1. Выбор проблемы

Полезные ископаемые — это природные тела, которые человек добывает из недр земли или с её поверхности и использует в хозяйственной деятельности.

В разных уголках планеты сформировались различные полезные ископаемые, которые составляют природные богатства стран мира. Например, в России существует множество мест, где люди обнаружили скопления полезных ископаемых: каменного угля, железных руд, нефти. Места, где залегают полезные ископаемые, называют месторождениями [3].

Месторождение — это природное скопление полезных ископаемых в недрах земли или на её поверхности.

Изучением полезных ископаемых и поиском их месторождений занимается наука геология. Учёных, которые исследуют горные породы и разыскивают месторождения полезных ископаемых, называют геологами.

Россия богата природными ископаемыми. Страна занимает одно из первых мест в мире по добыче нефти и газа, железных руд. Это позволяет России снабжать полезными ископаемыми другие страны. Добыча полезных ископаемых — ведущая отрасль в экономике и хозяйстве нашей страны. 

Самое распространённое жидкое полезное ископаемое — нефть. Это горючая маслянистая жидкость. По одной из версий, нефть образовалась глубоко в земле много миллионов лет назад из остатков древних растений и животных [4]. Из нефти получают топливо — бензин, керосин, мазут, различные смазки, — а также пластмассы, полиэтиленовую плёнку, искусственные ткани.

Мы узнали о полезных ископаемых, которыми богата Тюменская область и о возникших проблемах.

• Кислотные выпадения, способствующие активизации многих тяжелых металлов;

• При эксплуатации промыслов происходит складирование и захоронение отходов, сброс очищенных и неочищенных стоков;

• Разливы нефти разного состава;

• Выбросы нефти и газа через факельные устройства;

• Пожары на буровых и эксплуатационных скважинах;

• Перетоки нефти и минерализованных вод в подземные горизонты из-за прорывов кондукторов, эксплуатационных колонн при некачественной цементации.

Мы остановили на следующей проблеме: при эксплуатации нефтепроводов вероятны протечки или разрывы трубы, что приводит к потере сырья и нарушению экологии – пожары и загрязнение почвы (Рисунок 1.1.1 Приложения).

1. 2. Методы исследования проблемы

Для исследования проблемы мы выбрали следующие методы:

• Работа с интернет – источниками - Интернет является ценным источником данных для исследования. Он предоставляет уникальные возможности для изучения. Интернет-исследования имеют свои преимущества, такие как доступность, масштабируемость и возможность анонимности;

Из статей и журналов мы подробно узнали о транспортировке нефти по магистрали.

В Тюменской области создана одна из самых разветвленных сетей трубопроводов в стране. По ним передается почти все добываемое углеводородное сырье.

Наземные магистральные трубопроводы по России имеют протяженность более 160 000км, в Тюменской области трубы имеют самый большой в мире диаметр — 1420 мм, что повышает их пропускную способность (Рисунок 1.2.1 Приложения)

• Экскурсия - это одна из форм организации учебной деятельности, которая может быть использована при проведении обучающимися различных исследований. Экскурсия дает возможность изучать разнообразные объекты в их реальном окружении. У обучающегося появляется возможность найти огромное количество материала для собственных наблюдений, анализа и осмысления;

• Работа с экспертом. Эксперт — это профессионал, обладающий глубокими знаниями и опытом в конкретной области или предмете. Он консультирует, анализирует и предоставляет квалифицированные оценки или рекомендации.

1. 3. Экскурсия: Тюменский нефтегазовый университет, кафедра нефте- и газодобычи

Мы посетили Тюменский нефтегазовый университет, кафедру нефте- и газодобычи для более подробного изучения выбранной нами проблемы (Рисунок 1.3.1 Приложения). Экскурсию провели Евгений Петрович Козлов - Доцент кафедры геологии месторождений нефти и газа, Заватский Михаил Дмитриевич - Кандидат геолого-минералогических наук, заведующей кафедрой

Институт геологии и нефтегазодобычи — один из крупнейших среди шести институтов опорного университета, расположенный в г. Тюмени.

Экскурсия представляет собой уникальную возможность познакомиться с историей открытия месторождений полезных ископаемых и узнать о его знаменитых первопроходцах, которым достались самые суровые климатические условия и необжитые места. Тюменская область занимает почетное место в России по добыче нефти.

В ходе экскурсии мы узнали много интересного о минеральных и горных породах, подержали в руках образцы керна и как оказалось, через такой твёрдый камень течёт нефть.

1. 4. Изучение проблемы с экспертом

Мы встретились с экспертом нефтяной компании «Роснефть» Маскутовым Владимиром Евгеньевичем (Рисунок 1.4.1 Приложения). Он помог нам подробнее изучить проблему, выбранную нами для дальнейшего исследования.

Эксперт рассказал нам важную информация для исследования проекта: причины возникновения протечек нефтетруб, основные существующие методы обнаружения утечек нефти из трубопровода, плюсы и минусы каждого метода обнаружения утечек нефти.

1. 5. Причины возникновения утечек

Разлив нефти - это попадание нефти в окружающую среду. В понятие утечки нефти входят также аварии танкеров, аварии на скважинах, нефтяных платформах, буровых установках, а также выброс веществ, которые были получены в результате переработки сырой нефти [4]. Практически каждое сооружение на нефтяном месторождении является потенциальным источником разлива нефти и выброса вредных веществ в окружающую среду. Основными объектами – источниками разлива нефти являются площадки, все виды скважин, нефтегазопроводы, нефтехранилища [5]. Основными причинами разлива (утечки) нефти могут быть(Рисунок 1.5.1 Приложения):

1. Коррозии;

2. Внешние воздействия;

3. Брак при строительстве;

4. Брак при изготовлении труб и оборудования.

Согласно федеральным данным, в среднем происходит 20 утечек в год. Основные причины – внешние воздействия – это деформации при движении грунтов в межсезонье и внутренняя коррозия [6].

1. 6. Методы обнаружения утечек нефти из трубопровода

Трубопроводный транспорт является одним из распространенных способов транспортировки нефти, нефтепродуктов в России. На сегодняшний день 50 % транспорта углеводородного сырья приходится на трубопроводный транспорт [7].

Нефтепроводная транспортная сеть подвержена множеству рисков. Всего на территории Российской Федерации находится в эксплуатации 350 тыс км внутрипромысловых трубопроводов, на которых ежегодно происходит до 35–40 тыс. инцидентов, сопровождающихся выбросами нефти, в том числе в водоемы, причем их число ежегодно увеличивается, и не всегда обнародованы факты происшествия и результаты расследования [8].

Существующие методы обнаружения утечек нефти (Рисунок 1.6.1 Приложения):

• Снаряд;

• Дрон.

Плюсы и минусы каждого метода представлены в таблице 1.6.1.

Таблица 1.6.1 Плюсы и минусы методов обнаружения утечек нефти в нефтепроводах

Таким образом, стоит сказать, что методы нуждаются в совершенствовании и вопросы обнаружения утечек нефти в трубопроводе необходимо исследовать и дальше, для того чтобы решить проблемы трубопроводного транспорта [9].

Глава 2 Практические аспекты

2.1 Комплексный отбор идей

Мы рассмотрели несколько идей в разных направлениях для решения поставленной проблемы. Для каждой идеи нарисовали эскиз (Рисунок 2.1.1 Приложения), прописали плюсы и минусы (Таблица 2.1.1).

Таблица 2.1.1 Плюсы и минусы идей для решения проблемы своевременного обнаружения утечек нефти в нефтепроводах

2.2 Наша идея – «Робот-поисковик протечек нефтепровóдов»

Мы остановились на третьей идее и придумали техническое средство - «Робот-поисковик протечек нефтепровóдов. Эскизы нашей модели представлены на Рисунке 2.2.1 Приложения.

Его инновационность заключается в усовершенствовании конструкции и объединении 2 роботов – на колесах и дрона. Наш робот будет:

• осуществлять движение на больших колесах под небольшим уклоном к корпусу робота для лучшего сцепления с поверхностью;

• иметь раскладные элементы, на которых установлены датчики: тепловизоры, газоанализаторы, дефектоскопы для сканирования трубы по всех поверхности, определения толщины стенок, утечки газа и др.

• иметь датчик для определения препятствия, когда робот видит препятствие он его перелетает.

• иметь возможность для установки батареи бóльшего размера, заряда батареи будет хватать на дольше, так как робот будет преимущественно ездить.

2.3 Модель робота на базе LEGO Mindstorms EV3: внешний вид и функционал робота

Мы создали модель Робота на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3. Идеи использования сложных механических передачи мы брали из пособия по робототехнике «Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3». [10] За движения робота отвечают 2 больших мотора, они установлены под небольшим углом таким образом, чтобы робот имел большее сцепление с цилиндрической поверхностью трубы. Эти моторы приводят в движение передние колеса, они передают движение задним колесам с помощью ременной передачи. Итоговый вид робота представлен на Рисунке 2.3.1 Приложения.

В нашей модели используется 4 датчика: ультразвуковой датчик и 3 датчика цвета. Задача датчиков цвета - сканировать протечки по всей поверхности труб. Один датчик сканирует трубу сверху, два других датчика установлены на складном механизме, они сканируют трубу с боку.

Пропеллер в нашей модели демонстрирует возможность робота преодолевать преграды по воздуху по ходу движения. Ультразвуковой датчик, когда видит препятствия, посылает сигнал пропеллеру который будет поднимать Робота через преграду. В случае необходимости перелета складной механизм приподнимает датчики посредством длинной зубчатой передачи и червячной передачи, робот становится более компактным.

Передача сигнала от робота на диспетчерский пульт происходит по связи блютуз.

2.4 Системная доработка решения

На протяжении всей работы с проектом мы дорабатывали наше решение на системной основе:

• После дружеского матча в декабре добавили раскладной механизм с датчиками для сканирования поверхности трубы.

• Несколько раз усовершенствовали пропеллер.

• После встречи с экспертами доработали презентацию, текст, изучили реальные датчики, подробно прописали преимущества нашей идеи.

Заключение

Мы рассмотрели некоторые проблемы полезных ископаемых в Тюменской области, узнали, что наш регион богат углеводородным сырьем. Определили для дальнейшего изучения проблему вероятности протечки или разрыва трубы при эксплуатации нефтепроводов, что приводит к потере сырья и нарушению экологии – пожары и загрязнение почвы.

Провели подробное исследование выбранной проблемы: сходили на экскурсию, побеседовали с экспертом, изучили проблему с помощью интернет-источников.

В Тюменской области создана одна из самых разветвленных сетей трубопроводов в стране. По ним передается почти все добываемое углеводородное сырье. Наземные магистральные трубопроводы по России имеют протяженность более 160 000км, в Тюменской области трубы имеют самый большой в мире диаметр — 1420 мм, что повышает их пропускную способность. Согласно федеральным данным, в среднем 20 утечек в год. Основные причины – внешние воздействия – это деформации при движении грунтов в межсезонье, и внутренняя коррозия. Мы узнали о существующих методах диагностики целостности труб на нефтемагистрали - это снаряд и дрон. Мы отметили плюсы и минусы этих методов и предложили по итогу комплексного отбора идей свое решение. Наша идея - это Робот-поисковик протечек нефтепровóдов. Его инновационность заключается в усовершенствовании конструкции и объединении 2 роботов – на колесах и дрона.

Мы разработали демонстрационную модель «Робот-поисковик протечек нефтепровóдов» на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3. Мы поделились своим решение с экспертами и усовершенствовали модель. Мы провели демонстрацию проекта на Дружеском матче и на Региональном отборочном Чемпионате по робототехнике по направлению Лига Решений в городе Тюмень.

Наше решение оказывает благоприятное воздействие на окружающий мир: предотвращает потери углеводородного сырья, сохраняет экологию Тюменской области, тем самым способствует предотвращению выбросов вредных веществ в атмосферу.

Список используемой литературы:

1. 1. Энциклопедия по канализации и водоснабжению. Режим доступа: URL: https://trubexpert.ru/purpose/2-glavnyx-kategorii-neftyanyx-trubok-ot-dobychi-do-transportirovki/

   2. Сайт о нефти и нефтепродуктах. Режим доступа: URL: https://proofoil.ru/Oilpipeline/Oilpipeline24.html

   3. Курсовая работа “Ландшафт”. Режим доступа: URL: https://www.stud24.ru/geography/landshaft/94811-285288-page2.html

   4. Журнал "Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья". Режим доступа: URL: https://journal-thnp.ru/

   5. Реферат “Дефекты трубопроводных конструкций и причины их возникновения”. Режим доступа: URL: https://studopedia.ru/29_79837_defekti-truboprovodnih-konstruktsiy-i-prichini-ih-vozniknoveniya.html

   6. Лекция “Осложнения в процессе эксплуатации нефтегазовых систем”. Режим доступа: URL: https://intuit.ru/studies/courses/3475/717/lecture/21337?page=3

   7. Статья “Инженерные коммуникации”. Режим доступа: URL: https://m-strana.ru/articles/kak-ustranit-tech-v-trube-s-vodoy-pod-davleniem/

   8. Статья «Современные методы обнаружения утечек и несанкционированных врезок на магистральных трубопроводах». Режим доступа: URL: https://spravochnick.ru/neftegazovoe_delo/sovremennye_metody_obnaruzheniya_utechek_i_nesankcionirovannyh_vrezok_na_magistralnyh_truboprovodah

   9. Статья “Три метода ремонта магистрального нефтепровода”. Режим доступа: URL: https://mtools.ru/stati/kto-i-kak-remontiruet-nefteprovod/

   10. Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с.;

Приложение

Рисунок 1.1.1 Вид аварии – разлив нефти на магистрали

Рисунок 1.2.1 Внешний вид и наземное расположение труб нефтемагистрали.

Рисунок 1.3.1 Экскурсия: Тюменский нефтегазовый университет,

кафедра нефте - и газодобычи.

Рисунок 1.4.1 Изучение проблемы с экспертом

Рисунок 1.5.1 Причины возникновения утечек

Рисунок 1.6.1 Существующие методы обнаружения утечек нефти

Рисунок 2.2.1 Эскизы идей по решению поставленной проблемы

Рисунок 2.2.1 Эскиз идеи «Робот-поисковик протечек нефтепроводов»

Робот:

Диспетчерский пульт:

Рисунок 2.3.1 Итоговый вид модели «Робот-поисковик протечек нефтепроводов»

Программа для робота:

Подпрограмма «detector»:

Программа для диспетчерского пульта:

Рисунок 2.3.2 Программный код