XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Робот-поисковик протечек нефтепроводов. Экспертная оценка

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Симон З.Д. 1Вдовин Е.А. 1Столопов Ю.М. 1Сузин Я.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Лушникова В.А. 1Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III 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 Презентация проекта

Впервые свою идею мы рассказали ребятам на дружеском матче в декабре 2024 г. (Рисунок 2.3.1 Приложения).

Свою идею мы рассказали экспертам (Рисунок 2.3.2 Приложения): Паукову Алексею Николаевичу (кандидат химических наук, доцент кафедры переработки нефти и газа, эксперт РКЦ) и Маркову Алексею Сергеевичу (старший менеджер отдела инженерной поддержки и контроля работ по ликвидации аварий ООО «Роснефть-Центр экспертной поддержки и технического развития»). Эксперты подтвердили высокую актуальность нашего проекта и посоветовали ряд доработок.

А также мы отправили видео нашей презентации потенциальным пользователям, в этом нам помог наш консультант – Георгиев Степан. Наш проект, по мнению Шмелева Виктора Алексеевича, является востребовательным, так как проблема протечек на нефтемагистралях действительно высока. Порекомендовал обнаруживать препятствия и изгибы труб и их преодолевать.

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»

Рисунок 2.3.1 Презентация проекта на Дружеском матче

Рисунок 2.3.2 Презентация проекта экспертам