XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Робот – диагностик для нефтепровода на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Попова А.С. 1Антипов Т.М. 1Колоярцев Д.А. 1Седых А.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Нагорная П.Н. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

816.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Нефтедобывающая отрасль является одной из основных отраслей промышленности, обеспечивая мировую экономику сырьем для производства различных видов топлива и химических продуктов. Однако, в процессе добычи и транспортировки нефти возникают утечки, которые могут привести к серьезным экологическим последствиям для окружающей среды и здоровья людей.

Поэтому компании, занимающиеся добычей нефти, должны строго соблюдать все стандарты безопасности, проводить регулярные проверки оборудования и мониторинг состояния трубопроводов, чтобы предотвратить утечки нефти и минимизировать их воздействие на окружающую среду. Важно также развивать технологии очистки утечек нефти и обучать сотрудников работать в экологически безопасном режиме, чтобы снизить риск экологического ущерба и сохранить природные ресурсы для будущих поколений.

Целью нашего исследования является создание робота-диагностика для нефтепровода на базе конструктора LEGO WeDo 2.0.

Основные задачи нашего исследования включают:

1. Изучение информации о нефти и её транспортировке;

2. Анализ проблем, связанных с разрывом нефтепровода;

3. Создание модели робота-диагностика для нефтепровода на базе конструктора LEGO WeDo 2.0;

4. Разработка программы для робота-диагностика для нефтепровода;

5. Проведение экспериментов для проверки эффективности и работоспособности разработанного робота.

Гипотеза: чем больше будет производиться диагностика нефтепроводов, тем будет меньше поломок и утечек нефти, которые ведут к серьезным экологическим последствиям.

Глава 1. Основная информация о нефтепроводе

1. 1. Значение нефти в жизни человека

Нефть играет огромную роль в жизни человека. Это ценный природный ресурс, который используется в различных областях: от производства топлива и смазочных материалов до пластиков и фармацевтических препаратов. Без нефти невозможно представить себе современное хозяйство и промышленность.

Нефть, широко известная как сырая нефть, представляет собой природную жидкость, находящуюся под поверхностью Земли. Она состоит из смеси углеводородов, которые представляют собой органические соединения, состоящие в основном из атомов водорода и углерода [1].

На протяжении миллионов лет нефть образуется в результате разложения органических веществ, таких как водоросли, которые оседали на дне древних океанов. Затем тепло и давление превращают этот органический материал в сырую нефть, которая накапливается в подземных резервуарах.

Кроме того, нефть является важным источником энергии. Она используется для производства топлива для автомобилей, самолетов, судов и многих других видов транспорта (Рисунок 1.1.1, Приложения). Без нефти мы были бы вынуждены искать альтернативные источники энергии, что привело бы к значительным изменениям в структуре экономики и образе жизни.

Виды использования нефти:

1. Транспортировка. Нефтяные виды топлива, такие как бензин, дизельное топливо и авиакеросин, необходимы для питания различных видов транспорта. 

2. Нефтехимические продукты. Нефть является важнейшим сырьём для производства многих химических веществ, необходимых в повседневной жизни и промышленности. 

3. Производство тепла и электроэнергии. Нефтяные виды топлива необходимы для отопления зданий и выработки электроэнергии. 

4. Асфальт и битум. Битум, вязкое производное нефти, имеет решающее значение в дорожном строительстве. 

5. Смазочные материалы. Они сводят к минимуму трение, износ и тепловыделение, что повышает долговечность оборудования и эффективность. 

6. Воски и полироли. Воски нефтяного происхождения находят разнообразное применение в таких отраслях, как производство свечей, вощеной бумаги, рецептур косметических средств и полиролей для дерева и металла. 

7. Фармацевтические препараты. Побочные продукты переработки нефти необходимы для синтеза фармацевтических препаратов, таких как антибиотики, витамины, анестетики и противовоспалительные препараты. 

8. Удобрения. Нефть является ключевым компонентом в производстве удобрений, используемых в сельском хозяйстве для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. 

9. Упаковочные материалы. Пластмассы, получаемые из нефти, широко используются в упаковке продуктов питания, напитков, потребительских товаров и в промышленности благодаря своей долговечности, универсальности и экономичности. 

Но значение нефти не ограничивается только энергетикой и транспортом. Она широко используется в химической промышленности для производства пластиков, смазочных материалов, удобрений и других веществ. Многие предметы нашего ежедневного использования, такие как пластиковые бутылки, упаковки, косметика и бытовые химикаты, производятся с использованием нефти и нефтепродуктов.

Нефть также является важным источником дохода для многих стран. Многие нефтедобывающие страны зависят от экспорта нефти для поддержания своей экономики и обеспечения социальных программ и инфраструктуры. Она является важным фактором во внешнеполитических отношениях и может оказывать влияние на международный рынок и политику [1].

Однако нефть также имеет свои негативные стороны. Добыча, транспортировка и использование нефти нередко приводят к негативному воздействию на окружающую среду и здоровье людей. Аварии на нефтепроводах или разливы нефти могут иметь серьезные последствия для экосистемы и местного населения. Большая зависимость от нефти также создает уязвимость для колебаний цен на энергетические ресурсы и глобальной политики.

В целом, нефть является важным ресурсом, который оказывает значительное влияние на нашу жизнь и экономику. Ее важность и значимость заставляют нас задуматься о разнообразии источников энергии и возможных путях снижения нашей зависимости от нефти. Однако, пока нефть продолжает играть центральную роль в нашей жизни, мы должны быть внимательными к ее воздействию и находить способы минимизировать потенциальные риски и проблемы, связанные с ее использованием.

Таким образом, нефть имеет огромное значение в повседневной жизни человека и играет ключевую роль в современной промышленности и экономике (Рисунок 1.1.2, Приложения). Ее извлечение, переработка и использование требуют сложных технологий и значительных инвестиций, но без нефти мы были бы лишены многих благ современной цивилизации.

1.2 Транспортировка нефти

Транспортировка нефти - это процесс перемещения сырой нефти из мест добычи в места переработки или хранения. Существует несколько способов транспортировки нефти, включая трубопроводный транспорт, автомобильный транспорт, железнодорожный транспорт и морской транспорт (Рисунок 1.2.1, Приложения). Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки, и выбор оптимального способа зависит от многих факторов, таких как расстояние до пункта назначения, объем перевозки, стоимость и экологические аспекты.

Транспортировка нефти является важной составляющей нефтяной индустрии. Нефть, как ценный ископаемый ресурс, должна быть доставлена с места добычи к точкам переработки и конечным потребителям в различных частях мира. Для этого используются различные методы и виды транспорта.

Железнодорожные пути предоставляют возможность перевозить нефть в переработанном виде. Вагоны и цистерны, специально адаптированные для перевозки нефтепродуктов, обеспечивают безопасность и эффективность перевозки на длинные расстояния. Железнодорожный транспорт также имеет свои преимущества, включая гибкость, масштабируемость и возможность доставки нефти в удаленные и недоступные места [2].

Кроме того, нефть может быть транспортирована морским и речным транспортом. Специальные нефтеналивные танкеры и баржи используются для перевозки больших объемов нефти через морские и речные пути. Этот вид транспорта обеспечивает возможность доставки нефти на международные рынки и предлагает гибкость по выбору пунктов разгрузки.

Один из основных способов транспортировки нефти - трубопроводный транспорт. Трубопроводы представляют собой систему труб, соединенных между собой и прокладываемых на большие расстояния. В нефтяной промышленности используются трубопроводы различного диаметра и материала, способных выдерживать высокое давление и температуру. Трубопроводный транспорт обладает рядом преимуществ, включая высокую пропускную способность, низкие энергетические затраты и устойчивость к неблагоприятным погодным условиям [2].

Нефтепровод – это система трубопроводов, предназначенная для транспортировки нефти или нефтепродуктов от месторождений или нефтеперерабатывающих заводов к потребителям (Рисунок 1.2.2, Приложения). Он играет ключевую роль в мировой энергетической инфраструктуре, обеспечивая надежную и эффективную доставку нефтяной продукции.

Нефтепроводы встречаются как промысловые, так и магистральные. Сама идея нефтепровода принадлежит российскому учёному Д. И. Менделееву, который объяснил основы строения этого приспособления впервые в 1863 году. Нефтепровод, как способ транспортировки нефти начал использоваться значительно позже других традиционных методов, таких как сухопутные и водные перевозки [3].

Нефтепроводы могут иметь различную протяженность – от нескольких километров до тысяч километров. Они пролегают по земле, под водными пространствами и даже подземными горными массивами. Чтобы обеспечить безопасность и защиту окружающей среды, нефтепроводы строятся с использованием специальных материалов и технологий.

Основной элемент нефтепровода – это трубы. Их выбор зависит от условий эксплуатации, типа перекачиваемой продукции и требований безопасности. Трубы, состоящие из стали специальных марок, обеспечивают прочность и долговечность конструкции. Кроме того, в нефтепроводах применяются системы управления и контроля, позволяющие мониторить и регулировать процессы перекачки [3].

Нефтепроводы имеют большое значение для экономики. Они обеспечивают поступление необходимой нефти и нефтепродуктов для различных отраслей промышленности, энергетики и транспорта. Благодаря нефтепроводам, энергоресурсы могут достигать отдаленных регионов, где, в свою очередь, происходит их использование для производства электроэнергии и тепла.

Однако нефтепроводы также несут определенные риски и вызывают обеспокоенность из-за возможности утечки нефти. Поэтому строительство, эксплуатация и контроль нефтепроводов должны осуществляться в соответствии с высокими стандартами безопасности.

Нефтепроводы играют важную роль в современном мире, обеспечивая не только удовлетворение потребностей в нефти и нефтепродуктах, но и способствуя развитию национальных и международных экономик. Их создание и совершенствование требует комплексного подхода и постоянного соблюдения всех необходимых стандартов и нормативов.

На выбор видов транспорта влияют различные факторы, включая расстояние до места назначения, доступность транспортных маршрутов, стоимость и экологические аспекты. Каждый вид транспорта имеет свои преимущества и ограничения. Поэтому важно проводить комплексный анализ и выбрать оптимальные методы транспортировки нефти в каждом конкретном случае. Опыт и профессионализм специалистов в данной области играют ключевую роль в обеспечении безопасной и эффективной транспортировки нефти.

Обеспечение безопасности транспортировки нефти - один из важнейших аспектов данной отрасли, поскольку любая утечка или авария может привести к серьезным последствиям для окружающей среды и общества в целом.

1. 3. Анализ работы нефтепровода

Нефтепровод – это средство транспортировки нефти и нефтепродуктов по трубопроводам. Он имеет свои плюсы и минусы, которые следует учитывать при оценке его эффективности и безопасности.

Одним из главных плюсов нефтепровода является его высокая пропускная способность. Благодаря использованию труб большого диаметра и специального насосного оборудования, нефтепровод способен перекачивать огромные объемы нефти за короткое время. Это позволяет эффективно и оперативно доставлять нефтепродукты из мест добычи к потребителям [4].

Еще одним плюсом нефтепровода является его экономическая эффективность. В сравнении с другими видами транспорта, такими как железная дорога или автомобильный транспорт, эксплуатация нефтепровода более дешевая. Снижение затрат на транспортировку позволяет снижать стоимость нефтепродуктов для конечного потребителя.

Однако нефтепроводы имеют и некоторые минусы. Основным из них является риск утечки нефтепродуктов. Несмотря на свою значимость и надежность, нефтепроводы не застрахованы от разрушений и поломок. Даже незначительная утечка может привести к серьезным экологическим последствиям, загрязнению почвы и водных объектов, а также угрозе здоровью людей. Поэтому безопасность эксплуатации нефтепроводов должна быть на самом высоком уровне – постоянный мониторинг состояния труб, использование современных технологий и обучение персонала.

Причины таких катастроф могут быть разнообразными: гидродинамические возмущения, изменение внутреннего давления, коррозия, столкновения судов, действия человека и множество других факторов. Одна крошечная ошибка или небрежность может привести к серьезным последствиям [4].

Когда происходит разрыв или поломка нефтепровода, поток горючей смеси рвется наружу, создавая удивительное зрелище скрывающейся ненасытной силы. Нефть заполняет землю и водные пространства, загрязняя все на своем пути (Рисунок 1.3.1, Приложения). Экологическая катастрофа, которую вызывает этот инцидент, может быть непоправимой для местной флоры и фауны. Рыбы задыхаются, птицы теряют свое утреннее пение, назначенные природой ритмы нарушаются.

Жизнь людей, проживающих рядом с поломкой, тоже подвергается серьезной опасности. Они вынуждены покинуть свои дома, спасаясь бегством от неотвратимого хаоса. Нефть – это очень токсичное вещество, которое содержит различные токсичные вещества, такие как бензол, толуол, ксилол и другие ароматические углеводороды. Эти вещества могут вызывать серьезные заболевания у человека при вдыхании, попадании на кожу или пищеварительный путь. Они могут нанести вред легким, печени, почкам и другим внутренним органам, а также вызвать различные аллергические реакции и рак.

Также, продукты сгорания нефти, такие как дым и газы, могут быть смертельными при вдыхании. При пожаре или взрыве на нефтеперерабатывающем заводе или нефтяной вышке, люди, находящиеся поблизости, могут подвергнуться опасным концентрациям токсичных веществ в воздухе, что может привести к серьезным последствиям для здоровья и даже к смерти [5].

В целом, токсичность нефти для человека зависит от множества факторов, включая тип нефти, концентрацию токсичных веществ, среду, в которой происходит контакт и длительность воздействия. Однако, в любом случае, важно принимать меры предосторожности и минимизировать контакт с нефтью и её продуктами, чтобы защитить своё здоровье и безопасность.

Независимо от масштаба катастрофы, ее последствия будут иметь глобальный эффект. Нефтепроводы играют важную роль в нашей жизни, и их поломка наносит удар по всему мировому хозяйству. Цены на нефть на рынке могут неуклонно расти из-за перебоев в поставках, а потребители будут вынуждены платить все больше.

Еще одним минусом нефтепровода является его жесткое географическое ограничение. Нефтепроводы требуют строительства и поддержания протяженной инфраструктуры, что может быть невозможным или слишком дорогостоящим в некоторых районах. Это может приводить к необходимости использования других видов транспорта или дополнительных нефтеперерабатывающих заводов вблизи мест добычи нефти.

В итоге, разрывы и поломки нефтепроводов – это не только физические повреждения и потери, но и символ нашей уязвимости перед могущественной силой природы (Рисунок 1.3.2, Приложения). Нам, как человечеству, предстоит разрабатывать и совершенствовать новые технологии и методы, чтобы минимизировать риски и защитить нашу планету от повторения этих катастрофических событий. Наслаждаясь плодами технического прогресса, мы должны не забывать о своей ответственности перед природой и будущим поколением.

Разработка и использование робота для диагностики нефтепровода имеет большое значение для обеспечения безопасности и надежности работы нефтепроводной инфраструктуры. Этот технологичный инструмент позволяет оперативно выявить возможные проблемы на нефтепроводе, минимизировать риски аварий и обеспечивать бесперебойную поставку нефтепродуктов.

Таким образом, нефтепроводы являются важным средством транспортировки нефти и нефтепродуктов, обладающим своими плюсами и минусами. Они основополагающие элементы нефтяной промышленности, однако требуют строгого контроля и безопасности во избежание негативных последствий для окружающей среды и людей.

Внимательное и комплексное рассмотрение всех факторов позволит эффективно и безопасно использовать нефтепроводы для выполнения задач добычи и доставки нефтепродуктов.

Глава 2. Создание робота для диагностики нефтепровода

2.1 Конструкция робота и его функционал

Для уменьшения поломок и утечек нефти из нефтепровода нами была придумана и создана модель робота-диагностика для нефтепровода на базе конструктора LEGO WeDo 2.0 (Рисунок 2.1.1, Приложения)

Основная задача этого робота - обнаружение и идентификация возможных дефектов и повреждений, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации нефтепроводов. Благодаря использованию дистанционного управления и анализа данных, он способен эффективно выявлять любые проблемы в работе нефтепровода и предоставлять соответствующую информацию оператору.

Робот для диагностики нефтепровода также обладает уникальной способностью производить диагностику в режиме реального времени. Он непрерывно мониторит состояние нефтепровода и передает информацию оператору, обеспечивая быструю реакцию на любые обнаруженные проблемы. Благодаря этому операторы могут проводить оперативные мероприятия для предотвращения аварийных ситуаций и своевременного ремонта дефектов.

В нашей модели робота-диагностика для нефтепровода, созданного на базе конструктора LEGO WeDo 2.0, используется (Рисунок 2.1.2, Приложения):

• один мотор, который осуществляет движение робота по нефтепроводу с использованием реечной передачи;

• датчик расстояния, с помощью которого робот производит диагностику нефтепровода и передает сигнал оператору.

Робот для диагностики нефтепровода - это инновационное решение, которое значительно повышает безопасность и эффективность эксплуатации нефтепроводных систем. Его использование позволяет операторам эффективно контролировать состояние нефтепроводов, уменьшая риск возникновения аварийных ситуаций и обеспечивая надежную работу транспортных магистралей.

2.2 Описание программы для робота

Программа для робота-диагностика создана в среде LEGO WeDo 2.0 (Рисунок 2.3.1, Приложение). Робот двигается по нефтепроводу с помощью мотора, далее программа ожидает сигнал от датчика расстояния, который обнаруживает поломку нефтепровода или утечку нефти, и передает сигнал оператору и продолжает движение по нефтепроводу.

Алгоритм программы следующий:

1. Запуск программы

2. Движение робота вперед

3. Мощность мотора 8

4. Проигрывание звука 7 (бульканье – нефть течет по нефтепроводу)

5. Цикл с ожиданием датчика расстояния (диагностика поломки)

6. Остановка мотора

7. Проигрывание звука 8 (тревога – поломка или утечка нефти)

8. Движение робота

Структура программы линейная, имеет одно условие, согласно датчику расстояния, который способен увидеть поломку нефтепровода или утечку нефти.

2.3 Презентация проекта

Презентация проекта была проведена в Школе интеллектуального развития «Мистер Брейни» на Дружеском матче (Рисунок 2.3.1, Приложение) и на Региональном отборочном фестивале международных steam-соревнованиях «ЛИГА» (Рисунок 2.3.2, Приложение).

На презентациях проекта был представлен фрагмент поломки нефтепровода и утечки нефти, после которого робот-диагностик выявил проблему в работе нефтепровода с помощью датчика и передал сигнал оператору.

Одним из наиболее важных преимуществ робота для диагностики нефтепровода является его способность существенно снизить человеческую ошибку при проведении инспекций. Робот не подвержен утомлению и способен работать непрерывно в течение продолжительного времени, обеспечивая высокую точность и надежность результатов. Благодаря этому, операторы и специалисты могут принимать взвешенные решения и проводить необходимые ремонтные и профилактические работы на нефтепроводе.

Заключение

В заключении, проектирование робота для диагностики нефтепровода является важной и актуальной задачей. Автоматизация процесса диагностики нефтепровода является одной из важнейших задач современной нефтегазовой промышленности. В условиях постоянного увеличения объемов транспортируемой нефти и газа становится критически важным обеспечивать надежность и безопасность эксплуатации нефтепроводов. Улучшение системы диагностики позволяет защитить окружающую среду от аварийных ситуаций, а также повысить эффективность процессов транспортировки и хранения нефтепродуктов.

Применение роботов для диагностики нефтепровода имеет ряд преимуществ перед традиционными методами контроля. Во-первых, они обеспечивают повышенную точность и объективность при определении наличия или отсутствия дефектов в трубопроводах, что особенно важно для эффективного управления ремонтными работами. Во-вторых, роботы позволяют значительно сократить время, затрачиваемое на диагностику, так как могут работать непрерывно и автономно. В-третьих, они обеспечивают возможность выполнения диагностики на больших глубинах и даже под водой, что является недостижимым для человека.

Таким образом, использование роботов для диагностики нефтепровода является актуальным и перспективным направлением развития нефтегазовой отрасли. Это новое технологическое решение позволяет повысить эффективность и безопасность эксплуатации трубопроводов, снизить риск аварийных ситуаций и минимизировать воздействие на окружающую среду.

Список использованных источников

1. https://myfin.by/wiki/term/neft

2. https://major-chem.ru/blog/sposoby-transportirovki-nefti-i-nefteproduktov?ysclid=lwurapezsj391445682

3. https://uaz74.ru/info/news/iz-chego-sostoit-nefteprovod-i-v-chem-osobennosti-ego-stroitelstva/

4. https://studfile.net/preview/1359241/page:2/

5. https://laboratoria.by/stati/vozdeystviye-nefteproduktov

ПРИЛОЖЕНИЯ