ТрубоБот – робот для диагностики и ремонта труб в нефтегазовой отрасли

Цель проекта:

Разработать способ диагностики труб в нефтегазовой отрасли на любой глубине с минимальным участием человека. 

Задачи проекта:

1. Изучить проблемы диагностики труб в нефтегазовой отрасли, вопросы участия и безопасности людей. Обработать найденный материал и отразить его в работе.
2. Изучить существующие разработки по диагностике труб.
3. Выбрать предмет исследования и изучить его.
4. Сделать демонстрационный макет.
5. Разработать модель роботизированной системы по диагностике труб.
6. Запрограммировать сконструированного робота.
7. Отладить работу робота на макете.

На сегодняшний день Российская Федерация является одним из основных экспортеров качественного сырья нефти, нефтепродуктов и сжиженного газа в страны Европы и Азии. Транспортировка осуществляется как с помощью железнодорожных перевозок, морских, так и самым экономически выгодным способом – по трубопроводам большого диаметра.

Развитие трубопроводного транспорта началось с XIX века, и широкую популярность обрело в 60 годы двадцатого столетия. Спрогнозированная целесообразность и потенциал данного вида транспортировки нефти и газа подтвердилась и приобрела масштабную популярность в нефтегазодобывающей промышленности всех стран мира. 26 сентября 2023 года произошли взрывы магистральных газопроводов «Северный поток» и «Северный поток-2» компании «Газпром» в Балтийском море. Причины, по которым произошли данные повреждения по неофициальным данным, являются целенаправленными террористическими актами недружественными государствами, характеризуемые как диверсии.

На данный момент в Российской Федерации разработаны и действуют ГОСТы, регламентирующие технологические требования технических регламентов межгосударственных и международных стандартов к трубопроводному транспорту, а именно ГОСТ 32569-2013 «Трубопроводы технологические стальные». На основе ГОСТов происходит проверка, эксплуатация и проектирование трубопровод, а также и мониторинг состояния действующих. Возвращаясь к одной из бескомпромиссных происшествий в нефтегазовой отрасли за последние 3 года – взрыву трубопроводов в Балтийском море, можно дать оценку системе глубинного заложения трубопроводной системы нефтегазового комплекса как особо уязвимую.

Главная причина уязвимости заключается в невозможности постоянного и незамедлительного контроля и ремонта трубопровода в водной среде. Безвоздушное пространство и невозможность извлечения на поверхность оборудования толкает на поиск альтернативных вариантов обслуживания и диагностики без личного присутствия человека.

Для постоянного мониторинга глубоководного состояния нефтепровода прибегают к подводному водолазному обследованию, мерами по диагностике которых являются локальное взятие проб воды и фотовидеофиксация. Данный метод имеет аналог – применение средств автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) для аналогичного взятия проб и фиксации на цифровой носитель, а также использование гидролокатора для сканирования рельефа дна.

Развитие робототехники на сегодня уже доказало свое превосходство своим основным критерием – дистанционным управлением оператора. Из этого следует повышение безопасности жизнедеятельности человека, в частности работника предприятия. Касательно широко развитых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), то они уже не первый год включены в материально-технический ресурс многих ведущих компаний нефтегазовой отрасли Российской Федерации, доказывая свое успешное применение в мониторинге состояния трубопроводов.

Альтернативной идеей применения дронов получает направление мониторинга состояния подводного рельефа при пересечении естественного водного препятствия трубопроводом. Рассматривая детально, можно выделить несколько основных критериев, которые положительно повлияют на диагностику подводных переходов, а именно:

дистанционный мониторинг;

фотовидеофиксация всего участка заложения трубопровода;

использование дронов при непредвиденных чрезвычайных ситуациях и неконтролируемой утечке в качестве буксиров для боновых заграждений;

сканирование рельефа дна.

Упрощенный способ получения данных с труднодоступного объекта позволит проводить мониторинг состояния опасного производственного объекта без применения компанией сторонних организаций, таких как подводная экспертиза магистральных трубопроводов водолазами. Необходимость включения комплекса АНПА в производство ОПО снизит затраты на привлечение подрядных организаций, снизит риск для человеческой жизни, ускорит получение информации, в случае наличия данного аппарата в имущественном комплексе предприятия.

Оснащение АНПА модулем гидролокатора происходит запись подводного рельефа залегаемого трубопровода. Данный модуль актуален не только для трубопроводов транспортировки нефти и нефтепродуктов, но и в газовой промышленности. Таким образом, комплекс АНПА с модулями является универсальным плавательным средством. Благодаря периодическому сканированию возможно иметь представление об изменении грунта вблизи подводного трубопровода, что позволить заблаговременно принять необходимые меры.

Универсальные характеристики АНПА позволяют применять его в водоемах малой глубины, и в водохранилищах, глубина которых не превышает 100 м. Компактный корпус и малый вес также способствует использованию АНПА без применения дополнительного оснащения.

Еще одним фактором является применение современных технологий компьютерного моделирования в области подводной робототехники для промышленных предприятий.

Нефтегазовая отрасль остаётся определяющим фактором современной мировой экономики, обеспечивая потребности в энергии и служа ключевым элементом технологического прогресса.

Однако на фоне глобальных изменений в природе потребления энергии и обострения проблем экологии нефтегазовая отрасль вынуждена столкнуться с серьёзными вызовами.

Использование роботов в нефтегазовой отрасли актуально, так как это одно из перспективных направлений эффективного развития отрасли и экономики страны в целом.

На сегодняшний день существуют следующие ключевые области применения робототехники в нефтегазовой отрасли:

• инспекционные работы;
• операции в замкнутых пространствах и опасных зонах;
• оценка качества химического и физического состояния материалов;
• подводное и морское глубоководное оборудование.

Внедрение инновационных решений позволяет компаниям нефтегазовой отрасли значительно повышать показатели, одновременно снижая вероятность практически любых видов аварий.

Разнообразные виды роботов в нефтегазовой отрасли находят применение в широком спектре задач. Преимущественно они применяются для инспекции, технического обслуживания и ремонта. Основным преимуществом роботов в этой области является их способность выполнять операции, которые представляют серьезные опасности для человека, такие как тушение пожаров и поиск утечек газов. Кроме того, роботы позволяют автоматизировать монотонные и повторяющиеся задачи, такие как сбор данных с датчиков, исключая возможность человеческих ошибок.

Существуют также специализированные роботы, предназначенные для исследования внутренних структур трубопроводов. Некоторые из них перемещаются по внутренней поверхности труб на колесах или гусеницах, в то время как другие способны отталкиваться от стенок и выполнять работы даже в условиях, когда труба заполнена нефтью или газом.

Сложности при роботизации процессов

Роботизация стала неотъемлемой частью нефтегазовой индустрии. Внедрение роботов позволяет улучшить рабочие условия, сократить риски для персонала, а также значительно повысить производительность и качество операций. Однако эти преимущества также сопряжены с определёнными сложностями:

• Высокие затраты на внедрение. Переход к автоматизированным системам и роботизации требует значительных финансовых инвестиций. Покупка и установка роботов, а также обновление существующего оборудования, могут стать финансовой нагрузкой для компаний.
• Сложности в обслуживании и обучении персонала. Внедрение новых технологий требует специальных знаний и навыков у персонала. Обучение сотрудников и обслуживание автоматизированных систем могут потребовать дополнительных ресурсов и времени.
• Проблемы с безопасностью. Работа роботов может создавать риски для безопасности как для самих роботов, так и для рабочих. В частности применение БПЛА сопряжено с риском его падения, соответственно необходимо принять меры чтобы он не повредил оборудование и не нанёс травм сотрудникам.
• Кибербезопасность. Роботизация предполагает широкое использование цифровых технологий, что может сделать системы уязвимыми к кибератакам. Защита данных и обеспечение безопасности важны, но сложны и дороги.
• Сложности в адаптации к изменениям. Быстрые изменения и автоматизация могут создавать проблемы для компаний, которые могут оказаться неготовыми к адаптации к новым решениям и процессам

Эти проблемы требуют внимательного изучения и разработки стратегий, которые позволят максимизировать преимущества автоматизации, минимизируя её негативные последствия.

Несмотря на многочисленные вызовы и сложности, связанные с роботизацией в нефтегазовой отрасли, внедрение автоматизированных систем и робототехники остаётся ключевой составляющей будущего этой промышленности. Сегодняшние достижения в робототехнике лишь предвещают будущее, где автоматизация будет играть все более значительную роль в нефтегазовой промышленности. Поэтому инвестирование в разработку и внедрение роботизированных систем представляет собой не только рациональный выбор для компаний, но и важный шаг в направлении устойчивого развития отрасли.

Освоение ресурсов Мирового океана, в частности глубоководных месторождений углеводородов, является сложной комплексной задачей, требующей решений не только в плоскости инженерии и подводно-технических работ. Повышенное внимание в современных условиях к вопросам экологии и эффективности уже оказывает значительное влияние на технико-экономические обоснования перспективных проектов и текущую деятельность по существующим месторождениям на самых разных стадиях разведки и эксплуатации. Морские операции переживают период «цифровизации». Усложняется и детализируется само планирование морских операций, вернее сказать моделирование, где ведущую роль играет анализ рисков, для корректного проведения которого теперь недостаточно просто океанологических данных, а необходимы данные оперативной океанологии, позволяющие ориентироваться уже не только в крупномасштабных, но и в мезомасштабных и тонкоструктурных полях движений вод. На наших глазах уходят в прошлое технологии массового применения обитаемых надводных стационарных платформ со всей сопутствующей свитой технологий обеспечения и сотнями человек задействованного персонала непосредственно в морских условиях. Всё шире из опытной в коммерческую эксплуатацию переходят робототехнические технологии как в самой, теперь уже донной, инфраструктуре месторождений, так и в инновационных средствах обеспечения, смещая «человеческий фактор» в комфортный уют береговых центров, причём начиная с самых первых шагов месторождения как такового и не заканчивая его последним продуктивным днём, переходя в длительное мониторинговое сопровождение.

В мировой практике использование подводных добывающих комплексов (ПДК) в донной инфраструктуре месторождений нашло широкое применение: к 2016 г. уже насчитывалось более 130 морских месторождений, где применялись подводные технологии добычи углеводородов. Эта технология основывается на системе подводного заканчивания скважин, устья которых располагаются на морском дне, и дополняется различными донными технологическими устройствами (сепараторы, компрессоры и т.д.). Например, на континентальном шельфе Норвегии внедрены технологии подводной добычи на месторождениях Снёвит и Ормен Ланге. По классической схеме освоения данных месторождений сначала большой объём работ, выполнявшийся с использованием научно-исследовательских судов (НИС), с которых экспедиционным методом долго и дорого велись океанографические, экологические, сейсмические, геотехнические исследования, гидрографическая съёмка рельефа дна, далее шли освоение, ввод в эксплуатацию и сама эксплуатация с безусловно широким задействованием различных образцов уникальных и специализированных судов обеспечения и робототехники – телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов (ТНПА) рабочего и осмотрового классов, дистанционно управляемых инструментов.

ТрубоБот – робот для диагностики и ремонта труб в нефтегазовой отрасли

Цель проекта:

Разработать способ диагностики труб в нефтегазовой отрасли на любой глубине с минимальным участием человека. 

Задачи проекта:

1. Изучить проблемы диагностики труб в нефтегазовой отрасли, вопросы участия и безопасности людей. Обработать найденный материал и отразить его в работе.
2. Изучить существующие разработки по диагностике труб.
3. Выбрать предмет исследования и изучить его.
4. Сделать демонстрационный макет.
5. Разработать модель роботизированной системы по диагностике труб.
6. Запрограммировать сконструированного робота.
7. Отладить работу робота на макете.

На сегодняшний день Российская Федерация является одним из основных экспортеров качественного сырья нефти, нефтепродуктов и сжиженного газа в страны Европы и Азии. Транспортировка осуществляется как с помощью железнодорожных перевозок, морских, так и самым экономически выгодным способом – по трубопроводам большого диаметра.

Развитие трубопроводного транспорта началось с XIX века, и широкую популярность обрело в 60 годы двадцатого столетия. Спрогнозированная целесообразность и потенциал данного вида транспортировки нефти и газа подтвердилась и приобрела масштабную популярность в нефтегазодобывающей промышленности всех стран мира. 26 сентября 2023 года произошли взрывы магистральных газопроводов «Северный поток» и «Северный поток-2» компании «Газпром» в Балтийском море. Причины, по которым произошли данные повреждения по неофициальным данным, являются целенаправленными террористическими актами недружественными государствами, характеризуемые как диверсии.

На данный момент в Российской Федерации разработаны и действуют ГОСТы, регламентирующие технологические требования технических регламентов межгосударственных и международных стандартов к трубопроводному транспорту, а именно ГОСТ 32569-2013 «Трубопроводы технологические стальные». На основе ГОСТов происходит проверка, эксплуатация и проектирование трубопровод, а также и мониторинг состояния действующих. Возвращаясь к одной из бескомпромиссных происшествий в нефтегазовой отрасли за последние 3 года – взрыву трубопроводов в Балтийском море, можно дать оценку системе глубинного заложения трубопроводной системы нефтегазового комплекса как особо уязвимую.

Главная причина уязвимости заключается в невозможности постоянного и незамедлительного контроля и ремонта трубопровода в водной среде. Безвоздушное пространство и невозможность извлечения на поверхность оборудования толкает на поиск альтернативных вариантов обслуживания и диагностики без личного присутствия человека.

Для постоянного мониторинга глубоководного состояния нефтепровода прибегают к подводному водолазному обследованию, мерами по диагностике которых являются локальное взятие проб воды и фотовидеофиксация. Данный метод имеет аналог – применение средств автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) для аналогичного взятия проб и фиксации на цифровой носитель, а также использование гидролокатора для сканирования рельефа дна.

Развитие робототехники на сегодня уже доказало свое превосходство своим основным критерием – дистанционным управлением оператора. Из этого следует повышение безопасности жизнедеятельности человека, в частности работника предприятия. Касательно широко развитых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), то они уже не первый год включены в материально-технический ресурс многих ведущих компаний нефтегазовой отрасли Российской Федерации, доказывая свое успешное применение в мониторинге состояния трубопроводов.

Альтернативной идеей применения дронов получает направление мониторинга состояния подводного рельефа при пересечении естественного водного препятствия трубопроводом. Рассматривая детально, можно выделить несколько основных критериев, которые положительно повлияют на диагностику подводных переходов, а именно:

дистанционный мониторинг;

фотовидеофиксация всего участка заложения трубопровода;

использование дронов при непредвиденных чрезвычайных ситуациях и неконтролируемой утечке в качестве буксиров для боновых заграждений;

сканирование рельефа дна.

Упрощенный способ получения данных с труднодоступного объекта позволит проводить мониторинг состояния опасного производственного объекта без применения компанией сторонних организаций, таких как подводная экспертиза магистральных трубопроводов водолазами. Необходимость включения комплекса АНПА в производство ОПО снизит затраты на привлечение подрядных организаций, снизит риск для человеческой жизни, ускорит получение информации, в случае наличия данного аппарата в имущественном комплексе предприятия.

Оснащение АНПА модулем гидролокатора происходит запись подводного рельефа залегаемого трубопровода. Данный модуль актуален не только для трубопроводов транспортировки нефти и нефтепродуктов, но и в газовой промышленности. Таким образом, комплекс АНПА с модулями является универсальным плавательным средством. Благодаря периодическому сканированию возможно иметь представление об изменении грунта вблизи подводного трубопровода, что позволить заблаговременно принять необходимые меры.

Универсальные характеристики АНПА позволяют применять его в водоемах малой глубины, и в водохранилищах, глубина которых не превышает 100 м. Компактный корпус и малый вес также способствует использованию АНПА без применения дополнительного оснащения.

Еще одним фактором является применение современных технологий компьютерного моделирования в области подводной робототехники для промышленных предприятий.

Нефтегазовая отрасль остаётся определяющим фактором современной мировой экономики, обеспечивая потребности в энергии и служа ключевым элементом технологического прогресса.

Однако на фоне глобальных изменений в природе потребления энергии и обострения проблем экологии нефтегазовая отрасль вынуждена столкнуться с серьёзными вызовами.

Использование роботов в нефтегазовой отрасли актуально, так как это одно из перспективных направлений эффективного развития отрасли и экономики страны в целом.

На сегодняшний день существуют следующие ключевые области применения робототехники в нефтегазовой отрасли:

• инспекционные работы;
• операции в замкнутых пространствах и опасных зонах;
• оценка качества химического и физического состояния материалов;
• подводное и морское глубоководное оборудование.

Внедрение инновационных решений позволяет компаниям нефтегазовой отрасли значительно повышать показатели, одновременно снижая вероятность практически любых видов аварий.

Разнообразные виды роботов в нефтегазовой отрасли находят применение в широком спектре задач. Преимущественно они применяются для инспекции, технического обслуживания и ремонта. Основным преимуществом роботов в этой области является их способность выполнять операции, которые представляют серьезные опасности для человека, такие как тушение пожаров и поиск утечек газов. Кроме того, роботы позволяют автоматизировать монотонные и повторяющиеся задачи, такие как сбор данных с датчиков, исключая возможность человеческих ошибок.

Существуют также специализированные роботы, предназначенные для исследования внутренних структур трубопроводов. Некоторые из них перемещаются по внутренней поверхности труб на колесах или гусеницах, в то время как другие способны отталкиваться от стенок и выполнять работы даже в условиях, когда труба заполнена нефтью или газом.

Сложности при роботизации процессов

Роботизация стала неотъемлемой частью нефтегазовой индустрии. Внедрение роботов позволяет улучшить рабочие условия, сократить риски для персонала, а также значительно повысить производительность и качество операций. Однако эти преимущества также сопряжены с определёнными сложностями:

• Высокие затраты на внедрение. Переход к автоматизированным системам и роботизации требует значительных финансовых инвестиций. Покупка и установка роботов, а также обновление существующего оборудования, могут стать финансовой нагрузкой для компаний.
• Сложности в обслуживании и обучении персонала. Внедрение новых технологий требует специальных знаний и навыков у персонала. Обучение сотрудников и обслуживание автоматизированных систем могут потребовать дополнительных ресурсов и времени.
• Проблемы с безопасностью. Работа роботов может создавать риски для безопасности как для самих роботов, так и для рабочих. В частности применение БПЛА сопряжено с риском его падения, соответственно необходимо принять меры чтобы он не повредил оборудование и не нанёс травм сотрудникам.
• Кибербезопасность. Роботизация предполагает широкое использование цифровых технологий, что может сделать системы уязвимыми к кибератакам. Защита данных и обеспечение безопасности важны, но сложны и дороги.
• Сложности в адаптации к изменениям. Быстрые изменения и автоматизация могут создавать проблемы для компаний, которые могут оказаться неготовыми к адаптации к новым решениям и процессам

Эти проблемы требуют внимательного изучения и разработки стратегий, которые позволят максимизировать преимущества автоматизации, минимизируя её негативные последствия.

Несмотря на многочисленные вызовы и сложности, связанные с роботизацией в нефтегазовой отрасли, внедрение автоматизированных систем и робототехники остаётся ключевой составляющей будущего этой промышленности. Сегодняшние достижения в робототехнике лишь предвещают будущее, где автоматизация будет играть все более значительную роль в нефтегазовой промышленности. Поэтому инвестирование в разработку и внедрение роботизированных систем представляет собой не только рациональный выбор для компаний, но и важный шаг в направлении устойчивого развития отрасли.

Освоение ресурсов Мирового океана, в частности глубоководных месторождений углеводородов, является сложной комплексной задачей, требующей решений не только в плоскости инженерии и подводно-технических работ. Повышенное внимание в современных условиях к вопросам экологии и эффективности уже оказывает значительное влияние на технико-экономические обоснования перспективных проектов и текущую деятельность по существующим месторождениям на самых разных стадиях разведки и эксплуатации. Морские операции переживают период «цифровизации». Усложняется и детализируется само планирование морских операций, вернее сказать моделирование, где ведущую роль играет анализ рисков, для корректного проведения которого теперь недостаточно просто океанологических данных, а необходимы данные оперативной океанологии, позволяющие ориентироваться уже не только в крупномасштабных, но и в мезомасштабных и тонкоструктурных полях движений вод. На наших глазах уходят в прошлое технологии массового применения обитаемых надводных стационарных платформ со всей сопутствующей свитой технологий обеспечения и сотнями человек задействованного персонала непосредственно в морских условиях. Всё шире из опытной в коммерческую эксплуатацию переходят робототехнические технологии как в самой, теперь уже донной, инфраструктуре месторождений, так и в инновационных средствах обеспечения, смещая «человеческий фактор» в комфортный уют береговых центров, причём начиная с самых первых шагов месторождения как такового и не заканчивая его последним продуктивным днём, переходя в длительное мониторинговое сопровождение.

В мировой практике использование подводных добывающих комплексов (ПДК) в донной инфраструктуре месторождений нашло широкое применение: к 2016 г. уже насчитывалось более 130 морских месторождений, где применялись подводные технологии добычи углеводородов. Эта технология основывается на системе подводного заканчивания скважин, устья которых располагаются на морском дне, и дополняется различными донными технологическими устройствами (сепараторы, компрессоры и т.д.). Например, на континентальном шельфе Норвегии внедрены технологии подводной добычи на месторождениях Снёвит и Ормен Ланге. По классической схеме освоения данных месторождений сначала большой объём работ, выполнявшийся с использованием научно-исследовательских судов (НИС), с которых экспедиционным методом долго и дорого велись океанографические, экологические, сейсмические, геотехнические исследования, гидрографическая съёмка рельефа дна, далее шли освоение, ввод в эксплуатацию и сама эксплуатация с безусловно широким задействованием различных образцов уникальных и специализированных судов обеспечения и робототехники – телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов (ТНПА) рабочего и осмотрового классов, дистанционно управляемых инструментов.