Как мы искали пластик под сибирскую зиму

Представьте: на дне реки проложен трубопровод, по которому транспортируется сырьё широкая фракция легких углеводородов (ШФЛУ) от газоперерабатывающих заводов.

Для контроля герметичности трубопровода требуется регулярный контроль не предмет утечек.

Периодический контроль внутренней поверхности ведется при помощи специальных устройств для очистки и диагностики. Помимо этого, используется несколько инструментов, такие как контроль технического состояния, телемеханика, системы обнаружения утечек, мониторинг с помощью БПЛА. А контроль при осмотрах велся при помощи отбора проб воды на лодках.

Способ рабочий, но долгий и опасный, а добрую половину года им вообще не воспользуешься. 

Наши коллеги из направлений Экология и линейных-эксплуатационных служб пришли с задачей по замене данного метода на более эффективный и безопасный для персонала. Идея была в том, чтобы искать потенциальную утечку не в воде, проводя анализы в лаборатории, а в воздухе, облетая трассу при помощи дрона с высокоточным газоанализатором. Звучало как задача на вечер.

На вечер не получилось. Получилось три месяца итераций, за которые мы поменяли крепление, материал корпуса, пластик, технологии связи, а заодно и сам дрон. Расскажу, как «простая» задача разобралась на десяток инженерных проблем, каждая из которых вылезала не там, где мы её ждали.

Меня зовут Андрей, я владелец продукта в Цифровом СИБУРе направления роботизированных систем и беспилотных технологий. Если по-русски, я тот человек, который сводит вместе производство, разработчика и железо, чтобы из идеи получилась работающая штука.

Сам я не эколог, но все же инженер. С особенностями эксплуатации подводных переходов разобраться было несложно, а тонкости крепления приборов к дрону мы вместе с производителем нащупывали по ходу дела. Поэтому рассказывать буду простым языком, примерно так, как сам разбирался в процессе. Специальных знаний, чтобы дочитать, не понадобится.

Где всё происходит

Действие разворачивается в Западной Сибири, в ХМАО. Предприятие «Запсибтрансгаз» занимается эксплуатацией газотранспортной сети длиной  больше 3000 километров, и в местах, где трубопроводы пересекают реки и водоёмы, пролегают, так называемые, подводные переходы — участки трубы, проложенные по дну водоёма.

Кругом тайга, до многих точек трудно добраться и в летний период, а полгода реки стоят подо льдом. Сотовой связи на этих переходах, зачастую, нет вообще. Каждое из этих условий по отдельности превратилось в отдельную инженерную задачу.

Что вообще ищем на реке

По трубе идёт ШФЛУ, широкая фракция лёгких углеводородов. Проще всего представить эту смесь как «недобензин»: те же углеводороды, что в топливе, только заметно легче и куда более летучие.

Из-за этой лёгкости ШФЛУ ведёт себя не как нефть. Если труба под рекой даёт течь, продукт не расплывается по поверхности жирным пятном, которое видно с берега. Он выходит из воды и испаряется в воздух над переходом. Поэтому и ловить утечку логично в воздухе, как газ, а не в воде. Для этого используем газоанализатор с детектором пропана: он измеряет концентрацию углеводородов прямо над трубой.

И вот тут прячется вторая, более тонкая проблема, из-за которой старый способ не просто медленный, а ещё и мерил не то. Стандартная методика анализа воды на углеводороды заточена под нефтепродукты, под тяжёлые фракции. Лёгкую ШФЛУ она фактически не видит: при подготовке пробы наши лёгкие газы улетучиваются и как «нефтепродукт» не фиксируются.

Это как ловить сбежавшего кота сачком для рыбы: инструмент рабочий, но не под ту добычу. Все превышения, которые находили в воде по этой методике, это углеводороды от третьих лиц, от соседей-нефтяников, которых в регионе хватает. Своя ШФЛУ на этом фоне оставалась невидимой. Газоанализатор по пропану, наоборот, показывает именно наш продукт: не абстрактное «в воде есть содержание углеводородов», а прямой ответ на вопрос, есть утечка в нашей трубе или нет.

Как было раньше

Старый способ выглядел так. Чтобы проверить один подводный переход, снаряжали выезд на воду, при помощи специальной вседорожной техники, причём не одного человека, а целую бригаду. Брали тару, спускали катер, доплывали до перехода, отбирали пробы в трёх точках. Дальше пробы везли в лабораторию.

В лаборатории анализ занимал несколько дней. То есть от момента «поехали проверять» до момента «есть результат» проходила чуть ли не неделя, и это ещё в лучшем случае.

Хорошего случая часто не было. Отбирать пробы можно не круглый год: весной ледоход, осенью встаёт лёд, добавьте сюда высокую волну. Фактически половину года переход этим способом было просто не проверить. Труба под водой есть, а достоверных данных по ней нет.

В сумме проверка переходов растягивалась на дни, часть года была недоступна в принципе, а на каждый выезд требовалась бригада с плавсредством. И главное, на выходе ты получал анализ воды, который для лёгкой ШФЛУ работает через раз. Мы решили не латать этот процесс, а поменять сам инструмент. Так и появилась идея поднять газоанализатор в воздух.

Как мы это собирали

Начинали мы с самого простого, с минимально рабочей сборки. Человек садился в машину, брал с собой дрон и газоанализатор и ехал на объект тестировать. Сначала мы провели тестирование первых прототипов в Тобольске с использованием лабораторных пробоотборников с газом. После работы над ошибками мы выехали в Нижневартовск.. И вот там, на реальных переходах, за три месяца итераций «простая» задача и показала своё настоящее лицо.

Это была настоящая командная работа: мы со стороны Цифрового СИБУРа отвечали за интеграцию и данные, производство давало обратную связь с поля, а сам газоанализатор изготавливал наш партнёр, компания «ЭкоБиоХим». Дальше расскажу по порядку, обо что мы спотыкались.

Не знали, куда прицепить прибор

Сначала мы упёрлись в вопрос, куда вообще прицепить газоанализатор. Такого раньше просто никто не делал, стационарно подобное оборудование на дроны не вешают. Готового ответа не было ни у кого, и для задачи, которая на бумаге выглядела элементарно, это слегка обескураживало.

Казалось бы, в чём проблема, прилепи сверху да лети. Но у дрона сверху стоит магнитный компас, по которому он понимает, где север и куда держать курс. Вешаем прибор наверх, и компас начинает врать, дрон теряет ориентацию.

Ладно, тогда снизу. Но снизу у дрона сенсоры, которые следят за препятствиями и помогают ему садиться. Прибор под брюхом закрывает эти сенсоры, и аппарат либо не видит землю, либо считает, что под ним всё время помеха. Летать в таком виде небезопасно, дрон может просто уронить себя.

Мы искали место методом перебора, гоняя дрон и смотря, где именно у него что перестаёт работать. Задачка оказалась чисто конструкторская. В итоге мы нащупали точку крепления, при которой и компас не сходит с ума, и сенсоры видят то, что должны. А дальше нужно было понять, чем его, собственно, крепить.

Пластик лопнул на морозе

Определившись, куда вешать прибор, мы взялись за само крепление. Первые версии были максимально кустарными: стяжки, скотч, что под руку попадётся. Как ни странно, именно так и начинали, потому что надо было сначала проверить саму идею, а не делать красиво.

Дальше пошли печатать крепления на 3D-принтере. И тут пришла зима. Стандартный пластик для 3D-печати мороз не пережил. В тепле крепление держало, а на холоде трескалось и лопалось. Представьте дешёвую пластиковую игрушку, которую оставили на балконе в минус тридцать — примерно так же наши крепления и рассыпались.

Крепление ломалось часто, и каждая поломка над водой — это потенциально утопленный прибор. Пришлось перебирать пластики и искать морозостойкий, который не дубеет и не трескается на холоде. Это заняло не одну итерацию, мы буквально подбирали материал под температуру.

Заодно решили сразу сделать крепление быстросъёмным. Хотели, чтобы газоанализатор можно было снять с дрона и использовать отдельно, а на дрон при случае повесить что-то другое. Сейчас газоанализатор используют и отдельно от дрона. С креплением разобрались, но тут выяснилось, что мёрзнет не только пластик.

Прибор замерзал и разряжался

Следующая проблема была уже не про крепёж, а про сам прибор. Газоанализатор на холоде начал быстро терять заряд и капризничать перед стартом.

Дело в том, что у дрона аккумуляторы с подогревом, они к морозу готовы. А у газоанализатора никакого подогрева нет. Выносим его на холод, и ёмкость батареи сразу проседает. Чтобы понять, что происходит, вспомните обычный смартфон зимой: только что было шестьдесят процентов, достал из кармана на морозе, и телефон уже выключается. С прибором ровно та же история.

Добавьте к этому долгую «продувку» перед каждым запуском, которую прибор требовал, прежде чем начать нормально измерять. В сумме на холоде мы теряли и время, и заряд ещё до того, как дрон поднимался в воздух.

Решение нашли в корпусе. Нужно было сделать так, чтобы газоанализатор сидел не в пустом холодном «барабане», а в корпусе, который держит тепло. Корпус должен быть тёплым, но при этом лёгким, потому что каждый лишний грамм дрон потом не простит. Мы поменяли материал корпуса и переработали конструкцию так, чтобы прибор не выстывал и не тратил заряд на самопрогрев. И вот на этом моменте как раз всплыл вопрос веса, который тянулся фоном через все этапы.

Первый дрон не потянул

Сам газоанализатор весит примерно триста граммов. Чтобы было нагляднее, это как полный стакан воды в руке, вроде немного, но для дрона это заметная добавка.

Мы специально старались сделать прибор как можно легче. Любая полезная нагрузка сажает аккумулятор быстрее. При температуре около нуля дрон с прибором держится в воздухе минут пятнадцать-двадцать, оператор видит на пульте, как ёмкость падает, и чем тяжелее груз, тем быстрее уходит время на полезную работу.

Первый дрон, на котором мы всё отрабатывали, эту нагрузку просто не вытягивал. Точнее, вытягивал, но минуты на три, а этого мало. Немного обидно было: столько возились с прибором, а упёрлись в банальную грузоподъёмность. Вариант «взять аппарат помощнее» напрашивался сам собой, и мы к нему в итоге и пришли: заменили маленький дрон на средний, более мощный. Он спокойно несёт газоанализатор и даёт нормальное время полёта.

При этом гнаться за рекордами автономности нам и не нужно. Дрону нужно всего лишь облететь конкретный подводный переход по контрольным точкам. Никто не отправляет его облетать всю сеть, поэтому одного вылета на переход вполне хватает. Расстояние тут ограничено, по сути, только ёмкостью батареи, а не дальностью связи с оператором. Кстати, про связь.

В тайге негде взять связь

Прибор летает, меряет — а как забрать данные? А сотовой связи на большинстве переходов нет вообще: кругом тайга, вышки есть далеко не везде.

Обычный газоанализатор, с которым ходишь пешком, просто пишет данные себе в память, а потом их сливаешь. Нам это не годилось: прибор в полёте должен был либо сразу передавать показания, либо надёжно сохранять их и отдавать оператору, который стоит внизу и никак не зависит от сотовой сети.

Мы применили для этого протокол LoRaWAN. Представьте обычную рацию. Она связывает двух людей напрямую, ей не нужны ни вышки, ни оператор связи, ни покрытие. LoRaWAN работает по схожему принципу для данных, обеспечивает передачу данных на большие расстояния при минимальном энергопотреблении. В открытой местности дальность передачи — до 15–20 км, в городе, тайге, лесу— 2–5 км. Оператор берёт приёмное устройство с собой, и показания с газоанализатора прилетают прямо на него, минуя всякую инфраструктуру. 

Отдельно пришлось повозиться с тем, как именно гнать эти данные: какими пакетами, как часто снимать показания, сколько вообще отдавать, во что их преобразовывать и в каких дашбордах показывать. Тут уже чисто наша, диджитальная работа. Мы делали это на открытом программном обеспечении, чтобы систему потом было проще дорабатывать и переносить, открывать как в браузере, так и мобильном приложении. 

В результате дрон облетает переход, прибор меряет концентрацию газа, данные по LoRaWAN уходят оператору и ложатся на дашборд, который видно на любом устройстве прямо в поле. Вернувшись на рабочее место, данные сохраняются в централизованную систему. Ровно то, ради чего всё и затевалось.

Что получилось

В итоге у нас работает дрон с газоанализатором, который облетает подводные переходы и в реальном времени показывает концентрацию ШФЛУ над трубой. Данные оператор видит сразу, на любом устройстве, прямо в поле.

Мониторинг одного подводного перехода раньше занимал целый день. Теперь — около 30 минут. Отдельная экспедиция с лодкой больше не нужна. Газоанализатор берёт с собой обходчик, который и так идёт по своему участку, и попутно облетает переход. Там, где раньше выезжала бригада, сегодня работает один человек по дороге. Теперь количество мониторинговых полетов можно увеличить и повысить надежность эксплуатации продуктопроводов.

Комплекс уже работает на объектах Нижневартовского линейно-производственного управления. Дальше планируем масштабировать его на другие управления, а в перспективе — на всю сеть, все 3000 с лишним километров.

Отдельно скажу про универсальность. Газоанализатор собран по модульному принципу, сенсоры внутри меняются под те газы, которые нужно идентифицировать. То есть под другую задачу и другой продукт систему можно быстро перенастроить, не изобретая всё заново. Из «прибора для одного перехода» получился инструмент, который можно тиражировать по компании.

Справка: термины и технологии

Здесь собрано всё, что упоминается в тексте, но не должно тормозить чтение. Кому нужно, сверяйтесь.

• ШФЛУ — широкая фракция лёгких углеводородов. Смесь лёгких предельных углеводородов (примерно С3–С5), в основном пропан и бутан с примесью пентанов. Побочный продукт и сырьё газопереработки, летучая и лёгкая, в отличие от нефти.

• Детектор пропана — сенсор газоанализатора, настроенный на углеводороды пропан-бутанового ряда, то есть на ту самую ШФЛУ.

• ГОСТ 31953-2012 — «Вода. Определение нефтепродуктов методом газовой хроматографии». Стандартная методика анализа воды на углеводороды, заточенная под тяжёлые нефтяные фракции. Лёгкую ШФЛУ практически не фиксирует.

• ЦЗЛ — центральная заводская лаборатория, куда раньше везли пробы воды на анализ.

• Газотранспортная сеть «Запсибтрансгаза» — свыше 3000 км трубопроводов в Западной Сибири.

• Подводный переход — участок трубопровода, проложенный по дну реки или водоёма.

• «ЭкоБиоХим» — российский разработчик и изготовитель газоанализатора, партнёр проекта.

• DJI Matrice 30T— модель дрона среднего класса, на которую перешли вместо маломощного аппарата, чтобы тянуть вес прибора.

• LoRa / LoRaWAN — протокол беспроводной передачи данных на большие расстояния без сотовой связи и базовых станций. Работает как рация для данных.

• Тиражирование — сейчас комплекс работает в Нижневартовском ЛПУ, на очереди другие линейно-производственные управления предприятия.

Подписывайтесь на наш тг‑канал. Он полезен айтишникам, которые хотят понять, что реально происходит в промышленном ИТ.

Там мы рассказываем о цифровых технологиях для производства — от IIoT и аналитики до инженерных инструментов и ИИ. Делимся кейсами, экспериментами, новостями и выкладываем вакансии.