СПОСОБ СОЗДАНИЯ КАНАЛОВ В ЛЕДЯНЫХ ПОКРОВАХ И ЛЕДОКОЛЬНАЯ ПРИСТАВКА ДЛЯ СОЗДАНИЯ КАНАЛОВ В ЛЕДЯНЫХ ПОКРОВАХ
METHOD OF MAKING CHANNELS IN ICE FIELDS AND ICE BREAKING APPLIANCE TO THIS END

Изобретение относится к ледокольному флоту и, в частности, касается технологии разрушения ледяного покрова.
Известные способы разрушения ледяного покрова не получили развития из-за большого несоответствия располагаемой на борту ледоколов энергии и требуемых для разрушения льда энергозатрат.
Так, известен способ разрушения льда по авторскому свидетельству SU №548978
[1], по которому лед на пути ледокола взрывают.
Известен способ по патенту RU №2081025 [2], по которому лед разрушают, раскачивая судно и создавая волну в дополнение к ходовой волне.
Известен также способ по патенту RU №2086464 [3], по которому лед взламывают корпусом подводного судна.
Известно подводно-надводное судно ледового плавания по патенту RU №2172698 [4], взламывающее лед своим клиновидным корпусом.
Известен способ по патенту RU №2326785 [5], по которому с ледокола под лед заводят аппарат, развивающий архимедову силу до 100 т. Этой силой, приложенной к острому ребру, разрушают лед и продвигают аппарат дальше.
Известен способ разрушения ледяного покрова по патенту RU №2314963 [6]. По этому способу под лед закачивают воздух, вызывающий обрушение льда.
Известен способ по патенту RU №2122505 [7], по которому на носовой приставке ледокола устанавливают резцы, прорезающие лед перед тем, как его взломать корпусом ледокола. Ввиду того что приспособление необходимо заводить под ледяное поле, то достижение положительного технического эффекта отягощено существенными временными затратами.
Известен также способ по патенту RU №2213675 [8], по которому через носовую приставку судна на лед подают струи воды, пароводяной смеси или пара.
Известен способ по патенту RU №2085432 [9], по которому для всплытия подводной лодки из-подо льда к нему подводят штанги и подают теплую воду. Вода протапливает прорези по всему периметру лодки, и корпусом лодки взламывают лед и выводят лодку в надводное положение.
Известен способ разрушения льда перед судном с помощью электрической дуги, патент RU №2216477 [10].
Известен также способ по патенту RU №2124454 [11], по которому для всплытия подводной лодки выдвигают штанги с электродами и подают электропитание. В толще льда растопляют щели и, убрав электроды, взламывают лед корпусом лодки.
Известный способ [11] имеет серьезные недостатки. При разрушении льда путем нагрева расходуется значительное количество энергии, основную долю которой составляет теплота плавления льда. Поэтому ширина прорезей должна быть минимальной. Кроме того, время передачи энергии прямо зависит от величины теплового потока или от перепада температур между горячим и холодным телом. Этот перепад реально составляет десятки градусов. При расплавлении льда вода, стекающая на электроды, нагревается их горячими поверхностями и уносит значительную часть энергии. Таким образом, известный способ [11] является слишком энергозатратным, неэкономичным.
При создании каналов в ледовых полях, особенно при большой толщине льда, затраты энергии и сроки работ могут стать неприемлемо большими.
Снижение энергозатрат на разрушение ледяного покрова и повышение экономичности и производительности работы достигается при создании каналов в ледяных покровах способом, по которому по бортам ледокола выдвигают вперед две штанги с электродами, которые нагревают током, вырабатываемым на борту ледокола, продвигают ледокол на длину штанг, протапливают в толще льда две прорези, взламывают корпусом ослабленный прорезями лед и повторяют цикл разрушения льда (патент RU №2381948 [12]).
Сущность известного способа [12] заключается в том, что электроды, выполненные в виде пластин, в передней части заостренных кверху, заглубляют в лед только на часть толщины льда, а скорость хода ледокола регулируют мощностью подаваемого тока. При прокладке канала в ледовом поле должны быть предельно ограничены размеры работ. Так, ширина выполняемых во льду прорезей и толщина пластин электродов может составлять всего несколько миллиметров. Высота пластин электродов может быть намного меньше толщины слоя льда. При плавлении льда образующаяся вода нагревается от электрода и, стекая из прорези вниз, вытапливает в нижней части льда канавку, в которой у воды отбирается унесенное ею тепло. Для уменьшения уноса тепла пластина электрода выполняется в рабочей части заостренной кверху. Задняя часть пластины электрода должна быть выполнена из материала с низкой электропроводностью или теплоизолирована. Вылет штанг, несущих электроды, должен быть рассчитан на создание разрушающего изгибающего момента под действием веса передней части ледокола, надвигаемой на подрезанную льдину. После обламывания льдины она проваливается в воду и подминается массой ледокола.
При проходке канала по данному способу скорость проходки зависит в основном от расхода расплавляемого льда, то есть от мощности питания электродов. Поскольку общий объем работы сохраняется, для повышения скорости проходки необходимо увеличивать эту мощность. Как и известный способ [11], известный способ [12] также является слишком энергозатратным и неэкономичным. При создании каналов в ледовых полях, особенно при большой толщине льда, затраты энергии и сроки работ могут стать, неприемлемо большими.
Задачей заявляемого технического предложения является обеспечение достаточно быстрой прокладки ледовых каналов, в том числе и при большой толщине льда.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе создания каналов в ледяных покровах, по которому по бортам ледокола выдвигают вперед две штанги с электродами, которые нагревают током, вырабатываемым на борту ледокола, продвигают ледокол на длину штанг, протапливают в толще льда две прорези посредством электродов, взламывают корпусом ослабленный прорезями лед и повторяют цикл разрушения льда, при этом электроды, выполненные в виде пластин, в передней части заостренных кверху, заглубляют в лед только на часть толщины льда, в котором в отличие от прототипа в протопленную электродами прорези заводят резцы, выполненные в виде режущей головки, которая фокусируется посредством дюзы, через которую подают гидроабразивную струю посредством судового насоса сверхвысокого давления.
Ледокольная приставка для создания каналов в ледяных покровах, содержащая выдвижные штанги с электродами и резцами, в которой в отличие от прототипа выдвижные штанги установлены на поворотном устройстве с возможностью их перемещения в секторе 0-90 градусов по каждому борту ледокола, резцы выполнены в виде режущей головки, которая фокусируется при помощи дюзы, режущая головка снабжена трубкой, по которой посредством судового насоса сверхвысокого давления подается гидроабразивная смесь в режущую головку.
Сущность изобретения поясняется примером.
Ледокол прокладывает канал шириной 10 м в ледяном покрове реки с толщиной льда 1,2 м. Ледокол оснащается двумя штангами с вылетом 12 м. На каждой штанге закреплен алюминиевый электрод толщиной 5 мм, посредством которых при подаче на них тока на торцевой стороне льда образуются заглубления во льду на глубину 5-10 мм. На электроды при их работе подается ток с общей мощностью от 5,0 до 20 МВт в зависимости от сплоченности льда.
При работе электроды разогреваются до температуры 70°C при температуре в воздухе и на поверхности льда -20°C. После того как во льду образуются прорези, в образовавшиеся прорези подают гидроабразивную струю, которую получают путем создания сверхвысокого давления на судне посредством насоса высокого давления, и затем выпускают гидроабразивную струю через тонкое отверстие толщиной менее миллиметра. Такая гидроабразивная струя толщиной менее миллиметра, движущаяся со скоростью, превышающей в три раза скорость звука, способна резать любые твердые материалы, такие как сталь, титан, бетон, композитные материалы, в том числе и лед.
Устройство, посредством которого осуществляется способ, включает установленные на судне резервуар с гидроабразивной смесью, которая посредством насоса высокого давления подается в трубопровод, сочлененный со штангой, и заканчивающийся тонким отверстием порядка 1 мм и режущей головкой. Когда струя воды, находящаяся под высоким давлением, доходит до режущей головки, она фокусируется при помощи дюзы. Размер дюз может составлять от 0,01 мм до 0,025 мм. При этом возможно применение либо алмазных, либо рубиновых, либо сапфировых дюз. Каждая из этих дюз имеет свое назначение. Так, сапфировую дюзу хорошо использовать для работы чистой водой. Если качество воды хорошее, срок жизни такой дюзы составляет 50-100 рабочих часов. Если использовать гидроабразивную струю, продолжительность "жизни" сапфировой дюзы сокращается примерно вдвое. Рубиновая дюза создает струю, показатели которой не очень подходят для резки чистой водой, зато ее хорошо использовать для резки гидроабразивной струей. Алмазные дюзы могут работать до 1000 тыс. часов, причем их можно использовать как для работы чистой водой, так и для работы гидроабразивной смесью. В отличие от других типов дюз алмазные можно чистить при помощи ультразвука и затем снова использовать. Однако они дороже рубиновых и сапфировых в 10-20 раз.
После прохождения через дюзу вода попадает на поверхность льда, который нужно разрушать. Если же используется гидроабразивная смесь, то сначала к струе добавляется абразив. Он подается через трубку в режущую головку после того, как струя фокусируется дюзой. Тяга, образуемая струей, движущейся со скоростью, в 3 раза превышающей скорость звука, засасывает абразив. Далее песок и вода смешиваются в так называемой смешивающей трубке, сделанной из сверхтвердого сплава. На выходе толщина струи составляет приблизительно 0,8 мм. Соответственно, такова и ширина разреза на поверхности льда. Срок работы смешивающих труб составляет до 150 часов. Постепенно диаметр отверстия увеличивается, и когда он становится слишком большим, насос не может поддерживать достаточно высокое давление, необходимое для наиболее эффективного раскроя.
Скорость резки зависит не только от сплоченности льда и его толщины, но также и от таких параметров, как количество используемого абразива, уровня давления, количества используемой воды и других параметров.
Для создания такого давления используются специальные насосы, которые должны быть способны поддерживать высокое давление в рабочем режиме, но и работать при этом надежно. Возможно использование двух типов насосов сверхвысокого давления, например насоса прямого действия или насоса плунжерного типа. Принцип работы насосов прямого действия заключается в том, что три поршня, приводимые в действие электродвигателем, поочередно выталкивают из цилиндров воду. Такие насосы имеют широкое применение благодаря простоте своей конструкции. Они способны создавать рабочее давление около 3800 атмосфер, что на 10-25% ниже, чем насосы бустерного типа. В то же время их преимущество заключается в том, что они позволяют постепенно повышать давление, а это иногда требуется, например при врезании в хрупкие материалы. В промышленности используется большое число таких насосов, хотя в большинстве случаев применяются бустерные насосы.
В отличие от насосов прямого действия в насосах плунжерного типа (их также называют бустерными насосами) поршень приводится в действие не механически, а за счет давления масла. В камеру, в которой находится основание плунжера, подается масло с первичным давлением, составляющим около 207 атмосфер. Сам плунжер выталкивает воду из другой камеры, и, поскольку площадь его рабочей поверхности приблизительно в 20 раз меньше площади поверхности основания, создается давление в 20 раз выше. Фактически основание, приводимое в движение маслом то с одной, то с другой стороны, движется попеременно то в одну, то в другую сторону, в результате чего плунжер выталкивает воду то из одной, то из другой камеры высокого давления. Пока вода выходит из одного цилиндра высокого давления, цилиндр на противоположной стороне заполняется водой, которая через большое отверстие заполняется водой под низким давлением.
Насосы бустерного типа позволяют поддерживать рабочее давление на уровне 4150 бар (приблизительно столько же атмосфер). Чем больше давление, тем с большей скоростью можно резать.
Выдвижные штанги установлены на поворотном устройстве с возможностью их перемещения в секторе 0-90 градусов по каждому борту ледокола, что обеспечивает протапливать и прорезать прорези в секторе 0-180 градусов по курсу ледокола.
Техническим результатом настоящего изобретения является возможность экономичной и достаточно быстрой прокладки ледовых каналов.
Основное оборудование - ледоколы - могут быть использованы из числа действующих и прошедших отработку в условиях севера или строящихся. В то же время требуемые для них устройства и оснащение остаются простыми и несложными. Затраты на проведение работ окупаются во много раз открывающимися возможностями морской транспортировки грузов по акваториям морей Северного Ледовитого океана, в том числе и транспортировке углеводородов.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU №548978.
2. Патент RU №2081025.
3. Патент RU №2086464.
4. Патент RU №2172698.
5. Патент RU №2326785.
6. Патент RU №2314963.
7. Патент RU №2122505.
8. Патент RU №2213675.
9. Патент RU №2085432.
10. Патент RU №2216477.
11. Патент RU №2124454.
12. Патент RU №2381948.