Морские информационно-управляющие системы №1-2013 by Dimitry Lukash

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА

«ОСВОЕНИЕ ОКЕАНА» СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК

морские системы

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы ОАО «КОНЦЕРН «МОРИНСИС-АГАТ»

морские системы

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ

Межотраслевой корпоративный научно-технический журнал

редакционная коллегия:

ИЗДАТЕЛЬ:

АНЦЕВ Георгий Владимирович генеральный директор-генеральный конструктор ОАО «Концерн «Моринсис-Агат», главный редактор

Открытое акционерное общество «Концерн «Моринформсистема-Агат»

КОБЫЛЯНСКИЙ Валерий Владимирович заместитель генерального конструктора по инновационной политике ОАО «Концерн «Моринсис-Агат», заместитель главного редактора НОВИКОВ Евгений Станиславович главный конструктор направления ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» БЕКИШЕВ Анатолий Тимофеевич генеральный директор-генеральный конструктор ОАО «НПП «Салют» БОНДАРЬ Михаил Владимирович главный научный сотрудник ОАО «ЦНИИ «Курс» ГОЛУБЕВ Анатолий Генадьевич доктор технических наук, ОАО «КГФИ» ГЛАДИЛИН Алексей Викторович директор института ФГУП «АКИН» КОПАНЕВ Александр Алексеевич генеральный директор ОАО «НПФ «Меридиан» МАКЛАЕВ Владимир Анатольевич генеральный директор ОАО «НПО «Марс» НЕМЫЧЕНКОВ Владимир Сергеевич генеральный директор, председатель научно-технического Совета ОАО «Тайфун» ПИРОГОВ Всеволод Анатольевич первый заместитель директора института по научной работе ФГУП «АКИН» ПРИХОДЬКО Иван Михайлович технический директор ОАО «НИИ «Атолл» ФИЛАТОВ Юрий Николаевич коммерческий директор ОАО «Завод «Топаз» ХАНИН Леонид Борисович генеральный директор-генеральный конструктор ОАО «КБ «Аметист» Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2) 2 Copyright © 2013 Открытое акционерное общество «Концерн «Моринформсистема-Агат»

СОСОЗДАНИЕ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО ИННОВАЦИОННОГО НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ ПО ПОДВОДНОЙ РОБОТОТЕХНИКЕ И МОРСКОМУ ПРИБОРОСТРОЕНИЮ

«Освоение пространств и ресурсов Мирового океана – одно из главных направлений развития мировой цивилизации в третьем тысячелетии. Сущность национальной политики ведущих морских держав и большинства государств мирового сообщества в обозримом будущем составят самостоятельная деятельность и сотрудничество в освоении Мирового океана, а также неизбежное соперничество на этом пути» (из основных положений «Морской доктрины РФ»). Если XX-й век стал началом эры освоения человечеством космоса, то XXI-й век, скорее всего, станет временем освоения Мирового океана, что, по мнению специалистов, задача гораздо более сложная. В космосе необходимо защититься от безвоздушного пространства, а это перепад всего лишь в одну атмосферу; на глубине 6 км в океане внешнее давление составляет 600 атмосфер в агрессивной среде. Кроме того, в отличие от космических аппаратов, которые движутся по однозначно определенным траекториям, на движение подводных аппаратов сильно влияют давление, подводные течения, загрязненность воды и коррозия; также, на сегодняшний день, вопросы связи под водой решены неудовлетворительно. Безусловно, при освоении Мирового океана человечество столкнется с серьезными трудностями. Наша страна всегда была настоящей морской державой. Мы по праву гордимся именами соотечественников, совершивших великие географические открытия и проявивших при этом бескорыстное мужество и яркий патриотизм. Еще 30 лет назад мы имели самый большой научно-исследовательский флот в мире. Не менее двух десятков полноценных научно-исследовательских институтов океанологического профиля проводили экспедиции во всех районах Мирового океана. Научные сотрудники нашей страны составляли основной контингент докладчиков на международных конференциях, особенно в области физики океана и современных методов его исследования. Большой флот атомных подводных лодок, различные образцы эффективного минноторпедного оружия, высокотехнологичная морская авиационная техника, использование космических средств для изучения океана – все это, казалось, надолго делало нашу страну ведущей в данной области человеческой деятельности. Сегодня многое изменилось. Мы пропустили тот момент, когда человечество без громких лозунгов перешло от изучения Мирового океана к его освоению. Ряд факторов не позволил нам вовремя понять, в каком направлении идет процесс, и мы стали стремительно отставать по всем вопросам развития морских технологий.

...КАК РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАТФОРМЫ

«ОСВОЕНИЕ ОКЕАНА»

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Логотип Технологической платформы «Освоение океана»

Официальный сайт Платформы – www.ocean-platform.ru

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Есть большая разница между понятиями «исследование» и «освоение». Исследования Мирового океана в настоящее время выполняются в рамках федеральной целевой программы «Мировой океан». В лучшем случае они заканчиваются экспериментальным макетом. Освоение же начинается с опытного образца, разработанных технологий и обеспечивает практическую деятельность человечества. И в этой области у нас отсутствует научно-техническое обеспечение, зато присутствуют очень упрощенные представления о том, как осуществлять практическую деятельность под водой. Известно, что в нашей стране проводится много исследований. У нас много идей, изобретений и патентов. Гораздо хуже обстоит дело с реализацией результатов исследований. Одной из основных причин является непонимание необходимости научно-технической работы на этапе создания технологий и внедрения результатов исследований в практическую деятельность. Кроме этого, на современном этапе развития наук об океане ключевыми элементами достижения успеха станут: максимально возможная автоматизация подводных работ, высокий технологический уровень роботизированных систем и создание подводного сетевого информационного пространства. 1 апреля 2011 года решением Правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям под председательством В.В. Путина (Протокол №2 от 01.04.2011 г.) был утвержден перечень технологических платформ как основных направлений технологической модернизации экономики России. В этот перечень вошла технологическая платформа «Освоение океана», разработанная в ОАО «Концерн «Моринсис-Агат». Основными направлениями развития подводных технологий в рамках Платформы «Освоение океана» стали: • Технологии морских роботизированных систем; • Технологии освоения природных ресурсов Мирового океана; • Информационные технологии и системы для освоения Мирового океана; • Технологии создания морской техники (перспективное судостроение). В настоящее время меморандум о присоединении к технологической платформе подписан более чем 80-ю организациями промышленности, науки и образования. Координаторами технологической платформы являются ОАО «Концерн «Моринсис-Агат», ОАО «Объединенная судостроительная корпорация» и ОАО «Концерн «Морское подводное оружие – Гидроприбор». Официальный сайт платформы в сети Интернет – www.ocean-platform.ru. Особенностью технологической платформы «Освоение океана» является то, что ее инициаторами выступают крупные производственные предприятия с государственным участием, заинтересованные в той или иной степени в развитии подводных технологий.

Создание Дальневосточного инновационного научно-производственного объединения (кластера) по подводной робототехнике и морскому приборостроению для инициаторов платформы является очевидным переводом основных положений технологической платформы «Освоение океана» в практическую плоскость. Состояние подводной робототехники в России на сегодняшний день можно охарактеризовать следующим образом: отдельные образцы в ряде организаций. В то же время во многих развитых странах данное научно-техническое направление фактически является отраслью экономики. В нашей стране наибольших достижений добился Институт проблем морских технологий ДВО РАН (Владивосток); в его активе как минимум пять образцов подводной робототехники мирового уровня.

Ведущие образцы подводной робототехники, созданные специалистами Института проблем морских технологий: 1. АНПА «Л-2»; 2. АНПА «Клавесин»; 3. ТНПА «Юниор» (совместный проект ИПМТ и ДВФУ, победитель международных соревнований); 4. АНПА «Пилигрим»; 5. Солнечный автономный подводный аппарат «САНПА»

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Карты района бухты Троицы, где планируется размещение морской экспериментальной станции

Здание центра по проектированию и строительству опытных образцов морской техники, г. Владивосток

Команда ИПМТ-ДВФУ – победители международных соревнований по подводным телеуправляемым аппаратам; на соревнованиях был представлен ТНПА «Юниор»

Катамаран «Юрий Молоков»

В настоящее время заканчивается оборудование построенного во Владивостоке центра по проектированию и строительству опытных образцов подводных робототехнических средств ИПМТ ДВО РАН. Выделена земля в районе бухты Троица под морскую экспериментальную станцию, предназначенную для проведения натурных испытаний и отработки методик использования необитаемых подводных аппаратов и гидроакустической аппаратуры. К достижениям последних пяти лет в области подводной робототехники смело можно отнести победы и призовые места команды ИПМТ-ДВФУ на ежегодных международных соревнованиях MATE International ROV Competition (США) по разработке и эксплуатации новых проектов телеуправляемых подводных аппаратов .

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Создание научно-производственного объединения по подводной робототехнике и морскому приборостроению поддержано многими организациями Приморского края. Меморандум о его создании подписали 15 предприятий, в том числе институты Российской академии наук, крупные предприятия промышленности, высшие учебные заведения. Практически для всех участников создание данного научно-производственного объединения является реальной перспективой расширения своей деятельности в высокотехнологической области экономики. Суммарный потенциал предприятий создаваемого кластера позволяет надеяться, что в результате совместной деятельности будет достигнут значительный прогресс в создании новой отрасли экономики страны. На Дальнем Востоке существует рынок работ в области подводных технологий (работы на шельфе по поиску полезных ископаемых, прокладка подводных линий связи, обследование портовых акваторий, районов установки морских буровых платформ, обеспечение работ в области биоресурсов, вопросы безопасности и т. д.). Этот рынок, по оценке экспертной службы администрации Приморского края, оценивается в 2-3 млрд. рублей в год (без учета работ в интересах стран ЮгоВосточной Азии). Ожидаемые социальные эффекты от реализации проекта для Приморского края 2013

2014

2015

2016

2017

Вновь создаваемые и сохраняемые рабочие места, чел

3000

5000

10 000

15 000

20 000

Вновь создаваемый и сохраняемый фонд оплаты труда, тыс. руб. в год

1 800 000

2 100 000

4 800 000

8 100 000

12 000 000

Создаваемый на Дальнем Востоке кластер ориентирован на решение ряда основных экономических и социальных задач Приморья. Это повышение эффективности использования океанского пространства, включение дополнительных минеральных, биологических, энергетических и других видов ресурсов в хозяйственный оборот страны, что обусловит появление новых рынков высокотехнологической продукции. В социальном аспекте задача кластера состоит в превращении Мирового океана и его береговой черты в комфортную и безопасную среду обитания человека, а также в повышении стандартов качества жизни населения за счет более широкого применения новых технологий.

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

«ОСВОЕНИЕ ОКЕАНА»

СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК, ПОСВЯЩЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАТФОРМЕ

СОДЕРЖАНИЕ CONTENT

МОРСКИЕ ИНФОРМАЦИОННО–УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ No. 1 (2) / 2013 8

2013

информационные технологии и системы для освоения мирового океана

СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК

Создание дальневосточного инновационного научнопроизводственного объединения по подводной робототехнике и морскому приборостроению

Система гидроакустического мониторинга акватории в местах размещения нефтегазодобывающих платформ А.М. Иванов, И.А. Селезнёв ОАО «Концерн «Океанприбор» 64 16 1

Аэрокосмические методы микроволновой диагностики внутриокеанических процессов О.В. Никитин, И.В. Черный, Г.М. Чернявский НТЦ «Космонит» 72

ROSUB-6000: мобильный комплекс многоцелевого необитаемого аппарата рабочего класса С.Я. Суконкин ФГУП ОКБ ОТ РАН 8

Подводные захоронения радиоактивных отходов в Арктике: какова реальная угроза? В.В. Кобылянский ОАО «Концерн «Моринсис-Агат» А.Ю. Казённов, О.Е. Кикнадзе НИЦ «Курчатовский институт» 78

технологии морских роботизированных систем

Глубоководные обитаемые аппараты Технический обзор ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»

технологии создания морской техники [перспективное судростроение]

технологии освоения природных ресурсов мирового океана Газопроводы в Черном море Технология строительства трубопровода «Голубой поток» Д.Л. Лушников ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»

72 78 26

Морские буровые установки Технический обзор ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»

Газогидраты и потоки метана в Охотском море А.И. Обжиров ТОИ ДВО РАН им. А.И. Ильичева

Опыт строительства научноисследовательского судна из композитного материала для работы в исключительной экономической зоне Проект Marine Processor HY-909 В.А. Карташев, С.Е. Черняхович Морской поисково-исследовательский центр ТОФ «ИСКРА»

Системы автоматизированного управления движением пассажирских скоростных судов С.В. Платонов, М.Ю. Гаранов, Г.А. Дядюра ОАО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева» О.И. Сидоренко, К.С. Дистранов ООО НПП «Анфас» 104 95

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

ROSUB-6000 МОБИЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС МНОГОЦЕЛЕВОГО НЕОБИТАЕМОГО АППАРАТА РАБОЧЕГО КЛАССА Максимальная глубина погружения стала одной из ключевых характеристик для современной глубоководной техники в условиях все увеличивающегося объема работ, проводимых на морском шельфе разных стран. Разработка глубоководных аппаратов, способных работать на глубине до 6000 метров, ведется в настоящее время в рамках двусторонней научно-исследовательской программы сотрудничества между Россией и Индией с участием российских специалистов из ОКБ океанологической техники РАН. Многоцелевой необитаемый подводный аппарат рабочего класса ROSUB-6000 успешно прошел неоднократные глубоководные испытания, проведенные совместно с индийскими специалистами, и поступил на эксплуатацию в индийский Национальный институт морских технологий.

ФГУП Опытное конструкторское бюро океанологической техники РАН* Москва С.Я. Суконкин

* участник технологической платформы «Освоение океана»

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Мобильный комплекс многоцелевого необитаемого подводного аппарата рабочего класса ROSUB-6000 с глубиной погружения до 6000 метров имеет довольно длинную предысторию. Острая нужда в доступных и долгосрочных ресурсах заставила Индию наращивать капиталовложения в разработку как шельфовых, так и глубоководных удаленных морских зон. Давно назрела необходимость в технике для проведения глубоководных исследований и подводной разведки ископаемых, а также разного рода подводно-технических работ. В апреле 1998 года Управление полиметаллических конкреций Департамента освоения океана правительства Индии, впоследствии преобразованного в Министерство наук о Земле, настоятельно рекомендовало разработать отечественный глубоководный комплекс многоцелевого телеуправляемого подводного аппарата рабочего класса с глубиной погружения до 6000 метров. Для создания такого комплекса, отвечающего потребностям Департамента и Индии в целом, в качестве ведущего заказчика с индийской стороны был выбран Национальный институт морских технологий в Ченнае. Российским контрагентом стало московское Федеральное государственное унитарное предприятие Опытно конструкторское бюро океанологической техники Российской академии наук – ФГУП ОКБ ОТ РАН. Проект получил условное название ROSUB-6000, перекочевавшее, как это обычно бывает, во все официальные документы и окончательно закрепившееся за ним в дальнейшем.

Проект был включен в Комплексную долгосрочную программу научно-технического сотрудничества между Россией и Индией. Это одна из крупнейших двусторонних научно-технических программ среди тех, которые Индия проводила с какой-либо из стран. Программа поддерживается Департаментом науки и технологии правительства Индии с одной стороны и Российской академией наук – с другой. Соглашение по Комплексной долгосрочной программе двухстороннего сотрудничества было подписано 3 июля 1987 года Михаилом Горбачевым, тогда президентом Советского Союза, и премьерминистром Индии Радживом Ганди.

В рамках этого проекта ФГУП ОКБ ОТ РАН и Национальный институт морских технологий (Индия, Ченнай) выполнило разработку и изготовление мобильного комплекса многоцелевого необитаемого подводного аппарата (НПА) рабочего класса с глубиной погружения до 6000 метров, предназначенного для выполнения различных научно-технических и подводно-технических работ (см. Таблицу на стр. 10).

Рис. 1. Схема комплекса ROSUB-6000 Комплекс может быть использован для решения следующих задач: • обеспечение работ по разведке и добыче нефтяных и газовых местрождений; • обеспечение работ по разведке и добыче газогидратных месторождений; • обеспечение работ по разведке и экспериментальной добыче рудных месторождений, конкреций и т. п.; • проведение подводно-технических работ на платформах, подводных трубопроводах, кабелях и других подводных объектах; • проведение аварийно-спасательных работ. Схема комплекса ROSUB-6000 представлена на рисунке 1. Комплекс ROSUB-6000 может быть размещен на судне, буровой платформе, гидротехническом сооружении. Основу мобильного комплекса представляет свободноплавающий аппарат с 6-ю степенями свободы (рис. 2).

Рис. 2. Необитаемый подводный аппарат (НПА)

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

В его состав входят: 1. Движительный комплекс, состоящий из семи типовых, взаимозаменяемых электрических движителей и системы управления; 2. Электропреобразовательный силовой блок; 3. Электрогидравлический силовой блок; 4. Навигационный комплекс, включающий в себя инерциальную навигационную систему, эхолот, гидролокатор и гидроакустическую навигационную систему с длинной и ультракороткой базами; 5. Бортовой вычислительный комплекс; 6. Манипуляторный комплекс с пятистепенными и семистепенными манипуляторами; 7. Телевизионный комплекс со светильниками. Гараж предназначен для развязки аппарата от влияния 7-километрового грузонесущего кабеля и судна-носителя, а также обеспечения возможности свободного перемещения на кабеле нейтральной плавучести. Кроме того, гараж обеспечивает жесткую фиксацию к нему аппарата при спускоподъемных операциях (рис. 3). В состав гаража входят: • лебедка кабеля НПА; • кабель НПА; • электросиловой блок; • электрогидравлический блок; • телекамеры; • светильники;

Таблица

Некоторые технические данные комплекса ROSUB-6000 НПА (рабочего класса) Рабочая глубина

6000 м

Габаритные размеры

2530x1800x1700

Вес в воздухе

3080 кг

Вес в воде

-20 кг

Упор вертик.

600 кг

Упор марш.

400 кг

Упор лаг.

400 кг

Установленная эл. мощность преобразователей

50 кВт

Напряжение питания

6 кВт

Гараж Рабочая глубина

6000 м

Габаритные размеры

d 2500x3000

Вес в воздухе

3000 кг

Вес в воде

2200 кг

Запас кабеля НПА на лебедке

400 м

Установленная эл. мощность преобразователей

10 кВт

Напряжение питания

6 кВт

Спускоподъемное устройство Тип привода

гидравлический

Грузоподъемность

15 т

Максимальный вылет

5м

Миним. высота стыковки с гаражом/НПА

-4,5 м

Компенсация качки

активная

Грузонесущий кабель Рабочая глубина

6000 м

Запас кабеля НПА на лебедке

7000 м

Диаметр кабеля

37,5 мм

Рабочая нагрузка

8т

Разрывное усилие

60 т

Грузонесущая и защитная оболочки

Арамид + полиэстер

Рабочее напряжение

6 кВ

Число жил

3x6 мм2 + 2x1 мм2 Cu 12 оптоволокон (125 µm) одномод.

Вес в воздухе

1450 кг/км

Вес в воде

290 кг/км

Кабель НПА

Рис. 3. Аппарат и гараж 12

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Рабочая глубина

6000 м

Запас кабеля НПА на лебедке гаража

400 м

Диаметр кабеля

42 мм

Рабочая нагрузка

1т

Рабочее напряжение

6 кВт

Число жил

3x1,5 мм2 Cu 12 оптоволокон (125 µm) одномод.

Вес в воздухе

480 кг/км

Вес в воде

90 кг/км

Рис. 4. Сцепка «НПА-гараж» на спускоподъемном устройстве • стыковочное устройство НПА; • стыковочное устройство к спускоподъемному оборудованию. Палубное оборудование состоит из: • спускоподъемного устройства гидроприводного типа с активным компенсатором качки, обеспечивающего операции спуска-подъема сцепки «НПА-гараж» (рис. 4) при волнении моря до 5 баллов; • семи километров грузонесущего высоковольтного кабеля с оптоволоконными жилами на палубной накопительной лебедке; • пульта управления операторов НПА (рис. 5); • энергетической установки, состоящей из дизель-генератора (при отсутствии соответсвующего бортового питания), частотного преобразователя, повышающего трансформатора и защитно-регулирующего распредустройства.

Морские испытания ROSUB-6000 Осенью 2006 года в Индийском океане с борта судна «Сагар Канья» проведены первые успешные испытания комплекса на глубинах свыше 200 метров. Глубина испытаний ограничивалась отсутствием на борту судна штатного спускоподъемного устройства. В 2007 году индийский Национальный институт морских технологий (NIOT - National Institute of Ocean Technology) получил собственное научно-исследовательское судно «Сагар Нидхи» (рис. 6) с оборудованием, обеспечивающим точность поизционирования 1,8 м. Штатное спускоподъемное устройство комплекса было, наконец, смонтировано на судне, прошло наладку и тестирование. Глубоководные испытания комплекса начались в 2008 году в Индийском океане; последняя серия испытаний прошла в марте-апреле 2013 года.

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 5. Пульт управления: а – пульт состоит из трех основных консолей: 1-й пилот, 2-й пилот, бортинженер; б – мультиэкранный режим на пульте пилота, вверху – изображения с палубных камер, внизу – с камер гаража

Рис. 6. Научно-исследовательское судно «Сагар Нидхи» индийского Национального института морских технологий

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Приведем описание результатов, полученных в ходе морских испытаний комплекса весной 2010 года. 12 апреля 2010 года произведено погружение аппарата на глубину 1250 метров. В процессе погружения проведен комплекс гидрофизических исследований на глубинах от 500 до 1250 метров. После усиления волнения до 5 баллов принято решение прервать проведение дальнейших испытаний, и по достижению глубины 1250 метров аппарат был поднят на палубу. 14 апреля погодные условия улучшились. В 07:30 было произведено погружение до глубины 5289 метров. Средняя скорость спуска поддерживалась на отметке 25 м/мин. В процессе спуска все системы были проверены на глубинах 50 и 3000 метров. В 11:03 телеуправляемый аппарат достиг максимальной глубины 5256 метров. За 33 м от поверхности дна в силовом преобразователе была зафиксирована перегрузка, а в подводном блоке выпрямителя аппарата – повышение температуры. Для предотвращения повреждения других систем аппарата питание было выключено, и НПА был поднят на палубу. После поднятия аппарата обнаружено разрушение выпрямительных диодов в блоке подводного силового преобразователя, выходные значения напряжения которых не соответствовали паспортным. Был произведен ремонт и доработка систем, проведена комплексная проверка систем аппарата, замена масла. 17 апреля в 08:00 начата следующая операция спуска. В 11:00 НПА достиг максимальной глубины 5289 м. На глубине были проверены и испытаны следующие системы: • механическая рама НПА и блок положительной плавучести (сферопластик); • прочный корпус «гаража»; • блоки управления движителей, блок конденсаторов НПА; • система компенсации давления подводного преобразователя; • силовые и оптические разъемы; • многолучевой эхолот-гидролокатор в режимах гидролокатора и эхолота (рис. 8 и 9); • гидравлические манипуляторы; • подводные светильники и камеры; • электронные системы, находящиеся в прочных корпусах НПА; • блоки оптических линий; • допплеровский измеритель скорости; • датчики (глубины, скорости звука, концентрации кислорода, электропроводности); • грузонесущий кабель и кабель НПА; • инерциальная навигационная система; • система компенсации давления движителей, поворотных устройств, телекамер и т. п. Также были проверены: 1. Спускоподъемное устройство для спуска сборки «НПА-гараж» с судна-носителя при следующих усло-

Рис. 7. Спуск аппарата в воду

Рис. 8. Изображение, полученное с многолучевого эхолот-гидролокатора в режиме гидролокатора, 5289 м

Рис. 9. Изображение, полученное с многолучевого эхолот-гидролокатора в режиме эхолота

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

виях: глубина – около 5300 м, скорость ветра - до 17 узлов, волнение моря 3-4 балла; 2. 7-километровый грузонесущий кабель, оптические и силовые разъемы; 3. Система энергопитания; 4. Программное обеспечение, система управления и система отображения. После проверки систем был произведен забор донных осадков. Контроль положения НПА осуществлялся инерциальной навигационной системой, допплеровским измерителем скорости, многолучевым эхолотом-гидролокатором и видеокамерами. В процессе наблюдения за поверхностью дна было обнаружено большое количество полиметаллических конкреций, и при заборе пробы грунта коротким пробоотборником на поверхность было поднято несколько экземпляров (рис. 10-11). В процессе испытаний НПА находился на глубине более 5000 метров в течение часа. Все системы комплекса функционировали нормально. Навесное оборудование ROSUB-6000 (многолучевой эхолот-гидролокатор, датчики кислорода, электропроводности, температуры, скорости звука) функционировало нормально (рис. 12). Телеметрия с борта НПА записывалась и обрабатывалась в течение всего времени испытаний. Таким образом, комплекс глубоководного телеуправляемого подводного аппарата ROSUB-6000 успешно прошел испытания на месте залегания полиметаллических конкреций в Индийском океане на глубине свыше 5000 метров. С вводом комплекса в эксплуатацию после глубоководных испытаний Индия стала 5-й страной в мире, обладающей телеуправляемым аппаратом для глубин до 6000 метров.

Рис. 10. Изображение морского дна на глубине 5289 м

Рис. 11. Конкреции в пробоотборнике

Рис. 12. Показатели датчиков температуры и концентрации кислорода

Рис. 13. Здание Национального института морских технологий в Ченнае, Индия 16

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

ГЛУБОКОВОДНЫЕ ОБИТАЕМЫЕ АППАРАТЫ ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЗОР

При посещении современной выставки океанологического приборостроения бросается в глаза, что усилия разработчиков аппаратуры сосредоточены на создании разного рода подводных роботов – приборов, управляемых дистанционно по кабелю (remotely operative vehicle – ROV), либо работающих автономно в соответствии с программами (autonomous underwater vehicle – AUV). На долю этой аппаратуры, включая системы подводной навигации и различного рода датчики, сейчас приходится 95% всех разработок. В этом году исполняется 25 лет безаварийной эксплуатации глубоководных обитаемых аппаратов «Мир». В марте 1988 года аппараты дополнили комплекс исследовательских средств научно-исследовательского судна «Академик Келдыш» и отправились в свою первую экспедицию. До сих пор они признаются лучшими в мире обитаемыми аппаратами и обязаны этим своему создателю – профессору Института океанологии имени П.П. Ширшова РАН, доктору технических наук Игорю Евгеньевичу Михальцеву (14.06.1923 – 14.04.2010).

ОАО «Концерн «Моринформсистема-Агат»* Москва технический обзор подготовлен М.В. Арфаниди * координатор технологической платформы «Освоение океана»

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

В наш век бурного развития технологий, максимальной автоматизации всех производственных процессов кажется очевидным, что и работы в океане могут выполняться автоматами без участия человека. Однако это в значительной степени иллюзия. Ведь, например, при огромном количестве автоматических космических спутников никому не приходит в голову отстранить от работы на Международной космической станции экипаж космонавтов-исследователей. Лучшие образцы AUV – необитаемых автономных аппаратов, созданных к настоящему времени для работы на больших глубинах, имеют хорошие возможности для свободного маневрирования, большой глубины погружения (известны образцы – до 6000 метров) и значительной автономности плавания (до 8 часов), однако их возможности регламентированы тем, что предусмотрено программным обеспечением. Эти приборы предназначены для решения конкретных (осмотровых, технологических и т. д.) задач и не могут изменить свой режим работы при изменении внешних обстоятельств; тем более выполнять задачи исследования, изучения чего-то нового, так как это не предусматривается заложенной программой по определению. Дистанционно управляемые аппараты – ROV – могут обеспечивать те или иные действия, основанные на решениях оператора, по кабелю или иному каналу связи. Они разработаны в значительном количестве и рассматриваются в большинстве случаев, как средство вооружения ВМФ, например, в США и ряде других стран. В отдельных случаях могут успешно использоваться и в исследовательских работах как дополнительное средство. Приведем пример из доклада И.Е. Михальцева, представленного на международной конференции SubSeaTECH, которая состоялась 25-28 июня 2007 года в Санкт-Петербурге. Он связан с замечательным открытием доктора Роберта Балларда. Просматривая тысячи фотоснимков дна, сделанных ROV в районе Галапагосских островов, Р. Баллард обнаружил непонятные объекты трубчатой формы, похожие на фабричные трубы, изрыгающие столбы дыма. Он вызвал один из первых глубоководных обитаемых аппаратов Alvine для погружения в точку съемок. Аппарат под управлением находившихся на борту людей отобрал на дне и поднял на поверхность вестиментиферы, а также, измерив температуру воды у дна, обнаружил большую аномалию: +16°С. Так была открыта невиданная ранее форма глубоководной жизни – экосистемы так называемых черных и белых «курильщиков», существующих в полной темноте на огромных глубинах благодаря окислению сероводорода, поступающего из земных недр. Одно из величайших открытий XX века, которое принесло доказательство существования на планете Земля нового анаэробного цикла жизни, было сделано на обитаемом аппарате Alvine благодаря принятию решений человеком, но никак не действиям программируемого робота, автомата ROV. Уместно вспомнить также о распределении глубин Ми-

Рис. 1. График размера площади возможных исследований океана до дна (абсцисса) в процентах от общей площади Мирового океана в зависимости от способности используемых приборов и систем выдерживать гидростатические давления указанных глубин (ордината) рового океана, чтобы объяснить, почему глубоководные обитаемые аппараты должны работать до глубины 6000 м. На рисунке 1 видно, что при способности аппаратов погружаться до глубины 2000 м может быть исследовано лишь 16% общей площади океана. Возможность погружений до глубин 6000 метров открывает перспективы работ и исследований на 98% площади Мирового океана. Именно для этого и создаются глубоководные обитаемые аппараты.

По современным представлениям глубоководные обитаемые аппараты (ГОА) – это автономные подводные комплексы с экипажем до 3 человек, осуществляющие морские исследования без физической связи с носителем, то есть своего рода маленькие подводные лодки.

Помимо российских «Миров» сегодня в мире насчитывается еще четыре действующих глубоководных обитаемых аппарата, способных опускаться на глубины более 4000 метров. Это американские Alvine и Sea Cliff, французский аппарат Nautile и японский Shinkai 6500. Самый старый и заслуженный из современных глубоководных аппаратов – американский Alvine – в настоящее время принадлежит Вудсхолскому океанографическому институту (Woods Hole Oceanographic Institution). Построенный в 1964 году, он изначально мог погружаться на глубины не более 1800 метров, но, модернизированный много раз за время своей долгой службы, значительно улучшил свои характеристики (рис. 2). На сегодняшний день на счету у аппарата более 4600 погружений.

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Технические характеристики аппарата Alvine Сухой вес

17 тонн

Длина

7,1 м

Ширина

2,6 м

Высота

3,7 м

Запас энергообеспечения

57 кВт/ч макс.

Запас жизнеобеспечения

216 чел/ч

Скорость: крейсерская максимальная

0, 8 км/ч (0,5 узла) 3,4 км/ч (2 узла)

Дополнительная нагрузка

680 кг

Автономное плавание

6-10 часов

Диаметр главной сферы

2,1 м

Материал главной сферы

титановый сплав

Экипаж

3 человека

Максимальная глубина погружения

4500 м

Рис. 2. Глубоководный обитаемый аппарат Alvine: судно носитель аппарата – Atlantis (вверху) принадлежит Океанографическому институту в Вудсхоле (США). Общая схема оборудования аппарата (внизу) и его технические характеристики после ряда модернизаций

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Alvine не только самый старый, но и самый знаменитый из глубоководных обитаемых аппаратов. Прославился он уже на втором году своей службы. В 1966 году, после аварии американского стратегического бомбардировщика B-52 с водородными бомбами мощностью 25 мегатонн тротилового эквивалента на борту, одна из которых упала в Средиземное море недалеко от берегов Испании, именно Alvine сначала обнаружил, а потом обеспечил подъем смертоносной находки, зацепив подъемный трос к стропам парашюта бомбы. В 1974 году аппарат сыграл ключевую роль в проекте FAMOUS (French-American Mid-Ocean Undersea Study), в рамках которого французским и американским ученым удалось подтвердить теорию спрединга морского дна вдоль Срединно-Атлантического хребта. Широко известно открытие с помощью Alvine в 1977 году гидротерм или «курильщиков» у берегов Галапагосских островов, о котором шла речь в докладе И.Е. Михальцева. Аппарат также позволил исследователям обнаружить и описать около 300 новых видов морской фауны. В 2010-2012 годах прошел первый этап капитального ремонта и очередного переоборудования аппарата: расширено обитаемое помещение, добавлены новые мониторы, улучшено освещение. Отчеты о ходе модернизации регулярно появляются на сайте Вудсхолского института. На втором этапе реконструкции планируется увеличить максимальную рабочую глубину погружения аппарата до 6500 м. Эта модификация, в сочетании с увеличением длительности погружений, станет возможна благодаря продолжающейся модернизации устройств энергообеспечения. Аппарат базируется на судне Atlantis, совершает от 150 до 200 погружений в год (рис. 3-4). Типичные рабочие погружения проходят на глубинах около 2000 м и длятся около шести часов, два из которых уходит на погружение и всплытие, около двух часов составляют работы на поверхности, а также около двух часов – работы на морском дне. Обслуживается аппарат командой из 9-10 специалистов, каждый из которых выполняет уникальную роль в процессе поддержания рабочего состояния аппарата и его подготовке к погружениям. Эксплуатация аппарата не дешева, исследовательским коллективам надо быть готовым оплачивать около 30 000$ за каждый день работы в море судна Atlantis с аппаратом Alvine на борту. На сайте института возможно отслеживание местонахождения аппарата с помощью интерактивной карты, информация на которой обноваляется каждый день. Кроме того, создан сервис интерактивного знакомства с устройством и оборудованием Alvine, так назывемый «визуальный тур». Доступны рабочие фотографии разных лет, а также видео из экспедиций. Второй американский аппарат Sea Cliff (рис. 5) был построен в 1968 году и также претерпел множество модернизаций. В американском морском регистре судов (Naval Vessel Register) аппарат обозначен как DSV-4 (deep-sea

Рис. 3. Рабочее погружение Alvine

Рис. 4. Alvine на борту Atlantis, окончание экспедиционных работ. Фотография сделана после погружения №4618 - 13 апреля 2010 года. Экипаж моет аппарат, подготавливая его к следующей экспедиции

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Технические характеристики аппарата Sea Cliff Сухой вес

29 тонн

Длина

8,6 м

Ширина

3,6 м

Высота

3,4 м

Запас энергообеспечения

60 кВт/ч

Запас жизнеобеспечения

300 чел/ч

Максимальная скорость

2,0 миль/ч

Дополнительная нагрузка

250 кг

Автономное плавание

10-18 часов

Диаметр главной сферы

2,1 м

Материал главной сферы

титановый сплав

Экипаж

3 человека

Максимальная глубина погружения

6000 м

Рис. 5. Глубоководный обитаемый аппарат DSV-4 (экс-Sea Cliff) и его технические характеристики submersible vehicle). Он принадлежал военно-морскому флоту США и использовался американскими специалистами в основном для проведения работ по военной тематике, включая поиск и обеспечение подъема затонувших судов и объектов, их инспекцию и фотографирование. В 1998 году ВМФ США, в рамках программы смены приоритетов, передал его в эксплуатацию в научных целях. С тех пор аппарат переоборудуется. Несмотря на то, что согласно американскому морскому регистру судов он с 2002 года считается прошедшим модернизацию и на плаву, в последнее время об аппарате ничего не слышно.

Видимо, переоборудование его продолжается. Французский глубоководный обитаемый аппарат Nautile (рис. 6) построен в 1984 году. Он известен участием в обследовании места крушения «Титаника», а также нефтяного танкера Prestige, затонувшего у атлантических берегов Испании на глубине более 3000 метров. Принадлежит аппарат на сегодяшний день французскому Национальному институту морских исследований – IFREMER, используется в различных работах: поиск и обследование подводных объектов, затонувших судов, аварийные работы, отбор проб и образцов, инспекция Технические характеристики аппарата Nautile Сухой вес

19,5 тонн

Длина

8,0 м

Ширина

2,7 м

Высота

3,8 м

Запас энергообеспечения

50 кВт/ч

Запас жизнеобеспечения

390 чел/ч

Максимальная скорость

2,5 миль/ч

Дополнительная нагрузка

200 кг

Автономное плавание

5 часов

Диаметр главной сферы

2,1 м

Материал главной сферы

титановый сплав

Экипаж

3 человека

Максимальная глубина погружения

6000 м

Рис. 6. Глубоководный обитаемый аппарат Nautile и его технические характеристики

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Рис. 5. Глубоководный обитаемый аппарат Nautile и его технические характеристики

Рис. 7. Экспедиционные работы с привлечением аппарата Nautile: вверху слева – установка аппарата на научноисследовательском судне L’Atalante, справа – рабочее погружение, внизу – спуск аппарата с помощью кормовой А-рамы подводных трубопроводов и кабельных коммуникаций. Для проведения специальных работ на Nautile возможна установка небольшого дистанционно управляемого робота Robin, проводящего съемку и обследования мест, недоступных для Nautile. Всего аппаратом произведено уже более 1500 погружений. Аппарат доступен для аренды зарубежными и французскими научными коллективами, нефтяными компаниями, военно-морскими силами, комиссиями по исследованию аварийных ситуаций, археологических экспедиций, а также для французских и зарубежных телекомпаний.

Для проведения экспедиционных работ Nautile устанавливается обычно на один из двух океанографических судов: Pourquoi Pas и L’Atalante, которые обладают достаточной маневренностью и оборудованы кормовой A-рамой для безопасного погружения и подъема аппарата (рис. 7). Также в последние годы Nautile активно использовался в проекте ANTARES (французский подводный нейтринный телескоп), который разворачивается в Тулонском заливе. С помощью Nautile проложен глубоководный оптический кабель от места установки до берега. Аппарат используется для инспекции уже установленных башен глубоководных датчиков телескопа. Неудивительно, что именно группа

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Технические характеристики аппарата Shinkai 6500 Сухой вес

26 тонн

Длина

9,5 м

Ширина

2,7 м

Высота

3,2 м

Запас энергообеспечения

55 кВт/ч

Запас жизнеобеспечения

300 чел/ч

Максимальная скорость

2,0 миль/ч

Дополнительная нагрузка

200 кг

Автономное плавание

8 часов

Диаметр главной сферы

2,1 м

Материал главной сферы

титановый сплав

Экипаж

3 человека

Максимальная глубина погружения

6500 м

Рис. 8. Глубоководный обитаемый аппарат Shinkai 6500 и его технические характеристики

Рис. 9. Японское судно Yokosuka, осуществляющее техническую поддержку аппарата Shinkai 6500

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

ANTARES лидирует в реализации идеи подводной нейтринной телескопии. Японский глубоководный обитаемый аппарат Shinkai 6500 (рис. 8), принадлежащий Японскому морскому научно-техническому центру (JAMSTEC), построен в 1990 году и к 2012 году совершил более 1300 погружений. Японские ученые утверждают, что аппарат используется в основном для исследования глубоководных впадин к востоку от Японии и внес большой вклад в исследование механизмов зарождения землетрясений, геодинамики и глубоководных экосистем. В марте 2012 года JAMSTEC завершил крупную модернизацию аппарата, в ходе которой были заменены двигатели, а также система насосов, что значительно улучшило маневренные свойства Shinkai 6500. Техническую поддержку погружений аппарата все последние годы осуществляет судно Yokosuka (рис. 9).

Глубоководные обитаемые аппараты, получившие названия «Мир-1» и «Мир-2», являются на сегодняшний день лучшими в мире. До момента их создания в мире не существовало ни одного ГОА с глубиной погружения до 6000 метров. При их разработке был реализован ряд технических решений, которые обеспечили это первенство: Первое – применение литья из мартенситовой никелевой (18%) стали для прочных корпусов аппаратов. Эта сталь никогда не применялась в обитаемых аппаратах для таких давлений. Также никогда ранее для изготовления прочных сфер обитаемых аппаратов не применялось литье. Вторым важнейшим решением является балластировка и диферентовка аппарата забортной водой, что исключает эксплуатационно сбрасываемые грузы для всплывания и перемещение ртути для диферентовки. Требование иметь насосы перекачки забортной воды при перепадах давлений более 600 бар было реализовано впервые в мире.

Рис. 10. НИС «Академик Мстислав Келдыш» с 1988 года является постоянной технической базой аппаратов «Мир»

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Технические характеристики аппаратов «Мир» Сухой вес

18,6 тонн

Длина

7,8 м

Ширина

3,8 м

Высота

3м

Запас энергообеспечения

100 кВт/ч

Запас жизнеобеспечения

246 чел/ч

Максимальная скорость

5,0 миль/ч

Дополнительная нагрузка

290 кг

Автономное плавание

10 часов

Диаметр главной сферы

2,1 м

Материал главной сферы

никелевая сталь

Экипаж

3 человека

Максимальная глубина погружения

6000 м

Рис. 11. Глубоководные обитаемые аппараты «Мир-1» и «Мир-2», их технические характеристики Третьей уникальной технической характеристикой «Миров» является энергообеспечение аппарата. Аппарат имеет запас электроэнергии в 100 кВт/ч, тогда как все глубоководные аппараты имеют аккумуляторные батареи около 48-50 кВт/ч. При этом, имеется альтернативная тепловая турбоэлектрическая система, обеспечивающая не менее 220 кВт/ч. Система была разработана, создана и испытана, но на аппарат никогда не ставилась за ненадобностью. В настоящее время усталость экипажа, а не отсутствие электроэнергии при запасе в 100 кВт/ч, ограничивает длительность погружений. Четвертым и, как показала многолетняя эксплуатация аппаратов, весьма значимым, было требование максимальной скорости подводного хода в 5 узлов. Реально полученная и проверенная на испытаниях скорость «Миров» - 4 ½ узла. Пятым пунктом была реализация требования безоговорочной надежности системы связи с судном обеспечения. «Миры» имеют по два идентичных полных комплекта системы связи. Это требование соответствует принятому эксплуатационному правилу: «Нет связи – погружение прекратить». Шестым требованием, реализованным впервые, являет-

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

ся спуск аппарата с борта относительно крупнотоннажного судна обеспечения (5-6 тыс. тонн) с помощью крана, обеспечивающего безопасный спуск до воды при достаточно жестком закреплении аппарата (все другие аппараты спускают с кормы на П-рамах или А-рамах). Справедливость этого требования была многократно подтверждена, в том числе в Норвежском море при работе у затонувшей АПЛ «Комсомолец» – безопасная работа аппаратов, их спуск и подъем при волнении 4-5 баллов. Еще одно из важнейших отличий – в системе аварийного спасения. У аппарата внутри есть синтактиковый буй. В случае аварии в аппарате нажимают кнопку, и буй всплывает на поверхность к судну обеспечения. По кевларовому тросу от буя, как по направляющей, пускают половину сцепки (аналогичную железнодорожной автосцепке). Она доходит до аппарата, происходит автоматическая сцепка, и аппарат поднимают на длинном силовом тросе. Такой системы не предусмотрено ни на одном существующем аппарате кроме «Миров». С учетом опыта эксплуатации зарубежных ГОА, а также для обеспечения большей безопасности, были созданы два идентичных аппарата. Спроектированы, построены и испытаны «Миры» были за небывало короткий срок – 2,5 года.

Перечисленные преимущества позволяют при каждом погружении выполнять большой объем исследовательских и технических операций. Устройство аппаратов дает возможность устанавливать большое количество дополнительного оборудования для проведения измерений (рис. 11). Исследования Атлантического, Индийского и Тихого океанов с помощью аппаратов «Мир» принесли важнейшие открытия во всех направлениях океанологии, сделанные с участием специалистов многих стран. Работы аппаратов фактически создали особое направление науки о гидротермальных областях Мирового океана, обеспечив понимание явлений принципиально новой для нашей планеты анаэробной биологии, а также динамики жидких сред на границах геологических разломов и химии высокотемпературных природных преобразований. Особое место в истории эксплуатации «Миров» занимают подводно-технические работы по обследованию АПЛ «Комсомолец», проводившиеся с 1989 по 1994 год практически ежегодно и возобновившиеся в 2007 году. Всего за все годы к АПЛ «Комсомолец» осуществлено 74 погружения, это примерно 860 часов автономной работы на глубине, в ходе которых проводились: осмотр состояния лодки, видеосъемка, постановка приборов и датчиков, отбор проб и другие технические работы. Широкую известность аппараты «Мир» получили, обеспечив съемки самого доходного за последние 30 лет кинофильма «Титаник» (рис. 12). По признанию режиссера Джеймса Кэмерона – если бы он не обнаружил и не использовал замечательные возможности аппаратов

«Мир» и не убедился бы в них, участвуя в погружениях сам, никакого фильма «Титаник» не появилось бы вообще. Таким образом, в течение 25 лет безаварийной эксплуатации российские «Миры» обеспечивают важную функцию популяризации знаний о Мировом океане и выполнение работ, недоступных никаким иным существующим техническим средствам. В статье использованы материалы доклада Игоря Евгеньевича Михальцева для конференции SubSeaTECH, предоставленные редакции самим автором.

ИСТОЧНИКИ Доклад И.Е. Михальцева на международной конференции SubSeaTECH, 25-28 июня 2007 года, СанктПетербург

www.whoi.edu

сайт Вудсхолского океанографического института (США)

https://www.whoi.edu/home/interactive/alvin/

страница интерактивного знакомства с аппаратом Alvine

www.ifremer.fr

сайт Национального института морских исследований (Франция)

www.nvr.navy.mil

сайт Американского военно-морского регистра

www.jamstec.go.jp

сайт Японского национального агентства науки и техники

Рис. 12. Участие аппаратов «Мир» в съемках фильма «Титаник» No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

ГАЗОПРОВОДЫ В ЧЕРНОМ МОРЕ ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ТРУБОПРОВОДА «ГОЛУБОЙ ПОТОК»

Уже в течение 12-ти лет в Черном море функционирует глубоководный газопровод «Голубой поток», при прокладке которого реализованы уникальные технические решения. В июне 2010 года в Черном море завершено строительство морской части трубопровода «Джубга – Лазаревское – Сочи», гораздо меньшего по своим масштабам, призванного обеспечить надежное газоснабжение будущей столицы олимпийских игр, дополнив уже существующий газопровод «Майкоп – Самурская – Сочи». В июне 2011 года новый газопровод введен в эксплуатацию, закольцевав газоснабжение российского черноморского побережья Кавказа. И, наконец, в декабре 2012 года в Черном море началось долгожданное строительство крупного международного проекта «Южный поток», морская часть которого свяжет район города Анапы и болгарский порт Варна.

ОАО «Концерн «Моринформсистема-Агат»* Москва Д.Л. Лушников, по материалам прессы * координатор технологической платформы «Освоение океана»

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Строительство морских трубопроводов, способных по протяженности и глубине прокладки сравниться с «Голубым потоком», – пока не очень привычная практика для нашей страны. Для осуществления подобных крупных проектов сегодня, как правило, выстраиваются сложные схемы международного долевого участия, как в финансировании и строительстве, так и в разделе прибыли. Южный поток South Stream («Южный поток») – российско-итальянскофранцузско-немецкий проект. Основными инициаторами и партнерами по строительству нового глубоководного трубопровода в Черном море выступают «Газпром» и его итальянский партнер – концерн ENI, разделивший работу и владение проектом «Голубой поток». От анапского района газопровод проляжет по дну Черного моря до болгарского порта Варна, далее две его ветви пройдут через Балканский полуостров в Италию и Австрию (рис. 1). Подводный отрезок газопровода будет иметь протяженность 900 км. Пропускная способность нового трубопровода должна составить 30 млрд. кубометров газа в год с возможностью последующего расширения. Максимальная глубина прокладки – 2000 м. Проект создается для диверсификации поставок российского природного газа в Европу и снижения зависимости поставщиков и покупателей от стран-транзитеров, в частности, от Украины и Турции. Маршруты прокладки обеих веток «Южного потока» пока не утверждены. Юго-западную ветку планировалось продолжить через Грецию, откуда

она прошла бы через Ионическое море в Италию. На сегодняшний день, по ряду экономических причин, прокладка газопровода в направлении Греции приостановлена. Северо-западная ветка по плану должна пройти в Италию с ответвлением в Австрию. В качестве транзитных стран изначально рассматривались Румыния, Венгрия, Словения. В результате достигнутой договоренности между «Газпромом» и правительством Сербии, более вероятным стал альтернативный маршрут через Сербию и Хорватию. Ресурсной базой «Южного потока» является среднеазиатский газ, а сырьевой базой – газ из газотранспортной системы России. Предполагается, что одним из основных источников поставляемого газа будет Крачаганское месторождение в западном Казахстане. Запасы газа месторождения составляют 1,35 трлн. кубометров. Примечательно, что его разработку осуществляет международный консорциум «Карачаганак Петролиум Оперейтинг Б.В.», акциями которого – 32,5% - владеет итальянская компания ENI, партнер «Газпрома» по «Южному потоку». Кроме того, заключен договор с Туркменией, по которому Россия застраховала определенный объем газа для поставок на свою территорию. Согласно подписанному в 2003 году соглашению, Туркмения обязуется поставлять в Россию 70-90 млрд. кубометров газа ежегодно с 2009 по 2028 годы. Таким образом, ресурсная база обеспечивает «Южному потоку» достаточные перспективы в конкуренции с планируемым в обход России газопроводом «Набукко», строительство которого поддерживается Евросоюзом и США. Согласно планам «Южный поток» должен вступить в строй к 2015 году.

Рис. 1. На карте указан будущий маршрут морского участка газопровода «Южный поток» No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Трубопровод «Джубга – Лазаревское – Сочи» Строительство морского газопровода «Джубга – Лазаревское – Сочи» обсуждалось с 2000 года; он предназначен для газоснабжения курортной зоны Кавказского побережья Черного моря – Сочинского и Туапсинского районов, давно испытывавших недостаток в поставках природного газа. Местные ТЭЦ работают на мазуте, а это негативно влияет на экологию региона. Актуальность прямых поставок газа в регион усилила необходимость бесперебойного обеспечения к 2014 году газом всех олимпийских объектов. Производительность газопровода оценивается от 2 до 4 млрд. кубометров газа в год. Примерная общая протяженность составляет около 180 км, из них 18 км – сухопутные участки и 162 км – морские, расположенные на глубинах до 80 метров в 5 км от берега. Выходы на берег предусмотрены в районах Джубга, Новомихайловский, Туапсе, Кудепста (рис. 2). Отвод ветки на Сочи осуществлен из газопровода Россия – Турция. В районе компрессорной станции «Береговая» (Джубга) предусмотрен крановый узел на подключение этой ветки. Развитие технической и технологической базы при реализации нефтегазовых проектов на морском шельфе идет сегодня в мире быстрыми темпами. Можно не сомневаться, что при прокладке новых подводных газопроводов по морскому дну будут использованы новые, поражающие воображение технологии. Обратимся к уникальному опыту сооружения глубоководного трубопровода «Голубой поток».

Рис. 2. Схема трубопровода «Джубга – Лазаревское – Сочи»

Опыт строительства «Голубого потока» При строительстве «Голубого потока» впервые в мировой практике две параллельные нитки подводного газопровода были проложены на рекордных глубинах – свыше 2000 м, в условиях агрессивной среды (морская вода, насыщенная сероводородом), в сейсмически опасном районе и без промежуточных компрессорных станций. В технической реализации проекта участвовали специалисты нескольких стран. Технико-экономическое обоснование строительства было разработано фирмой «Питергаз» (Нидерланды) с привлечением ведущих проектных и научно-исследовательских институтов России, а также компаний Европы, имеющих опыт инженерных работ и строительства морских газопроводов. Международное бюро Det Norske Veritas после проведения экономических, финансовых и юридических экспертиз выдало международный сертификат реализуемости проекта. Общая протяженность газопровода «Голубой поток» (рис. 3) составляет 1213 км и включает: • сухопутный участок на территории России длиной 373 км – от города Изобильное Ставропольского края до поселка Архипо-Осиповка на побережье Черного моря, при этом более 60 км газопровода проходит по горной местности Большого Кавказа, пересекая на

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Рис. 3. Схема трубопровода «Голубой поток» своем пути 21 хребет, 34 оползневые зоны, 32 тектонических разлома, глубокие овраги, водотоки; сложность рельефа обусловила необходимость создания трех тоннелей – под хребтами Безымянный и Кобыла; • морской участок длиной 396 км от поселка Джубга (Россия) до терминала «Дурусу», расположенного в 60 км от города Самсун (Турция); • сухопутный участок на территории Турции (СамсунАнкара) длиной 444 км. Морской участок газопровода включает в себя уникальную компрессорную станцию «Береговая»; обладая мощность в 150 мегаватт, станция обеспечивает на входе газопровода давление в 250 атмосфер. Диаметр газопровода на равнинной части сухопутного участка составляет 1400 мм, на горном отрезке маршрута – 1200 мм, на морском участке – 610 мм. Общая проектная мощность газопровода составляет 16 млрд. кубометров газа в год.

Координирование работ по прокладке морского участка на паритетной основе было разделено между компанией «Газпром» и итальянским концерном ENI, с помощью созданного под реализуемый проект совместного предприятия – Blue Stream Pipeline Company. Основным подрядчиком по укладке газопровода выступила итальянская компания Saipem, выигравшая тендер совместно с французской строительной компанией Bouygues Offshore SA, осуществившей строительство компрессорной станции «Береговая», и консорциумом японских фирм-производителей труб для газопроводов Mitsui & Co. Ltd., Sumitomo Corp. и Itochu Corp.

География На своем протяжении трубопровод проходит 11 км по российскому шельфу (глубины до 100 м), около 50-60 км – по континентальному склону (глубины от 100 до 2000 м). Далее он тянется по абиссальной равнине Черного моря с глубинами до 2115 м. Трасса по турецкому континентальному склону и шельфу составляет около 120 км (рис. 4). Учитывая 12-мильные зоны Российских и Турецких территориальных вод, основная часть газопровода находится в международных водах – этот участок составляет 340 км или 87% протяженности морской части «Голубого потока». Дно черного моря вдоль трассы газопровода имеет сложное геоморфологическое строение с крутыми уклонами до 18° и сложено малоустойчивыми геологическими образованиями. Это обусловлено новейшими энергонасыщенными тектоническими процессами на шельфе и континентальном склоне Прикавказской части Черного моря. Здесь происходит интенсивное накопление молодых осад-

ков. Сброс осадков происходит частично по системе активных подводных каньонов, частично – при медленных сползаниях больших масс нелитифицированных осадков, а также при активизации подводных оползней, переходящих в грязекаменные и мутьевые потоки. Новейшие тектонические движения земной коры в полосе прикавказского континентального склона генерируют очаги землетрясений силой до 8-10 баллов в эпицентре. Однако даже слабые сейсмические колебания, (их повторяемость значительно выше), способны инициировать указанные выше геологические процессы. Сейсмическая опасность существует также для турецкого шельфа и континентального склона. При воздействии на трубопровод даже маломасштабных водно-грунтовых потоков может быть нарушена гидроизоляция труб, что в условиях высокой коррозионной активности сероводородной черноморской воды (9-14 мг/л) может привести к разрушению стенок трубопровода. Кроме того, такие потоки способны создавать обширные промоины под трубопроводом или же перекрывать его выпавшим из потока грунтом. Опасности, связанные с природными особенностями маршрута газопровода, дополняются жесткими условиями эксплуатации. Давление газа на входе газопровода (компрессорная станция «Береговая») составляет 250 атмосфер, а на выходе (терминал «Дурусу») – 54 атмосферы, давление воды на глубине 2000 метров – около 200 атмосфер. То есть в начале трубопровода внутренне давление превышает внешнее на 250 атмосфер, а в конце – наоборот: внешнее давление превышает внутреннее более чем на 100 атмосфер. Это налагает крайне серьезные требования к надежности трубопровода.

Рис. 4. Рельеф дна в районе прохождения трубопровода «Голубой поток»

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 5. Сварные прямошовные трубы компании Sumitomo

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Выбор решения Для газопровода было решено использовать сварные прямошовные трубы японской фирмы Sumitomo диаметром 610 мм с толщиной стенки 31,8 мм (рис. 5). Изготовлены они из катаной листовой стали с термомеханическим уплотнением и имеют заводское многослойное наружное антикоррозионное покрытие, включающее наплавленную эпоксидную смолу, адгезив и полипропилен. Внутренняя поверхность труб также имеет эпоксидное покрытие. Дополнительно, на прибрежных участках, где глубина не превышает 50 метров, трубопровод покрывается слоем бетона толщиной 40 мм, а на участках моря глубиной свыше 700 метров каждые 500 метров трубопровода оснащены стопперами с увеличенной толщиной стенки для повышения прочностных характеристик.

Рис. 6. Судно Castoro Otto, оснащенное системой S-укладки трубопровода для работы на малых глубинах

Флот Для непосредственной укладки трубопровода использовались два специальных судна: одно под названием Castoro Otto (рис. 6) – для работы на мелководье; другое уникальное специализированное судно Saipem 7000 (рис. 7), сохраняющее работоспособность при пятибалльном волнении, – для проведения работ на глубине. Последнее судно оснащено так называемой системой J-укладки, при которой трубопровод опускается в воду вертикально, загибается у дна, при этом его форма начинает напоминать букву «J» (рис. 8). Эта техника, в отличие от традиционной техники S-укладки (названа так, потому что при укладке трубопровод напоминает букву «S», см. рис. 8), используется при работе на больших глубинах во избежание ситуаций, когда вес нескольких километров трубопровода опирается на один борт судна. В состав комплекса J-укладки на Saipem 7000 входит 135-метровая башня, изготовленная на заводе в городе Самсун, состоящая из четырех частей. В ней размещались готовые 48-метровые секции трубопровода. Укладка контролировалась компьютерами через спутник и глубоководный батискаф. Вспомогательные работы выполнялись судном Polar Prince (рис. 11).

Рис. 7. Специализированное судно Saipem 7000, оснащенное системой J-укладки трубопровода на больишх глубинах

Сварка Как уже отмечалось, в соответствии с жесткими эксплуатационными условиями, требования к механическим свойствам, коррозионной стойкости и качеству сварных швов выдвигались повышенные. Компания Saipem имеет продолжительный опыт сотрудничества во многих значимых технических проектах со шведским концерном ESAB, одним из старейших в мире производителей в области сварки и резки. Техническая задача по прокладке газопровода «Голубой поток» не стала исключением. Компания ESAB учла все требования заказчика при разработке оборудования для сборки и сварки как в стационарных условиях, так и на борту Saipem 7000. Технические

Рис. 8. Системы S-укладки трубопровода (слева) и J-укладки (справа)

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 9. Глубоководный модуль Beluga для прокладки траншей на дне моря

Рис. 10. Телеуправляемый аппарат Innovator

характеристики трубопровода и требования к сварным швам подобной конструкции приведены в Таблице. Таблица Технические характеристики трубопровода и требования к сварным швам Спецификация трубопровода Толщина: 31,8 мм Основной металл: API 5L X65 Полная длина: 770 км Содержание H2S: 120 ppm при pH миним. 6,7 (на мор. дне) Требования ко швам Предел текучести: > 528 MPa Твердость: < 248 HV10 Работа удара CVN: min 45 Дж / в среднем 60 Дж при -30°С CTOD: min 0,2 / в среднем 0,25 при -10°С Требования к CTOD (Crack tip opening displacement – раскрытие в вершине трещины), включающие показатели по микроструктуре и чистоте металла шва, с учетом большой толщины стенки трубопровода, отличаются от подобных требований, предъявляемых к трубопроводам, проходящим по суше. Кроме того, металл шва должен был выдерживать нагрузку при испытаниях на коррозионную стойкость еще и в присутствии сероводорода. Сначала из стандартных 12-метровых труб на берегу сваривались секции по 48 метров. Для этого использовалась дуговая сварка под флюсом. Чтобы соответствовать специальным требованиям к механическим свойствам и обеспечить максимально возможную высокую производительность процесса сварки, специалисты концерна ESAB разработали новую порошковую проволоку марки OK Tubrod 15.28S для дуговой

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Рис. 11. Вспомогательное судно для подводных работ Polar Prince сварки под флюсом расщепленной дугой. Это основная порошковая проволока, легированная 0,8% Ni и 0,3% Mo, которая удовлетворяет требованиям CTOD при использовании с флюсом OK Flux 10.16. При этом достигается значительная экономия по сравнению с использованием проволоки сплошного сечения. Комбинация «порошковая проволока + флюс» позволяет выполнять наплавку толстых валиков при повышенных скоростях плавления, существенно сокращая число проходов для заполнения соединения. Эта комбинация соответствует классификации AWS A5.23-97 F8A6-EC-G.

Концерн отработал технологию сварки стыков труб, провел механические испытания образцов на их соответствие требованиям проекта. Далее приводим значения механических свойств, определенных на образцах: Предел текучести: > 540 МПа Твердость: < 240 HV10 Работа удара: > 70 Дж при 30°C CTOD: > 0,5 при -10°С Реальные значения механических свойств сварных соединений оказались выше требуемых. Уже на борту Saipem 7000 готовые 48-метровые секции труб сваривались и опускались на морское дно. Причем Saipem разработал свою собственную технологию для сварки труб. Сварка на борту судна выполнялась с помощью сварочной машины Presto, снабженной шестью источниками питания и шестью механизмами, подающими сварочную проволоку. Установка карусельного типа вращалась вокруг трубы, осуществляя сварку. Внутри трубы устанавливалось медное устройство для обратного формирования шва. Весь процесс сварки был автоматизирован, что позволило достичь высокой скорости, не теряя при этом в качестве. Параметры режима программировались в системе управления для каждой сва-

рочной головки и каждого индивидуального прохода, включая параметры поперечных колебаний. Такая сварочная система позволила компании Saipem выполнить процесс сварки с высокой производительностью и отсутствием дефектов. Все вышеперечисленные меры обеспечивали высокую скорость прокладки трубопровода – более 5 км в сутки. Опыт прокладки «Голубого потока» и найденные при этом высокотехнологические решения, безусловно, будут использованы при работах по сооружению «Южного потока», и к 2015 году планируется, что южная газотранспортная система России успешно прирастет новой крупнейшей веткой.

ИСТОЧНИКИ 1. www.gazprom.ru - официальный сайт ОАО «Газпром» 2. www.saipem.eni.it – официальный сайт фирмы Saipem 3. www.esab.ru – русскоязычный сайт концерна ESAB 4. www.botas.gov.tr – официальный сайт фирмы Botas А также информационные Интернет-ресурсы: www.turtsia.ru, www.oilcapital.ru, iatp.org.ua/naturalist, www.bills.ru, www.finiz.ru, www.izvestia.ru, www.finam.ru, www.neftemarket.ru, www.utro.ru

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

МОРСКИЕ БУРОВЫЕ УСТАНОВКИ ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЗОР ...НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ НА ШЕЛЬФЕ о-ва САХАЛИН В то время как ресурсы нефтегазовых месторождений, открытых на суше, исчерпываются, освоение месторождений континентального шельфа создает основу обеспечения мировой экономики углеводородным сырьем на долгие годы. Именно поэтому в последние десятилетия мировой рынок предъявляет повышенный спрос на оборудование для морской добычи. Возникают первые центры оффшорной деятельности, увеличивается глубина, на которой возможна добыча нефти и газа. Конструкция буровых платформ, пройдя эволюцию от неподвижных бурильных установок до разнообразных типов мобильных передвижных платформ, позволяет сегодня добывать нефть и природный газ на глубинах до 3 км, принимать на борт и хранить тысячи тонн сырья, работать в морях с ограничениями по гидрометеоусловиям и обслуживать одновременно несколько десятков скважин.

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Рис. 1. Районы Мирового океана, где сконцентрировано большинство шельфовых месторождений нефти и газа Для определения буровых платформ, эксплуатируемых в море, существует устоявшийся термин – оффшорные конструкции (от англ. offshore – на расстоянии от берега). Комплексная буровая структура, помимо оборудования для бурения скважин, добычи нефти и природного газа из подводных месторождений, может также включать оборудование для хранения добытых ресурсов, жилые помещения, рассчитанные более чем на сотню человек, и сложную систему самообеспечения. В зависимости от характеристик месторождения, а также от глубины, на которой находится цель бурения, конструкции платформ могут значительно различаться. Первый факт бурения в море датируется 1869-м годом, патент на оффшорный проект буровой установки для работы на мелководье одним из первых получил T.F. Rowland. Поставленные на якорь четыре опорные башни установки напоминали современные конструкции морских платформ. Первая скважина в открытом море, вне видимости суши, была разработана в Мексиканском заливе после Второй мировой войны в 1947 году. Примерно в то же время – 40-е годы XX века – на территории Азербайджанской ССР в Каспийском море была заложена буровая платформа «Нефтяные камни», по сей день являющаяся самой масштабной морской платформой в мире, по сути – целым городом на воде. Сегодня количество действующих нефтяных платформ в Мировом океане составляет около полутора тысяч. На рисунке 1 обозначены основные районы разрабатываемых шельфовых нефтегазовых месторождений. С развитием технологий процессы бурения и добычи на все большей глубине становятся не только осуществимыми, но и рентабельными. Полная автономность добывающей нефтяной платформы обеспечивается установленными на ней генераторами энергии и опреснителями воды. Однако практически все большие платформы обслуживаются небольшими судами поддержки, выполняющими, в основном, функцию снабжения. Другие возможные вспомогательные функции –

буксировка платформы к месторасположению, доставка персонала к месту работы, принятие противопожарных мер. Существуют также чрезвычайные суда поддержки, которые привлекаются непосредственно в аварийных ситуациях, при вынужденных спасательных операциях. Оснащение платформы предусматривает возможность доставки добытых ресурсов на берег с помощью трубопровода, либо плавающих нефтехранилищ или грузовых танкеров. Технологические элементы, необходимые для обеспечения процесса нефтегазовой добычи, включают производственные коллекторы, сепараторы (распределители), гликолевые дегидраторы для осушки природного газа, газовые компрессоры, насосы для нагнетания воды в пласт, измерители экспорта нефти/газа и мощные насосы основной линии добычи. В состав подводной части оборудования входит предохранитель выбросов (англ. blowout preventor), устанавливаемый на морском дне. Эта система препятствует просачиванию в воду нефти и газа, используется в процессе добычи всегда, в том числе при бурении на суше. В типах конструкций, основание которых не прилегает непосредственно к поверхности морского дна, над предохранителем располагается водоотделяющая колонна (англ. marine riser), которая простирается от дна до самой платформы. В корпусе колонны размещаются лифтовая или насоснокомпрессорная шахта, по которой нефть/газ выкачиваются к поверхности, буровое долото и другое технологическое бурильное оборудование. В этом случае конструкция колонны разрабатывается достаточно гибкой, чтобы согласовываться с поверхностными передвижениями буровой платформы. Специальный тип скользящих шарнирных креплений колонны позволяет подводной части оборудования быть независимой от перемещения или вращения платформы на поверхности моря. Современная оффшорная установка имеет около трех десятков добывающих каналов (в системе технического No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 2. Схема устья скважины или бурового устья

Рис. 3. Схема бурения морского дна

При добыче на суше «устьем» называется та часть нефтяной скважины, которая заканчивается у поверхности земли, и откуда непосредственно отбирается нефть или газ; в морской добыче «устье скважины» находится на платформе, снабжено устройством, управляющим потоком углеводородного сырья из скважины и поддерживающим давление в пределах скважины, канала.

установка стационарной платформы. Одни из самых крупных стационарных оффшорных платформ расположены в Северном море, где погодные условия диктуют необходимость в конструкциях, способных противостоять ветрам силой более чем 90 узлов и волнам до 21 метра.

оснащения эти части оборудования называются буровыми устьями – wellheads) (рис. 2); может обрабатывать одну крупную скважину или служить центром разработки многочисленных скважин. Технологический механизм бурения морского дна идентичен бурению скважины на суше (рис. 3). Технология наклонного бурения позволяет получить доступ к подводным резервуарам нефти, расположенным на различных глубинах, и на расстоянии от платформы, достигающем 8 километров. Все многообразие типов оффшорных платформ и установок можно в целом разделить на две основные группы: • стационарные морские буровые и добывающие платформы (offshore drilling and production platforms), которые имеют постоянное месторасположение, жестко укреплены на океанском дне или заякорены в зависимости от глубины, на которой ведется добыча; • передвижные морские буровые установки (moveable offshore drilling rigs), которые могут перемещаться и быть использованы при разработке ряда месторождений, а также для исследовательских и вспомогательных работ. Большие стационарные платформы чрезвычайно дороги; их установка осуществляется тогда, когда запасы месторождения достаточны, чтобы оправдать затраты. Передвижные установки чаще используются в разведывательных целях, для бурения исследовательских колодцев. В случае обнаружения крупных месторождений углеводородов рассматривается вопрос о том, какой тип оборудования позволит сохранить необходимый уровень рентабельности процесса добычи; часто выгодным решением является

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Основные типы стационарных платформ Схема на рисунке 4 дает представление относительно того, на каких глубинах может идти добыча углеводородов, а также показывает, что в основе различия типов и возможностей стационарных платформ лежат разные конструкции их подводной части. Некоторые типы платформ соединяют в себе черты стационарных и передвижных установок. Например, добывающие стационарные системы, которые включают передвигающиеся полупогружные буровые конструкции (на рис. 4 этот совмещенный тип платформ условно обозначен как «г»), или платформы типа jack-up, конструкция которых учитывает как способность менять место эксплуатации, так и механизм опускающихся стальных опор, укрепляющихся непосредственно в морском дне на время буровых работ.

Неподвижная платформа (fixed platform)

На глубинах, не превышающих 400-450 метров, существует возможность непосредственного укрепления платформы на морском дне. В случаях небольшой глубины иногда не возникает необходимости в дополнительных креплениях. Вес всех составляющих буровой конструкции настолько велик, что она может просто опираться на собственную массу (рис. 4 «а»). Подобные типы оффшорных конструкций разрабатываются с расчетом на долгосрочное использование. Подводная основа (template), соединяющая разрабатываемый участок морского дна и верхнюю надстройку одна из наиболее значимых частей оборудования стационарной плат-

Рис. 4. Основные типы стационарных буровых конструкций с указанием глубин, на которых они способны вести добычу а – неподвижная платформа (Fixed Platform), глубины до 450 м; б – платформа с основанием типа «гибкая башня» (Compliant Tower), глубины 450-900 м; в – платформа с основанием типа «морская звезда» (Sea Star), глубины 150-1500 м; г – плавающая добывающая установка с якорной системой (Floating Production System), глубины 450-1800 м*; д – конструкция платформы типа TLP (от англ. Tension Leg Platform), глубины 450-2100 м; е – подводные добывающие системы (Subsea System), глубины до 2100 м; ж – платформа с цилиндрическим основанием или SPAR-Platform, глубины 600-3000 м. *Отдельные виды современных плавающих добывающих установок (г) также способны работать на глубинах до 3000 метров

формы. Как правило, она представляет собой стальную или железобетонную конструкцию разных типов с выходами, количество которых зависит от числа разрабатываемых колодцев или скважин. Основание буровой платформы доставляется непосредственно в место над участком бурения, затапливается в требуемое положение с позиционированием по GPS и цементируется в углубление, подготовленное на морском дне. Укрепленное между дном и платформой основание, помимо точного местоположения бурения, учитывает также перемещения платформы на поверхности, которые неизбежны из-за влияния ветра и волнения моря. Сегодня при конструировании основания буровой используется ряд материалов: сталь, железобетон, а также комбинации стали и бетона. Для создания оснований буровых со встроенными нефтехранилищами часто выбирают кессон. Кессонные конструкции (общепринятая аббревиатура Condeep от англ. Concrete Deep Water Structure) относятся к гравитационному типу подводных оснований, поскольку обладают характеристиками плавучести. Это позволяет сооружать их сразу в море, недалеко от берега (для этих целей подходят защищенные и достаточно глубокие заливы), затем буксировать на исходную позицию расположения платформы и погружать на морское дно. Стальные корпуса изготавливаются, как правило, на суше, буксируются к месту эксплуатации, опускаются в воду вертикально подъемным краном и укрепляются на морском дне. Существует множество проектов неподвижных платформ.

Главное преимущество этого типа – устойчивость, благодаря жесткому креплению на морском дне они менее других подвержены смещениям под влиянием ветра и водных масс. Ярким примером этого типа может служить платформа Hibernia, расположенная в 315 км к востоку от острова Ньюфаундленд (Канада) на глубине моря около 80 метров (рис. 5). Месторождение включает два нефтяных бассейна раннего мелового периода – Hibernia и Avalon, залегающих на глубинах около 3700 и 2400 метров соответственно. Запасы углеводородного сырья составляют приблизительно 3 миллиарда баррелей. Конструкция установки в данном районе океана должна быть достаточно мощной, чтобы выдерживать возможное столкновение с айсбергом весом в миллион тонн (вероятность данного происшествия существует один раз в 500 лет), а также прямой удар от айсберга весом шесть миллионов тонн (вероятность этого события составляет раз в 10 000 лет). Для подводного основания платформы Hibernia разработана специальная гравитационная подводная часть весом в 450 000 тонн. Представляет она собой 105,5-метровое основание кессонного типа, сконструированное с использованием высокопрочного бетона, прошитого стальными решетками и стянутого натяжными тросами, создающими дополнительную прочность. Основание защищено противоледной конструкцией из 16-ти бетонных зубцов. По структуре противоледная стенка шириной 1,4 метра состоит из двух

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 5. Общий вид стационарной платформы Hibernia

Рис. 6. Верхняя горизональная пластина гравитационного основания платформы Hibernia; хорошо видна противоледная конструкция слоев: внешний представляет собой систему X- и V-образных перекрытий толщиной 0,7-0,9 метра, передающих нагрузку на внутреннюю часть ограждения; внутренний слой имеет толщину менее 0,9 метра (рис. 6). Подводное основание платформы сверху и снизу ограничено и укреплено круглыми горизонтальными пластинами. Нижняя базовая пластина в диаметре составляет 108 метров, верхняя поднимается на 5 метров над уровнем моря. Внутри гравитационной структуры находятся нефтяные 40

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

хранилища, рассчитанные на 1,3 миллиона баррелей сырой нефти. От нижней базовой пластины сквозь гравитационную структуру основания проходят четыре шахты или колонны, которые поддерживают другие внутренние сооружения, а именно – вспомогательная шахта, шахта трубопроводных стояков и два эксплуатационных буровых отсека. Каждая из них имеет 17 метров в диаметре и 111 метров в высоту. Вспомогательную шахту также называют шахтой инженерных коммуникаций или шахтой систем обеспечения; она содержит автоматическое оборудование, необходимое для работы системы гравитационного основания, сеть трубопроводов, систему отопления и кондиционирования воздуха, а также электрическое управление. Две буровые шахты содержат 32 добывающих канала (устья), уходящих к залежам нефти на глубину до 3700 метров ниже уровня моря. Верхние сооружения Hibernia имеют расчетную мощность 23 900 м3/д, включают пять основных модулей: производственный (обрабатывающий), модуль с устьями скважин (приустьевой), шламовый, коммунальный и жилое помещение, в котором могут разместиться 185 человек, а также семь верховых конструкций: вертолетная площадка, факельная стрела, эстакада для труб, основная и вспомогательная спасательные станции, два буровых модуля. Комплексная верхняя часть платформы весом 37 000 тонн транспортирована баржами в глубокие воды и установлена над шахтами гравитационного основания, частично погруженными. Затем законченная платформа весом 600 000 тонн была отбуксирована на свое окончательное

место эксплуатации и с помощью твердого балласта весом в 450 000 тонн укреплена на дне. Нефть, хранящаяся в недрах подводного кессонного основания Hibernia, вывозится при помощи системы морской отгрузки, состоящей из подводного трубопровода, подводного буя, гибкого нефтеналивного рукава и регулярно курсирующих грузовых нефтяных танкеров. Пункт загрузки танкеров для обеспечения дополнительной безопасности расположен в двух километрах от платформы. Hibernia обслуживают три танкера – Kometik (рис. 7), Vinland и Mattea водоизмещением 127 000 тонн и грузовместимостью 850 000 баррелей сырой нефти каждый.

Платформа с основанием типа «гибкая башня»

Данный тип оффшорных установок является разновидностью неподвижной платформы, однако их подводная часть представляет собой более легкую и гораздо более узкую конструкцию, сужающуюся ближе к верхней части (рис. 8). В отличие от прочного основания неподвижной платформы, «гибкая башня» позволяет платформе работать на значительно больших глубинах. Подвижная структура компенсирует основную часть воздействия ветра и моря. При этом смещения платформы достигают всего 2% по вертикали и около 10% по горизонтали. Несмотря на свою компактность, более простую конструкцию и подвижность, гибкое подводное основание платформы способно противостоять условиям урагана.

Платформа типа TLP (Tension Leg Platform)

Платформа с натяжным вертикальным якорным креплением или TLP-конструкция удерживается в точном месте эксплуатации с помощью системы натянутых тросов, сгруппированных по периметру основания (рис. 4 «д»). Натяжные элементы служат достаточно жесткими опорами – имея низкую осевую эластичность, они практически исключают вертикальное смещение платформы, однако допускают возможность горизонтального смещения до 6 метров, благодаря чему платформа противостоит силе океана не повреждая опор. Такой тип креплений и фактическое отсутствие вертикальных смещений платформы позволяет напрямую прикреплять устья скважин к буровым колодцам с помощью жестких труб. Устья в этом случае размещаются на палубе платформы, а не на морском дне, что делает процесс бурения скважин более дешевым и обеспечивает лучший контроль над процессом добычи. Для сооружения подводных оснований TLP используются в основном плавучие материалы, наиболее часто – железобетонные кессонные корпуса. TLP-установки могут работать на глубинах до 2100 метров.

Рис. 7. Грузовой танкер Kometik транспортирует нефть с платформы Hibernia на терминал Whiffen Head в заливе Placentia, остров Ньюфаундленд

Рис. 8. Конструкция «гибкая башня». Условное соотношение нижней площади оснований неподвижной платформы и конструкции типа «гибкая башня»

Платформа типа «морская звезда»

Платформы Sea Star, по сути, являются миниатюрным вариантом TLP-платформ, с похожей системой крепления к морскому дну (рис. 9). Состоят из плавающей полупогружной буровой установки, основание которой снабжено по

Рис. 9. Платформа с натяжным якорным креплением (TLP) и основанием типа Sea Star

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 10. Общий вид платформы Marco Polo

Рис. 11. Процесс сборки и установки платформы Marco Polo периметру лучевыми железобетонными опорами, напоминающими лучи морской звезды. Нижний корпус основания во время бурения заполняется водой, платформа частично притапливается, это увеличивает ее устойчивость относительно влияния ветра и движения воды. Для закрепления установки в определенном местоположении конструкция Sea Star включает систему натяжных якорных оснований-опор (tension leg), используемую в TLPконструкциях. Платформы Sea Star могут работать на глубине до 1050 метров и обычно используются для небольших глубоководных месторождений, когда установка крупной стационарной платформы менее выгодна.

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Примером платформы TLP-Sea Star, может служить морская нефтедобывающая платформа Marco Polo, эксплуатирующаяся в Мексиканском заливе и расположенная в 325 км к югу от Нового Орлеана (рис. 10). Глубина моря здесь около 1300 метров. Эксплуатация Marco Polo началась в апреле 2000 года, платформа принадлежит и обслуживается компанией Anadarko Petroleum. Вес корпуса или нижнего основания платформы составляет 5750 тонн, водоизмещение – 27 500 тонн, допустимая полезная нагрузка – 14 000 тонн при ширине в 104 метра (рис. 11). Общая высота основания – около 59 метров, в условиях работы осадка достигает двух третей от этой высоты. Корпус поддерживает верхние надстройки, состоящие из трех уровней. Вес надстроек составляет 6300 тонн; в условиях работы – 7260 тонн. В индивидуальных каютах жилого модуля могут разместиться 26 человек. Максимальная производительность составляет примерно 120 000 баррелей нефти и 90 миллионов кубометров газа в день. Платформа заякорена при помощи восьми натяжных элементов диаметром около 70 см и толщиной стенки около 3 см. Натяжные элементы прикрепляются ко дну свайными основаниями длиной 117 метров, диаметром в 190 см и толщиной стенки свыше 5 см. В распоряжении платформы находятся шесть производственных трубопроводов с двойной обсадкой, а также два трубопровода для внешнего транспорта диаметрами 35 и 46 см. Предусмотрены также шесть установочных входов для возможной установки в будущем 12-ти сборных подводных трубопроводов. Добытые ресурсы передаются на берег посредством целой системы многокилометровых трубопроводов, пролегающих по дну Мексиканского залива на глубине от 530 до 840 метров и соединенных между собой в сеть. Газопровод Marco Polo вливается в существующую систему Anaconda Gathering System, ее производственная (транспортировочная) мощность составляет 96 миллионов кубометров газа в день с возможностью расширения до 129 миллионов кубометров. Нефтяной стальной трубопровод Marco Polo соединяется с трубопроводом Allegheny, (соединение имеет производственную мощность в 120 000 баррелей нефти в день), затем – с нефтяным трубопроводом Poseidon и вливается в систему Cameron Highway.

Плавающие нефтедобывающие системы

Плавающие системы выделены в отдельный тип исключительно в связи с технологическими особенностями самого процесса добычи углеводородов. Основу их могут составлять как обычные полупогружные платформы, оснащенные буровым и нефтедобывающим оборудованием и закрепленные в районе месторождения с помощью массивных якорей, так и буровые суда, имеющие оборудование законченного цикла добычи и закрепленные с помощью динамической системы расположения. Отличительной особенностью при эксплуатации такой системы является

положение буровых колодцев. Когда бурение скважины закончено, добывающий колодец или буровое устье размещается на дне океана, а не на платформе (рис. 4 «г»). Извлеченная нефть транспортируется по трубопроводу из устья на производственное оборудование, которое находится уже на основной платформе. Отдельные виды этих нефтедобывающих систем на сегодняшний день способны работать на глубинах до 3000 метров.

Подводная добывающая система

Подводные системы – это нефтегазовые установки, расположенные прямо на морском дне. Они не выполняют функцию разведки и бурения, а устанавливаются только для того, чтобы извлекать и транспортировать добытые ресурсы. Могут являться составной частью Плавающей нефтедобывающей системы, как было описано выше. Их установка необходима и более дешева в случаях, когда разведанное некрупное месторождение выгоднее «прикрепить» к уже действующей стационарной нефтяной платформе (рис. 12). Бурение скважин производится в этом случае, как правило, с помощью передвижной буровой установки, и, вместо дорогой стационарной платформы, на месторождении устанавливается постоянная подводная добывающая система, которая включает центральный коллектор (рис. 13) и буровые устья по количеству разрабатываемых скважин. Извлеченная нефть и природный газ могут транспортироваться по трубопроводу к ближайшей стационарной платформе. Таким образом, этот тип оффшорных установок позволяет одной стационарной крупной платформе обслуживать многочисленные скважины на достаточно большой территории шельфа. Подводные добывающие системы используют на глубинах, не превышающих 2100 метров.

Рис. 12. Схема подводной нефтегазодобывающей установки

Рис. 13. Центральный добывающей установки

коллектор

подводной

SPAR-платформы

Платформы с подводным основанием цилиндрического типа относятся к самым крупным оффшорным установкам, а также к самым современным технологическим решениям для глубоководной добычи. Эти огромные сооружения состоят из большого цилиндра или штанги, поддерживающей типичную верхнюю надстройку буровой платформы. Цилиндрическое основание не простирается до дна, а укреплено на плаву с помощью кабелей и тросов и выполняет задачу стабилизации платформы, учитывая ее перемещения на воде. Способ укрепления SPAR-платформ на морском дне очень похож на систему заякоревания платформ типа TLP, но без использования жестких негнущихся тросов. На сегодняшний день разработано три варианта конфигурации цилиндрического основания (рис. 14): • традиционный – корпус, состоящий из одного сплошного цилиндра (рис. 14 а); • связка цилиндров, где центральная секция – это элемент, соединяющий верхний жесткий плавучий корпус с нижним мягким резервуаром, содержащим постоянный балласт (рис. 14 б);

Рис. 14. Варианты конструкций подводного основания цилиндрического типа • ячеистое основание, корпус которого собран из отдельных цилиндрических элементов (рис. 14 в). Первая SPAR-платформа Neptune со сплошным цилиндрическим основанием, размерами 231 метр в длину и 21 метр в диаметре, была установлена в Мексиканском заливе в сентябре 1996 года на глубине 580 метров. Цилиндрическое основание более экономично при установке небольших и средних по размеру буровых установок,

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 15. SPAR-платформы, установленные сегодня в океане; показаны их подводные конструкции и глубина установки чем основание TLP. Из-за большого обеспечиваемого противовеса SPAR-основание имеет гораздо более высокую стабильность. Таким образом, отсутствует необходимость поддержки системы крепления к морскому дну в постоянном жестком вертикальном состоянии. Более того, с помощью системы цепных лебедок SPAR-платформа способна горизонтально перемещаться над территорией месторождения. Это одно из лучших технических решений для морской добычи на больших глубинах, его развитие и модернизация продолжаются. Пока еще в отношении платформ этого типа употребляются термины «первая в мире». На рисунке 15 показаны платформы типа SPAR, установленные на сегодняшний день в океане; указаны глубины, на которых они ведут добычу. Обратимся к примеру первой и пока единственной в мире платформы с ячеистым цилиндрическим основанием – Red Hawk, созданной компанией Kerr-McGee (рис. 15 и 16) и установленной в одном из наиболее «густонаселенных» платформами регионов – в Мексиканском заливе, на глубине 1615 метров. Примерный объем ресурса месторождения составляет около 75 миллиардов кубометров природного газа. Преимущества ячеистого SPAR-основания платформы – сравнительная легкость в изготовлении и гибкая структура конструкции. Цилиндрический корпус Red Hawk имеет длину 168 метров, из которых 50 метров возвышаются над уровнем моря. Верхняя часть корпуса сформирована следующим образом: шесть полых труб, диаметром 6 метров каждая, окружают седьмую в центре. Конструкция обеспечивает высокую плавучесть корпуса. Трубы тесно соединены вместе стальными структурами, содержат резервуары переменного балласта, а также дополнительные полые ячейки, окружены винтовыми стальными полосами, которые подавляют внешнюю вибрацию на воде. Средняя 44

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Рис. 16. Общий вид платформы Red Hawk секция корпуса состоит из трех расширяющихся цилиндрических труб и связывает жесткую верхнюю часть и нижнюю килевую. Структура включает также горизонтальные пластины, ослабляющие вертикальные колебания. Нижняя секция или киль содержит постоянный балласт – магнетит. Red Hawk имеет мощную якорную систему, состоящую из шести одинаковых раздельных якорей 5,5 метров в диаметре и 24,5 метров длиной, снабженных цепными подъемными устройствами.

Рис. 17. Транспортировка подводной части Red Hawk Самое мощное грузовое устройство, работающее в Мексиканском заливе, было использовано для перемещения основания Red Hawk весом 7200 тонн с баржи на воду и его установки (рис. 17). Верхняя надстройка платформы весит 3600 тонн, состоит из трех палуб: главной, производственной – обе размерами 34x40 метров, и палубы основания размерами 22,5x27 метров.

Передвижные оффшорные буровые установки Вторая большая группа оффшорных буровых установок делится на постоянно перемещающиеся и те, перемещение которых связано только с необходимостью разработки очередного месторождения. В целом, эти конструкции являются сравнительно более дешевыми.

Буровая баржа

Установка обеспечивает, в основном, первый этап разработки месторождения – бурение скважин. Используется главным образом на месторождениях, расположенных внутри континента – в устьях рек, на озерах, болотах, каналах и на мелководье. Буровые баржи не имеют собственного хода и не в состоянии противостоять сильному движению воды в условиях открытого моря. Буксируются они с места на место специальным судном.

Самоподъемная платформа типа Jack-up

По видам работ, способу перемещения, а также форме и структуре производственной платформы этот тип установок подобен буровой барже, часто является как раз модернизированной бывшей буровой баржей. Конструкцию отличает наличие трех или четырех опор, способных опускаться и опираться на дно во время осуществления работ (рис. 18). Такое техническое решение не исключает заякоривания установки, но позволяет производственной рабочей платформе находиться над поверхностью воды не касаясь ее, что является более безопасным положением. Переделанные баржи Jack-up являются наиболее редко используемыми среди передвижных установок; очевидное ограничение для проведения работ – это глубина воды, которая не должна превышать 150 метров. В качестве примера самоподъемной установки рассмотрим платформу месторождения Siri. Нефтедобывающий центр Siri, разрабатываемый компанией Statoil, располагается в северо-западной части датского сектора Северного моря, приблизительно в 220 км от берега. Трехопорная самоподъемная платформа весом 10 000 тонн установлена на глубине 60 метров на стальном подводном нефтехранилище объемом в 50 000 м3 и оснащена добывающим технологическим оборудованием и жилым модулем (рис. 19). Служит объединенным производственным

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 18. Схема самоподъемной установки типа Jack-up

Рис. 19. Общий вид самоподъемной платформы Siri 46

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

центром для трех близко расположенных месторождений Siri, Nini и Cecilie. Общие запасы составляют примерно 60 миллионов баррелей нефти и залегают на глубине 2070 метров ниже морского дна. Области Nini и Cecilie снабжены отдельными добывающими автоматическими платформами без обслуживающего персонала, но с вертолетными палубами. Необработанное сырье по трубопроводам с автоматических платформ поступает на платформу Siri, в производственной части которой выполняется заключительный этап отделении добытых углеводородов посредством водной инжекции. Подводное нефтехранилище Siri имеет размеры 50 на 60 метров и 17,5 метров в высоту, способно вместить до 315 000 баррелей нефти. Построено за 5 месяцев компанией Daewoo, затем, вместе с 5500-тонным балластом, методом сухой буксировки было доставлено в Норвегию, а следом – в район эксплуатации для установки в основание платформы Siri. Состоит из основного резервуара и трех отдельных отсеков, расположенных вокруг колонн опоры и служащих для контроля угла наклона и глубины во время погружения хранилища на морское дно. Опоры Siri длиной 104 метра, 3,5 метра в диаметре и весом по 800 тонн каждая изготовлены из сверхпрочной стали. Толщина стенок опор колеблется от 65 до 110 мм, верхние

части имеют подъемные отверстия диаметром 540 мм с интервалом в 1,75 м. Каждая опора установлена как самостоятельная единица с трубопроводом, расположенным внутри и уходящим на 13 метров вглубь подводного нефтехранилища. Пространства между стенками опор и трубопроводом зацементированы во избежание утечки. Самоподъемная система состоит из трех отдельных гидравлических подъемников для каждой из опор платформы. Размеры корпуса плавучего бурового основания – 50x60 метров и 6,7 метров в высоту. Оборудование верхних надстроек объединено в 500-тонные модули и включает хранилища для воды и дизельного топлива, электротехнические помещения, основное хранилище, вентиляционные помещения и рубку связи. В носовой части расположены конструкции, защищающие добывающее оборудование. Навесные жилые модули располагаются на противоположной части платформы. В обычных условиях платформой управляет коллектив из 21 человека, в отдельных случаях жилые помещения могут вместить до 60-ти человек. Ожидаемый срок эксплуатации самоподъемной оффшорной конструкции на месторождении Siri – 7-10 лет, после чего она может быть использована повторно.

Полупогружная буровая установка

Распространенный общий тип оффшорных буровых установок, сочетающий преимущества погружных конструкций со способностью проводить буровые работы на глубине более чем 1500 метров. Имеет опоры, обеспечивающие плавучесть платформы, а также большой вес для того, чтобы оставаться в вертикальном положении. При передвижении полупогружная установка использует тот же принцип, что и предыдущий рассмотренный тип конструкций, с помощью закачивания и выкачивания воздуха из нижнего корпуса. Основное различие состоит в том, что при выпускании воздуха полупогружная установка притапливается частично и, не достигая морского дна, остается на плаву. Устойчивость, достигаемая заполнением нижнего корпуса водой во время буровых работ, а также укреплением тяжелыми 10-тонными якорями, гарантирует безопасность эксплуатации платформы в бурных морских водах. При необходимости ее можно удерживать на одном месте и с помощью активного рулевого управления. В качестве примера такой конструкции рассмотрим уникальную добывающую платформу Na Kika, принадлежащую компании Shell (рис. 20 и 21). Она устойчиво заякорена на

Погружная буровая установка

Буровые установки, способные погружаться в воду, также используются для работ на небольших глубинах. Они представляют собой платформы с двумя корпусами, помещенными друг на друга. Верхний корпус включает жилые помещения для команды, как на обычной буровой платформе. Нижний – выполняет роль похожего устройства подводной лодки – когда платформа перемещается с места на место, он заполняется воздухом, обеспечивая положительную плавучесть установки. По прибытии на участок бурения воздух из нижнего корпуса вытесняется водой, и буровая установка погружается на дно моря или озера. Несмотря на высокую мобильность, ограничение по использованию установки составляет, опять же, предельно допустимая небольшая глубина выполнения работ.

Рис. 20. Схема подводного «осьминога» – группы месторождений, разрабатываемых с помощью платформы Na Kika

Рис. 21. Платформа Na Kika: буксировка и общий вид No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

комплексе месторождений примерно в 260 километрах к юго-востоку от Нового Орлеана. Скважины пяти независимых нефтяных месторождений разного размера на глубинах 1740-2100 метров – Kepler, Ariel, Fourier, Herschel и E.Anstey и газового месторождения Coulomb присоединены к центральной полупогруженной платформе Na Kika, а также связаны между собой. Сооружения разработаны для переработки 128 миллионов кубометров газа и 110 000 баррелей нефти в день. Отдельная разработка каждого из месторождений была признана экономически невыгодной, поэтому для этой самой глубоководной в мире группы месторождений была создана сложная подводная добывающая система, благодаря которой центральная платформа Na Kika получила прозвище «осьминожий бог» (octopus god).

Буровое судно

Буровые суда не требуют буксировки к месту работ, разработаны специально для бурения глубоководных скважин, хотя обладают меньшей устойчивостью, чем полупогружные платформы. В составе оснащения имеют весь набор оборудования обычного крупного океанского судна. Активное управление кораблем, основанное главным образом на GPS устройствах, предоставляет возможность проводить буровые операции непосредственно с корабля только в пределах площади, на которой его перемещения не будут мешать процессу бурения. Нижний корпус судна оборудован электрическими двигателями, обеспечивающими движение судна в любом направлении. Якорная система позволяет судну, оборудованному производственной, хранилищной и отгрузочной площадками, вращаться вокруг вертикальной оси для того, чтобы при наличии ветра его воздействию была подвержена минимальная площадь. Буровая шахта проходит сквозь корпус судна, расширяясь к низу; буровые линии уходят от нее в глубину. Техническое оборудование и силовые установки расположены на палубе, а добытая и очищенная нефть до того, как ее загружают в челночные грузовые танкеры, хранится в резервуарах корпуса. Рассмотрим структуру такой установки на примере бурового судна Terre Nova (рис. 22), участвующего в разработке одноименного месторождения, открытого компанией Petro-Canada в 35-ти километрах от Hibernia, близ острова Ньюфаундленд. Нефтяной запас оценен в 406 миллионов баррелей. При наличии небольших глубин (90-100 метров) этот район характерен сезонным присутствием ледяных масс от 0,5 до 1,5 метров толщиной, а также плавающими айсбергами. Поэтому система добычи включает подводную добывающую установку, расположенную на дне и связанную с буровым судном при помощи гибкого трубопровода. Для защиты от айсбергов подводные добывающие установки размещают в специально вырытых на дне моря колодцах (см. схему на рис. 23). При оценке рабочей стабильности всей системы учитывалось влияние сотен тонн льда в зимний период.

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Рис. 22. Буровое судно Terra Nova Предусмотрена возможность управления процессом оледенения оффшорных средств обслуживания при помощи жидкостей, имеющих гораздо более низкую температуру замерзания, а также специальной тепловой изоляции гибкого трубопровода. Terra Nova имеет двойной корпус и 3000 тонн дополнительной стали, чтобы противостоять столкновениям с айсбергами и защитить процесс производства. Существенная особенность – в случае критической ситуации судно способно быстро отсоединить якорную систему и переместиться, что повышает безопасность персонала. Terra Nova имеет длину 280 метров и ширину 45 метров. 9000-тонное производственное оборудование, установле ное на 4,5 метра выше главной палубы, способно производить 150 000 баррелей нефти и 38 кубометров газа в день (рис. 24). Емкость для хранения нефти в нижней части судна может вместить 900 000 баррелей нефти. Из нефтехранилища Terra Nova сырая нефть с помощью разгрузочной системы, расположенной на кормовой палубе, перегружается в челночные нефтяные танкеры при волнении моря до 5 метров.

Рис. 23. Схема расположения Terra Nova

Плавающие гостиницы

Как правило, это небольшие полупогружные платформы, переделанные под флотируемые. Они присоединяются к крупной добывающей платформе длинным проходом и служат своеобразным дополнительным приспособлением, используемым для разных нужд. Часто единственным их предназначением является размещение команды рабочих, обслуживающих основную платформу нефтегазового производства.

Технологические плавающие единицы производства и хранения

Рис. 24. Конструкция бурового судна, включающая бурильное и перерабатывающее оборудование

Данные установки являются либо переделанными, либо построенными целенаправленно для выполнения своей задачи, которая состоит в разработке совсем небольших скважин и месторождений, где нерентабельно использовать большие установки с командой и системой трубопроводов. Они присоединены к морскому дну, добывают нефть и хранят ее, пока танкер не забирает добытые ресурсы.

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Заключение

Технологический процесс извлечения веществ под чрезвычайным давлением в агрессивной окружающей среде подразумевает серьезные риски – воспламенение газа, нефтяные утечки, загрязняющие морскую среду, землю и побережье. По этим причинам нефтегазовому производству предъявляются высокие экологические требования, закрепленные международными законами. В июле 1988 года в результате газовой утечки взорвалась одна из оффшорных платформ, расположенных в Северном море, погибло 167 человек. После несчастного случая участилась практика размещения жилых помещений на отдельных морских гостиничных платформах, устанавливаемых далеко от производственных. Появились морские буровые установки, управляемые на расстоянии многих сотен километров от берега, с нечастым посещением командой рабочих. Однако и это не обеспечивает полную безопасность. В марте 1980 года плавающая гостиница опрокинулась во время шторма в Северном море, унеся 123 жизни. Практика частичного уничтожения оффшорных буровых установок грозит аварийными ситуациями для судов, пересекающих территорию расположения остатков нефтегазовых производств или ведущих рыболовную деятельность, с риском зацепиться за сооружения сетями.

Из представленных в прессе материалов можно сделать вывод, что будущее оффшорной нефтегазовой промышленности связывается специалистами с освоением месторождений, расположенных в еще более глубоководных областях (более 1000 метров). К тому же, как показывает практика, более глубокие области имеют тенденцию к содержанию больших ресурсов, делая, таким образом, задачу экономически выполнимой, несмотря на увеличение стоимости глубоководных работ.

ИСТОЧНИКИ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

http://www.rigzone.com http://www.offshore-technology.com http://www.naturalgas.org http://www.deepwater.com http://www.fng.com http://www.glossary.oilfield.slb.com http://www.fmctechnologies.com http://www.tenaris.com http://www.bp.com http://www.hibernia.ca http://www.anadarko.com http://www.scandoil.com http://www.globalsecurity.org

Выносной одиночный причал, крупнейший в мире объект по наливу танкеров, связан 6-километровым подводным трубовпроводом стерминалом Де-Кастри, Приморский край («Сахалин-1») 50

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ НА ШЕЛЬФЕ о-ва САХАЛИН

Крупные месторождения на шельфе Сахалина были разведаны еще в 70-80-х годах прошлого века. Сегодня добыча ведется в рамках двух крупных международных проектов: «Сахалин-1» и «Сахалин-2». В этой масштабной взаимосвязанной производственно-технологической структуре, помимо береговых комплексов по подготовке и переработке сырья, крупного нефтеналивного терминала, продуманной системы транспортировки добытых ресурсов, успешно эксплуатируются, а также готовятся к вводу в эксплуатацию ряд нефтедобывающих комплексов. Рассмотрим их технические особенности. Проект «Сахалин-1» объединяет освоение трех морских месторождений: Чайво, Одопту и Аркутун-Даги, расположенных на северо-восточном шельфе острова. Оператором проекта является совместный консорциум России, США, Индии и Японии – Exxon Neftegas Ltd. Добыча нефти в проекте «Сахалин-1» началась в 2005 году. Для освоения месторождения Чайво первоначально были задействованы мощная перемещаемая береговая буровая установка «Ястреб» и морская платформа «Орлан». В 2009-2011 годах установка «Ястреб» перемещалась на месторождение «Одопту» для проведения начальной стадии бурения, после чего была снова разобрана и перемещена обратно на месторождение Чайво. На 2014 год намечен ввод в эксплуатацию платформы «Беркут». В настоящее время на месторождении Аркутун-Даги уже установлено ее гравитационное основание.

Схема проекта «Сахалин-1»

Сырье, добытое на месторождениях проекта «Сахалин-1», поступает на береговой комплекс «Чайво», где производится подготовка и стабилизация продукции для дальнейшей отгрузки. Транспортировка нефти осуществляется по трубопроводу протяженностью 226 км, пересекающему остров Сахалин и Татарский пролив, в Хабаровский край на терминал ДеКастри для временного хранения. С терминала Де-Кастри нефть проступает по подводному трубопроводу протяженностью около 6 км на крупнейший в мире объект по наливу танкеров – выносной одноточечный причал.

Буровая установка «Ястреб» Буровая установка «Ястреб» является самой мощной в отрасли наземной буровой установкой, способной работать в условиях землетрясений и суровых зим, и спроектирована

Береговая буровая установка «Ястреб»

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

специально для проекта «Сахалин-1» международной компанией Parker Drilling Company. Разработан, построен и смонтирован буровой комплекс за 18 месяцев. Контрольная сборка и сдача в эксплуатацию прошли в июне 2002 года в Испании. Затем установка была демонтирована, упакована в перевозимые блоки и отправлена тремя грузовыми кораблями в порт Корсаков (Сахалин). Из Корсакова контейнеры баржами, железной дорогой и грузовиками были доставлены на побережье. Монтаж буровой установки и сдача в эксплуатацию производились весной 2003 года. Буровая «Ястреб» предназначена для бурения горизонтальных скважин, позволяющих достигать морских нефтегазоносных пластов с суши. Горизонтально направленные скважины могут тянуться под дном моря на расстояние 10 км. Эта уникальная технология бурения существенно сокращает капитальные и эксплуатационные затраты на крупные морские сооружения, а также значительно снижает отрицательное воздействие на экологически уязвимые прибрежные районы.

Схема работы береговой буровой установки «Ястреб» 52

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Ключевые компоненты проекта «Ястреб»: полностью закрытая буровая вышка и автоматический склад труб с гильотинной дверью и двойной стенкой с двухдюймовым утеплением. Закрытая вышка и склад труб позволяют команде в течении всего года выполнять буровые операции при комнатной температуре. Основными особенностями буровой вышки являются: нагрузка на крюке, равная 680 тонн, лебедка мощностью 3000 лошадиных сил и система верхнего привода. Для обслуживания экстремально глубоких скважин «Ястреб» также оснащен 4-мя буровыми насосами мощностью 500 атмосфер, емкостями для бурового раствора на 9000 баррелей и шестью генераторами. Буровая вышка, вспомогательное оборудование и оснащение, включая вспомогательные системы, емкости бурового раствора и склад труб могут быть перемещены по рельсам с одной скважины на другую, что повышает эффективность эксплуатации и сводит к минимуму время простоя между бурением скважин. Буровая установка «Ястреб» пробурила рекордные по длине скважины, в том числе семь скважин, входящих в 15 самых длинных в мире. Максимальная длина скважины, пробуренной «Ястребом», достигает 12 345 метров. Вертикальная глубина залегания скважины составляет более 2600 метров (см. схему на рисунке ниже).

Платформа «Орлан»

Гравитационное основание платформы «Беркут»

Платформа «Орлан»

Платформа «Беркут»

Платформа была построена в 1984 году в Японии фирмой Global Marine Drilling и в период с 1984 по 1997 годы работала на месторождении Antares у берегов Аляски, где пробурила шесть разведочных скважин. Затем была приобретена оператором проекта «Сахалин-1» компанией Exxon Neftegas Ltd и переименована в «Орлан». После переоборудования платформы из разведочной в добывающую на Амурском судостроительном заводе, ее отбуксировали в Южную Корею, где компания Hyundai Heavy Indastries осуществила монтаж, подключение и сдачу модульных буровых установок. Далее «Орлан» была успешно транспортирована и установлена на постоянное место эксплуатации на глубине 15 метров (месторождение Чайво). Установка платформы была завершена в июле 2005 года, а буровые работы начаты в декабре. Фундаментный блок платформы представляет собой единый стальной модуль размерами 95x90 метров, высотой 7,62 метров и массой около 12 000 тонн. Блок с наклонными боковыми гранями разделен на 24 водонепроницаемых отсека, заполняемых морской водой при установке на дно. Для увеличения сопротивления ледовым нагрузкам по периметру подошвы фундаментного блока установлена рубашка (юбка) в виде стальной вертикальной стенки. Надводное строение представляет собой два стальных понтона, размером 88,5x41,5 метра и высотой 7,92 метра каждый, на которых размещены буровая вышка, вертолетная площадка, стационарный кран грузоподъемностью 200 тонн, гусеничный кран грузопо-дъемностью 100 тонн и жилые помещения на 100 человек. «Орлан» относится к типу погружных буровых установок ледового класса.

Строительство основания буровой платформы началось в 2010 году на производственных мощностях Завода морских конструкций «Восточный» вблизи Находки. Готовое основание отбуксировано на расстояние 1870 км к месторождению Аркутун-Даги через Японское, Охотское моря и пролив Лаперуза. Буксировка заняла около двух недель при средней скорости 3,5 узла (примерно 5,5 км/час). Для буксировки основания были задействованы пять судов: три буксировщика океанического класса, командное судно и судно обеспечения. Гравитационное основание платформы «Беркут» установлено на морское дно приблизительно в 25-ти километрах от острова Сахалин на глубине около 35 метров. Общий вес основания платформы «Беркут» составляет примерно 160 000 тонн, включая 52 000 м3 бетона и 27 000 тонн стальной арматуры, преднатянутых тросов и оборудования. Периметр платформы 100x132 метра, высота – 55 метров. Она рассчитана на круглогодичную эксплуатацию в зоне сейсмической активности (благодаря качающимся упорам-изоляторам, снабженным узлами трения), способна выдерживать низкие температуры до -44°С, волны высотой до 18 метров и ледовый покров толщиной до 2 метров. Ее верхний модуль будет одним из мощнейших в отрасли – весом около 28 000 тонн. Установка верхней части платформы намечена на 2013 год (изготовление осуществляет фирма Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering, Республика Корея). Ввод в эксплуатацию платформы запланирован на 2014 год. Данная морская буровая установка относится также к типу погружных платформ, рассчитанных на эксплуатацию в ледовых условиях и использующихся на небольших глубинах.

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Реализация проекта «Сахалин-2» началась в конце 90-х годов. В соглашение о разделе продукции вошли Россия, США и Япония. Оператором проекта является международный консорциум «Sakhalin Energy», акционерами которого являются ОАО «Газпром», компания Shell и японские Mitsui и Mitsubishi. Техническое оснащение проекта осуществляет, в основном, компания Shell. В рамках «Сахалин-2» осваиваются два нефтегазовых месторождения на северо-востоке сахалинского шельфа – Пильтун-Астохское (преимущественно нефтяное) и Лунское (преимущественно газовое). Добыча ведтся с морских платформ: «Пильтун-АстохскаяБ» («ПА-Б») и «Маликпак» («ПА-А») на Пильтун-Астохском месторождении, и платформы «Лунская-А» на месторождении, одноименном с ней. Морские платформы соединяются друг с другом и с берегом подводными трубопроводами общей длиной 300 км. Далее, посредством наземных нефте- и газопроводов длиной 800 км, объединяются с береговым технологическим комплексом, терминалом отгрузки нефти и первым в России заводом по производству сжиженного природного газа.

Технологическия схема проекта «Сахалин-2»

Морская буровая платформа «Пильтун-Астохская-Б» («ПА-Б»)

Платформа «Пильтун-Астохская-Б» (или «ПА-Б») Платформа «ПA-Б» представляет собой железобетонное основание гравитационного типа, состоящее из опорной базы, на которой установлены четыре колонны, а также стальное верхнее строение. Основание спроектировано и построено в порту Восточном компаниями Aker Kvaerner Technology AS и Quattrogemini OY, установлено в августе 2005 года на Пильтун-Астохском нефтяном месторождении в 12 км от берега на глубине 32 метра. Размеры опорной базы составляют 101x107 местров, высота – 14 метров, вес основания – 90 000 тонн. Юго-восточная опора предназначена для бурения скважин, северо-восточная – для стояков подводных трубопроводов и J-образных труб, другие две опоры – для размещения насосов и емкостей.

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Полностью интегрированная палуба платформы построена компанией Samsung Heavy Industries в Южной Корее. Верхние строения установлены в июле 2007 года методом надвига на заранее установленное бетонное основание. В верхнем строении размещены буровое оборудование и оборудование по разделению воды, нефти, газа и газоконденсата, склады и жилые помещения для 100 человек постоянного и 40 человек временного персонала. Параметры верхнего строения платформы «ПА-Б»: вес – 28 000 тонн, высота факельной стрелы – 98,6 метров, 45 буровых окон. На платформе «ПА-Б» впервые применены сейсмоизолирующие маятниковые подшипники скольжения для крепления верхних строений к основанию. В спокойной обстановке эти опоры помогают снизить ледовые и волновые нагрузки на платформу. Это буровая погружного типа, рассчитанная на эксплуатацию в ледовых условиях.

Морская буровая платформа «Моликпак» (ПА-А)

Морская буровая платформа «Лунская-А»

Платформа «Моликпак» (или «ПА-А»)

Платформа «Лунская-А»

Платформа изготовлена в 1983–1984 годах по проекту компании Sandwell Inc. с учетом суровых условий моря Бофорта. Стальные конструкции кессона и главной палубы были изготовлены японскими специалистами. Модули верхнего строения – канадской компанией. С 1984 года платформа эксплуатировалась в 4-х районах моря Бофорта, и с ее помощью было пробурено десять разведочных и оконтуривающих скважин. В 1997 году опорный массив-гигант был отбуксирован на верфь компании «Daewoo» (Республика Корея) для ремонта и модернизации с учетом условий сахалинского шельфа. На Амурском судостроительном заводе изготовлена подставка массой 15 000 тонн из четырех стальных секций длиной по 110 метров. Собранная на судоремонтном заводе в городе Большой Камень (Приморский край) подставка была отбуксирована в Корею и состыкована с опорным блоком. Установка платформы на Пильтун-Астохском месторождении произошла в сентябре 1998 года. Основными конструктивными частями платформы являются: стальной опорный массив-гигант с размерами на уровне подошвы 111x111 метров, на уровне верхней палубы – 86,6x86,6 метров; надводное палубное строение; ядро внутри опорного корпуса, заполненное песчанно-гравийной смесью. Опорный блок платформы «Моликпак» представляет собой стальную полую восьмиугольную усеченную пирамиду высотой 29 метров. На уровне палубы вокруг кессона установлен волновой отражатель. Конструкция подставки также имеет восьмиугольную форму в горизонтальном сечении с наружным диаметром 110,8 местров и высотой 15 метров. «Моликпак» представляет собой морскую передвижную буровую установку гравитационного типа, рассчитанную на круглогодичную эксплуатацию в арктических условиях.

Конструкция платформы повторяет особенности конструкции «Пильтун-Астохская-Б». Спроектирована и построена она теми же производителями – компаниями Aker Kvaerner Technology AS и Quattrogemini OY – в порту Восточном. Для этого в районе порта был специально оборудован огромный сухой док размером 330х220 метров и глубиной 18 метров. Бетонное основание гравитационного типа с четырьмя опорами установлено на Лунском газовом месторождении в Охотском море в июне 2005 года на расстоянии 15 км от берега на глубине 48 метров. Масса основания составила 103 000 тонн, высота – 69,6 метров. Верхние строения платформы построены также в Южной Корее. На них размещено буровое оборудование и оборудование для сепарации жидких углеводородов, хранилище для химических реагентов и жилой модуль для размещения 90 постоянных и 36-ти временных рабочих. В целях безопасности все технологическое и буровое оборудование расположено на противоположном от жилого модуля конце платформы. Основные рабочие зоны закрыты, в них предусмотрен контроль температуры и вентиляции. Оборудование, расположенное на открытом воздухе, оснащено средствами защиты от обледенения и низких температур. Платформа оснащена минимальным технологическим оборудованием и предназначена для круглогодичной добычи газа, который транспортируется на объединенный береговой технологический комплекс, после чего – на завод по производству сжиженного природного газа. «Лунская-А» используется для бурения отклоненных скважин с максимальным горизонтальным отклонением до 6 км и максимальной вертикальной глубиной 2920 м. Это также тип погружной морской платформы, рассчитанной на работу в ледовых условиях.

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

ГАЗОГИДРАТЫ И ПОТОКИ МЕТАНА В ОХОТСКОМ МОРЕ За 35 лет исследований природных газовых гидратов в мире накоплен большой объем информации по распространению скоплений газа в твердом гидратном состоянии. Имеются сведения о более 100 выявленных газогидратных залежей, как в Мировом океане, так и на суше в районе распространения вечной мерзлоты. Возникший сегодня интерес к этому виду энергоресурсов определяется, прежде всего, тем, что запасы природного газа, преимущественно метана, в газогидратном состоянии весьма велики и превышают запасы природного газа в свободном состоянии. В России залежи газогидратов лучше всего изучены в Японском и Охотском морях; на сегодняшний день обсуждаются и разрабатываются методы их извлечения. Газовые гидраты обнаружены в Черном море (по оценкам Минэнерго доказанные запасы гидратного газа здесь достигают 30 триллионов кубометров), а также в озере Байкал. В Беринговом море и морях Арктического шельфа России, по-видимому, также существуют крупные месторождения газогидратов, однако детальное изучение этих районов пока не проводилось. Представлены результаты исследования залежей газовых гидратов в Охотском море, а также предложен метод добычи метана с морского дна. Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Иличева ДВО РАН* Владивосток А.И. Обжиров * участник технологической платформы «Освоение океана»

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Для формирования газогидратов необходимы газ, вода, низкая температура и высокое давление. В Мировом океане газогидраты обнаружены на склонах окраинных или внутренних морей, в склоновых отложениях которых накапливаются донные осадки с повышенным количеством органического вещества и, как следствие, высоким нефтегазовым потенциалом. Кроме того, район перехода из шельфа в склон обычно осложнен зонами разломов, по которым при сейсмотектонической активизации могут поступать углеводороды как мантийные, так и из более глубоких горизонтов нефтегазсодержащих пород. В этом заключается очень важная закономерность – сопряженность процессов формирования нефтегазовых месторождений и газогидратов. Газогидраты при этом играют роль покрышки и консервации метана и тяжелых углеводородов. Глубина моря, на которой могут формироваться газогидраты, зависит от температуры придонной воды – чем больше температура, тем большая глубина моря необходима для формирования газогидрата. Если есть источник метана, то газогидраты формируются в донных осадках на глубинах моря около 400 м и глубже. Уменьшение уровня моря или увеличение температуры придонной воды приводят к разрушению газогидратов и выделению в воду и атмосферу большого количества метана. В газогидратах, обнаруженных в Мировом океане, в том числе в Охотском море, содержание метана составляет 90-95 %. Одним из главных вопросов в изучении условий формирования и разрушения газогидратов в Мировом океане является выяснение источников метана, который образует газогидрат в условиях его стабильности при низкой температуре и высоком давлении. До сих пор идет дискуссия, какого генезиса метан является основным в процессе образования гидратов: микробный или термогенный. Микробный метан образуют метанобразующие бактерии, которые используют органическое вещество донных осадков для своего развития и метаболизма. Количество микробного метана взаимосвязано с содержанием органического вещества и благоприятными условиями окру-

Газовые гидраты представляют собой кристаллические соединения метана с водой, которые образуются при определенных давлении и температуре. Это супрамолекулярное соединение, по виду похожее на плотный снег. Каждый кубический сантиметр такого «снега» содержит 160–180 см³ метана, однако высвобождаются они лишь при падении давления или росте температуры.

жающей среды. При этом углерод микробного метана имеет больше легкого изотопа 12С и изотопное отношение δ13С изменяется от -70 до -110‰. Термогенный метан является продуктом преобразования органического вещества в недрах при повышенной температуре и высоком давлении и при наличии окислов, играющих роль катализаторов. Образование термогенного метана связано с формированием нефтегазовых залежей и образованием метана при метаморфизме угля. Углерод термогенного метана содержит большее количество тяжелого изотопа метана 13С, чем углерод микробного метана. Изотопное отношение его δ13С изменяется в среднем от -35 до -45‰. Обычно в газогидратах изотопное отношение углерода метана δ13С нахо-

Лаборатория газогеохимии ТОИ ДВО РАН с 1984 года выполняет исследования газогеохимических полей и газогидратов в морских донных осадках, выясняет их геологические и геофизические закономерности распространения в Охотском море. Методика работ заключается в выполнении комплекса геологических, геофизических, гидроакустических, газогеохимических, океанологических, батиметрических исследований [11, 15, 16], анализе имеющихся и получении новых экспедиционных данных, на основе которых выполняется поиск газогидратосодержащих площадей, оценка объема газогидратов и потоков метана, разработка научной основы добычи метана из газогидратов. Экспедиционные работы выполнялись и продолжают выполняться в рамках международных проектов – Российско-Германского КОМЕКС 1998-2004, Российско-Японско-Корейского ХАОС 2003-2006 и проекта САХАЛИН 2007-2012, который продлен на 2013-2017 годы.

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 1 а, б. а – схематический разрез [13] гидратсодержащего района месторождений Купарук-Ривер и Прадхо-Бей (Аляска): 1– гидратсодержащие отложения; 2 – газовые шапки месторождений; 3 – свита Сагаваниркток (ЗСГ-зона стабильности газогидрата); 4 – нефтегазсодержащие отложения; 5 – подошва морских сланцев; 6 – направление движения газа

б – покмарк на структуре «Китами», Охотское море (светлое пятно внутри – бактериальные маты) дится в пределах от -55 до -65‰. Это может означать, что в образовании газогидрата участвует как микробный метан, так и термогенный. Благодаря исследованиям [11, 13] выяснено главное – основное количество метана, образующего газогидраты, составляет термогенный метан нефтегазсодержащих пород и других источников недр – угольный метан, глубинный метан литосферы. Термогенный метан проникает к поверхности по зонам разломов и в условиях низкой температуры и высокого давления формирует газогидраты. При этом на поверности метан частично перерабатывается микробами, в связи с чем изотопное отношение метана облегчается

и его δ13С изменяется в среднем от -55 до -65‰. Этот вывод очень важен, поскольку газогидраты взаимосвязаны с нефтегазовыми залежами, являются хорошими покрышками и консервантами метана. В этом случае запасы метана в газогидратах могут быть очень значительными. В работе [13] представлен пример формирования газогидратов в районе нефтегазовых залежей на Аляске. Газогидраты обнаружены в районе нефтегазовых месторождений Прадхо Бей и Купарук Ривер (рис. 1а). Газ из нефтегазсодержащих пород по зоне разлома поднимается вверх, и в зоне, благоприятной по давлению и температуре, формируются слои газогидратов. В результате потока метана из

Рис. 2 а, б. Гидроакустические записи потоков пузырей метана: а – в северной части моря Лаптевых. Показано расстояние профиля 1 км. Запись сделана Саломатиным А.С. при малой скорости судна [14]. Глубина моря 68 м б – на Сахалиском северо-восточном шельфе Охотского моря. Показано расстояние между черточками равное 1 мили (1,8 км). Запись сделана Саломатиным А.С. при скорости судна 10 узлов [11]. Глубина моря 110 м 58

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Рис. 3. Схема расположения структур газового просачивания на северо-восточном склоне о-ва Сахалин (Охотское море), в которых были обнаружены газогидраты в донных осадках. Справа – показаны площади, на которых обнаружены газовые гидраты в верхних слоях донных осадков, даны их названия глубоких горизонтов и эпизодов разрушения газогидратов с образованием потоков пузырей метана из донных отложений в воду на поверхности дна формируются ямки, бугры 30-40 м (рис. 1б). В работе [14] отмечено, что потоки пузырей метана из донных отложений в воду наблюдаются в Восточной Арктике. Авторы считают, что метан высвобождается в связи с оттайкой мерзлоты по зонам, где мощность мерзлых пород уменьшается, и позиционируют обнаруженные потоки как самые мощные в Мировом океане (рис. 2а). Однако на шельфе Охотского моря обнаружены выходы пузырей метана еще большего масштаба, и связаны они с поступлением газа из недр по зонам разломов (рис. 2б) [11]. Те же процессы происходят и в Арктике. Например, в Восточно-Сибирском море в донных осадках обнаружена аномалия метана 19,4 мл/л на глубине моря 41 метр в зоне разлома [12]. Изотопный состав термогенного метана δ13С, поступающего по зонам разломов, в районе исследований изменяется в среднем от -25 до -70‰.

Геологические и геофизические особенности распределения газогидратов в Охотском море Тектонический режим островного склона о-ва Сахалин контролируется системой надвигов и взбросов, ориентированных в направлении северо-запад – юго-восток. Разломы существуют по всему склону от бровки шельфа

до глубин ~ 1000 м и являются активными, пересекая осадочную толщу, достигая морского дна и образуя на склоне уступы. Характер распределения очагов газовой разгрузки на восточно-сахалинской окраине предполагает, что они коррелируют с определенными тектоническими зонами (рис. 3). Очевидно, что в северной части исследованного района все участки газового просачивания локализуются в пределах надвигов, образованных при северо-восточном – юго-западном сжатии. Анализ данных акустического профилирования показал хорошую сопоставимость между обнаруженными гидроакустическими аномалиями и морфологическими особенностями склона. Найденные факелы располагаются на трех участках морского дна: возле бровки шельфа, в средней и нижней части склона, при этом большая их часть концентрируется на глубинах 600–900 м. Наиболее распространенными являются факелы в виде удлиненных узких эллипсоидов, поднимающихся из морского дна в вертикальном направлении (рис. 4). Высота их варьирует от 90 до 500 метров, ширина – до 300 метров. Иногда факелы кажутся отделенными от дна и двигаются свободно в воде, но поддерживают свою форму и пространственную ориентацию. Менее распространенные факелы сложной сноповидной формы достигают высоты 400 м и ширины 600 м. Факелы в виде облаков встречаются, главным образом, над вершинами подводных холмов. Часто такие образования имеют горизонтально ориентированные слои, связывающие

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 4. Гидроакустическая запись: а – по профилю через газовые факелы «Гизела» (верхний) и «Обжиров»; б – детальный разрез через факел «Обжиров» два смежных факела. Кроме того, встречаются целые поля факелов, вызванных незначительными газовыделениями, протягивающиеся на расстояния до 10-12 км. С помощью полученных данных было оконтурено около 17-ти структур разгрузки метана, расположенных в верхней и нижней части континентального склона. Наиболее крупными из них являются структуры «Хаос» и «Обжиров» (рис. 5).

Структура «Хаос» расположена в нижней части склона на глубинах 950-980 метров и занимает площадь размером 2000х700 м и является самой крупной на северо-восточном склоне Сахалина. В пределах этой структуры существует склон в сторону впадины Дерюгина. Данные, полученные с помощью локатора бокового обзора, показывают, что структура «Хаос» имеет в плане изометричную форму и характеризуется наибольшей акустической прозрачностью

Рис. 5. Схема расположения литологических станций и газовых факелов на структурах «Хаос» (а) и «Обжиров» (б) 1-5 – колонки осадков, содержащие: 1 – гидротроилит; 2 – раковины моллюсков, гидротроилит, признаки биотурбации и газонасыщенности; 3 – карбонатные конкреции, раковины моллюсков, гидротроилит, признаки биотурбации и газонасыщенности; 4 – газовые гидраты; 5 – газовые факелы

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

в южной и центральной части, что свидетельствует о наличии в поровом пространстве осадков свободного газа. Она представлена группой мелкомасштабных газовых сипов в пределах большого поля газового просачивания, имеющих, вероятно, единый источник газа. Структура «Обжиров» расположена в нижней части склона на юго-восточном крае крутого уступа в пределах глубин 680-700 метров на расстоянии ~18 км на юго-запад от структуры «Хаос». Газовые факелы здесь концентрируются в двух направлениях – юго-запад – северо-восток и северо-

запад – юго-восток – и приурочены к небольшим грядам, состоящим из отдельных бугорков. Данные по сейсмоакустическому профилированию, полученные при исследовании структур «ТОИ», «КОПРИ», «Китами» и «Хаос», показали наличие отчетливо видимых разрывных нарушений, которые являются, по всей видимости, газо-флюидопроводниками (рис. 6). Осадки в пределах полей газовой разгрузки имеют специфические особенности и отличаются от фоновых отложений рядом признаков. В них наблюдается определенная закономерность в изменении текстур и цвета, распределении аутигенных новообразований (преимущественно карбонатных конкреций), включений раковин специфической хемоаутотрофной фауны моллюсков, а также газовых гидратов Осадки, отобранные по периферии от центров разгрузки метана, характеризуются одинаковым типом разреза на всех изученных проявлениях газовых эманаций: структурах «Хаос» (станции LV32-3 и LV32-6), «Иероглиф» (ст. LV32-14), «Китами» (ст. LV32-12) и других. Они содержат большое количество гидротроилита и сильно биотурбированы, что придает осадкам темно-серый оттенок и пятнисто-слоистую текстуру. Характерной особенностью колонок этого типа является наличие карбонатных конкреций, примесь обломков и целых створок раковин Calyptogena, а также специфическая (псевдобрекчиевидная) текстура, обусловленная газонасыщенностью осадков, и запах сероводорода (рис. 7) [4].

Рис.

газово-флюидных

Рис. 6. Схематическая интерпретация сейсмического профиля, проходящего через структуры «ТОИ», «КОПРИ», «Китами» и «Хаос». Вертикальные линии характеризуют отсутствие отражающих слоев, что связано с разломами и потоком газа (метана)

Литологический

разрез

на

участке

эманаций

(структура

«Хаос»)

1-4 – гранулометрические типы осадков: 1 – алеврит пелитовый с примесью песка, 2 – алеврит пелитовый, 3 – пелит алевритовый, 4 – пелит; 5-7 – текстурные особенности осадков: 5 – линзы и прослои гидротроилита, 6 – псевдобрекчиевидная текстура газонасыщенных осадков, 7 – колонки, полностью заполненные газовыми гидратами; 8-14 – включения: 8 – раковины моллюсков и их фрагменты, 9 – галька и гравий, 10 – мелкие кусочки газовых гидратов, 11 – прослои и линзы газовых гидратов, 12-14 – карбонатные конкреции: 12 – мягкие (начальная стадия образования), 13 – уплотненные, 14 – твердые

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 8. Типы газгидратных образований в осадках Охотского моря В поднятых колонках осадков газогидраты представлены, главным образом, тонкими прослойками и линзами среди неслоистых осадков мощностью от 1 мм до 1-2 см, расположенными субгоризонтально или наклонно (рис. 8 а), реже отмечается необычная субвертикальная и волнистая текстура (рис. 8б). В меньшем количестве встречаются обломки размером до 2-3 до 5-8 см (рис. 8 в). Лишь на структуре «КОПРИ» (ст. LV36-15 и LV36-39) обнаружены мощные прослои (14 и 34 см) массивных газовых гидратов (рис. 8 г). Граница залегания гидратсодержащих осадков варьирует от поверхности дна до глубины 5 метров. Какой-либо закономерности в ее расположении выявить не удалось. Например, на структуре «Обжиров» эта граница располагается на глубинах 17-45 см (ст. SO178-26 и SO178-23, соответственно) и 305-395 см (ст. Ge99-29 и LV29-50, соответственно) ниже поверхности дна. При этом необходимо отметить, что в некоторых случаях геологическая трубка не смогла пройти очень плотные газогидратнасыщенные осадки, поэтому их мощность часто определялась глубиной проникновения трубки

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

в газогидратный горизонт. На структурах «Хаос» и «Китами» (ст. LV32-16 и LV32-11) были взяты осадки, полностью заполненные газовыми гидратами (около 5 м на ст. LV32-16 и более 1 м на ст. LV32-11). Количество их было настолько велико, что при подъеме трубки наблюдалось интенсивное выделение газа, образовавшегося при дестабилизации газовых гидратов из-за уменьшения давления, и через несколько минут после помещения колонки в лабораторию весь осадок превратился в разжиженную пузыристую массу (пульпу). Вмещающий газовые гидраты осадок характеризовался высоким содержанием сероводорода. Такой же процесс происходит и на других структурах в Охотском море. Нефтегазосодержащие породы, которые формируют залежи нефти и газа на шельфе, простираются на склон впадины Дерюгина. По зонам разломов, особенно в период их сейсмотектонической активизации, метан поднимается к поверхности осадков, и на глубинах моря 400 и более метров при температуре придонной воды около 2,4°С возникают условия, благоприятные для образования газогидратов.

Это подтверждает наш вывод, что в Охотском море источником метана является, в основном, термогенный метан нефтегазосодержащих пород с примесью микробного газа. Особенность поднятых газогидратов состоит в том, что они все имеют различную морфоструктуру – от горизонтальных слоев (в том числе 35 см толщиной) до фигурных квазивертикальных и вертикальных прослоек и фрагментов. В осадках Охотского моря мощность слоев или фрагментов газогидратов обычно составляет 2-5 см, чаще не более 1-10 см. Такой их морфологический облик, возможно, характеризует сейсмотектонические палеоактивизации, при которых увеличивался поток метана из нефтегазовых залежей или других источников, что приводило к формированию прослоев газогидратов. Данные, полученные с помощью локатора бокового обзора, показали, что в пределах изученного района широко развиты такие морфологические структуры дна, как покмарки (см. рис. 1б), которые ассоциируют с участками газового потока [5, 6]. Они имеют кольцевую форму, а их диаметр достигает 500 м. На стенках покмарков заметны раковины и конкреции, а в центре хорошо видны бактериальные маты. Они образуются благодаря поднимающимся к поверхности дна газовым потокам и представляют собой депрессии, развитые в основном на участках распространения мягких илистых осадков. Измерения концентрации метана выполнялись в колонках воды и осадков Сахалинского северо-восточного шельфа и склона в районе обнаруженных площадей газогидратов, а также на восточном Сахалинском склоне Охотского моря. Для измерения газа вода отбиралась батометрами системы Розетт на различных горизонтах. Газ извлекался из воды на вакуумной установке [11] и анализировался на газовом хроматографе «Кристал-4000». На широтах 48°–52° в придонном слое воды на глубине около 1000 м концентрация метана в основном находится в пределах фона – 20-30 нл/л, иногда увеличиваясь до

60-130 нл/л (рис. 9а). Это говорит о том, что в этом регионе большие выделения метана из донных отложений отсутствуют. В районе потока метана и газогидратов концентрации метана в придонной воде превышают фон в 100-1000 раз (рис. 9б). Этот параметр является одним из поисковых признаков наличия поля газогидратов. Следует заметить, что аномальные концентрации метана обнаружены в этом районе в промежуточных слоях воды, особенно на глубине 700 м (150-350 нл/л), и иногда на глубинах 200-300 м (700-1000 нл/л). Это связано с поступлением насыщенных метаном слоев воды с шельфа. На широтах 52°–54°36’ в колонках воды, начиная с поверхности и до дна, зафиксированы аномальные концентрации метана. Особенно они высокие на широте 54°03,7’, где вся колонка воды (станция LV36-75C) насыщена метаном. В этом районе проходит разлом «Лаврентьев». На поверхности концентрация достигает 1650 нл/л, в придонном слое (380 м) – 9200 нл/л. В промежуточных слоях в этом районе обнаружены еще большие концентрации метана – 19000 нл/л на глубине 150 м и 14000 нл/л на глубине 300 м. К северу и югу от этой станции концентрации метана в водных колонках несколько ниже, но так же аномально-высокие – 500-5000 нл/л. Путями миграции метана являются зоны разломов, которые в период сейсмотектонической активизации раскрывают недра и разрушают нефтегазовые залежи и газогидраты. Часто источником метана является свободный газ, накапливающийся под непроницаемыми газогидратсодержащими отложениями. Когда поток метана достигает поверхности и попадает в условия низкой температуры и высокого давления, в верхних слоях донных осадков образуются вновь газогидраты, которые можно отобрать гравитационной трубкой на глубинах от первых метров поверхности осадка до глубины проникновения трубки в осадок (6-9 м). Именно благодаря сейсмотектонической активизации восточного Сахалинского склона Охотского моря с 1988 года по настоящее время здесь

Рис. 9 а, б. Распределение метана в водных колонках (а) и осадках (б)

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

обнаружено более 500 потоков метана и 17 площадей, где отобраны газогидраты [10]. Измерения метана в донных осадках выполнялись методом равновесного пара Head Space. Пробы донных осадков отбирались из керна гравитационных трубок. Концентрации метана на поверхности осадка обычно не превышали 0,01-0,02 мл/л. В керне, не содержащим газогидраты, концентрация возрастала с интервала 200 см до 300-400 см до 0,1 – 1,0 мл/л. Эта общая закономерность нарушалась, если в керне присутствовал газогидрат. В газогидратсодержащем слое, независимо от интервала (глубины от поверхности осадка), концентрация метана увеличивалась более 500 мл/л (станция LV36-15H). В районе станции LV36-10H не встречен газогидрат, но концентрация метана достигла 70 мл/л в подошве колонки керна (интервал 335 см). В этом же районе в придонной воде была обнаружена аномалия метана – 2500 нл/л (станция LV36-42С). Возможно, в осадке присутствовали мелкие фрагменты газогидратов, которые разрушились в процессе подъема и открытия гравитационной трубки. Таким образом, как в водных колонках, так и в керне гравитационных трубок обнаружены аномалии метана. Они приурочены к площадям газогидратов и зонам разломов. Предполагается, что в настоящее время зоны разломов сейсмотектонически активны в регионе северо-восточного Сахалинского склона Охотского моря. В результате этого формируются поля потоков метана из донных отложений в воду, при этом, в настоящее время, в верхних слоях осадков образуются слои газогидратов. Источником метана являются свободные газы, которые накапливаются под газогидратсодержащей толщей, а также нефтегазсодержащие отложения.

Способ добычи метана из потока метана и газогидратов Промышленной систематической добычи газа из морских месторождений газогидратов в мире пока не ведется; соответствующие технологии считаются слишком сложными и дорогими. На основе данных, полученных российскими исследователями, разработана новая принципиальная схема технологии добычи метана из морских газогидратов, которая отличается от предлагаемых учеными Японии, Кореи, США и других стран некоторыми специфическими свойствами. Предлагаемый способ разработки газогидратных залежей основан на сборе всплывающего газа на участке дна с использованием явления обратного перехода газа в гидратное состояние в условиях термодинамической нестабильности. Предлагается система подвижных газосборников: 1. Газогидрат накапливают в специальном коллекторе, который после заполнения его твердым газогидратом всплывает по тросу на глубину не менее 200 м, где давление воды уменьшается, и гидрат переходит снова в газ, который поступает в газосборник (рис. 10). Затем происходит его забор на специальное судно. 2. Устанавливается большое количество ловушек с поочередным отбором газа из потоков пузырей метана, так как обнаружены обширные поля с более 500 выходами газа. Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют автоматизировать процесс сбора газа без установки трубопроводов большого заглубления и не применять систему подключения и смены всплывающих газгольдеров, упростив технологию добычи.

В марте 2013 года японская госкомпания JOGMEC (Japan Oil, Gas and Metals National Corp) заявила об успешном эксперименте по добыче газа из гидрата метана с морского дна и планах начать полномасштабную добычу на шельфе Японии. Исследовательское судно «Тикю», арендованное госкомпанией, начало пробное бурение скважин под океанским дном в 50 км к югу от полуострова Ацуми (восточная часть острова Хонсю) еще в феврале 2012 года. Для перевода газогидратов в газ использован процесс разгерметизации, разработанный в Бергенском университете (Норвегия): в газогидраты закачивается углекислый газ, нарушающий стабильность гидрата и принуждающий его к усиленному образованию газообразного метана. Запасы газа, расположенные в этом районе в форме гидратов, оцениваются в 1,1 триллиона кубометров. Такие объемы смогут удовлетворить спрос Японии на энергоресурсы на ближайшие 11 лет.

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

ЛИТЕРАТУРА

Рис. 10 Схема отбора метана из потоков метана и газогидратов [17] Важным аспектом является привлечение подводной роботехники, как к поиску потоков пузырей метана, так и для постановки подводных устройств для добычи газа. На данную технологию получен патент [17]. Результаты выполненных в Охотском море экспедиционных работ: На склоне восточного Сахалина на глубинах 300-500 м выявлены промежуточные водные слои с аномальными концентрациями метана. Особенности их появления связаны с динамикой гидрологического режима этих районов. На восточном Сахалинском шельфе и склоне Охотского моря обнаружено более 500 выходов пузырей метана, которые мигрировали из донных отложений, а также обширные поля газогидратов в донных осадках. В среднем мощность газогидратсодержащих осадков составляет около 200 м. Основной причиной увеличения количества выходов метана в воде восточного склона и шельфа Сахалина Охотского моря признана активизация сейсмотектонических процессов в этом регионе, которая не является постоянной, отмечается ее снижение на одних участках (вплоть до полного прекращения) и возникновение на других, что связано с активизацией одних разломов и стабилизацией других. Данные по аномальным газогеохимическим полям метана можно использовать для расчета потока метана из недр в воду и из воды в атмосферу. Эти сведения важны для исследования глобальных процессов изменения (потепления) климата. В этой связи применение мониторинга как метода исследования газогеохимических полей в водной толще различных акваторий является перспективным инструментом для фундаментальных и прикладных геологогеохимических исследований на море. Разработан принципиально новый метод извлечения газа из месторождений на морском дне.

1. Kvenvolden K.A. Gas hydrates – geological perspective and global change// Rev.Geophys. – 1993. – V.31. – P. 173-187. 2. Sloan E.D. Clathrate hydrates of natural gases// Marcel Dekker, Inc. – New-York, Basel, 1998. – 705 pр. 3. Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях // Недра. – М.: 1992. – 235 с. 4. Веселов О.В., Куделькин В.В. Гидраты Охотского моря и геофизические аспекты их выделения и картирования // Проблемы поисков энергетических носителей на рубеже 2-3 тысячелетий. – Южно-Сахалинск: Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, 2000. – С. 35-68. 5. Jin Y.K., Obzhirov A.I., Shoji H., Mazurenko L. Hydro-Carbon Hydrate. – 2006. 6. Accumulations in the Okhotsk Sea (CHAOS-III Project). – Report of R/V Akademik. 7. M.A.Lavrentyev Cruise 39. – KOPRI, Korea. – 132 pp. 8. Obzhirov A., Shakirov R., Salyuk A., Suess E., Biebow N. and Salomatin A. Relations between methane venting, geological structure and seismo-tectonics in the Okhotsk Sea // Geo-Marine Letters. – 2004. – V. 24. – N. 3. – P. 135-139. 9. Гинсбург Г.Д., Соловьев В.А., Субмаринные газовые гидраты. – Санкт - Петербург: ВНИИ Океангеология, 1998. – 216 с. 10. Обжиров А.И., Салюк А.Н., Шакиров Р.Б. и др. Потоки метана и газогидраты в Охотском море // Наука и техника в газовой промышленности. – Москва: ООО «Газпром», 2004. – № 1-2. – С. 20-25. 11. Обжиров А.И. и др. Мониторинг метана в Охотском море. – Владивосток: Дальнаука, 2002. – 250 с. 12. Шакиров Р.Б., Сорочинская А.В., Обжиров А.И. Некоторые газогеохимические особенности осадков Восточно-Сибирского моря // Региональные проблемы. – 2012. – Том 15, № 1. – С. 33-40. 13. Thomas D. Loranson, Timothy S. Collet, Robert B. Hunter. Gas geochemistryof the Mount Elbert gas hydrate stratigrphic test Well Alaska North slope implications for gas hydrate exploration in the Arctic // Marin and Petroleum Geology. – 28 (2011). – P. 343-360. 14. Сергиенко В.И., Лобковский Л.И. и др. Деградация подводной мерзлоты и разрушение гидратов шельфа морей Восточной Арктики как возможная причина «метановой катострофы»: некоторые результаты комплексных исследований 2011 года // Доклады Академии наук. – 2012. – том 446. – № 3. – С. 330-335.

ПАТЕНТЫ 15. Юсупов В.И., Саломатин А.С., Обжиров А.И. Газогеофизический комплекс для обнаружения подводных выходов газогидратов. Патент № РФ № 70377 U1. 2008. Бюл. № 2. 16. Обжиров А.И., Саломатин А.С., Юсупов В.И. Газогидроакустический комплекс для оценки сейсмоакустической активизации. Патент RU 78333 U1. 2008. Бюл. № 32. 17. Обжиров А.И., Тагильцев А.А. Технологический комплекс для разработки газогидратных залежей в Охотском море. Патент № RU 2386015 C1. 2010. Бюл. № 10. 18. Обжиров А.И. Способ прогноза залежей углеводородов. Патент № RU 2359290 C1. 2009. Бюл. № 17.

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

СИСТЕМА ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА АКВАТОРИИ В МЕСТАХ РАЗМЕЩЕНИЯ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИХ ПЛАТФОРМ В РАЙОНЕ АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА Развертывание работ по освоению шельфа Арктики ставит перед инженерами и разработчиками много новых задач. Экосистема арктического региона чрезвычайно уязвима, и любая экологическая катастрофа здесь будет иметь существенно более необратимые последствия, чем в случае того же Мексиканского залива. Предусмотреть любые негативные сценарии при добыче энергоресурсов в этом регионе – одна из наиболее важных проблем. В настоящей работе рассматривается круг вопросов, связанных с защитой нефтеи газодобывающих платформ от несанкционированного доступа со стороны моря. Обсуждается концепция построения, состав и задачи, решаемые системой гидроакустического мониторинга акватории, предназначенной для установки на нефте- и газодобывающие платформы. Сформулированы требования к системе, приведен расчет дальности действия в режиме шумопеленгования по различным объектам. В соответствии с протоколом заседания научно-координационного экспертного совета федеральной целевой программы «Развитие гражданской морской техники на 2009 – 2016 годы» № 13 от 23 декабря 2010 года согласована постановка ряда НИОКР по созданию концептуальных проектов плавучих и самоподъемных разведочных и добычных платформ для эксплуатации в ледовых условиях на глубоководных и мелководных акваториях континентального шельфа [1]. Среди них: ОКР «Глубина» – «Разработка проектов (плавучих, гравитационных, самоподъемных) перспективных плавучих технических средств для применения в особо сложных

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

условиях глубоководного арктического шельфа»; ОКР «Ледостойкий остров» – «Разработка технических предложений платформ для бурения и добычи в виде ледостойких островов и барж на мелководных акваториях»; ОКР «МЛП-ГАЗ» – «Разработка концептуального проекта морской ледостойкой платформы для размещения оборудования надводных закачиваний скважин на мелководных акваториях»; ОКР «Тендер» – «Разработка технических предложений тендерной погружной буровой установки для подводного или надводного закачивания эксплуатационных скважин на мелководных акваториях»; ОКР «БВП» – «Разработка технического предложения

ОАО «Концерн «Океанприбор»* Санкт-Петербург А.М. Иванов И.А.Селезнёв

* участник технологической платформы «Освоение океана»

буровой платформы на воздушной подушке для предельного мелководья шельфа Арктических морей»; ОКР «Нырок» – «Определение облика и конструктивных особенностей платформы для энергообеспечения и управления подводной добычей, погружаемой под поверхность воды в случае опасности» и др. Таким образом, в рамках федеральной целевой программы «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 годы» предполагается рассмотрение практически всех возможных вариантов платформ: • типа «ледостойкий остров» (рис. 1а); • платформы, устанавливаемые на мелководье (рис. 1 б, в); • плаформы, устанавливаемые на глубоководных участках (рис. 1 г). На газоконденсатном месторождении, как правило, размещаются: • скважинные поля; • подводный добычной комплекс; • морская ледостойкая технологическая платформа. В случае нахождения такого месторождения в условиях Арктики имеется ряд природных условий, учет которых необходим при проектировании гидроакустических средств, входящих в комплекс инженерно-технических средств охраны. Анализ условий размещения морского добычного комплекса в условиях Арктического шельфа показывает, что такому району присущи высокая неоднородность глубин, геоакустических характеристик донных осадков, сезонных гидрометеорологических условий. Имеется существенная сезонная изменчивость вертикального распределения скорости звука в акватории. Характерным для акватории является неоднократное появление и исчезновение дрейфующих льдов на протяжении ледового сезона.

К основным возможным угрозам для деятельности морского добычного комплекса следует отнести: • непреднамеренное воздействие на подводный добычной комплекс и якорную систему удержания платформы, в том числе орудиями рыболовства, используемыми рыболовными судами; • диверсии, направленные на вывод из строя объектов морского добычного комплекса, в том числе осуществляемые подводными аппаратами, созданными с использованием коммерческих технологий двойного назначения (класса UUV типа «Seahorse» [2] или аналогичными); • применение взрывных устройств, сбрасываемых с судов, проходящих над линией трубопроводов; • использование подводных пловцов-диверсантов, доставляемых в район местонахождения платформы специальными техническими средствами и др. Как правило, контролю техническими средствами освещения подводной обстановки, входящими в состав комплекса инженерно-технических средств охраны, подлежат: • подводная акватория вокруг платформы и добычного комплекса в радиусе до 1 км от каждого объекта; • морской магистральный трубопровод на участке от места его выхода на берег до удаления от береговой черты до 150…200 км в полосе шириной около 3 км от оси трассы. Очевидно, что столь сложная техническая задача не может быть решена при помощи единого универсального средства. Судя по опубликованным в литературе данным, в состав комплекса инженерно-технических средств охраны включаются: • гидроакустическая система ближнего обнаружения, обеспечивающая обнаружение и автоматическое со-

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 1. Типы платформ, по которым идет разработка технических предложений и проектов в рамках Федеральной целевой программы «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 годы»: а – прототип буровой платформы типа «ледостойкий остров»; б – прототип платформы по ОКР «Глубина»; в – прототип самоподъемной буровой установки, устанавливаемые на мелководье; г – прототип платформы, устанавливаемой на глубоководных участках.

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

провождение малоразмерных подвижных подводных объектов, в том числе подводных пловцов и средств их транспортировки, а также определение координат и параметров движения подводных целей на дистанциях не менее 500 метров; при этом осуществляется совместная обработка и отображение на едином экране информации от всех входящих в состав системы гидроакустических средств (систем); • гидроакустическая система дальнего обнаружения, предназначенная для обнаружения подводных и надводных объектов в акватории, прилегающей к морскому магистральному трубопроводу, платформе и добычному комплексу, и обеспечивающая автоматическое обнаружение, классификацию, автоматическое сопровождение подвижных подводных и надводных объектов на дальностях до 25-30 км для объектов типа «рыболовный траулер» и до 3-5 км для объектов типа «автономный подводный аппарат». Проблема создания элемента гидроакустической системы ближнего обнаружения хорошо известна, она успеш-

но решалась в рамках создания систем противодействия подводным пловцам-диверсантам различными фирмами-производителями гидроакустического оборудования как в России, так и за рубежом. Приведем с некоторыми купюрами известную Таблицу [3, с. 341], содержащую технические характеристики некоторых зарубежных и отечественных гидроакустических станций обнаружения боевых пловцов-диверсантов. Анализ данных Таблицы показывает, что серийно выпускаемые средства обеспечивают решение задачи по созданию системы ближнего обнаружения, требуется только дополнение ее режимом комплексной обработки (совместная обработка информации, полученной от выносных гидроакустических модулей с последующим отображением на едином тактическом экране траекторных меток обнаруженных объектов). Несколько иначе обстоит дело с созданием гидроакустической системы дальнего обнаружения. Имеется ряд особенностей, требующих учета при выборе технических решений по реализации данной системы. Среди них:

Гидроакустические системы обнаружения боевых плавцов-диверсантов Наименование ГАС

Фирма-производитель, страна

Область применения ГАС

Таблица

Объект установки

Sea Guardian

Thompson Marconi Sonar Ltd, Великобритания

Защита кораблей и гаваней

Надводный корабль, гавань

TG-1 HF sonar system

Thompson Marconi Sonar Ltd, Великобритания

Защита гаваней, а также нефтяных платформ; миноискание, обнаружение навигационных препятствий

Гавань, надводный корабль, обитаемые подводные аппараты

Sea Witness

Thompson Marconi Sonar Ltd, Великобритания

Защита кораблей и гаваней

Надводный корабль, гавань

Sea Shield

Intech Corporation Ltd, Великобритания

Защита кораблей и подводных сооружений, при установке на обитаемые подводные аппараты – наблюдение за ближней обстановкой

Надводный корабль, гавань, обитаемые подводные аппараты

Swimmer detection system

Intech Corporation Ltd, Великобритания

Защита объектов на мелководье и в портах

На подступах к побережью

Cerebrus

QinetiQ, Великобритания

Защита кораблей и гаваней

Надводный корабль, гавань

Under-water Senry

Science Applications International Corporation (SAIC), США

Обнаружение катеров и малоразмерных судов

Переносное оборудование

CSS-80 sonar

C-Tech Ltd, Канада

Защита кораблей и гаваней

Надводные корабль, гавань

ASES (Active Sonar for Entranse Surveillance)

Atlas Elektronik, Германия

Защита гаваней

Дно гавани

APSS (Atlas Port Surveillance System)

Atlas Elektronik, Германия

Защита гаваней

GUARD D101

Whitehead Alenia Sistemi Subacquei Spa, Италия

Защита морских границ

«Паллада»

ЦНИИ «Морфизприбор», Россия

Защита кораблей и гаваней

Надводный корабль

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

• высокий уровень помех работе гидроакустической станции при размещении антенных систем непосредственно на конструкции платформы; • невозможность решить задачу освещения обстановки одной антенной системой для платформ типа «ледостойкий остров» вследствие невозможности обеспечить обзор в 360° за счет использования одной цилиндрической или сферической антенной решетки; • необходимость обеспечения оценки дистанции с высоким разрешением по углу в режиме шумопеленгования, что требует протяженной антенной базы; • необходимость обнаружения малошумных объектов (автономных подводных аппаратов), сходная с задачей обнаружения малошумных подводных лодок в традиционных гидроакустических комплексах и др. Анализ упомянутых особенностей приводит к выводу, что наилучшим из возможных решений является реализация гидроакустической системы дальнего обнаружения в виде системы пассивного обнаружения координат и параметров движения целей, реализующей метод измерения кривизны волнового фронта [3, с. 69], предложенной зарубежными разработчиками гидроакустических станций подводных лодок еще в 1970-ых годах (напр., ГАС PRS 3-15 производства ATLAS Electronik GmbH, Германия [4, с. 202]). Такое решение имеет ряд преимуществ. Антенны гидроакустических станций, реализованные в виде покровных универсальных гидроакустических модулей, крепятся непосредственно на корпусных конструкциях

платформы. Такой вариант крепления не выдвигает особых требований к конструкции самой платформы. Количество модулей, в зависимости от конкретной геометрии платформы, может быть любым. Обязательным является лишь требование наличия трех независимых модулей, работающих в одном пространственном секторе. Реализация каждого модуля в виде «цифровой» антенны, с передачей информации в цифровом виде по кабелю, позволяет разносить модули на требуемые расстояния, с последующей совместной обработкой непосредственно на платформе. Алгоритмические решения для реализации метода измерения кривизны волнового фронта также подробно описаны в литературе (см., напр., [3, с. 69-81]). Именно такой инженерный подход был выбран коллективом специалистов СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и ОАО «Концерн «Океанприбор», реализующим совместный проект по организации высокотехнологичного производства систем гидроакустического мониторинга акватории на базе покровных антенн в местах размещения нефте- и газодобывающих платформ в районе Арктического шельфа в рамках Постановления Правительства РФ № 218 (госконтракт с Минобрнаукой РФ № 13. G25.31.0054). Структурная схема гидроакустической станции обнаружения и оценки дистанции в режиме шумопеленгования с протяженными бортовыми антеннами, реализующей задачу мониторинга (сокращенно СОД ШП ПБА) (рис. 2) предназначена для решения следующих задач: • наблюдение за подводной обстановкой в режиме шу-

Рис. 2. Структурная схема Станции обнаружения и оценки дистанции в режиме шумопеленгования с протяженными бортовыми антеннами (СОД ШП ПБА)

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

мопеленгования (непрерывно); • наблюдение за подводной обстановкой в режиме гидролокации (по команде оператора); • определение точного местоположения платформы; • архивация поступающих и обрабатываемых данных; • контроль и диагностика системы гидроакустического мониторинга акватории и ее составных частей автоматизированной системой технического диагностирования; • выдача данных об обнаруженных объектах во внешние системы. Наиболее важной задачей при создании СОД ШП ПБА являлась конструкция универсального антенного модуля (УМГА), который должен был обеспечить высокую эффективность работы системы в условиях преобладающей помехи, обусловленной работой машин и механизмов платформы. Схематически конструкция такого модуля, отвечающего заданным требованиям, приведена на рисунке 3. Как видно из приведенного рисунка, модуль представляет собой многослойную конструкцию, включающую в свой состав обтекатель, защищающий антенну от механических повреждений, собственно антенный модуль, состоящий из двух слоев акустических преобразователей, и гидроакустический экран, снижающий воздействие помех, обусловленных работой машин и механизмов платформы, на систему обнаружения и оценки дистанции. На рисунках 4 и 5 приведены характеристики направленности модуля, полученные расчетным путем (рис. 4) и в ходе экспериментальной проверки (рис. 5). Полученные в ходе экспериментальной проверки результаты хорошо совпали с расчетными. Для оценки дальности действия СОД ШП ПБА в различных гидролого-акустических условиях были произведены расчеты, результаты которых приведены на рисунке 6. Как следует из приведенных рисунков, в целом предлагаемая система обеспечивает требуемую дальность действия в режиме шумопеленгования как при обнаружении рыболовецких судов, так и при наличии в районе установки комплекса автономных подводных аппаратов (расчет произведен для системы из трех УМГА с размерами, аналогичными модулю, изображенному на рис. 3). Для повышения эффективности решения задачи мониторинга в составе СОД ШП ПБА предусмотрена реализация активно-пассивного метода обнаружения – помимо режима шумопеленгования, предусмотрен режим бистатической гидролокации с использованием широкополосного излучателя, размещаемого на морской ледостойкой технологической платформе. Для проверки работоспособности системы в октябреноябре 2012 года были проведены приемочные испытания системы мониторинга акватории, в ходе которых было получено подтверждение расчетной дальности обнаружения объектов и достигнута точность определения дистанции в пассивном режиме порядка единиц процентов.

Рис. 3. Конструкция и внешний вид универсального антенного модуля (УМГА) 1 – акустический модуль приемных элементов (12x8); 2 – акустический модуль приемных элементов (12x8); 3 – обтекатель, ПТ – 3В, Δ – 5 мм; 4 – заливочный компаунд; 5 – звукопоглощающий экран; 6 – электростатические экраны; 7 – водяной зазор; 8 – механическая и электрохимическая развязки; 9 – корпус носителя.

Рис. 4. Расчетные характеристики направленности УМГА

Рис. 5. Результаты экспериментальной проверки УМГА

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

б Рис. 6. а – расчет зон контакта при обнаружении рыболовного траулера – мелкое море; б – расчет зон контакта при обнаружении рыболовного траулера – глубокое море; в – расчет зон контакта при обнаружении подводного аппарата – мелкое море; г – расчет зон контакта при обнаружении подводного аппарата – глубокое море.

Рис. 7. Установка приемных антенн на испытательном полигоне

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Рис. 8. Размещение приемных антенн на борту плавлаборатории Таким образом, в рамках проекта, реализуемого по заказу Минобрнауки РФ, предложена гидроакустическая система, по своим основным характеристикам удовлетворяющая требованиям, предъявляемым к системам освещения обстановки, устанавливаемым в местах размещения нефтегазодобывающих платформ в районе Арктического шельфа. Предложен, сконструирован и экспериментально проверен универсальный гидроакустический антенный модуль, обладающий высокой эффективностью при работе в преобладающем поле помех, вызванных работой машин и механизмов, размещаемых на платформе. Полученные в ходе выполнения данного проекта научные и инженерные результаты могут быть использованы и для решения специальных задач прикладной гидроакустики.

ЛИТЕРАТУРА • Рабочие материалы НКЭС ФЦП «РГМТ». – Протокол № 13 от 23.12.2010 г. – СПб: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2010. • Иванов А.М., Селезнев И.А. Решение задачи обнаружения целей с использованием системы шумопеленгования, размещенной на АНПА. – Научно-технический сборник «Гидроакустика». – вып. 12(2). – СПб: Наука, 2010. – С. 5-14. • Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы. – СПб: Наука, 2005. – 411 с. • JANE’S Underwater Warfare Systems 2007-2008. – Jane’s Information Group Limited, UK, 2007. – 772 pp.

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ МИКРОВОЛНОВОЙ ДИАГНОСТИКИ ВНУТРИОКЕАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Пассивные микроволновые методы дистанционного зондирования Земли широко используются для определения некоторых характеристик атмосферы и поверхности океана, таких как профили температуры и влажности атмосферы, водозапас облаков, интенсивность осадков, температура поверхности океана, скорость приводного ветра и др. [1, 2]. Относительно новой, но важной задачей является создание аэрокосмических методов наблюдения, способных «заглянуть» в толщу вод океана с целью диагностики процессов верхнего деятельного слоя океана, включая процессы, которые могут оказывать влияние на состояние атмосферы, интенсивность образования тайфунов и ураганов, а также на глобальные изменения погоды и климата на планете, такие как, например, явление Эль-Ниньо.

Научно-технологический центр «Космонит» ОАО «Российские космические системы» Москва О.В.Никитин И.В.Черный Г.М.Чернявский

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Постановка задачи наблюдения процессов в толще океана с помощью аэрокосмических методов зондирования вполне правомочна. Поскольку океан представляет собой термодинамически неравновесную среду (наличие течений, градиентов температуры и солености, которые формируют тонкую термохалинную структуру вод океана), то речь может идти об усилении эффектов поверхностного проявления глубинных процессов за счет запасенной в океане энергии неравновесности и их диагностики средствами дистанционного зондирования. В итоге может получиться, что на формирование полезного сигнала, регистрируемого дистанционными средствами, непосредственное влияние будет оказывать не тот процесс, который протекает в толще вод океана и который предстоит изучать, а другой, имеющий с изучаемым определенную связь (рис. 1). То есть, речь идет о диагностике вторичных процессов, которые являются следствием развития неустойчивостей в нелинейной неравновесной среде [3, 4]. Остановимся подробно на данной концепции. С термодинамической точки зрения эволюция неравновесной системы всегда подчиняется следующей закономерности – наискорейшая релаксация к максимально возможному в данных условиях равновесному состоянию. Одним из таких путей релаксации может служить развитие вторичной неустойчивости [5], в том числе, когда происходит спонтанное нарушение симметрии в системе. Из линейного анализа устойчивости предпочтение отдается модам, обладающим наибольшей скоростью роста. Однако, в ряде случаев симметрия задачи такова, что с учетом нелинейных членов в уравнениях движения, эволюция системы существенно замедляется в рамках первоначально выбранного из линейного анализа решения, и системе «выгодно», спонтанно нарушив исходную симметрию благодаря вторичной неустойчивости создать условия для более быстрой релаксации [5, 6]. Отметим, что именно таким образом происходит развитие процессов самоорганизации и образование пространственных структур, например, формирование тонкой термохалинной структуры вод океана [7], генерация крупномасштабных вихрей в атмосфере типа тропических циклонов, вследствие перекачки энергии от мелкомасштабной турбулентности к крупномасштабным структурам (обратный спиральный каскад) [8] и др. Названные выше примеры показывают, что в результате возникновения вторичных неустойчивостей, наиболее характерным будет путь эволюции, при котором развиваются подсистемы не являющиеся квазиподобными основной системе. Особый интерес представляют явления, развивающиеся на пороге устойчивости (или вблизи него) для системы, у которой вторичная неустойчивость спонтанно не возникает. Такое состояние достаточно характерно для многих районов океана, особенно в энергоактивных зонах, с интенсивными течениями, градиентами температуры и солености [7, 9, 10]. В результате нелинейной

Рис. 1. Усилительная модель дистанционной диагностики внутриокеанических процессов средствами СВЧ-радиометрии, согласно [3] эволюции первичные неустойчивости насыщаются, но фоновые градиенты параметров обычно не исчезают, а лишь видоизменяются настолько, чтобы система попала на порог устойчивости (то есть в системе остался определенный «запас» неравновесности). Оказывается, что если волновой сигнал конечной амплитуды и определенной структуры попадает в такую среду (вызванный, например, возмущением в виде вихрей, внутренних волн и др.), то его энергия может существенно возрасти [3, 5, 11]. При этом также меняется и энергия самой системы, что имеет большое значение для реализации методов дистанционного зондирования, поскольку в этих случаях проще фиксировать изменение состояния среды (рис. 1). Известно [4, 6], что развитие неустойчивости сдвиговых течений приводит к усилению внутренних волн, при этом энергия течения передается волне, увеличивая ее амплитуду (неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, излучательная неустойчивость) и, как следствие, усиливается модуляция поверхностного волнения. Аналогичные условия возникают, когда источником неравновесности являются градиенты температуры и солености. Наличие тонкой термохалинной структуры вод океана способствует развитию конвективной неустойчивости типа «двойной диффузии» [7,9], что в результате приводит к перестройке структуры и изменению состояния среды и, в свою очередь, может служить индикатором происходящих процессов как в океане (течения, внутренние волны, вихри, апвеллинги), так и в атмосфере (тайфуны, ураганы, тропические ливни). Многолетние исследования показали [3, 11, 17], что развитие вторичных неустойчивостей тонкой термохалинной структуры вод океана проявляется в поле собственного СВЧ-излучения поверхности и характеризуется спектральными и поляризационными вариациями яркостной температуры. Данный характер вариаций яркостной температуры позволяет классифицировать термохалинные явления на фоне процессов, связанных с воздействием ветра и прямым влиянием течений на поверхность, а также с изменением метеорологических параметров атмосферы [3].

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

НИС «Академик Лаврентьев»

течение Куросио

Рис. 2. Схема эксперимента по изучению ринга Куросио с помощью самолета-лаборатории Ту-134СХ и НИС «Академик Лаврентьев» в октябре 1990 года. Размер и положение антициклонического и циклонического вихрей показаны согласно данным самолетных СВЧ-измерений В рамках рассмотренной выше концепции проанализируем результаты наблюдений синоптических вихрей течения Куросио, выполненных в совместном эксперименте по изучению субарктической фронтальной зоны Тихого океана вдоль меридиана 149° в.д. от 34° до 45° с.ш. [12]. Эксперимент проводился в октябре 1990 года с участием НИС «Академик Лаврентьев» и самолета-лаборатории ТУ 134 СХ, на котором был установлен многоканальный сканирующий СВЧ-радиометр [11]. Схема эксперимента показана на рисунке 2.

Проблема изучения синоптических вихрей занимает одно из центральных мест в современной океанографии. Наиболее полное изложение теоретических и экспериментальных результатов о генерации и эволюции синоптических вихрей в океане дано в монографии [13].

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Эксперимент включал как микроволновое зондирование поверхности океана с борта самолета, так и корабельные измерения параметров in-situ. В ходе данной экспедиции было обнаружено уникальное явление в океане – синоптический ринг Куросио, который состоял из двух сопряженных вихрей противоположного знака: циклонического и антициклонического. На рисунке 3 приведены микроволновые изображения поверхности данного района на частотах 22, 37, 48 ГГц (вертикальная поляризация) и 75 ГГц (горизонтальная поляризация), полученные 20 октября. Съемка велась с высоты 10 км в полосе обзора 60 км. На рисунке 4 приведен гидрологический разрез в поле температуры верхнего слоя океана (0-300 м), выполненный научно-исследовательским судном вдоль меридиана 149° в.д. между 38°00’ и 44°20’ с.ш. в период с 16 по 18 октября. Гидрологические измерения представляют картину, которая типична для исследуемого района. Указанный район охватывает северную часть субарктической зоны Тихого океана, пересекает северную часть субарктического фронта на широте приблизительно 40°30’с.ш. и заканчивается в межфронтальной зоне, не достигая южной части фронта.

Рис. 3. Микроволновые изображения поверхности океана вдоль меридиана 149°в.д., полученные 20 октября 1990 года с борта самолета-лаборатории Ту-134 СХ на частотах 22, 37 и 48 ГГц (вертикальная поляризация) и 75 ГГц (горизонтальная поляризация) Как можно видеть на рисунке 4, разрез пересекает два синоптических антициклонических вихря, которые являются обычным явлением для данного региона. Подобные вихри формируются из меандров течения Куросио и смещаются к северу вдоль континентального склона, продолжая существовать в течение 1,5-2 лет [14]. На представленном разрезе в поле температуры антициклонические вихри имеют начертание изотерм в форме воронки. Один из вихрей занимает область 42-44° с.ш., а другой вихрь – область к югу от 39°20’ с.ш. В обсуждаемом случае нас больше интересует антициклонический вихрь, расположенный в северной части разреза, который сопряжен с циклоническим вихрем. Циклонический вихрь имеет куполообразное начертание изолиний. Антициклонический вихрь расположен вблизи поверхности, тогда как циклонический вихрь находится на глубине свыше 150 м. Микроволновая съемка хорошо фиксирует оба вихря, причем антициклонический вихрь наблюдается только в канале 37 ГГц, и его изображение на поверхности имеет размер порядка 150 км, а циклонический вихрь – только в канале 48 ГГц, и размер его изображения на поверхности составляет около 200 км. Кроме того, контрасты яркостной температуры, обусловленные глубоководным вихрем (6-7 K), более значительны, чем вызванные вихрем, расположенным у поверхности (3-4 К). Следует отметить, что на момент съемки район вихрей характеризуется условиями безоблачной атмосферы и лишь южнее 40° с.ш. наблюдаются облачные структуры, которые

фиксируются одновременно во всех каналах СВЧ-радиометра. Два сопряженных вихря противоположного знака – циклонический и антициклонический – называют солитоном Россби. Проблемы образования солитонов Россби исследовались методом численного моделирования [15,16]. Экспериментальные данные дистанционного зондирования (рис. 2 и рис. 3) и измерения in-situ (рис. 4)

Рис. 4. Меридиональный разрез в поле температуры (°C) с юга на север вдоль 149°в.д., выполненный НИС «Академик Лаврентьев» в период между 16 и 18 октября 1990 года No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 5. Численный результат моделирования солитона Россби по Кизнеру [15]. Изолинии функций тока (в % от максимума) в вертикальной и горизонтальной плоскостях

находятся в хорошем согласии с результатами Кизнера [15] по численному моделированию солитона Россби (рис. 5). Тот факт, что средства СВЧ-радиометрии позволяют наблюдать одновременно оба вихря, может служить важным элементом спутниковой океанографии, поскольку положение одного вихря по отношению к другому определяет генеральное направление их распространения в океане [13]. Рассмотренные выше особенности проявления синоптических вихрей в поле собственного СВЧ-излучения поверхности океана не является чем-то исключительным и редким. Напротив, встречаются они в океане довольно часто, но всегда приурочены к тем или иным гидрофизическим возмущениям [11, 17]. В качестве примера на рисунке 6 приведен разрез поля температуры вдоль того же самого меридиана (149°00’ в.д), но выполненный 9-12 октября 1983 года в экспедиции 15-го рейса НИС «Профессор Богоров», где также проводились синхронные микроволновые исследования поверхности с борта судна [11]. На рисунке 6 видно, что спектральные вариации СВЧ-излучения поверхности океана наблюдались в зоне Субарктического фронта и были обусловлены возмущениями циклонического типа. Можно видеть, что

Рис. 6. Меридиональный разрез в поле температуры (°C) с юга на север вдоль 149° в.д., пересекающий течение Куросио в период между 9 и 12 октября 1983 года, выполненный НИС «Профессор Богоров»

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

СВЧ-аномалии на поверхности океана расположены во фронтальной зоне течения Куросио, где существует отчетливая линзовая структура вод в поле температуры на глубине 100-400 м (36-38° с.ш.), а также в районе Курильского течения (39°30’-40° с.ш.). Горизонтальный масштаб поверхностных СВЧ-аномалий сравним с масштабом температурных линз. Таким образом, целый ряд океанологических явлений, в том числе синоптические вихри циклонического и антициклонического типа, области взаимодействия морских

течений, фронты и другие, способны проявляться в поле собственного СВЧ-излучения свободной поверхности, при этом они зачастую обладают большим контрастом яркостной температуры (десятки Кельвинов) и доступны дистанционному наблюдению с помощью аэрокосмических средств. В заключение следует отметить, что развитие отечественных технологий спутниковой СВЧ-радиометрии [18, 19] уже сегодня позволяет значительно расширить круг решаемых задач, в том числе, использовать космические микроволновые методы для диагностики процессов деятельного слоя океана.

ЛИТЕРАТУРА 1. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г., Л.П. Бобылев, С.Ю. Матросов. Радиотеплолокация в метеорологии. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – 284 с. 2. Черный И.В., Чернявский Г.М., Успенский А.Б., Пегасов В.М. СВЧ-радиометр МТВЗА спутника «Метеор-3М» №1: предварительные результаты летных испытаний. – Исследование Земли из космоса. – 2003. – №6. – С. 35-48. 3. Гуськов Г.Я., Моисеев С.С., Черный И.В. Вторичные неустойчивости в системе океан-атмосфера и метод микроволновой диагностики природных катастроф. – Препринт ИКИ РАН, Пр-1762. – М.,1991. – 34 с. 4. Островский Л.А., Рыбак С.А., Цимринг Л.Ш. Волны отрицательной энергии в гидродинамике. – УФН. – Т. 150. – №3. – 1986. – С. 417-437. 5. Моисеев С.С., Сагдеев Р.З. Проблемы вторичных неустойчивостей в гидродинамике и плазме. – Изв. ВУЗов. Радиофизика. – Т. 29. – №9. – 1986. – С. 1067-1072. 6. Нелинейные волны. Структуры и бифуркация / Под ред. Гапонов-Грехов А.В. и Рабинович М.И. – M.: Наука, 1987. – 398 с. 7. Федоров К.Н. Тонкая термохалинная структура вод океана. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976. – 183 с. 8. Веселов В.М., Гербек Е.Е., Забышный А.И. и др. О проверке физической модели зарождения крупномасштабных вихрей с ненулевой спиральностью. – Препринт ИКИ РАН, Пр-1604. – M., 1989. – 12 с. 9. Федоров К.Н. Физическая природа и структура океанических фронтов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. – 296 с. 10. Сеидов Д.Г. Синергетика океанских процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. – 288 с.

11. Райзер В.Ю., Черный И.В. Микроволновая диагностика поверхностного слоя океана. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1994. – 232 с. 12. Черный И.В., Шевцов В.П. Проявление синоптического вихря в поле собственного СВЧ-излучения поверхности океана. – Исследование Земли из космоса. – №4. – 1994. – С. 9-17. 13. Каменкович В.М., Кошляков М.Н., Монин А.С. Синоптические вихри в океане. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – 512 с. 14. Лобанов В.Б., К.А. Рогачев, И.В. Булатов и др. Долгопериодная эволюция теплого вихря Куросио. – Докл. Акад. Наук СССР. – Т. 317. – №4. – 1991. – С. 984-988. 15. Кизнер З.И. Солитоны Россби с осесимметричными бароклинными модами. – ДАН СССР. – Т. 275. – №.6. – 1984. – С. 1495-1498. 16. Берестов А.Л. Дисперсионные соотношения для Солитона Россби. – Известия АН СССР, ФАО. – Т. 21. – №3. – 1985. – С. 332-334. 17. Cherny I.V. and Raizer V.Yu. Passive Microwave Remote Sensing of Oceans. – Wiley-Praxis, Chichester, 1998. – 195 рp. 18. Чернявский Г.М. Отечественные технологии спутниковой СВЧ-радиометрии. – Аэрокосмический курьер. – №6. – 2007. – С. 57-59. 19. Барсуков И.А., Никитин О.В., Стрельцов А.М, Черный И.В., Чернявский Г.М. Предварительная обработка данных СВЧрадиометра МТВЗА-ГЯ КА «Метеор-М» №1. – Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Сборник научных статей. – Том 8. – №2. – 2011. – С. 257-263.

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

ПОДВОДНЫЕ ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

В АРКТИКЕ КАКОВА РЕАЛЬНАЯ УГРОЗА? В последнее время в нашей стране был принят ряд решений, направленных на дальнейшее освоение Арктического региона, в том числе – на увеличение объемов грузоперевозок по трассе Северного морского пути и добыче полезных ископаемых на шельфе Арктических морей. Затопленные в Арктике в 60-80-х годах прошлого века радиоактивные отходы могут оказать негативное влияние на планируемые работы. В статье приведены экспериментальные данные по обследованию большинства известных захоронений радиоактивных отходов (включая аварийные затонувшие подводные лодки) в морях Северного Ледовитого океана. Для анализа использованы данные по содержанию искусственных радионуклидов в воде, донных отложениях и биологических объектах заливов архипелага Новая Земля, а также средний уровень радиоактивного фона по искусственным радионуклидам для арктических морей. Созданы модели возможного распространения радионуклидов в этом регионе в случае чрезвычайной ситуации. Результаты исследований позволили сделать оценку потенциального масштаба этого влияния и вероятности отрицательных экологических последствий для региона. 80

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

ОАО «Концерн «Моринсис-Агат»*

НИЦ «Курчатовский институт»

Москва

В.В. Кобылянский

А.Ю. Казённов О.Е. Кикнадзе

* координатор технологической платформы «Освоение океана»

В 2005 году крупными специалистами в области радиационной безопасности и защиты окружающей среды – ведущими сотрудниками Минатома, ВМФ, Госкомгидромета, Госкомэкологии и Курчатовского института была подготовлена «Белая книга-2000» [1]. В книге представлена обширная информация о естественной радиоактивности и основных источниках долгоживущих техногенных радионуклидов в Мировом океане, достоверные результаты количественных оценок радионуклидного состава и активности затопленных радиоактивных отходов (РАО), измерений радиоактивности проб морской воды, донных отложений и гидробионтов из районов затопления РАО. Кроме того, в нее включены данные о реальной радиационной обстановке в акваториях и вблизи пунктов базирования АПЛ

Северного и Тихоокеанского флотов, а также расчеты последствий потенциально возможных аварийных ситуаций. Оценки радиационного потенциала затопленных отходов, представленные в «Белой книге-2000», достаточно реалистичны и учитывают как нуклидный состав РАО, так и спад их активности в результате радиоактивного распада. Примеры таких расчетных оценок активности РАО для некоторых наиболее значимых объектов, приведенные в «Белой книге-2000» и выполненные в рамках международных проектов МНТЦ-101 и IASAP (МАГАТЭ), представлены в Таблицах 1 и 2 [2]. Как видно из приведенных Таблиц, наибольшая активность сосредоточена в объектах с отработавшим ядерным топливом (ОЯТ) – подводные лодки Б-159, К-27, «КомсоТаблица 1

Активность объектов с ОЯТ, затопленных в Карском море №

Суммарная активность ОЯТ (оценка на 2000 г.)

Наличие затопленных объектов с ОЯТ

Место затопления

ТБк

кКи 6,8

Новоземельская впадина

1 реактор с ОЯТ – АПЛ зак. № 142

251

Залив Цивольки

1 экр. сборка с частью топлива а/л «Ленин»

1579

42,7

Залив Степового

2 реактора с ОЯТ – АПЛ зак. №601 (К-27)

831

22,5

Залив Абросимова

3 реактора с ОЯТ – АПЛ зак. №901, 285

1387

37,5

4048

109,4

ИТОГО

Активность ТРО без ОЯТ, затопленных в Карском море №

Место затопления

Активность ТРО (оценка на 2000 г.) ТБк

кКи

Количество контейнеров с ТРО

Таблица 2 Наличие реакторов без ОЯТ

Новоземельская впадина

112,1

3,029

4824

–

Залив Седова

111,8

3,022

1100

–

Залив Ога

64,0

1,728

2190

–

Залив Цивольки

53,3

1,440

5242

Залив Степового

28,1

0,7606

1917

–

Залив Абросимова

16,7

0,4512

646

Залив Течений

15,9

0,4303

194

Залив Благополучия

7,7

0,2079

992

–

409,6

11,069

17 105

ИТОГО

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

3 Рис. 1. Районы затопления твердых радиоактивных отходов в Карском море: 1 – залив Цивольки, 2 – залив Степового, 3 – залив Абросимова молец», четыре реакторных отсека и экранная сборка с частью топлива реактора №2 атомного ледокола «Ленин». Согласно расчетным оценкам, на текущий момент суммарная активность продуктов деления только в реакторах этих объектов превосходит 11,1 ПБк (300 кКи). Кроме того, было затоплено около 17 000 контейнеров с твердыми радиоактивными отходами (ТРО). Большинство затопленных в Арктике объектов находятся во внутренних территориальных водах РФ.

Результаты обследований твердых радиоактивных отходов Первое подробное радиационное обследование затопленных объектов в заливах Абросимова, Степового и Цивольки было проведено в рамках трехлетнего цикла совместных российско-норвежских исследований в 1992-94 годах [3]. За время этих экспедиций был выполнен большой объем работ по отбору и анализу радиоактивности проб морской воды, донных отложений и морских гидробионтов. Уже в ходе этих

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

работ было обнаружено, что координаты затопленных объектов, определенные с помощью гидролокатора, значительно расходятся с имеющимися архивными данными, при этом часть объектов так и не была обнаружена. После российсконорвежских работ 1992-94 годов и вплоть до 2004 года никаких экспедиций по обследованию затопленных объектов в заливах архипелага Новая Земля не проводилось. В 2004-2011 годах под эгидой МЧС был проведен полный цикл мероприятий по детальному обследованию подводных захоронений радиоактивных материалов в Карском море. В ходе этих работ было обследовано большинство подводных потенциально опасных объектов (ППОО), затопленные в заливах Цивольки, Степового, Абросимова и Ога на восточном побережье архипелага Новая Земля. Затопления ТРО в Арктическом регионе проводились с 1964 по 1991 год в радя районов Карского моря (см. рисунок 1), причем, согласно архивным данным, обозначенные три района представляют наибольший интерес с точки зрения как интенсивности затоплений, так и общей активности затопленных объектов.

В результате проведенных исследований было установлено, что в ряде районов, где проводились захоронения, уровни загрязнения донных отложений техногенными радионуклидами (в основном 137Сs) превышали значения, характерные для Карского моря. Предполагалось, что основной причиной такого загрязнения был выход радионуклидов из затопленных контейнеров с радиоактивными отходами (рис. 2), так как вблизи некоторых из них содержание 137Сs и 60 Со в донных отложениях составляло десятки кБк/кг. Вместе с тем, результаты измерений показали, что уже на расстоянии ~ 10-15 метров от затопленных объектов содержание техногенных радионуклидов существенно снижается (до нескольких десятков Бк/кг), что свидетельствовало о локальном характере загрязнений (см. таблицы 3 и 4).

Рис. 2. Внешний вид затопленных контейнеров с твердыми радиоактивными отходами (подводные съемки в заливе Степового) Таблица 3

Концентрация 137Cs в донных отложениях и мощность дозы на различном удалении от контейнера (объект 32) Концентрация 137Cs в донных отложениях, Бк/кг сухого веса

Мощность дозы, мкЗв/ч

дно, 5 км от объекта

45 ± 3

0,05

дно, 3 км от объекта

126 ± 12

0,08

1 м от объекта

382 ± 16

0,15

дно, вплотную к объекту

916 ± 52

0,4

–

Место измерения

сверху на объекте

Результаты измерения содержания 137Cs в донных отложениях вблизи затопленного судна (объект 26) Место измерения

Таблица 4

Концентрация 137Cs в донных отложениях, Бк/кг сухого веса

~ 10 км от объекта

29 ± 3

~ 2 м от борта

41 ± 4

~ 1 м от борта

13 ± 5

вплотную к борту

14 ± 4

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Содержание 137Cs в донных отложениях

Рис. 3. Залив Абросимова: вертикальное распределение 137 Cs в колонке грунта у реакторного отсека

На рисунках 3, 4 и 5 приведены некоторые результаты измерений содержания 137Cs в донных отложениях заливов архипелага Новая Земля. В общей сложности было выполнено более 40 станций. Пробы донных отложений отбирались с помощью грунтовой трубки; глубина отбора достигала 25 см. Измерения содержания 137Cs выполнялись послойно через 2 см. Вертикальные распределения 137Cs в колонках грунта подавляющего большинства станций идентичны. Максимум на глубине керна 5-8 см совпадает по времени с тем периодом, когда на Новой Земле проводились испытания ядерного оружия. В это же время (до запрещения испытаний ядерного оружия в атмосфере и под водой) аналогичные испытания проводились и в других странах. Поэтому этот «пик» в вертикальных распределениях во многом обусловлен глобальными выпадениями радиоактивных изотопов от ядерных взрывов.

Содержание 137Cs в бентосных организмах

Рис. 4. Залив Степового: вертикальное распределение 137 Cs в колонке грунта у контейнеров с ТРО

Важное место в радиационном обследовании мест захоронения ТРО занимает исследование гидробионтов, поскольку это самый простой и эффективный способ оценки влияния техногенных радионуклидов на экологические системы в районах захоронения. Анализ проб показывает, что содержание техногенного 137 Cs в бентосных организмах заливов Абросимова и Степового в среднем выше, чем в бентосных организмах открытой части Карского моря и других районов шельфа арктических морей. Однако, эти значения значительно ниже уровней, известных для Северной Атлантики и Балтийского моря. Влияния повышенной концентрации 137Cs в заливах Абросимова и Степового на качественный и количественный состав донных сообществ не обнаружено. Бентосные сообщества исследуемых районов соответствуют описанным в литературе для прибрежных районов Карского моря. Уровни концентрации 137Cs в пробах бентоса и их сравнение с фоновыми значениями представлены в Таблице 5.

Оценки интегрального содержания техногенных радионуклидов

Рис. 5. Залив Цивольки: вертикальное распределение 137 Cs в колонке грунта у объекта 15 (реакторная сборка ледокола «Ленин»)

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

На основании результатов радиационного обследования районов затопления ТРО, проведенного в 2005-2006 годах, были построены картограммы загрязнений и выполнены оценки интегрального содержания техногенных радионуклидов в донных отложениях заливов Абросимова, Степового и Цивольки. Такие же оценки были выполнены и по данным российско-норвежской экспедиции 1994 года. Для оценки интегрального содержания техногенных радионуклидов в донных отложениях была разработана специальная расчетная методика, в соответствии с которой

Ракообразные Crustacea Isopoda

Иглокожие Ophiopleura borealis Рис. 6. Слева - малый трал для отбора гидробионтов, справа – образцы биоты Таблица 5

Содержание 137Cs в пробах бентоса 2005 – 2006 гг., Бк/кг сырой массы Залив Абросимова

Залив Степового

Залив Цивольки

Новоземельский желоб (фоновая точка)

Бурые водоросли (Laminaria saccharina)

1,2

1,8

–

Ракообразные (Crustacea Isopoda)

–

2,4

0,2

Двустворчатые моллюски (Bivalvia)

0,5 – 1,1

0,7 – 1,2

0,1 – 0,5

< 0,08

Иглокожие (Echinodermata)

3,0 – 3,2

0,7 – 1,1

0,1 – 0,2

0,1 – 0,6

Виды бентоса

предполагалось, что нуклидный состав затопленных радиоактивных материалов соответствует усредненному составу ТРО, приведенному в ВСТЗ-66 (50% 60Co, 25% 90Sr, 25% 137Cs), а также учитывалось изменение этого состава с течением времени в результате радиоактивного распада и усредненное распределение радионуклидов по толщине слоя донных отложений (см. рисунки 4, 5). Расчеты производились с помощью интерполирующей программы ISOMAP (НИЦ «Курчатовский институт»). Как следует из данных, представленных в Таблице 6, оценки интегральной активности, полученные на основе данных

российско-норвежских (1992-1994) и российских экспедиций (2005-2006), расходятся менее чем в 2 раза, что в данном контексте означает достаточно хорошее их совпадение. Предпочтение, однако, следует отдать результатам последних экспедиций, поскольку в них был использован «пообъектный» метод исследования радиоактивности донных отложений, который подразумевает проведение измерений в непосредственной близости от затопленных объектов с помощью высокоточных средств доставки гамма-спектрометрической аппаратуры (в отличие от «сеточного» метода, использованного в 1992-1994 годах, при котором точки

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Таблица 6

Оценки интегрального содержания техногенных радионуклидов в донных отложениях заливов Абросимова, Степового и Цивольки Залив Абросимова

Залив Степового

Залив Цивольки

Суммарная активность затопленных ТРО на 2000 г. (БК-2000), Бк (Ки)

1,7 . 1013 (451)

2,8 . 1013 (759)

5,3 . 1013 (1400)

Оценка суммарной активности, поступившей в окружающую среду (БК-2000), Бк (Ки) % от суммарной активности

3,7 . 1010 (7,6) 4,36

2,8 . 1011 (7,6) 1,0

2,5 . 1012 (68,7) 4,72

Оценка суммарной активности в донных отложениях по данным эксп. 1992-1994 гг., Бк (Ки) % от суммарной активности

3,7 . 1010 (1,0) 0,22

8,5 . 109 (0,23) 0,03

–

по данным эксп. 2005 и 2006 гг., Бк (Ки) % от суммарной активности

1,9 . 1010 (0,5) 0,12

8,4 . 109 (0,23) 0,03

4,7 . 1010 (1,3) 0,09

Потенциально наиболее опасные объекты

измерения/пробоотбора выбираются приблизительно на равном расстоянии друг от друга и равномерно покрывают площадь исследуемого района). Примечательно, что полученные оценки суммарной активности в донных отложениях оказались заметно меньше результатов оценочных расчетов, которые были проведены ранее в рамках таких крупных международных проектов, как МНТЦ-101 и IASAP [3]. Расхождение, как видно из Таблицы 6, достигает нескольких десятков раз. Это свидетельствует о том, что скорость выхода радиоактивных материалов из захоронений ТРО, использованная в этих оценочных расчетах, была сильно завышена по сравнению с реальной. Фоновые уровни содержания радионуклидов в донных отложениях Карского моря значительно меньше значений, приведенных на рисунках 3, 4 и 5. В Таблице 7 представлены данные о средних концентрациях радионуклидов в донных отложениях различных морей. Как следует из представленных данных, несмотря на обилие подводных захоронений, Карское море не является областью повышенного радиационного риска. Фоновые значения концентрации радионуклидов, приведенные в Таблице 7, зависят скорее от расстояния до Селлафильда, где расположен завод по переработке ядерных отходов, чем от количества РАО, затопленных в акватории.

Существует тип ППОО, который представляет большую потенциальную опасность, в первую очередь – благодаря своему высокому радиационному потенциалу. Речь идет об объектах с отработанным ядерным топливом. Перечень этих объектов представлен в Таблице 8. Оценка радиационного потенциала объектов дана в пересчете на 2012 год. Наряду с высоким радиационным потенциалом эти объекты характеризуются наличием защитных барьеров, которые препятствуют немедленному выходу радионуклидов в окружающую морскую среду. Характеристики этих ППОО, такие как эффективность защитных барьеров, скорость их разрушения, динамика водной среды в районе затопления и пр., требуют углубленного изучения с обязательным учетом индивидуальных особенностей каждого из захоронений. В целях рационального планирования дальнейшего обращения с перечисленными выше ППОО необходимо провести процедуру ранжирования их по уровню потенциальной опасности. Рассмотрим некоторые объекты, которые представляют наибольший интерес с этой точки зрения и, на наш взгляд, должны стоять во главе списка нерешенных радиационных проблем Российской Федерации. Таблица 7

Средняя концентрация радионуклидов в донных отложениях арктических морей, Бк/кг сухого веса Море Баренцево Карское Норвежское

239, 240

241

0,32 ± 0,15

8±3

1,1 ± 0,6

0,43 ± 0,24

1,5 ± 1,3

15 ± 6

0,38 ± 0,23

0,15 ± 0,10

3,5

26 ± 18

1,1 ± 0,4

0,76 ± 0,22

13 ± 5

2,2 ± 2,0

1,1 ± 0,7

Гренландское

137

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Таблица 8

Ядерные объекты, затопленные в Арктике Время и место захоронения

Радиационный потенциал объектов на 2012 год

К-278 «Комсомолец» проект 685

затонула 7 апреля 1989 года в Норвежском море, на глубине 1680 м

3436 ТБк (92,9 кКи)

Б-159, проект 627 А

затонула 30 августа 2003 года в Баренцевом море, на глубине 263 м

5319,7 ТБк (143,8 кКи)

К-27, заказ №601, проект 645 ЖМТ

затоплена 10 сентября 1981 года в Карском море, в заливе Степового, на глубине 33 м

629,8 ТБк (17,1 кКи)

Экранная сборка с частью ОЯТ реактора №2 атомного ледокола «Ленин»

затоплена в 1967 году в Карском море, в заливе Цивольки, на глубине 44 м

1196,7 ТБк (32,4 кКи)

Реакторный отсек АПЛ заказ №901 с двумя реакторами

затоплен в 1965 году в Карском море, в заливе Абросимова, на глубине 20 м

575,2 ТБк (15,5 кКи)

Реакторный отсек АПЛ заказ №285 с двумя реакторами (ОЯТ только в реакторе левого борта)

затоплен в 1966 году в Карском море, в заливе Абросимова, на глубине 20 м

476 ТБк (12,9 кКи)

Реактор левого борта АПЛ заказ №421

затоплен в 1966 году в Карском море, в Новоземельской впадине, на глубине ~300 м

190,2 ТБк (5,2 кКи)

Ядерный объект

АПЛ Б-159 проекта 627А Атомная подводная лодка Б-159 проекта 627А затонула 30 августа 2003 года при буксировке из поселка Гремиха на СРЗ в город Полярный, куда она была направлена для выгрузки ОЯТ из реакторов и последующей утилизации. Затопление произошло на входе в Кольский залив в 3,7 милях от острова Кильдин на глубине 246 метров, на протяжении 16 миль до пункта назначения (см. рисунок 7). На момент затопления активность радионуклидов в ОЯТ двух реакторов АПЛ Б-159 составляла 6,6 ПБк (177 кКи). К настоящему моменту она снизилась до 5,32 ПБк (143,8 кКи). По нашему мнению, затонувшая АПЛ Б-159 представляет собой максимальную потенциальную опасность среди всех затопленных в Арктике объектов, поскольку: • во-первых, активность отработанного ядерного топлива в реакторах АПЛ превосходит активность всех других затопленных объектов; • во-вторых, в отличие от ППОО, затопленных в Карском море и у побережья Новой Земли, на АПЛ Б-159 отсутствуют какие-либо дополнительные защитные барьеры между ОЯТ и морской средой (таких, как заливка битумом помещений РО, заполнение труб первого контура и АЗ твердеющими составами на основе фурфурола и т.д.), что увеличивает риск возможного загрязнения; • в-третьих, АПЛ Б-159 затонула на выходе из Кольского залива: рядом проходят судоходные пути, а в непосредственной близости от лодки в 2007 году было отмечено значительное количество рыбы промысловых пород (треска, пикша, зубатка, морской окунь) и других биообъектов (криль, крабы), при этом районы

Рис. 7. Вверху – место затопления Б-159, внизу – трехмерная акустическая модель АПЛ Б-159, получена в 2007 году с помощью многолучевого сонара высокого разрешения ADUS SEABAT

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

рыбного промысла расположены также недалеко от места затопления. По экспертным оценкам, в случае разгерметизации реакторной установки АПЛ Б-159 через один год может возникнуть превышение контрольных концентраций в рыбе. По консервативным оценкам, через 10 лет могут быть превышены допустимые уровни удельной активности радионуклидов в рыбе по 137Cs и по 90Sr. Кроме того, может стать значимым радиационный риск для гидробионтов, поселившихся вблизи прочного корпуса и проявления у них негативных радиационных эффектов. В любом случае, выход радиоактивности из АПЛ может способствовать возникновению проблем с сопредельными странами в случае обнаружения ими в выловленной рыбе техногенных радионуклидов в количествах, превышающих фоновые значения. С учетом этих обстоятельств оптимальным решением по дальнейшему обращению с АПЛ Б-159 является ее подъем с последующей утилизацией. Решение об оставлении АПЛ Б-159 на месте затопления потребует разработки проекта по ее надежной консервации с целью предотвращения выхода радионуклидов. При этом, вследствие коррозии топлива в морской воде, будет происходить его постепенное разрушение и осыпание, что не исключает возможности возникновения в будущем самоподдерживающейся цепной реакции. Таким образом, при отказе от подъема АПЛ должна быть разработана система постоянного мониторинга радиационной обстановки в месте затопления. Варианты укрытия АПЛ Б-159 в месте затопления прорабатывались в СМПБМ «Малахит», о чем сообщалось на Семинаре КЭГ МАГАТЭ, проходившем в Осло в феврале 2011 года. При этом было отмечено, что по сложности выполнения операции подъема и укрытия примерно равноценны. Последний радиационный мониторинг АПЛ Б-159 проводился в июне-июле 2007 года в рамках международной

программы AMEC. Было установлено, что первый контур реакторных установок АПЛ оставался на тот момент герметичным, и выхода радионуклидов из АПЛ в окружающую морскую среду обнаружено не было. После осмотра корпуса АПЛ был сделан вывод о том, что подъем АПЛ возможен в соответствии с проектом, разработанным СПМБМ «Малахит» еще в 2003 году (после внесения некоторых незначительных изменений). В настоящее время ни состояние защитных барьеров затонувшей АПЛ Б-159, ни радиационная обстановка в районе затопления не известны. [В 2007 году на АПЛ был установлен автономный датчик радиоактивности, который закончил в свою работу в ноябре 2008 года].

Рис. 8. Залив Степового. Место затопления АПЛ К-27. На вставном фрагменте – гидроакустическое изображение К-27 (2004)

Рис. 9. Профиль распределения 137Cs в районе затопления К-27 не отличается от типичного для залива Степового

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

АПЛ К-27 проекта 645 В мае 1968 года на АПЛ К-27 произошла авария ППУ с разрушением около 20 % активной зоны реактора левого борта. После аварии ППУ была выведена из эксплуатации, теплоноситель первого контура «заморожен», а АПЛ – переведена в отстой. В сентябре 1981 года К-27 была затоплена в заливе Степового Карского моря с открытым люком реакторного отсека. С целью предотвращения проникновения воды в свободные объемы реакторов и оборудования ППУ была проведена их консервация путем заполнения внутренних полостей оборудования и части помещений реакторного отсека консервирующими составами на основе битума и фурфурола. По расчетным оценкам, активность ОЯТ в реакторах К-27 в настоящий момент составляет 629,8 ТБк (17,1 кКи). Обследование К-27 проводилось в совместных российско-норвежских экспедициях в 1993 и 1994 годах, а также в экспедициях МЧС России 2004, 2005 и 2006 годов. В 2004 году К-27 была обнаружена во время съемки ГБО лежащей на ровном киле (рис. 8).

Во время экспедиции 2006 года были проведены несколько серий измерений и получены данные о радиационном загрязнении места затопления. Было установлено, что в одной из точек измерения поверхность легкого корпуса АПЛ сильно загрязнена 137Cs. Однако, анализ формы спектра показал, что выявленное загрязнение связано, скорее всего, не с выходом активности из АПЛ после ее затопления в заливе Степового, а с последствиями радиационной аварии, произошедшей в 1968 году [7]. Этот вывод был подтвержден результатами измерения уровней гаммаактивности воды в районе рубки и донных отложений в месте затопления АПЛ, которые показали, что концентрация 137 Cs не превышает пределов обнаружения спектрометра. Анализ проб грунта, которые были отобраны при обследовании района затопления К-27, показал, что максимум активности 137Cs в грунте расположен на горизонте 5 см и не превышает 8,9 ± 0,8 Бк/кг (рис. 9). Таким образом, результаты обследования говорят о том, что • выхода радионуклидов из реакторов АПЛ К-27 в окружающую морскую среду не обнаружено; • основные защитные барьеры на момент проведения последнего обследования (2006) не утратили своей герметичности. Последние данные [11], полученные в 2011 году при утилизации реакторной установки с ЖМТ показали, что консервант на основе фурфурола со временем деградирует. Это означает, что и в реакторном отсеке К-27 идет процесс разрушения консерванта, что, в свою очередь, неизбежно приведет к его разгерметизации и попаданию морской воды в активную зону в обозримом будущем. На рабочей встрече экспертов МАГАТЭ в феврале 2011 года разработчиками реакторной установки К-27 было заявлено о возможном возникновении самоподдерживающейся цепной реакции в реакторах этой АПЛ в случае попадания в активную зону морской воды в объеме 5-6 л. При

этом «возможна ядерная вспышка, классифицируемая как взрыв», которая приведет к разрушению корпуса лодки и радиоактивному загрязнению окружающей морской среды [10]. Согласно наиболее консервативным оценкам, мощность такого взрыва может составить ~ 1 тонна в тротиловом эквиваленте. В реакторах АПЛ К-27 находится большое количество высокообогащенного урана (~180 кг 235U). Глубина затопления составляет всего 33 метра, при этом обеспечить физическую защиту объекта практически невозможно. Таким образом, АПЛ К-27 может представлять определенный соблазн для террористического акта на месте затопления или попытки извлечения радиоактивных материалов для оснащения взрывных устройств. В итоговом протоколе семинара экспертной группы КЭГ МАГАТЭ, прошедшем в Хельсинки в апреле 2012 года указывается следующее: «Исходя из текущей информации о состоянии затопленной АПЛ К-27 и ее интерпретации в частности в том, что касается расчетных темпов коррозии и разрушения отдельных основных элементов ее реакторов, подъем этой подводной лодки вместе с двумя реакторами, содержащими высокообогащенный уран, был представлен как самый приоритетный проект для международного сообщества».

АПЛ К-278 («Комсомолец») АПЛ К-278 «Комсомолец», проект 685, затонула 7 апреля 1989 года в Норвежском море на глубине 1680 м (рис. 10). Согласно расчетным оценкам, суммарная активность ОЯТ в реакторах «Комсомольца» в настоящее время составляет 3,4 ПБк (92,9 кКи). В 1994 году была сделана верхняя оценка скорости поступления 137Cs из трубы вентиляции реакторного отсека «Комсомольца» в окружающую среду – 0,37 ТБк/год (10 Ки/год). Содержание 137 Cs в воде за неделю менялось от 300 до 1600 Бк/л. 1994

2007

Рис. 10. Место аварии АПЛ «Комсомолец»

Рис. 11. Рубка АПЛ «Комсомолец» с установленным гамма-спектрометром (2007) На вставном фрагменте – интенсивный выход радиоактивной взвеси из трубы реакторного отсека в 1994 году No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 12. Измерение скорости поступления 137Cs из трубы реакторного отсека; измерения выполнены с помощью автономного гамма-спектрометра в течение 1,5 суток

В 2007 году было установлено, что с момента последних измерений 1994 года концентрация радионуклидов в месте их выхода из АПЛ снизилась более чем в 30 раз (137Cs – не более 15-20 Бк/л, 60Сo ~ 1 Бк/л) (рис. 12). На основании этого можно сделать вывод, что за 18 лет после затопления АПЛ выход радионуклидов из топлива в морскую воду замедлился. Одной из вероятных причин такого замедления могут быть, например, образующиеся продукты коррозии (как самого топлива, так и оболочек тепловыделяющих элементов), которые перекрывают пути выхода радионуклидов из топлива в морскую воду. Сейчас нельзя однозначно утверждать, что снижение концентрации вызвано именно уменьшением выхода радионуклидов из топлива. Другой возможной причиной этого явления может быть изменение гидрологической ситуации в районе аварии. Для окончательного определения скорости выхода радионуклидов из АПЛ «Комсомолец» необходима установка системы долговременного мониторинга. Особую важность этому объекту, как потенциальному источнику радиационного загрязнения, придает тот факт, что из всех затонувших или затопленных АПЛ с ОЯТ, «Комсомолец» – единственная лодка, из которой был зарегистрирован выход радионуклидов. Кроме того, место аварии находится в зоне интенсивного промыслового рыболовства, что объясняет заинтересованность международной общественности в регулярном радиоэкологическом мониторинге этого района мирового океана.

Экранная сборка с частью ОЯТ и реакторный отсек атомного ледокола «Ленин»

Атомный ледокол «Ленин» - первое гражданское ядерное судно в мире – спущен на воду в 1959 году в Ленинграде. Был оснащен атомной паро-производящей установкой ОК-150, которая имела в своем составе 3 атомных реактора номинальной мощностью 3x90 МВт. Ледокол успешно проработал в шести навигациях по 100-150 суток каждая, при этом время работы судовой ядерной энергетической установки составило около 25 тысяч часов.

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

В 1965 году во время плановых ремонтных работ, в результате ошибки операторов, произошло кратковременное прекращение циркуляции воды через активную зону второго реактора, что привело к частичному повреждению тепловыделяющих сборок. Активная зона была полностью выгружена из 1-го и 3-го реакторов, а из 2-го реактора – лишь частично (около 40%). Остаток топлива – 125 тепловыделяющих сборок – был удален вместе с экранной сборкой и затоплен у берегов архипелага Новая Земля в заливе Цивольки в 1967 году на глубине 44 м. По расчетным оценкам ее активность на настоящий момент составляет 1196,7 ТБк (32,4 кКи) Радиационных последствий произошедшая на ледоколе «Ленин» авария не имела. В 1970 году реакторный отсек ледокола был заменен новым не в результате аварии, а в связи с модернизацией судовой ядерной энергетической установки, которая к тому времени выработала свой ресурс и морально устарела. При замене реакторный отсек был вырезан подрывом из корпуса судна и также затоплен в заливе Цивольки.

Обследование экранной сборки

Во время экспедиции 2006 года использование современного оборудования и продвинутых методик обследования акваторий позволило обнаружить точное место подводно-

го захоронения контейнера с частью топлива и экранной сборкой атомного ледокола «Ленин» и реакторной паропроизводящей установки ОК-150 с тремя реакторами, поиски которых велись с 1992 года. Схема контейнера и ППУ ОК-150 представлены на рисунке 13 [14, 15]. Обследования, проведенные в 2006 и 2010 годах показали, что внешний защитный барьер – оболочка понтона из углеродистой стали – уже разрушился в результате коррозии (в 2006 году еще существовала верхняя часть контейнера). Обнажившаяся поверхность бетонной заливки находится в хорошем состоянии и не имеет следов явных повреждений – трещин, сколов и пр. Результаты прямых спектрометрических измерений, проведенных в верхней части понтона, у его основания, а также на небольшом удалении от понтона (1-3 м) показали, что радиационная обстановка в месте захоронения ППОО с экранной сборкой не отличается от фоновой (см. рис. 5). Таким образом, можно утверждать, что, несмотря на разрушение внешней оболочки понтона, герметичность остальных защитных барьеров объекта не нарушена и выхода техногенных радионуклидов в окружающую морскую среду не происходит. Тем не менее, этот контейнер содержит около 30 % всей активности объектов с ОЯТ, затопленных в заливах Новой Земли (то есть без учета затонувших АПЛ Б-159 и «Комсомолец»), и, в случае коррозионного разрушения защитных барьеров и разгерметизации контейнера, может заметно ухудшить радиационную ситуацию в этом районе Мирового океана [2, 3].

Рис. 13. Вверху – схема контейнера с частью топлива и экранной сборкой атомного ледокола «Ленин», внизу – и его вид по данным съемки ГБО 2004 года. Основные размеры упаковки: длина (макс.) – 15 м; диаметр – 4,5 м; высота – 5 м

Рис. 14. Фрагменты видеосъемки обследования экранной сборки атомного ледокола «Ленин» в 2006 году No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 15. Реакторный отсек атомного ледокола «Ленин» с реакторной установкой ОК-150

Обследование реакторного отсека

Перед затоплением реакторного отсека с паро-производящей установкой ОК-150 первые контуры всех трех реакторов были промыты, осушены и герметизированы. Затопление произведено без предварительной консервации с фурфуролом. Вид отсека перед затоплением показан на рисунке 15. Согласно результатам нескольких независимых оценок [2, 12, 13], суммарная (наведенная) активность трехреакторной установки ОК-150 атомного ледокола «Ленин» в 1998 году составляла около 60 ТБк (1,6 кКи). Несмотря на значительное число экспедиций к местам затопления твердых радиоактивных отходов в заливах Новой Земли, точная идентификация затопленного реакторного отсека была проведена только во время экспедиции 2006 года на научно-исследовательском судне «Профессор Штокман» [17]. По результатам ГБО-съемки 2004 года на некотором удалении от указанного в архивных данных места затопления реакторного отсека обнаружен объект, вид и размеры которого подходили под описание отсека. На рисунке 16 приведено изображение объекта, полученное в 2004 году с помощью ГБО. Во время экспедиции 2006 года было проведено визуальное и радиационное обследования объекта с помощью телеуправляемого подводного аппарата. На рисунке 17 приведены изображения объекта, полученные с помощью ви92

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Рис. 16. Изображение ППУ ОК-150 атомного ледокола «Ленин», полученное с помощью гидролокатора бокового обзора [15]

деокамеры телеуправляемого подводного аппарата «ГНОМ». Объект представляет собой сложную конструкцию, состоящую как бы из 2-х, находящихся друг над другом прямоугольных фрагментов общей высотой более 10 метров. На объекте явно видны решетчатые настилы, ограждения и трапы. На горизонтальных плоскостях наблюдается слой иловых отложений толщиной до 20-40 см. Результаты визуального обследования позволяют идентифицировать объект как стоящий вертикально на дне реакторных отсек ППУ ОК-150 атомного ледокола «Ленин». Радиационное обследование объекта проведено также с использованием ТПА «ГНОМ» с размещенным на нем подводным гамма-спектрометром РЭМ-26К. Из-за опасности зацепа кабель-троса за выступающие конструкции проведено только одно измерение уровней гамма-излучения на поверхности отсека. Вероятнее всего, в соответствии с приведенной выше схемой (рис. 15), измерения проведены в районе верхней палубы. Полученный спектр гаммаизлучения приведен на рисунке 18. На этом же рисунке для сравнения показан спектр донных отложений, зарегистрированный на удалении около 20 метров от реакторного отсека. Как видно из спектра, на поверхности отсека явно видно присутствие техногенного радионуклида 60Co активационного происхождения, что еще раз подтверждает правильность идентификации объекта как реакторного отсека ППУ ОК-150 атомного ледокола «Ленин».

Рис. 17. Фрагменты видеосъемки обследования ППУ ОК-150 атомного ледокола «Ленин» [16]

Выводы • Радиационная обстановка в заливах Новой Земли на сегодняшний день остается нормальной и не представляет опасности для локальных водных экосистем региона. На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что защитные барьеры затопленных объектов до настоящего времени не потеряли своей эффективности, а скорость выхода в окружающую среду радионуклидов в несколько раз ниже ранее выполненных экспертных оценок. Однако состояние наиболее опасных затопленных объектов исследовано явно не достаточно, что не позволяет сделать надежный прогноз на будущее. • В заливах Абросимова, Степового и Цивольки удалось уточнить местоположение большинства затопленных объектов, в том числе – точные места подводного захоронения реакторной паропроизводящей установки ОК-150 и контейнера с экранной сборкой атомного ледокола «Ленин». • До сих пор не решена задача точной идентификации части обнаруженных объектов (в том числе – объектов с ОЯТ). Точные места затопления объектов в Новоземельской впадине Карского моря и их состояние неизвестны, в частности, не найден реакторный отсек с невыгруженным ОЯТ АПЛ зак. № 421. • Радиационная ситуация в заливах Седова, Ога, Благополучия и Течений также до сих пор остается практически неисследованной.

Рис. 18. Спектры гамма-излучения, зарегистрированные у реакторного отсека атомного ледокола «Ленин» • Состояние защитных барьеров затопленных объектов с ОЯТ (в том числе – состояние защитных барьеров АПЛ К-27 с ЖМТ-реактором) исследовано недостаточно полно, в частности, нет достоверных оценок степени их деградации. Учитывая высокий радиационный потенциал этих объектов, нельзя утверждать, что в дальнейшем в этом регионе не произойдет ухудшения радиационной ситуации. • Ведомственная принадлежность затопленных объектов до сих пор окончательно не определена, что затрудняет принятие официальных решений по обращению с этими объектами. В существующей редакции ФЦП «Ядерная и радиационная безопасность России» отсутствуют какие-либо прямые упоминания о проблеме затопленных в морях Арктики радиоактивных отходов и объектов с ядерным топливом. До сих пор не выработана единая концепция обращения с такими затопленными объектами.

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

ЛИТЕРАТУРА 1. Сивинцев Ю.В., Вакуловский С.М., Васильев А.П. и др. Радиоэкологические последствия затопления радиоактивных отходов в морях, омывающих Россию («Белая книга – 2000»). – Москва: ИздАТ, 2005. 2. IAEA-97. Predicted Radionuclide Release from Marine Reactors Dumped in the Kara Sea. IAEA-TECDOC – 938. – International Atomic Energy Agency. – Vienna, 1997. 3. Dumping of radioactive waste and radioactive contamination in the Kara sea. Results from 3 years of investigations (19921994) performed by the joint Norwegian-Russian Expert Group. –ISBN 82-993079-4-5. – March 1996. 4. Казеннов А.Ю., Кикнадзе О.Е. Программа и методика проведения измерений и обобщение экспериментальных данных о подводных потенциально опасных объектах, затопленных в заливах Степового, Абросимова и Цивольки архипелага Новая Земля. – Москва: РНЦ «Курчатовский институт», 2006. 5. Казеннов А.Ю. Методы и средства обследования морских радиационно-опасных объектов. – «Подводные технологии и мир океана». – № 2. – Москва, 2005. – С. 4-14. 6. Владимиров М.В., Казеннов А.Ю., Кикнадзе О.Е., Кобылянский В.В. Обследование подводных потенциально опасных объектов в заливах архипелага Новая Земля. – «Подводные технологии и мир океана». – № 1. – Москва, 2006. 7. Владимиров М.В., Вялышев А.И., Казеннов А.Ю., Кикнадзе О.Е., Кобылянский В.В. Современное состояние подводной лодки К-27. Краткое сообщение по результатам экспедиции 2006 года. – «Подводные технологии и мир океана». – № 5-6. – Москва, 2006. 8. Владимиров М.В., Казеннов А.Ю., Кикнадзе О.Е., Кобылянский В.В. Обследование затоплений радиоактивных отходов в Карском море. – «Подводные технологии и мир океана». – № 5-6. – Москва, 2006. – С. 30-37.

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

9. Казеннов А.Ю., Кикнадзе О.Е., Кобылянский В.В. Поиск и идентификация экранной сборки и реакторного отсека атомного ледокола «Ленин». – «Подводные технологии и мир океана». – № 5-6. – Москва, 2006. – С. 38-43. 10. Сомов И.Е. «О подъеме АПЛ пр. 645 (К-27) для снижения ядерного и радиационного риска в Северо-Западном регионе». Материалы еминара КЭГ МАГАТЭ «Исследование АПЛ и объектов с ядерным топливом и радиоактивными отходами, затопленных в Арктических морях, и стратегии радиоэкологической реабилитации Арктического региона». – 16-17 февраля 2011, Осло, Норвегия. 11. Panteleyev V. «Discharging of fuel from the reactor of «Alpha» Class submarine and dismantling of the active zone». – Материалы семинара КЭГ МАГАТЭ «Implementation of International Nuclear Legacy Programmes in Russia». – 26-27 April 2012. – Helsinki, Finland. 12. Сивинцев Ю.В. Исследование состава радионуклидов и характеристики топлива в затопленных лодочных реакторах и атомном ледоколе «Ленин». – Отчет РНЦ «Курчатовский институт» № 31/7281. – Москва, 1993. 13. Pilot Study for the update of the MARINA Project on the radiological exposure of the European Community from radioactivity in North European marine waters. Final Report. – EC, 1999. 14. Cruise report, Norwegian/Russian expedition to the dump sites for radioactive waste in the open Kara Sea, the Tsivolki Fjord and the Stepovogo Fjord. – September-October 1993. 15. «Проведение работ по обследованию подводных потенциально опасных объектов в Карском море». – Итоговый отчет по государственному контракту №4 ПРСН-ЦФР от 22.04.04 г. МЧС РФ. 16. «Обследование подводных потенциально-опасных объектов в Карском море». – Итоговый отчет по государственному контракту №1 ПРСН от 10.03.06 г. МЧС РФ

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

ОПЫТ СТРОИТЕЛЬСТВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО СУДНА

ИЗ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ РАБОТЫ В ИСКЛЮЧИТЕЛЬНОЙ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЗОНЕ ПРОЕКТ Marine Processor HY-909 96

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Морской поисково-исследовательский центр Тихоокеанского флота «ИСКРА»* Владивосток В.А. Карташев С.Е. Черняхович * участник Технологической платформы «Освоение океана»

В 2012 году спроектировано и построено полноценное морское судно из композитного материала – «Морской процессор» (официальное название проекта Marine Processor HY-909) с возможностью плавания в районах до 200 миль от берега и 400 миль между укрытиями. Судно построено по инициативе участников Технологической платформы «Освоение океана» за счет прибыли от контрактов и может быть использовано для различных работ в экономической зоне Дальневосточных морей РФ. Его основная специализация – работа с автономными необитаемыми подводными аппаратами. На сегодняшний день судно прошло ходовые испытания и находится в китайском городе Вэйхай, в судоверфи Weihai Zhongfu Xigang Boat & Yacht Co., Ltd, где производилась его постройка. Современные композитные материалы, наряду с металлом, применяются сегодня для изготовления конструкций судов различных классов. Это сложные по составу и структуре материалы, состоящие из армирующего наполнителя, изготовленного из высокопрочных, выскомодульных волокон и синтетического полимерного связующего. В основном они используются в малотоннажном судостроении – при строительстве яхт, скоростных судов, рыболовецких траулеров, катамаранов, катеров и других небольших судов, а также при строительстве кораблей противоминной обороны и кораблей-невидимок. По сравнению с металлами композитные материалы имеют ряд достоинств: они гораздо более долговечны, обладают высокой удельной прочностью, не корродируют в воде, менее теплопроводны, немагнитны, имеют вибродемпфирующие свойства и высокую электроизоляционную способность.

Идея проекта «Морской процессор» проектировался как научноисследовательское судно. Его особая специализация – работа в комплексе с автономными необитаемыми подводными аппаратами (АНПА). Спускоподъемные устройства и обеспечивающие кабельные лебедки позволяют применение тяжелых АНПА длиной до 6 м, весом до 2,5 тонны и глубиной погружения до 6000 м. Вместе с тем, параметры судна позволяют использовать его для решения других задач: от обеспечения работы ТНПА (телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов) с глубиной погружения в пределах 3000 м до производства геофизических измерений с применением, как штатного, так и дополни-

тельно установленного оборудования. Судно такого класса может быть эффективно использовано в морской экономической зоне для широкого спектра задач: –– геофизических работ на шельфе (обследования при установке платформ, поиск месторождений углеводородов и т. д.); –– обследования акваторий в районе портовых сооружений; –– специальных водолазных работ; –– испытаний новой техники и обеспечения работ на морских полигонах; –– помощи ВМФ и МЧС в чрезвычайных ситуациях; –– гидрофизического обеспечения рыболовства и охраны рыбных ресурсов и т. д. В идею проекта закладывалось следующее: 1. Судно должно являться элементом рабочего комплекса «носитель – подводный аппарат». Управление этим комплексом должно осуществляться с единого командного пункта, быть максимально автоматизировано и иметь возможность местного и дистанционного управления. 2. Минимизация эксплуатационных расходов в навигационный период, а также при межрейсовом обслуживании и операциях по установке или замене забортного оборудования. 3. Достижение высоких мореходных качеств и сравнительно большой автономности для данного класса судов. 4. Значительное увеличение общего срока эксплуатации судна.

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

5. Достижение легкости корпуса судна, придание ему маломагнитных свойств. 6. Наличие значительного свободного пространства на верхней палубе судна для возможного размещения нештатного оборудования. Оценивая проект, многие специалисты сходятся во мнении, что он получился уникальным не только в реализации заложенных идей, но и в способе постройки. В процессе создания «Морского процессора» сложилась необычная форма сотрудничества, когда китайские и российские специалисты совместно решали сложные технические задачи проектирования и строительства судна. Воплощение проекта прошло длительный путь от эскизного проектирования до принятия нестандартных конструкторских и строительных решений, вызванных необходимостью выполнения требований Правил постройки морских судов Российского морского регистра судоходства (далее Регистр или RS).

Проект корпуса судна На начальных этапах проектирования судна было оформлено обращение в китайское классификационное общество – CCS (China classification society, член МАКО1) с просьбой о рассмотрении и одобрении проекта, на что было получено вежливое предложение – встать в очередь и подождать, возможно, не один год. При бурном развитии судостроения в Китае получить соответствующее одобрение не так просто и быстро. Тогда было принято решение – обратиться в Главное управление Регистра с заявкой на рассмотрение проекта и запросом на проведение наблюдения за постройкой. Поручение о рассмотрении проекта было передано в Тихоокеанский филиал Регистра, и началась работа, предсказать все перипетии которой оказалось не под силу ни авторам проекта, ни специалистам Регистра. При проектировании были выбраны размеры корпуса, позволяющие уйти от требований ряда Международных конвенций, – длина судна была принята по перпендикулярам менее 24 метров – в надежде, что это облегчит решение ряда вопросов. Так и получилось, но не во всем. Частично требования серьезных Конвенций, например СОЛАС-742, перейдя в требования Правил Регистра, уже не учитывали размеры судна, и их пришлось выполнять в полной мере, но все-таки решение с размерами оказалось верным. Строительство судна велось параллельно с проектированием. Некоторые специалисты ставят это в упрек, но оказалось просто невозможным спроектировать ряд конструкций заранее, если они не из привычного материала – стали, а из стеклопластика, и это доказал непосредственный процесс постройки. 1

В окончательном варианте проекта судно, согласно плану общего расположения, имеет длину максимальную 25,5 метров, ширину 8 метров, материал корпуса – стеклопластик. Строительство решено было осуществить на китайской судоверфи Weihai Zhongfu Xigang Boat & Yacht Co. Ltd. (рис. 1) под наблюдением Российского морского регистра судоходства. Строительство судов на верфи проводится под наблюдением китайского классификационного общества; опыта постройки судов под Регистр у судоверфи не было. Надо отметить, что и у Регистра на тот момент отсутствовал опыт наблюдения за постройкой судов из композитных материалов. Поэтому в процессе проектирования и строительства судна предстояло быть первопроходцами, столкнуться с множеством проблем, искать эффективные решения, которые могут послужить развитию судостроения в нашей стране. В качестве руководящего документа при проектировании использовались Правила классификации и постройки морских судов Российского морского регистра судоходства (в дальнейшем Правила). Первое, с чем пришлось столкнуться, – несоответствие отношения главных размерений будущего судна требованиям Правил. Это означало, что судно не имеет права на существование в рамках Правил, а конструкция и размеры связей корпуса требуют специального рассмотрения.

Несовершенство Правил классификации и постройки морских судов Российского морского регистра судоходства, по мнению авторов, является существенным тормозом в развитии композитного судостроения в России. Вопрос, по большому счету, государственный, ведь судостроение всегда являлось одной из опор экономики страны.

Китайские Правила (CCS) практически скопированы с Правил Регистра, но только не в отношении композитного судостроения. Здесь наши коллеги ушли значительно вперед, и это обстоятельство оказалось возможным использовать при решении ряда вопросов. Следует отметить, что со стороны руководства Регистра было выражено понимание, и принято единственно правильное в этой непростой ситуации решение – отступить от требований Правил, основываясь на предоставленных расчетах, выполненных с учетом анализа положений Правил CCS и Правил RS. Расчеты корпусных конструкций судна и предложения были направлены в Главное управление Регистра (фактически,

Международная ассоциации классификационных обществ, англ. International Association of Classification Societies, IACS.

Международная конвенция по охране человеческой жизни на море (СОЛАС, от англ. SOLAS – Safety of Life at Sea) в ее последовательно издававшихся формах является наиболее важным из всех международных соглашений по безопасности торговых судов. Текущая версия документа известна как СОЛАС-74. 2

Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Молодая судоверфь Weihai Zhongfu Xigang Boat & Yacht Co. Ltd находится в городе Вэйхай китайской провинции Шаньдун и около 16 лет занимается постройкой судов из стеклопластика. Современные технологии производства судов из композитных материалов сделали верфь одним из лидеров в КНР в этом секторе судостроения. На верфи строятся самые большие суда из стеклопластика коммерческого назначения в КНР. Верфь обеспечивает не только потребности своей страны в судах различного назначения: пассажирских, служебных, патрульных, рыболовных, но и производит продукцию на экспорт. В составе рыболовецких флотов стран Африки, Латинской Америки, Азии и Европы эксплуатируются сотни судов, построенных на этом предприятии. Парусные и моторные яхты, производимые на верфи, пользуются спросом внутри страны и за рубежом. Рис. 1. Китайская верфь Weihai Zhongfu Xigang Boat & Yacht Co. Ltd это был симбиоз обоих Правил). Этот расчет был одобрен Регистром, и проект получил путевку в жизнь.

Небольшой сравнительный анализ российских Правил Регистра (RS) и китайских Правил CCS Методики Правил CCS для расчета толщин обшивки, размеров бортового и днищевого набора используют формулы, учитывающие высоту борта и ширину судна. Для расчета толщин настила и размеров набора палуб и переборок используется высота столба воды, действующего на конструкции. Это позволяет при расчете толщин и размеров фактически учитывать характеристики судна и обеспечить необходимую общую продольную прочность, независимо от действующих отношений размерений судна. Методики Правил RS для расчета толщины обшивки, настила палуб и переборок используют значение допускаемого изгибающего момента; расчетная толщина определяется графически с использованием рисунка, что сказывается на точности результата. Размеры балок набора определяются графическим методом по рисункам в зависимости от их момента сопротивления, определяемого по таблицам. Основным базовым критерием при выборе толщин обшивки, настилов палуб и переборок, размеров набора по таблицам служит длина судна. Использование таблиц и графиков с фиксированными значениями ограничивает

соотношение главных размерений судна. Интерполяция позволяет лишь корректировать толщины конструкций и площади поперечных сечений балок набора в ограниченных рамках существующих графиков. Методики расчета Правил RS ориентируются на использование поперечной системы набора, в то же время в мире при постройке судов из стеклопластика используется в основном продольная система набора. Правила CCS также рассматривают суда с продольной системой набора. Скорее всего, именно это обстоятельство допускает строительство по Правилам CCS судов длиной до 40 метров; по Правилам RS длина ограничена 30-ю метрами. В процессе анализа расчетных методик и результатов расчетов была использована смешанная система набора. Размеры и толщины связей корпуса были рассчитаны по Правилам обоих классификационных обществ, и в качестве построечных были приняты большие из них. Значения толщин обшивки в разных частях корпуса, рассчитанные по Правилам ССS, уступают регистровым. Поперечный набор, шпангоуты, бимсы, флоры, рассчитанные по Правилам RS, уступают китайским. Оценить эффективность продольного набора помогла методика расчета общей продольной прочности Правил CCS. Размеры и толщины связей корпуса, рассчитанные по Правилам CCS и по Правилам RS, удовлетворяют требованиям общей продольной прочности, предъявляемой

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 2. Матрица корпуса судна

Рис. 3. Освобождение судна от матрицы

к корпусу стеклопластикового судна. Кроме того, корпус, рассчитанный по Правилам CCS, имеет больший запас прочности, чем корпус, рассчитанный по Правилам RS. В результате разработаны расчеты, обеспечивающие максимальную прочность корпуса судна при оптимальных размерах и расположению связей, выпущены технологии изготовления корпусных конструкций, сочетающие в себе требования российских и китайских Правил. Впервые в истории отечественного судостроения проектировалось судно из композитного материала, которое должно было получить класс Регистра, в значке которого стоял первый ограниченный район плавания или, другими словами, полноценное морское судно с возможностью плавания в районах до 200 миль от берега и 400 миль между портами-убежищами. Динамичное развитие промышленного сектора экономики КНР, в том числе в области композитного судостроения, стало поводом для совершенствования требований Правил CCS. Современные требования Правил RS в области стеклопластика базируются на части, относящейся к конструкции и прочности спасательных шлюпок. Современное состояние композитного судостроения в России не оправдывает совершенствование уже существующих Правил. С точки зрения современных тенденций в производстве и большого разнообразия типов судов из композитных материалов, требуется выделение частей Правил RS, касающихся стеклопластиковых судов, в полноценные «Правила постройки судов из композитных материалов». Это позволит конкретизировать требования к разным типам судов и устранит принцип универсальности Правил, который приводит к специальному рассмотрению и ставит в тупик специалистов, вынужденных устанавливать собственные критерии, а инспекторов Регистра вынуждает отказывать в одобрении. Но, несмотря на все перечисленные противоречия, первый практический шаг на пути проектирования судов из стеклопластика был сделан. Регистр одобрил принятые технические решения.

Некоторые конструктивные особенности судна из стеклопластика проекта Marine Processor HY-909

Рис. 4. Покрытие гелькоутом матрицы корпуса

100 Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Все конструкции судна сделаны из стеклопластика методом формовки. Стеклопластик это композиционный или композитный материал, состоящий из стеклянного наполнителя и синтетического полимерного связующего. Наполнителем служат стеклоткани и стекломаты, связующим – полиэфирные смолы. Преимуществами стеклопластика является то, что он не подвержен воздействию агрессивных сред, каковой является морская вода, и гораздо более долговечен, чем металл. Благодаря таким свойствам как прочность, легкость, долговечность, неподверженность коррозии, стеклопластик превосходит по ряду показателей стальные конструкции.

Формовка – является основным методом постройки судов из стеклопластика. Это процесс выклейки конструкций корпуса судна – палуб, надстроек и рубок – в формах или матрицах. Корпус изготавливается целиком единым блоком. Матрица для формовки обшивки корпуса представляет собой огромную ванну, полностью воспроизводящую обводы корпуса будущего судна (рис. 2 и 3.). Обшивка корпуса изготавливается в течение недели. Процесс формовки заключается в последовательном нанесении слоев армирующего стекломатериала с пропиткой каждого слоя полиэфирным связующим. Весь процесс формовки ведется строго в соответствии с технологией. В технологии обозначен каждый шаг, указаны схемы укладки материала для каждого района конструкции, которые определяют количество слоев, тип и вес стеклянного наполнителя и марку связующего. В итоге была создана монолитная «скорлупа», повторяющая обводы судна с толщинами: • борт – 24 мм, • днище – 28 мм, • скулы, киль и плавник – 34 мм. Толщины обшивки получены в соответствии с расчетными и принятыми значениями. Базовые значения толщины корпуса были определенны в результате расчета, но для повышения прочности корпуса приняты и заданы для строительства толщины в 1,5–2 раза больше расчетных. Сравнив следующие величины: • расчетная толщина борта 13 мм – принятая 24 мм; • расчетная толщина днища 14 мм – принятая 28 мм; • расчетная толщина киля, скулы и плавника 21 мм – принятая 34 мм; • расчетная толщина верхней палубы 9 мм – принятая 16 мм; можно сделать вывод о запасе прочности обшивки корпуса. Толщина обшивки судна с запасом удовлетворяет требованиям ледового класса. Согласно Правилам RS, суда из стеклопластика при получении соответствующей прочности для плавания во льдах получают в символе класса знак Ice2. «Морской процессор» не проектировался на ледовый класс, тем не менее, характеристики корпуса ему соответствуют. Спроектированный корпус оказался легче аналогичного судна, построенного из стали, а это обеспечивает увеличение грузоподъемности, повышение скоростных характеристик и автономности плавания путем увеличения запасов. Для примера приведем некоторые сравнения весовых характеристик корпусов из стеклопластика и металла. Средняя плотность стеклопластика – 1550-1600 кг/м3, плотность стали – 7850 кг/м3. Рассмотрим такой пример: толщина обшивки корпуса судна из стали длиной 25 м равна 8 мм, толщина корпуса водоизмещающего судна из стеклопластика – 16 мм. Следовательно, на единицу площади, соответсвующую 1 м3 стальной обшивки приходится 7,85 тонны, а на 1 м3 той же площади аналогичной по прочности обшивки стеклопластикового корпуса приходится

3,2 тонны. Таким образом, обшивка стеклопластикового корпуса более чем в два раза легче стального. То же касается набора корпуса. Дополнительные достоинства, которыми обладает судно, построенное из стеклопластика: • снижение затрат на ремонт корпуса; • продолжительный срок службы. Основная причина длительных капитальных ремонтов металлических судов – ремонт корпуса. Ржавчина съедает основу корпуса, незащищенная обшивка может быть поражена коррозией до дыр. Судно, изготовленное из композита, не подвержено коррозии, не требует периодического ремонта корпуса и связанных с этим расходов на докование. Если не таранить причалы и подводные камни, можно много лет эксплуатировать судно без нанесения защитных слоев окраски, периодической очистки и других процедур, связанных с уходом за металлическими корпусами, просто смывая естественное обрастание. Надводные конструкции борта судна, палуб и надстроек вообще не требуют окраски, так как покрыты гелькоутом. Гелькоут – это полимерное покрытие, наносимое в матрицу при формовке корпусных конструкций. Он защищает стеклопластик от воздействия механических повреждений, морской воды и ультрафиолета (рис. 4). Дельные вещи: кнехты, битенги, клюзы, поручни и все другие металлические детали выполнены из нержавеющей стали, то есть также не подвержены ржавчине.

Срок службы судов, построенных из стеклопластика, если они построены из качественных материалов и при соблюдении технологических процессов, вдвое и втрое больший, чем у стальных судов.

Снижение затрат на плановые ремонты и береговое обслуживание – неоспоримое достоинство. Отсутствие необходимости в сварочных работах при ремонте судовых конструкций предполагает меньшую трудоемкость, соответственно, удешевляется ремонт. Ремонт конструкций стального судна требует демонтажа всего, что может загореться при производстве сварочных работ: изоляции, обрешетников, электропроводки. Этих затрат можно избежать при ремонте судна из стеклопластика, где происходит холодная полимеризация компонентов. Указанное качество стеклопластика дает также возможность оперативного перепланирования и модернизации судна в процессе эксплуатации. Специализация «Морского процессора» – научно-исследовательская, а это не исключает возможность частичного переоборудования под цели и задачи конкретной экспедиционной программы. Напри-

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

101

мер, установить дополнительную переборку или выгородку, создать герметичную емкость, бассейн в необходимом месте и быть уверенным в том, что он герметичен, так как формовка монолитна. Появляется также возможность установки на палубе фундаментов для дополнительного оборудования без применения сварки – по методикам, доступным любому члену экипажа. Автоматически решается задача получить судно с маломагнитным корпусом, что изначально закладывалось в идею проекта.

Инженерные решения и достигнутые качественные характеристики судна Форма корпуса

Рис. 5. Оборудование верхней палубы. Главный кран

Рис. 6. Работа бульба на скорости 9 узлов

К дополнительным интересным конструкторским решениям, заложенным в проект судна российскими и китайскими инженерами, можно отнести носовое бульбовое образование (рис. 6). Эта прочнейшая конструкция – подкрепленная набором сферическая оболочка в носовой части корпуса – является острой необходимостью. Толщина обшивки бульба – 45-50 мм. Стояла сложная задача, спроектировать обводы судна, которое при минимальной длине и максимально возможной ширине имело бы наибольшее водоизмещение и хорошие мореходные качества. Для «Морского процессора» с малой величиной отношения длины к ширине L/B = 2,85 и малой величиной отношения ширины к высоте борта B/D = 1,86 были приняты максимально возможные размеры и удлинение бульба: • объем бульба – 2,3% V (водоизмещения в полном грузу), • длина бульба – 10% L (длины судна). Опуская рассуждения и расчеты, можно сказать, что выбор такой конструкции судна обеспечил большой выигрыш по следующим параметрам: • прирост скорости на разных режимах 0,5 – 1,5 уз.; • ощутимый эффект демпфирования килевой качки; • эффект стабилизации дифферента судна при различных вариантах бункеровки. Фактически дифферент судна на скорости 9 узлов выравнивается до нуля при пустой носовой топливной цистерне объемом 36 м3 при начальном стояночном дифференте порядка 2°; • создание дополнительного помещения для размещения акустического и другого оборудования.

Ходовой мостик и пульты управления

Рис. 7. Ходовой мостик. Вспомогательный пульт управления и пост штурманской прокладки

102 Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Как отмечалось выше, одной из основных идей, заложенных в проект, являлась постройка не просто носителя подводной робототехники, а создание элемента единого комплекса «носитель – подводный аппарат». Достижению этой цели была подчинена разработка специального пульта управления судном, где судоводитель перестает быть ответственным только за безопасность плавания. Его основной задачей становится обеспечение работы аппарата, включая выполнение спускоподъемных операций, управление (ча-

стичное управление) аппаратом под водой и конечный этап – остропка и подъем аппарата на борт после завершения работы. Для этой цели на основной пульт управления выведен главный судовой монитор – многофункциональная панель, позволяющая одновременно выводить на экран изображения с местных мониторов управления АНПА, ТНПА, любую навигационную информацию, а также изображения от бортовых обзорных видеокамер по усмотрению оператора (рис. 8). С главного судового монитора, в свою очередь, изображение может транслироваться на местные мониторы, установленные в лабораторном помещении, на вспомогательном пульте управления судном, посту штурманской прокладки и даже в каюте капитана. При выполнении спускоподъемных работ оператор переходит на управление судном с помощью вспомогательного пульта управления, расположенного по правому борту и дающему свободный обзор правого борта и верхней палубы. На обоих пультах расположены органы управления движением судна, управлением поискового прожектора и командно-трансляционные устройства.

Рис. 8. Ходовой мостик. Основной пульт управления

Кормовой мостик. Аппарель. Кабельный блок

Кормовой мостик является продолжением палубы надстройки и служит для обеспечения работы П-рамы. Отсюда удобно производить работы по заводке кабеля на специальный кабельный блок, управлять операциями, связанными с буксировкой забортных устройств с кормы судна (рис. 9-10). Особенность конструкции кабельного блока состоит в том, что заводку троса на него можно выполнять с любой стороны – это создает значительное удобство. Аппарель, откидываемая за борт со стороны транцевого среза судна, также служит цели обеспечения удобств для работы с буксируемыми и опускаемыми устройствами.

Кабельные лебедки

На судне установлены две кабельные лебедки, разработанные и построенные по специальным проектам. Кормовая лебедка предназначена, главным образом, для вытравливания несущего кабель-троса антенного модуля – элемента управления АНПА – на глубину до 2000 метров при кабеле сечением 13 мм. Лебедка оборудована стопорами – (ручным и гидравлическим автоматическим аварийным), механизмом ручной коррекции намотки кабеля и сменными шестернями, позволяющими менять диаметр несущего кабеля. Лебедка правого борта имеет меньшие габариты и емкость барабана 500 метров, рассчитанную на кабель сечением 13 мм. Вытравливание кабеля с бортовой лебедки происходит с помощью бортовой кран-балки, на которой подвешивается кабельный блок.

Рис. 9. Кормовой мостик, кабельные лебедки

Обитаемость

Внутренняя отделка и бытовые условия на судне соответствуют самым высоким требованиям. Каюты с умывальниками и отдельными санитарными блоками (каюта капитана)

Рис. 10. Оборудование кормы судна: П-рама, аппарель

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

103

Рис. 11. Каюта капитана

Рис. 12. Судно на кильблоках

Рис. 13. Ходовые испытания (рис. 11), три душа, пять туалетов, удобная кают-компания позволяют экипажу и экспедиционной группе подолгу находиться в море, не испытывая особых трудностей. Динамическое позиционирование Современные системы динамического позиционирования различных типов, в том числе акустические системы USBL, HIPAP, могут быть легко установлены на судне. Для этой цели проведены специальные расчеты по влиянию на судно внешних факторов и определены предельные параметры их воздействия. Подъем судна на слип Отсутствие необходимости докования, что характерно для судов небольшого водоизмещения, пожалуй, одно из основных достоинств «Морского процессора». Операция занимает не более получаса, но дает возможность монтажа или 104 Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

замены подкильных устройств и производства ремонтных работ на подводной части корпуса. Особую статью экономии здесь можно получить путем хранения судна на кильблоках (рис. 12) в межнавигационный период, что в некоторых случаях, имеет особую актуальность. Кильблоки могут быть изготовлены и поставлены заказчику вместе с судном. Как видно из представленных показателей, идеи проекта, приведенные в начале статьи, удалось воплотить в жизнь. В статье не приводится полных расчетов элементов экономики и сравнительных характеристик судна с аналогами, но все эти расчеты и сравнения фактически производились при его проектировании и постройке. Учитывались мнения итальянских, канадских специалистов. Простых волевых решений было не много, все строилось на расчетах или, по крайней мере, на базе собственного опыта. На ходовых испытаниях были получены результаты даже несколько превосходящие расчетные значения.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

проект Marine Processor HY-909

Архитектурный тип судна: Однопалубное, с одноярусной рубкой на баке одновинтовое с кормовым расположением машинного отделения. Класс Морского регистра судоходства, ограничения: КМ R1, ограничение R1 (удалением от места убежища не более 200 миль и с допустимым расстоянием между местами убежища не более 400 миль). Район ГМССБ - А3. Основные характеристики: Материал корпуса – стеклопластик Длина наибольшая, м Длина между перпендикулярами (расчетная), м Ширина расчетная, м Высота борта на миделе, м Осадка по летнюю грузовую марку от ОП, м Водоизмещение при осадке по летнюю грузовую марку, т Валовая вместимость, р. т. Экипаж, чел. Экспедиционная группа, чел. Главный двигатель, кВт Скорость, узлы Запасы: – топливо, т – пресная вода, т Автономность, сут. Навигационное оборудование: – РЛС с цветным ЖКИ /видео плоттер – Цветной ЖКИ эхолот – GPS – Спутниковый компас – Метеостанция – Авторулевой – Центральный судовой монитор – Магнитный компас – Дублированный пульт управления судном

25,5 22,8 8,0 4,3 2,6 235 205 7 7 1х600 10 56 10 22

Состав радиооборудования: – FURUNO – ГМССБ по району А3 Специальное оборудование: – Бортовой телескопический кран, грузоподъемность 12 т – Кормовая П-рама – Кабельная лебедка кормовая – Кабельная лебедка правого борта – Кран-балки правого и левого борта Основное электромеханического оборудования: Главный двигатель 1 х 600 кВт Вспомогательные дизель-генераторы 2 х 50 кВт Подруливающие устройства носовое и кормов 2 х 55 кВт Судно может быть использовано как носитель подводных робототехнических средств различных типов и назначения. При постройке в проект закладывается специализация для применения образцов технических средств (ТНПА, АНПА и пр.), использование которых будет иметь преимущественное применение. Головной проект судна построен для использования АНПА «Клавесин» с глубиной погружений до 6000 м. Бортовое электронное оборудование судна может варьировать в зависимости от задач, выполняемых судном. Подкильные антенные устройства могут быть быстро смонтированы без докования судна, так как его компактность позволяет выполнять эти операции при подъеме его на слип в короткие сроки с минимальными затратами. Дополнительные сведения: судно имеет открытую палубу площадью 108 м2. В кормовой части имеется аппарель с гидравлическим приводом. Судовые системы удовлетворяют требованиям конвенции по защите окружающей среды МАРПОЛ 73/78, дополнительно установлена цистерна сбора хозяйственно-бытовых вод, позволяющая судну производить работы в особо охраняемых районах (закрытые водоемы и пр.)

БЛАГОДАРНОСТИ Авторы выражают глубокую благодарность всем, кто с пониманием отнесся к идее проекта, прежде всего, инспектору Тихоокеанского филиала Регистра Овчинникову Виктору Павловичу, Курнакову Николаю Николаевичу, директору Тихоокеанского филиала Губанову Виктору Николаевичу и всему коллективу Тяньзиньского представительства Регистра под руководством замечательного человека Подоляка Владимира Константиновича, а также заместителю директора Института проблем морских технологий ДВО РАН – контр-адмиралу запаса Лаптеву Константину Зотеевичу. No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

105

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ

ПАССАЖИРСКИХ СКОРОСТНЫХ СУДОВ Россия имеет почти 40 000 километров береговой черты и 100 000 километров внутренних водных путей. Значительная доля внешней торговли обслуживается морским транспортом, до 25% мировых запасов углеводородного сырья расположено на российском шельфе. Поэтому судостроительная промышленность в значительной мере определяет и всегда будет определять национальную безопасность России во всех сферах морской деятельности, в том числе оборонной, транспортной, продовольственной, энергетической и технологической. Развитие скоростных пассажирских перевозок обеспечивает решение актуальной социальной задачи – повышения транспортной доступности для населения ряда регионов России. Основные перспективы связаны с развитием пассажирских судов с динамическими принципами поддержания – с воздушной каверной на днище, на подводных крыльях и на воздушной подушке.

ОАО «Центральное конструкторское бюро по судам на подводных крыльях им. Р.Е. Алексеева»*

ООО Научно-производственное предприятие «Анфас»* Саратов

Нижний Новгород С.В. Платонов М.Ю. Гаранов Г.А. Дядюро

О.И. Сидоренко К.С. Дистранов

* участники технологической платформы «Освоение океана»

106 Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

В рамках федеральной целевой программы «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 годы» по ряду пассажирских судов, в том числе скоростных, разрабатываются концептуальные проекты с улучшенными техническими, стоимостными и эксплуатационными показателями, соответствующими или превосходящими мировой уровень. Достижение требуемых показателей на данном этапе развития невозможно без применения принципиально новых систем автоматического управления движением (САУД) судна.

Система автоматического управления движением – одна из наиболее ответственных систем в судовой автоматике, от качества и надежности которой зависит безопасность мореплавания и технико-экономические показатели судна. Применение современных систем автоматического управления движением приводит к уменьшению потерь ходового времени, снижению себестоимости перевозок, сокращению численности экипажей, повышению надежности оборудования, снижению аварийности.

Суда на подводных крыльях и суда с воздушной каверной на днище нового поколения с системой автоматизированного управления движением позволят решить транспортные проблемы в районах, где автомобильное движение затруднено в связи с отсутствием развитой сети автомобильных дорог, а также вдоль побережья Красно-

дарского края и Дальнего Востока, и обеспечат повышение ценовой доступности транспорта для населения. В настоящее время ОАО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева» получены многочисленные запросы от российских и иностранных судовладельцев на поставку морских и речных пассажирских судов на подводных крыльях нового поколения «Комета 120М», «Циклон 250М» и грузопассажирских судов с воздушной каверной «СВК 100». Анализ многолетнего (более 50 лет) опыта эксплуатации судов на подводных крыльях, построенных по проектам ОАО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева» – проекты 342 МТ (МЭ) «Комета», 10391 «Колхида» («Катран»), 12351 «Циклон» и 14600 «Олимпия» – и эксплуатирующихся в России, Греции, Италии, Хорватии, Польше, Венгрии, Китае, Вьетнаме и на Кубе, показывает, что при создании судов на подводных крыльях нового поколения, для удовлетворения требований пассажиров и судовладельцев, необходимо обеспечить: • повышение экономической эффективности судов (в связи с ростом стоимости топлива); • комфортные условия на борту и снижение времени нахождения в пути, в том числе в условиях морского волнения; • снижение удельного расхода топлива; • повышение эксплуатационных характеристик: скорость, мореходность, дальность плавания. Повышение эксплуатационных характеристик и улучшение комфортных условий может быть достигнуто за счет применения системы автоматического управления движением, использования двигателей нового поколения, применения гребных винтов с увеличенным КПД, использования крыльевых устройств с высоким гидродинамическим качеством и увеличенной мореходностью.

Рис. 1. Судно на подводных крыльях, проект 10391 «Колхида»

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

107

Рис. 2. Судно на подводных крыльях, проект 14600 «Олимпия»

Рис. 3. Судно на подводных крыльях, проект 12351 «Циклон» Улучшение управляемости и мореходности на кораблях такого типа может быть достигнуто координированным управлением управляющими органами, ответственными за движение объекта: главной силовой установкой, рулями направления и закрылками. На ранее разработанных в ОАО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева» (80-90-х годах прошлого века) судах на подводных крыльях проектов 10391 «Колхида» («Катран»), 12351 «Ци108 Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

клон» и 14600 «Олимпия» были установлены системы автоматизированного управления движением и умерения качки, разработанные специально для этих судов. Системы были выполнены на аналоговой элементной базе и имели большие габариты и массу. Приводы управления рулей и закрылков, установленные в системах на судах проектов 10391 «Колхида» («Катран») и 12351 «Циклон», имели значительное запаздывание.

Примененные в этих системах гировертикали были ненадежны и часто выходили из строя. Аналоговые САУД требовали периодического обслуживания и проведения частых ремонтов и наладочных работ, что очень затрудняло их эксплуатацию. Разработанные в последующие годы системы автоматического управления движением типа «Агат М» для высокоскоростных судов с воздушной каверной на днище на цифровой элементной базе для проектов 14232 «Меркурий», 14230 «Сокжой» и 21820 «Дюгонь» (рис. 4-6) имели дублированные каналы управления. При отказе одного из каналов сохранялось управление с помощью второго канала без каких-либо возмущений. Были получены высокие эксплуатационные и динамические характеристики САУД, так как использовались быстродействующие приводы типа РА-3, разработанные по авиационной технологии. Указанные системы длительное время эксплуатировались и продолжают эксплуатироваться сегодня на судах без проведения наладочно-регулировочных работ на Черном, Каспийском, Балтийском, Азовском и Охотском морях. Полученные технические решения должны быть использованы при создании систем автоматического управлении движением для судов нового поколения.

Основные требования к системе автоматического управления движением для судов нового поколения В настоящее время ОАО «ЦКБ по СПК им.Р.Е. Алексеева» в рамках ФПЦ «Развитие гражданской морской техники на 2000-2016 годы» разрабатывает проекты судов на подводных крыльях – 23160 «Комета 120М» (рис. 7) и 23170 «Циклон 250М» (см. рис. в начале статьи), а также судно с воздушной каверной на днище «СВК 100» (рис. 8) нового поколения и ряд других проектов. • Пассажирское судно на подводных крыльях «Комета 120М» должно обеспечивать возможность эксплуатации при скорости хода до 35 узлов и волнении моря до 4 баллов; • Пассажирское судно на подводных крыльях «Циклон 250М» должно эксплуатироваться при скорости до 55 узлов и высоте волны 3 метров; • Грузопассажирское судно с воздушной каверной на днище «СВК 100» должно эксплуатироваться при скорости до 35 узлов и волнении моря до 3 баллов. Кроме того, на эти проекты будут установлены системы, обеспечивающие более чем двухкратное снижение качки и перегрузок при движении, на волнении. Системы автоматизированного управления движением для высокоскоростных судов, в отличие от водоизмещающих судов, должны иметь более высокие показатели надежности и более высокие динамические характеристики, быстродействующие приводы, надежные системы измерения углов качки и курса, минимальные массогабаритные характеристики.

Рис. 4. Судно с воздушной каверной на днище, проект 14232 «Меркурий»

Рис. 5. СВК, проект 21820 «Дюгонь»

Рис. 6. СВК, проект 14230 «Сокжой» В этих системах должны быть предусмотрены мероприятия по обеспечению безопасности движения судна при возможных отказах в системе автоматического управления движением и смежных системах, а также отказах в других технических средствах. К таким мероприятиям следует отнести, в первую очередь, необходимость ограничения углов перекладки рулей и закрылков по скорости движения, обеспечение дублирования электронных каналов управления, включая приводы, непрерывный контроль за текущими параметрами движения и принятие необходимых мер при отклонении этих параметров от заданных ограничений. Современная цифровая техника позволяет успешно решать эти задачи.

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

109

Рис. 7. Судно на подводных крыльях нового поколения, проект 23160 «Комета»

Рис. 8. Судно с воздушной каверной на днище нового поколения «СВК 100»

Современные САУД судов на подводных крыльях должны обеспечивать: • следящее (от штурвала) управление положением руля; развороты по курсу и маневрирование; удержание судна на заданном маршруте, автоматическую стабилизацию курса на прямых участках маршрута и изменение курса в точках поворота или при маневрировании с заданной угловой скоростью или с заданным радиусом; • оптимальный набор скорости хода (выход на крылья) и безопасный сброс скорости хода (переход в водоизмещающий режим), управление скоростью хода при маневрировании; • стабилизацию крена, дифферента, устойчивость и безопасность движения; • умерение вертикальной, бортовой и килевой качки при движении на волнении; • сопряжение с любыми навигационными средствами (гирокомпасом, лагом, навигационными комплексами) и другими системами судна по стандартным интерфейсным и аналоговым каналам связи; • решение задач противоаварийного управления судна; • координированное управление по крену и курсу в случае маневрирования по курсу, в частности ограничение угла перекладки кормового руля в функции скорости хода и текущего крена; • координированное управление исправными органами при отказе (заклинке) любого закрылка; • предоставление информации о текущих, заданных, предсказанных параметрах движения судна, углах перекладки рулей и техническом состоянии САУД; • обеспечение комфортных условий для пассажиров и экипажа; • экономичность использования энергетической установки. Необходимо решение парадокса автоматизации судовождения, который заключается в том, что системы управления технически усложняются, а это неминуемо приводит к росту числа сбоев и отказов и заметному увеличению

аварийности. Передача решения практически всех задач судовождения автомату освобождает судоводителя от управления движением судна, что, в свою очередь, снижает опытность судоводителя, и при сбое или отказе САУД, а также в других нештатных ситуациях, судоводитель уже не справляется вручную с управлением судном. Выход заключается в решении проблем построения высоконадежной, безотказной, отказоустойчивой, безопасной и живучей системы автоматического управления движением, способной учитывать человеческий фактор. Перспективные системы управления движением высокоскоростного морского судна должны соответствовать всем требованиям Российского морского регистра судоходства, действующих технических регламентов и международных стандартов.

110 Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Пути реализации требований Анализируя структуру системы автоматического управления высокоскоростным судном с позиций безотказности, безопасности и живучести, целесообразно ставить проблему о проектировании САУД как проблему обеспечения ее структурной устойчивости, а функции, обеспечиваемые системой, – как средства обеспечения структурной устойчивости. В САУД для высокоскоростных судов предполагается комплексное решение проблемы автоматизации судовождения, при котором элементы высоконадежного управления – безопасность (включая отказобезопасность), безотказность, отказо и сбоеустойчивость и живучесть – рассматриваются как свойства структурной устойчивости сложных систем с их количественной оценкой при автоматизированном проектировании САУД с помощью отечественных систем алгоритмического и функционального моделирования. Базовая технология состоит в структурно-алгоритмическом встраивании современных вычислительных средств (например, мультиклеточных процессоров) в отличную от штатных интегрированную резервированную архитектуру САУД с двухканальными приводами с применением новых

технических решений, направленных на повышение ее свойств структурной устойчивости с разработкой математических моделей, алгоритмов и программ, оптимизирующих процессы выполнения автоматизированных функций САУД и повышающих их эффективность в различных режимах управления движением. Реализация всех функций системы в резервированной структуре, содержащей два одновременно работающих и дублирующих друг друга канала с развитой встроенной диагностикой и двухканальными приводами, позволяет добиться того, что отказ одного из каналов управления не приводит к прекращению выполнения какой-либо функции системы, а парирование отказа одного канала происходит автоматически другим каналом системы.

Перспективы развития разработки Встраивание нового класса отказоустойчивых мультиклеточных процессоров отечественной разработки в имеющиеся отечественные электрогидравлические рулевые агрегаты типа РА1 и РА3 на основе авиационного опыта позволит создать высоконадежные судовые двухканальные электрогидравлические приводы для скоростных судов, которые не будут иметь мировых аналогов. Разработка и применение в системах автоматического управления движением новых датчиков измерения параметров морского волнения непосредственно с борта движущегося скоростного судна, а также малогабаритных и относительно недорогих датчиков динамических перемещений на основе БИНС на МЭМС, позволит повысить мореходность и безопасность судовождения. Разработка и применение специализированного легко перестраиваемого исследовательского стенда с развитой визуализацией при проектировании САУД на основе отечественного программного комплекса «РДС» позволит проводить комплексное компьютерное моделирование динамики движения судна на волнении еще на стадии проектирования судна и его систем, оценить их влияние на параметры и безопасность судовождения и автоматизировать сложный процесс выбора адекватных алгоритмов управления. Актуальность создания унифицированной для проектов СПК и СВК высоконадежной системы управления движением связана с ростом мировых перевозок водным транспортом и возникла не сегодня, но именно в настоящее время появилась реальная возможность успешного ее осуществления на современной научно-технической и технологической отечественной базе с привлечением инновационных разработок [1-11]. Для разработки системы автоматизированного управления проектов 23160 «Комета 120М», 23170 «Циклон» и «СВК 100» необходимо предусмотреть финансирование в рамках ФЦП «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 годы».

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ на полезную модель №84370 морское судно на подводных крыльях «Комета 120М». Приоритет 12.10.2011г. – ОАО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева». 2. Проектная документация ОАО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева» на проект КВК 21820. 3. Проектная документация ОАО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева» на проект КВК 14230. 4. Проектная документация ОАО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева» на проект КВК 14232. 5. Патент РФ на полезную модель № 106877. Распределенная вычислительная система управления движением для скоростных судов / О.И. Сидоренко. Приоритет 14.09.2010 г. – Опубл. 27.07.2011. 6. Патент РФ на полезную модель № 55734. Система управления движением для скоростных судов / С.П. Баньковский, О.И. Сидоренко, Е.П. Волков и др. Приоритет 05.04.2006 г. – Опубл. 27.08.2006. 7. Патент РФ на полезную модель № 44186. Система штурвального управления для скоростных судов / О.И. Сидоренко, С.П. Баньковский, С.В. Петров. Приоритет 29.11.2004 г. – Опубл. 27.05.2005. 8. Патент РФ на полезную модель № 45841. Система штурвального управления для скоростных судов / С.П. Баньковский, О.И. Сидоренко. Приоритет 29.11.2004 г. – Опубл. 27.05.2005. 9. Патент РФ на изобретение № 2283260. Способ кнопочного резервного управления для судов с несколькими рулями / С.П. Баньковский, О.И. Сидоренко, С.В. Петров и др. Приоритет 24.01.2005 г. – Опубл. 10.09.2006. 10. Патент РФ на полезную модель №116834. Двухканальный электрогидравлический рулевой привод для высокоскоростных судов / Сидоренко О.И., Подлипалин В.А., Старков Б.Ю., Дистранов К.С., Головко Л.И. Приоритет 07.09.11 г. 11. Патент РФ на полезную модель №57028. Система автоматического управления скоростным судном / С.П. Баньковский, К.С. Дистранов, С.В. Петров, В.А. Подлипалин, О.И. Сидоренко, Б.Ю. Старков. Приоритет 19.04.06 г. 12. Система автоматизированного высоконадежного управления движением быстроходных судов (САВУД) / О.И. Сидоренко, Г.Э. Острецов, М.Х. Дорри и др. // Седьмой Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2012. – С. 96-98. 13. О методах высоконадежного управления движением быстроходных судов в авторулевых ряда «Агат-М»/ О.И. Сидоренко, В.А. Подлипалин, К.С. Дистранов // Труды XXXVIII Всероссийской конференции «Управление движением корабля и специальных подводных аппаратов». – М.: ИПУ РАН, 2012. – С. 158-161.

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

111

РЕКЛАМА 112 Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

РЕКЛАМА Автоматизированные системы, программное и техническое обеспечение ФНПЦ ОАО «Научно-производственное объединение «МАРС»

www.npomars.com

432022, Россия, Ульяновск, ул. Солнечная, д. 20 +7 8422 52-47-22, +7 8422 55-30-23

No.1 (2) / 2013, Морские информационно-управляющие системы

113

РЕДАКЦИОННАЯ ГРУППА: Руководство: Кобылянский В.В. Выпускающий редактор: Арфаниди М.В. Технические консультанты: Губанов Ю.П. Лушников Д.Л. Петров К.Ю. Горшков А.Г. Кулаев А.Г. Дизайн и верстка: Арфаниди М.В. Организационная помощь: Рыбаченко М.В. Полная или частичная перепечатка, либо иное использование материалов, опубликованных в журнале «Морские информационно-управляющие системы», без письменного разрешения издателя не допускается. Рукописи рецензируются. Реклама в настоящем номере размещена на полосах: 15, 93, 110, 111, 3-я полоса обложки. Издатель: Открытое акционерное общество «Концерн «Моринформсистема-Агат» Адрес редакции: Москва, ул. Шоссе Энтузиастов, д. 29 Тел.: +7 495 603-9065 E-mail: innovation@concern-agat.ru, issue@ocean-platform.ru Website: www.concern-agat.ru, www.ocean-platform.ru Источники фотоматериалов: указаны в списках источников и литературы к статьям Печать: ООО «Август Борг» Москва, Амурская ул., д. 5, стр. 2 Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций. Регистрационное свидетельство: ПИ № ФС 77-53922 от 26 апреля 2013 года.

114 Морские информационно-управляющие системы, 2013/ No.1 (2)

Подписано в печать: 07.03.2013 г. Тираж: 1000 экз.