1.2. Морская среда как определяющий технологический фактор

Развитие подводной технологии предполагает размещение производственного оборудования в толще воды и на дне. Это, в свою очередь, требует учета определенных свойств воды, которые условно можно назвать технологическими. Анализируя эти свойства, приходится рассматривать воду не только как среду производственной деятельности, но и как рабочее тело, как сырье для переработки, как среду обитания. В любом из этих качеств мы обращаем внимание на сжимаемость воды, ее вязкость, теплопроводность, прозрачность, соленость, химическую активность, способность растворять газы, т. е. рассматриваем практически всю совокупность ее свойств. Последние в сочетании со сплошностью водной среды, определяющей возможность распространения в толще воды на большие расстояния различных возмущений гидродинамического характера, переноса по горизонтали и по вертикали химических, механических, тепловых и других загрязнений, делают все явления, происходящие в водной среде, взаимосвязанными. Это необходимо учитывать, чтобы максимально уменьшить нежелательные для океана последствия подводной производственной деятельности.

Рис.1.2. Влияние среды на обобщенный производственный процесс

Сильно и обратное воздействие водной среды на технологию, проявляющееся через влияние на конструкционные материалы, инструмент и оборудование, организацию проведения операций и, наконец, на самого человека, участвующего в подводном производстве. Обращаясь к типичному производственному процессу, включающему набор характерных технологических циклов (рис. 1.2), можно убедиться в том, что воздействие водной среды образует не только фон, на котором приходится вести реализацию технической идеи, но и оказывает глубокое влияние практически на любой технологический процесс.

Возьмем, например, подводные транспортные операции. Специфика водной среды допускает здесь качественно иную, чем на суше, организацию работ. Например, она позволяет с помощью одного и того же транспортного средства достичь объектов, находящихся на различных расстояниях друг от друга как по горизонтали, так и по вертикали; она облегчает перемещение самых различных подводных объектов - оборудования, добытого под водой сырья и т. п., делая реальной трехмерную эксплуатацию водной толщи.

При оценке влияния среды на технологию мы сталкиваемся с факторами различных масштабов. Это, прежде всего, сама морская вода с ее физическими, физико-химическими и другими свойствами, ее влияние на технологические процессы, на движение подводных аппаратов, элементов установок, на сохранность подводного оборудования. С другой стороны, это водные массы водоемов, описываемые свойствами таких первичных полей, как поля скоростей течений, давления, температуры, солености и связанных с ними вторичных полей электропроводности, звукопроводности, показателей преломления, прозрачности. Кроме этого, необходимо учитывать распределение в толще воды органического вещества, живых организмов, растворенных газов, различных минеральных взвесей. Представляют интерес для технолога и явления, протекающие на поверхности водоема, на дне и даже в толще пород, складывающих дно. Рассмотрим некоторые характеристики морской среды.

Глубина. С изменением глубины изменяются многие факторы, определяющие проведение технологических операций. Их можно разделить на две основные группы: факторы, связанные с ростом давления, и факторы, связанные с увеличением геометрического расстояния между поверхностью и технологическими устройствами или между самими технологическими устройствами.

Повышение давления приводит к усложнению практически всех подводных операций и к увеличению прочностных и массовых характеристик оборудования, повышению его стоимости. При расчете прочных корпусов подводных аппаратов и другой глубоководной техники глубина является главным показателем. Циклический характер нагрузок в материале, связанный с погружениями и подъемами техники, обусловливает возникновение знакопеременных напряжений, величина которых зависит от глубин погружения. При этом стойкость прочных корпусов определяется не только абсолютными значениями напряжений и неравномерностью их распределения в местах концентраций, но и цикличностью изменения этих напряжений и характером цикла нагружения: скоростью погружения - всплытия. Эти показатели влияют на усталостную прочность глубоководной конструкции, ограничивая число рабочих циклов, после которых прочный корпус либо заменяется, либо подвергается повторной термической обработке. Длительность работы металлических конструкций в морской воде из-за усталостных явлений приблизительно вдвое меньше, чем на воздухе. Изменяется в процессе эксплуатации и прочность стеклопластиковых корпусов.

Повышение давления с ростом глубины усложняет выполнение монтажных операций, затрудняет контроль за работой технических устройств и использование водолазных средств. Проектировщики оказываются перед необходимостью создавать специальные приспособления и устройства, заменяющие водолаза, что перспективно с точки зрения освоения все более глубоких горизонтов, но чрезвычайно усложняет процесс технологической подготовки, предшествующей проведению работ.

Второе следствие влияния глубины - увеличение расстояния по вертикали - повышает затраты времени на развертывание подводных операций, усложняет позиционирование обеспечивающего судна как при использовании якорных систем (на доступных глубинах), так и при динамическом удержании судна с помощью работающих двигателей и навигационных средств, в том числе донных акустических маяков или приемоответчиков.

При выполнении монтажа крупнотоннажных конструкций очень важно с высокой точностью и достаточно плавно опускать их на основания. С увеличением глубины конструкции, подвешенные на тросах, подвергаются более сильному воздействию волн и течений. Монтажные операции требуют особых приемов организации работ и специальных грузоподъемных средств. С увеличением глубины затрудняется управление такими операциями с поверхности из-за неточности определения положения устанавливаемых элементов и из-за упругости тросов.

В то же время в ряде случаев увеличение глубины облегчает выполнение технологических задач. Так, известное повышение концентрации растворенных в воде элементов в океанических глубоководных впадинах может быть использовано для организации эффективных процессов их выделения. При проведении разведочного бурения толщи земной коры с океанического дна облегчается проникновение в породы, слагающие мантию. Размещение технологического оборудования и транспортных линий на достаточной глубине уменьшает их подверженность влиянию погодных условий.

Температура. Пределы изменения температуры достаточно широки, поэтому подводная техника должна быть рассчитана на ее перепады не менее чем от +30 до -2 °С. Величина перепада зависит от района океана и очень изменчива. Так, на одной широте в течение одного сезона толщина прогретых слоев весьма различна. Изменение температуры связано также и с глубиной. Наибольший перепад наблюдается в морях средних широт. В Черном море, например, температура поверхностного слоя изменяется от 25 до 6 °С, в северных районах Японского моря - от 20 до 2 °С. Более стабильны температуры северных морей.

Следует отметить еще одно явление - термоклин - зону резкого изменения температуры. В районах с резкими колебаниями температуры в течение суток возможно появление двух разделенных по глубинам скачков температуры - суточного, наблюдающегося на глубине нескольких метров от поверхности, и сезонного, находящегося на значительной глубине. Например, в открытых районах Японского моря средняя глубина расположения сезонного термоклина летом примерно 25 м. Вблизи берегов из-за деятельности дрейфовых течений термоклин поднимается к поверхности. Термоклин - причина многих интересных явлений. С ним связано аномальное распространение звуковых волн (рефракция) в воде, резкие изменения прозрачности, образование внутренних волн на границе раздела вод разной плотности. Амплитуды этих волн в десятки раз превышают амплитуды обычных поверхностных волн, а скорости их распространения примерно в 50 раз меньше. Эти волны могут представлять значительную опасность для глубоководных аппаратов.

Изменение температуры с глубиной необходимо учитывать не только при проектировании подводных аппаратов, но и при задании технологических режимов эксплуатации различных технических средств, устанавливаемых на поверхности. Эти эффекты влияют на жидкие наполнители с большими коэффициентами объемного расширения, используемые в различных гидравлических системах и для заполнения корпусов погружных двигателей. Высокая теплопроводность воды ставит серьезные требования по защите устройств, в которых по условиям проведения технологического процесса необходимо поддерживать достаточно высокую температуру на больших глубинах. Высокая теплопроводность (у морской воды она примерно в 25 раз выше, чем у воздуха) в сочетании с пониженной температурой чрезвычайно усложняет проектирование и эксплуатацию систем обеспечения жизнедеятельности водолазов и водолазов-операторов.

Из термических свойств океана можно извлечь и технологическую выгоду. Уже создаются тепловые электростанции, использующие почти даровой источник энергии - водные массы с достаточно высоким перепадом температур.

Плотность.Плотность изменяется с увеличением глубины из-за сжимаемости жидкости под действием гидростатического давления, уменьшения температуры и повышения солености. Наиболее серьезные технологические трудности, обусловленные этим фактором, связаны с изменением величины выталкивающей силы, действующей на подводные устройства. Это требует размещения на них специальных компенсаторов и систем регулировки плавучести. Без учета изменения плотности невозможно правильно определить режимы работы любых подводных устройств, основанных на принципе использования подъемной силы. Сюда относятся различные понтонные устройства, эрлифты, работающие за счет создания вертикального потока жидкости с находящимися в ней включениями (например, добываемой породы). С увеличением плотности возрастает сила сопротивления движению как подводных аппаратов, так и любых движущихся устройств.

При определении предельно допустимых скоростей движения в жидкости основное внимание приходится уделять кавитационным явлениям, которые возникают на таких участках потока, где давление падает до значений, близких давлению насыщенного пара (на кромках лопастей винтов и т. д.). В таких местах происходит нарушение сплошности среды и образуется область, заполненная пузырьками водяного пара и выделившегося из воды свободного газа. Эти пузырьки сначала объединяются в более крупные, а затем, после снятия растягивающего напряжения вследствие уменьшения скорости у соседнего вогнутого участка поверхности, адиабатически схлопываются, вызывая взрывное разрушение поверхности.

Кавитационные явления в морской воде связаны с нарушением сплошности среды, являющейся фундаментальным свойством жидкости, без которого невозможно объяснить возникновение в ней звуковых, электромагнитных и других возмущений. Для технолога особенно важно распространение в жидкости сильных звуковых импульсов, сопровождающихся резким повышением давления. Такие импульсы возникают при проведении взрывных работ. Они могут служить причиной разрушения конструкций, гибели морских животных, травмирования и гибели водолазов. Начальное повышение давления на поверхности тротилового заряда в момент взрыва составляет примерно 4000 МПа. Нижняя граница смертельно опасного давления в ударной волне для человека составляет примерно 1,7 МПа, для водолаза в защитном костюме из губчатой резины эта величина повышается до 3 МПа. Технические средства в зоне подрыва можно защитить от подводного взрыва с помощью массивных преград. Используется также физический метод, основанный на создании искусственных разрывов, отражающих ударную волну, или растягивающих форму импульса. Для этого может быть применена завеса из воздушных пузырьков.

Изменчивость, воздействие волнения. Особенностью водной среды в водоеме является ее изменчивость - свойство, не только придающее налет романтичности всему, чем человек занимается в море, но и создающее значительные трудности при проведении работ. Об изменчивости температурного поля уже упоминалось. Более существенные трудности для подводной технологии создают морское волнение, ветровые течения, штормы на поверхности. Все эти явления имеют случайный характер, различный временной масштаб с периодом от долей секунды до сотен лет и описываются статистическими методами. Для подводного технолога наиболее интересны мелкомасштабные события, протекающие с периодом до десятков минут (поверхностные ветровые волны, уже упоминавшиеся внутренние волны и турбулентность, влияющая на перемешивание вод), среднемасштабные, с периодом от нескольких часов до суток (приливы), синоптическая изменчивость с периодом от нескольких суток до месяцев (погодные катаклизмы), сезонные колебания, междугодичная изменчивость, вековая изменчивость с периодами в десятки лет (по классификации А. С. Монина). Последний вид крупномасштабной изменчивости представляет интерес, так как ее период соизмерим со временем существования морских подводных сооружений.

Наибольшие неприятности подводному технологу доставляют ветровые волны. Причина этого - огромная энергия, запасенная в волне и выделяющаяся при ее разрушении о преграду, в качестве которой можно рассматривать борт судна, морскую платформу, любое прибрежное сооружение и само морское дно при выходе волны на мелководье. Средние значения давлений, создаваемых волнами во внутренних морях у отвесных берегов, составляют примерно 0,15 МПа, а у берегов океана-до 0,4 МПа, на выступающих в море частях гидросооружений импульсные давления могут достигать 1 МПа.

Помимо ветровых, в морях и океанах существуют приливные волны и волны, обязанные своим возникновением подводным землетрясениям, оползням, деятельности подводных вулканов. Приливные волны появляются строго периодично; волны, связанные с сейсмической активностью, до настоящего времени не прогнозируются: оповещение об их возникновении дается специальными службами, в лучшем случае за несколько часов до прихода из района зарождения. Большую опасность эти волны - цунами - представляют именно при выходе на мелководье. В открытом море связанный с ними подъем уровня воды, как правило, незначителен.

Закономерности распределения параметров всех типов волн изучены преимущественно для прибрежных районов. При создании сооружений в открытом море приходится прибегать к эмпирическим методам, рассчитывая условия воздействия волнения на основе наблюдений на уже существующих объектах.

Учет волнения при проведении технологических операций в море крайне важен. Волнение сильно сокращает время на проведение всех операций, связанных с обслуживанием стационарных сооружений, монтажными работами, прокладкой морских трубопроводов и т. п. На малых и средних глубинах волнение ограничивает также возможности подводных работ. На глубине, равной половине длины волны, водолаз практически не ощущает колебаний среды, но этих колебаний достаточно, чтобы сильно понизить ее прозрачность и сделать выполнение работы невозможным.

Коррозионная активность. Морская среда чрезвычайно агрессивна, в ней быстро разрушается большинство известных конструкционных материалов, успешно применяемых без специальных мер защиты в наземных сооружениях. Эта агрессивность - следствие не только совершенно особого солевого состава морской воды и присутствия в ней растворенного кислорода. На скорость разрушения сильно влияет сочетание постоянно действующих факторов: химического и механического воздействия, химического и биологического и т. д. Особую роль в эксплуатации морских сооружений приобретает фактор случайного повреждения защитных покрытий, в результате которого водная среда получает возможность разрушать внутренние структурные элементы, обеспечивающие прочность конструкций. Такое происходит, например, при повреждении поверхностного слоя бетона, когда возникает непосредственный контакт с водой металла арматуры, обычно не защищенного электрофизическими способами; при истирании на грунте полиэтиленового покрытия морских кабелей и т. д.

Скорость разрушения в морской воде, безусловно, зависит от типа примененного материала, качества и стойкости покрытий, надежности работы противоразрушающих и противокоррозионных устройств. На скорость коррозии, например, влияют количество растворенного кислорода, присутствие сероводорода (для глубоководных установок), температура воды, изменение ее химического состава - последнее происходит в тех случаях, когда металл контактирует с биологически активным илом, населенным бактериями, жизнедеятельность которых приводит к повышению кислотности среды (понижение показателя рН). (Более подробно проблемы коррозии, обрастания и защиты рассмотрены во 2-й главе).

Обитаемость. Моря и океаны населяют около 180 тыс. видов животных и 20 тыс. видов растений. Только в морской воде живут представители пяти классов растений из 33 и тридцать один класс животных из 63. Наиболее многочисленны моллюски (60 тыс. видов), ракообразные (20 тыс.) и рыбы (16 тыс.).

По образу жизни морских обитателей принято делить на несколько групп. Организмы, обитающие в водной толще, относят к планктону и нектону. Планктонные организмы пассивно перемещаются вместе с массами воды под действием волн и течений, хотя некоторые из этих организмов способны совершать самостоятельные передвижения, преимущественно по вертикали. Планктон делится на растительный (фитопланктон) и животный (зоопланктон). К нектону относятся активные пловцы: большинство рыб, кальмары и каракатицы из головоногих моллюсков, морские черепахи и млекопитающие - киты, дельфины, ластоногие. Дно океана населяет бентос, который делится на фитобентос (водоросли и морские травы) и зообентос. Часть донных животных ведет подвижный образ жизни (многие черви, ракообразные, моллюски, иглокожие), тогда как другие неподвижно прикреплены к грунту (губки, актинии, асцидии и многие другие). Кроме этого, различают организмы, живущие на поверхности грунта (эпифауна) и закапывающиеся в грунт (инфауна).

Общая биомасса животных в океане составляет около 32,5 млрд. т, а растений - 1,7 млрд. т. Таким образом, в Мировом океане биомасса животных почти в 20 раз превосходит биомассу растений, тогда как на суше растительная биомасса преобладает над животной (в 2 тыс. раз). Несмотря на относительно небольшую биомассу продукция растений (550,2 млрд. т) значительно превосходит продукцию животных (56,2 млрд. т). Необходимо отметить, что в отличие от суши, где подавляющую массу органического вещества продуцируют высшие многоклеточные растения, в море основными продуцентами являются одноклеточные планктонные водоросли. Одним из важных отличий гидросферы от атмосферы является и то, что водная толща населена крупными организмами во всем объеме - от поверхности воды до максимальных глубин океана.

Глобальные закономерности распределения жизни в Мировом океане нашли свое отражение в разработанном советскими исследователями учении о биологической структуре океана. Одно из основных проявлений этой структуры - ее подчинение широтной и меридиональной симметрии и вертикальной зональности. Все основные характеристики биологического продуцирования изменяются от полюса к полюсу и от поверхности до больших глубин. По мере приближения к побережьям и уменьшения глубины происходит смена видового состава организмов, увеличивается их разнообразие и биомасса. В прибрежных мелководных районах биомасса планктона в сотни, а бентоса во многие тысячи раз больше, чем в глубоководных. Суммарная биомасса бентоса в глубоководных частях океана, занимающих свыше 77 % площади дна, составляет лишь около 1 % его количества во всем океане. С прибрежной зоной связана основная масса рыб, и это отражается на составе мирового улова. На зоны шельфа и склона приходится до 95 % улова пелагических и донных рыб.

С закономерностями распределения биологических объектов в океане связан комплекс технологических проблем. Прежде всего отметим, что ряд животных и растений служит объектом специализированных подводных операций - промысла. Общая стратегия промысла, распределение его по районам и глубинам, используемое оборудование и технологические приемы в значительной мере обусловлены биологическими особенностями самих промысловых объектов и конкретной экологической ситуацией в отдельных регионах.

Особенности питания, размножения и расселения водных организмов позволяют использовать невозможные на суше методы искусственного воспроизводства и культивирования и особые приемы повышения продуктивности. С другой стороны, многие виды морских животных и растений препятствуют выполнению различных технологических операций. Самый большой вред причиняют организмы, поселяющиеся на различных искусственных сооружениях и разрушающие их поверхность. Нельзя забывать и об опасных морских животных. Нападения морских обитателей на подводные технические средства (например, нападение меч-рыбы на подводный аппарат "Алвин") носят и, по-видимому, будут носить единичный характер. В то же время при организации работ, а также при выполнении водолазных работ опасность нападения акул весьма реальна, что заставляет применять специальные технические устройства.

Данные о влиянии основных факторов водной среды на отдельные технологические операции в обобщенном виде представлены на рис. 1.3. Знаком "-" здесь показано отрицательное влияние, знаком " + " - положительное. Несмотря на всю условность и неполноту такой схемы, она может быть полезна при анализе условий проведения технологических операций под водой.

Рис. 1.3. Влияние среды на характерные технологические операции. О - влияние отсутствует; -(+) - слабое влияние; --(++) - среднее; --- (+++) - сильное влияние.