Устройство для защиты морского стационарного сооружения от дрейфующего льда или ледового покрытия
Изобретение относится к области добычи полезных ископаемых континентального шельфа замерзающих морей. Устройство для защиты морского стационарного сооружения 1 от дрейфующего льда 2 представляет собой расположенные на расстоянии от морского стационарного сооружения 1 излучатели сверхвысокочастотной энергии, связанные электрически с источником преобразования электроэнергии в энергию сверхвысокой частоты. В качестве излучателей сверхвысокочастотной энергии использованы ультразвуковые излучатели 6, а устройство снабжено окружающим морское стационарное сооружение 1 цилиндрообразной формы кольцевым ограждением 3 из железобетона, на часть своей высоты погружаемым в морскую воду. На наружной поверхности боковой стенки кольцевого ограждения 3 в шахматном порядке размещены излучатели 6, выполненные ультразвуковыми. Кольцевое ограждение 3 выполнено из соединяемых между собой модулей, каждый из которых представляет собой часть стенки кольцевого ограждения, которое установлено с возможностью вращения вокруг стационарно морского установленного сооружения. Технический результат заключается в снижении энергозатрат и трудоемкости разрушения льда и увеличении производительности при создании возможности гарантированно дефрагментировать ледяной покров при сохранении вокруг буровой установки акватории, не покрытой льдом. 2 ил.
Изобретение относится к области добычи полезных ископаемых континентального шельфа замерзающих морей и предназначено для защиты опор стационарных морских инженерных сооружений от внешнего ледового воздействия, в частности, дрейфующего льда в арктических и субарктических районах, где присутствует ледовое покрытие. Изобретение позволяет решить задачу защиты буровой арктической платформы от дрейфующего льда, что обеспечивает круглогодичное бурение скважин, смонтированных непосредственно в море.
Под понятием "стационарное морское инженерное сооружение" понимается буровая система для бурения морских скважин и/или выполнения других работ на платформе в многочисленных последовательных точках заложения скважин в "субарктическом" климате. Указанная система должна обеспечивать устойчивость к нагрузке от обледенения, когда система расположена на точке заложения скважины и когда в субарктической зоне присутствует ледяной покров.
"Субарктические" морские условия характеризуется ежегодными сезонными появлениями льда. Климатические условия в данной зоне менее суровые, чем в "верхней" Арктике, где лед может присутствовать круглый год. Однако даже субарктический климат предоставляет проблемы при использовании стандартных морских буровых систем. Стандартные морские буровые системы, прежде всего, разработаны с учетом сопротивления нагрузке от волн, ветров и течений и, где необходимо, землетрясений, но не ото льда. В субарктическом климате полная или общая нагрузка, обусловленная сжатием льдами морской буровой системы, может иметь величину более высокого порядка, чем нагрузка, связанная с волнами, ветрами и течениями. Таким образом, конструкция обычной морской буровой платформы не способна противостоять значительно более высоким нагрузкам в субарктическом климате.
Сжатие льдами может также создать высокие давления в небольших, локальных участках любого элемента бурового оборудования. В обычной морской буровой системе подобные высокие локальные нагрузки повредили бы незащищенные элементы каркасных конструкций, так как указанные элементы представляют собой обычные морские платформы, разработанные исключительно для сопротивления ветру, волнам и течению.
Применение механических систем разрушения морского льда не дают в должной мере требуемого эффекта, так как любая механическая система рассчитывается на определенные нагрузки и определенные условия, в которых проявляется ее эффективность и возможность функционирования. Но никогда заранее нельзя предугадать величину тех высоких локальных нагрузок, которые могут быть проявлены со стороны морского ледового покрытия или дрейфующей льдины. В связи с этим появились разработки по использованию электроэнергии для диструкции структуры льда и приведения этой структуры к состоянию, легко разрушаемому с использованием механических средств.
Так, согласно решению в RU 2231593, Е02В 15/02, опубл. 27.06.2004, предлагается в ледяном покрове выполнять отверстия для последующего силового воздействия на ледяной покров. Через отверстия под лед в воду опускают электроды. Силовое воздействие создают с помощью электрических разрядов высокого напряжения, подаваемых попеременно между парами электродов. При выполнении нечетного числа отверстий, расположенных на равном расстоянии друг от друга, электрические разряды поочередно подают между четными электродами и смежными нечетными.
Недостаток данного способа заключается в его трудоемкости, заключающемся в необходимости высверливания в ледовом покрытии отверстий с определенным шагом и порядком расположения, помещении электродов, которые должны быть подключены к системе управления и системе питания. Такой прием разрушения хорошо может сработать в небольшой локальной зоне, но с расширением площади зоны могут возникнуть технические проблемы по разводке проводов, монтаже электродов и т.д.
Более перспективными являются разработки по разрушению морского льда (или просто льда или ледяной корки) с применением сверхвысокочастотной энергии.
Например, в RU 2465399, Е02В 15/00, Е02В 15/02, опубл. 01.07.2010 описан способ разрушения морского льда, состоящий из облучения его толщи сверхвысокочастотной энергией, которая воздействует на жидкость, содержащуюся в виде капсул в толще морского льда, при этом под действием этой энергии жидкость мгновенно испаряется и образовавшиеся пары жидкости, расширяясь, своим давлением разрушают кристаллы льда. Для этого используется генератор сверхчастотной энергии для преобразования электроэнергии в энергию сверхвысокой частоты, которая по волноводу поступает к излучателю. Сверхвысокочастотная энергия свободно проникает сквозь толщу льда и, воздействуя на жидкость в капсулах, мгновенно превращает ее в пар. Возникшее при этом высокое давление, подобно взрыву, разрушает кристаллы льда, ослабляя его структуру.
В данном патенте не конкретизирован вид сверхвысокочастотной энергии. Но, например, в патенте RU 2303097, Е01Н 5/10, Е01Н 5/12, опубл. 20.07.2007 дано описание устройства для уборки льда с дорожных и аэродромных покрытий, использующее СВЧ-энергию.
Это устройство по RU 2303097 представляет собой шасси самоходного скрепера, на котором установлены электрогенератор (с приводом от ДВС), к которому подключен генератор СВЧ-энергии. За ведущими колесами шасси самоходного скрепера установлен излучатель СВЧ-энергии, смонтированный на тележке с четырьмя опорными колесами 10. Сначала запускают основной ДВС скрепера и далее ДВС с генератором и включают генератор СВЧ-энергии, установленный на шасси совместно с излучателем СВЧ-энергии (мощностью около 180 кВт). Излучателем СВЧ-энергии 6 поток энергии направляется на поверхность льда дорожного покрытия пополосно с направлением параллельно движению устройства. Направляемая энергия повышает температуру снеголедовой массы до состояния плавления и потери адгезии ее с дорожным покрытием. В разупрочненном состоянии и при потере адгезии с дорожным покрытием лед попадает под шпоровые катки и размалывается.
СВЧ как источник излучения также использован в патенте RU 2408760, E01H 5/10, опубл. 10.01.2011, где описан способ удаления льда и наледи с различных поверхностей на основе применения СВЧ-излучения с использованием передвижной установки, включающей узлы подвески с энергоблоком и электрическими связями. Способ заключается в том, что устанавливают на передвижной установке навесной излучатель, подключают к энергоблоку питание СВЧ, приближают излучатель к обрабатываемой поверхности, включают генератор СВЧ-излучения, воздействуют СВЧ-излучением на зону сцепления ледяной корки и поверхности и разогревают направленным СВЧ-излучением, тем самым ослабляют молекулярную связь между льдом и обрабатываемой поверхностью. При этом теплый воздух от охлаждающей системы СВЧ-клистрона подают в зону воздействия СВЧ-излучения на поверхность, разрушают ослабленную корку с помощью механического воздействия или переводят лед в жидкую фазу и отсасывают жидкость с помощью насоса.
Из этого же источника известно устройство для защиты морского стационарного сооружения от дрейфующего льда или ледового покрытия, представляющее собой расположенные на расстоянии от морского стационарного сооружения излучатели СВЧ-энергии, связанные электрически с источником преобразования электроэнергии в энергию сверхвысокой частоты. Это решение принято в качестве прототипа.
В разработке навесных СВЧ-агрегатов может быть использована СВЧ-техника, применяемая в таких отраслях народного хозяйства, как сушка древесины, обработка продуктов питания. В сушке древесины применяются мощные СВЧ-приборы (более 40-60 кВт), в создании и производстве которых страна занимает передовые позиции. Многорезонаторные клистроны идеально подходят для использования в оборудовании для удаления льда и наледи на дорогах, тротуарах и элементах зданий. У клистронов продольный размер коллектора не связан с длиной волны, поэтому при мощностях до 10 кВт может быть использовано воздушное охлаждение. Применение воздушного охлаждения предпочтительнее также в связи с тем, что горячий воздух используется для дополнительного подогрева продукта. Широко используемые клистроны непрерывного действия имеют мощность 25-50 кВт при КПД 45-50% в диапазоне 2450 МГц, а применение многолучевых клистронов позволит значительно увеличить долговечность и выходную мощность в коротковолновом диапазоне (12,5 см), используемом для удаления влаги.
Данные выявленные источники информации отражают уровень техники на сегодняшний день в части применения сверхвысокочастотной энергии типа СВЧ-излучения для разрушения льда с целью предохранения или очистки объекта.
Электромагнитное поле, радиационное облучение, ультразвуковые волны Электромагнитные поля высокой интенсивности в диапазонах высоких (ВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) (к СВЧ-диапазону относятся электромагнитные волны начиная с частоты 433, 920 МГц и выше) частот довольно широко используются во многих современных технологических процессах, применяемых в промышленности, медицине, науке и технике, когда необходим эффективный объемный нагрев неметаллических материалов, когда обычный контактный нагрев таких материалов посредством теплопроводности оказывается малоэффективным. При взаимодействии радиоизлучения со льдом, как и с любым другим диэлектриком, основным процессом в среде является диэлектрический нагрев, причем при воздействии, как показали эксперименты, на пресноводный поликристаллический лед сильного электромагнитного поля (Е-4 кВ/см, /=40,68 МГц) через 1,5-2 с происходит нарушение оптической и механической однородности, через 3-4 с появляются включения объемной воды, а через 7-8 с наступает стадия интенсивного растрескивания облучаемого образца, заканчивающегося полным распадом на отдельные кристаллы. Поглощение энергии в основном происходит на поверхности и границах зерен, где имеются квазижидкие пленочные включения. Жидкие прослойки растут до появления объемной воды, механическая прочность при этом падает. Мощное СВЧ электромагнитное поле оказывает сильное влияние также и на структуру и свойства морского соленого льда. При поглощении мощности, равной 0,25 Вт/см, значительно понижается предел прочности льда при сжатии за счет быстрого повышения температуры и интенсивного стекания рассола из объема льда, в результате чего образуется рыхлая «сотовая» структура, легко поддающаяся механическому воздействию. Эффект разупрочнения льда пропорционален его солености, так как с ее ростом увеличивается удельное поглощение СВЧ-энергии в морском льду. Но при плавлении на поверхности льда образуется пленка воды, обладающая высокой диэлектрической проницаемостью и тем самым «экранирующая» образец.
Таким образом, применение СВЧ-излучения энергозатратно и требует соответствующей аппаратуры, которая должна функционировать автономно на платформе и питать излучатели. Это энергетически перегружает функциональное оборудование платформы и приводит к энергетической неэффективности применения СВЧ-систем для ослабления ледяного покрова.
Кроме того, применение такого высокочастотного излучения, как СВЧ, приводит к ослаблению структуры ледяного покрытия за счет диэлектрического нагрева, приводящего к нарушению оптической и механической однородности с появлением включений объемной воды, которая должна приводить к растрескиванию льда. Но поглощение энергии в основном происходит на поверхности и границах зерен, где имеются квазижидкие пленочные включения. Именно это и обуславливает повышенный расход электроэнергии на создание быстрого повышения температуры при затратах мощности излучения 0,25 Вт/см. Но при этом эффект растрескивания льда прямо зависит от скорости нагрева, так как появляющаяся на поверхности ледового покрытия вода (водная пленка) начинает работать для такого типа излучения, как защитный экран.
Рассмотренные аналоги показывают, что применение высокочастотной энергии дает возможность ослабить структурные связи в ледяном пасте, но в этих решениях не рассматриваются вопросы, связанные непосредственно с механическим разрушением ледяного покрова, которое должно присутствовать в этих способах как составная часть процесса. Вопрос разрушения ледяного покрытия становится важным, если говорить о стационарных морских инженерных сооружениях типа буровых систем или буровых платформ, монтируемых в море на колоннах или стоечных инженерных системах, для таких опорных элементов платформы нежелательны контакты даже с небольшими льдинами. Поэтому вопрос ослабления связей в льде прямо связан с разрушением этого ослабленного льда до состояния размеров, не представляющих опасности для опорных конструкций. Более того, желательным является вообще отвод этих кусков или льдин от зоны расположения стационарных морских инженерных сооружений.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в снижении энергозатрат и трудоемкости разрушения льда и увеличении производительности при создании возможности гарантированно дефрагментировать ледяной покров при сохранении вокруг буровой установки акватории, не покрытой льдом.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для защиты морского стационарного сооружения от дрейфующего льда или ледового покрытия, представляющем собой расположенные на расстоянии от морского стационарного сооружения излучатели сверхвысокочастотной энергии, связанные электрически с источником преобразования электроэнергии в энергию сверхвысокой частоты, в качестве излучателей сверхвысокочастотной энергии использованы ультразвуковые излучатели, а устройство снабжено окружающим морское стационарное сооружение цилиндрообразной формы кольцевым ограждением из бетона, на часть своей высоты погружаемым в морскую воду, на наружной поверхности боковой стенки которого в шахматном порядке размещены выполненные ультразвуковыми излучатели, при этом указанное кольцевое ограждение выполнено из соединяемых между собой модулей, каждый из которых представляет собой часть стенки кольцевого ограждения, которое установлено с возможностью вращения вокруг стационарно морского установленного сооружения.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 показано устройство для защиты морского стационарного сооружения от дрейфующего льда или ледового покрытия, вид сбоку;
На фиг. 2 - вид в плане на кольцевое ограждение.
Согласно настоящему изобретению рассматривается новая конструкция устройства для защиты морского стационарного сооружения от дрейфующего льда или ледового покрытия в течение круглого года эксплуатации в арктических и субарктических районах, где присутствует ледовое покрытие постоянно или сезонно. Устройство позволяет обеспечивать морские буровые работы и в то же время выдержать общую или локальную ледовую нагрузку, которая присутствует при ежегодных сезонных появлениях льда (в том числе дрейфующего льда). Устройство защиты повышает эффективность разрушения льда, тем самым обеспечивает круглогодичное бурение скважин.
Эффективность борьбы с ледовым покрытием осуществляется посредством ультразвукового динамического кольца, которое представляет собой бетонное кольцо, на котором находятся источники ультразвукового излучения (УЗИ). Ультразвуковая волна, проходя через излучатели УЗИ, дробит лед и одновременно выделяет тепло. Так как кольцо динамическое (то есть имеет возможность вращения или возвратного поворота), и источники УЗИ расположены в шахматном порядке, дроблению будут подвержены все слои льда. УЗДК состоит из модулей, что упрощает его монтаж и транспортировку. Ультразвуковая установка спроектирована на основе уже существующего ультразвукового гомогенизатора фирмы Bandelin Sonopuls HD.
Согласно изобретению заявленное устройство для защиты морского стационарного сооружения 1 от дрейфующего льда 2 или ледового покрытия представляет собой цилиндрообразной формы ограждение 3 из железобетона, окружающее морское стационарное сооружение 1 (фиг. 1 и 2). Под морским стационарным сооружением 1 понимается, например, буровая арктическая платформа круглогодичного действия для бурения морских скважин. Конкретная конструкция такой платформы не рассматривается, так как она не является существенной частью заявленного изобретения.
Это ограждение 3 на часть своей высоты погружено в морскую воду, а часть ограждения расположена над уровнем 4 морской воды. Параметры глубины погружения или высоты возвышения по отношению к уровню морской воды определяются по среднестатистическим данным толщин ледового покрытия в данном районе и параметрами его части, находящейся в погружении, и части, возвышающейся над уровнем воды.
Так как ограждение представляет собой силовую конструкцию, которая должна выдерживать заданное давление от ледовой нагрузки, то предпочтительно это ограждение выполнять из тех материалов, которые могут такую нагрузку выдерживать. Разработчики остановились на применении железобетона, как хорошо освоенного промышленностью материала, из которого можно изготовить силовую конструкцию. Ограждение собирают из отдельных соединяемых между собой модулей, каждый из которых представляет собой часть стенки ограждения. Модуль в сборке ограждения могут жестко соединяться между собой с образованием закольцованной конструкции или иметь некоторую подвижность (каждый модуль связан со смежно расположенными модулями посредством, например, цепей). Подвижность связей позволяет перераспределить превышение нагрузки на один из модулей за счет его перемещения и смещения смежных модулей. Возможно применение и других материалов или схем решения ограждения, главное, чтобы это ограждение представляло собой прочную стену. Соленость мирового океана изменяется в незначительных пределах и составляет 34-35 г/л. Значение рН обычно равно 7,8-8,3. Атлантический океан, например, содержит около 11 г Na+, 20 г Сl-, 2,9 г SO42- и 1,4 г Mg2+ на литр, а также в меньших количествах К+, Са2+, Вr-, НСО3- (0,08 г/л). Для снижения разрушающих бетон процессов от воздействия соленой воды и внешней среды в целом наружная поверхность бетонного ограждения покрывается защитным материалом. В качестве агрессивных процессов, разрушающих бетон в морской воде, считаются: коррозия, вызываемая сернокислым магнием, коррозия, вызываемая углекислотой, коррозия, вызываемая действием бактерий, коррозия бетона над верхним уровнем воды. Для дополнительной обработки поверхности бетона уже многие годы успешно применяются такие материалы, как: MC-DUR 1277 WV и Emcephob SX, который наносится спустя 3-4 недели после нанесения MC-DUR 1277 WV. MC-DUR 1277 WV состоит из двухкомпонентной эпоксидной смолы, содержащей растворитель. Материал обладает низкой вязкостью и значительно улучшает химическую и механическую сопротивляемость бетона. A Emcephob SX - это материал на основе силоксана, обладающий низкой вязкостью. Благодаря эффекту гидрофобизации значительно улучшаются износостойкость и защитные свойства бетона. Дополнительная морозостойкость и устойчивость к солям, содержащимся в талых водах, достигается благодаря закрытию пор бетонной поверхности. Необходимость получения закрытых пор обуславливается испарением воды с поверхности бетона через открытые поры. Представленная защитная система была использована в акватории порта г. Гамбург (Германия), и ее эффективность подтверждается в ходе многолетнего контроля за состоянием бетонных конструкций порта ("Технология защиты железобетонных конструкций от воздействия морской воды", http://bitumplus.net/cats/11004676/11004679/11004679-0.pdf).
В качестве защитного покрытия для бетона могут использоваться битумные эмульсии, наносимые распылением или в ручную холодным способом, и другие материалы: полиуритан, полиурия, полиуртан\полиурия, эпоксидные и на основе цементов, устойчивых в морской воде (сульфатостойкие, шлакоцементы).
Для удержания замкнутого ограждения 3 на воде с частичным его погружением по высоте в морскую воду могут использоваться понтоны 5 или поплавки, изготовляемые, например, из химически стойкого к углеводородам плиточного пенопласта ГГХВ-1, прикрепляемые к внутренней стенке ограждения. Это простое решение позволяет регулировать глубину погружения за счет изменения объемов водоизмещения.
Для гарантированного расположения ограждения на расстоянии от морского стационарного сооружения могут использоваться любые средства, позволяющие не приближаться ограждению к сооружению. В рамках настоящего изобретения ограждение выполняется с возможностью его поворачивания возвратно-поступательно в некотором угловом диапазоне или с возможностью вращения вокруг морского стационарного сооружения. Технически это возможно, например, за счет применения водометного движителя, связанного с ограждением или с одним из понтонов. Поворотное или вращательное движение ограждения необходимо для расширения зоны воздействия излучателей 6 высокочастотных волн, смонтированных на наружной стенке ограждения. Данное движение ограждения носит периодический характер и привод включается только в режиме повышения активации действия излучателей. Этот привод позволяет для каждого излучателя расширить зону его воздействия на рядом расположенное ледовое покрытие. Поворачиваемость ограждения также решает задачу исключения влияния сломанного или переставшего работать по каким-то причинам излучателя, так как при повороте его зону действия будет охватывать смежный излучатель.
В рамках данного изобретения конкретное решение привода поворота или вращения ограждения не рассматривается, так как не относится к теме разрушения льда.
Расположенные на расстоянии от морского стационарного сооружения излучатели сверхвысокочастотной энергии связаны электрически с источником преобразования электроэнергии в энергию сверхвысокой частоты. В качестве излучателей 6 сверхвысокочастотной энергии использованы ультразвуковые излучатели (пьезокерамические), которые смонтированы на наружной поверхности боковой стенки ограждения с обращением в сторону ледового покрытия. На этой стенке ультразвуковые излучатели 6 расположены со смещением относительно один другого по высоте и по наружному периметру этого сооружения (например, в шахматном порядке) (фиг. 1). При таком расположении обеспечивается максимально возможная по расширению зона облучения, то есть при узком луче излучения создается точечное поле точек воздействия на лед. А при повороте или при вращении точечное воздействие переходит в линейное перемещение точки.
Выбор в качестве высокочастотного излучения ультразвуковых волн обусловлен природой их воздействия на жидкостную среду.
Ультразвук - звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемых человеческим ухом, обычно, под ультразвуком понимают частоты выше 20000 Герц. Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне от нескольких десятков КГц до единиц МГц. Высокочастотные колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей, например, из титанита бария. В рамках настоящего изобретения речь идет об излучателях - электроакустических преобразователях, преобразующих уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Применение ультразвука для механической очистки основано на возникновении под его воздействием в жидкости различных нелинейных эффектов. К ним относятся кавитация, акустические течения, звуковое давление. Основную роль играет кавитация. Ее пузырьки, возникая и схлопываясь вблизи загрязнений, разрушают их. Этот эффект известен как кавитационная эрозия. Используемый для этих целей ультразвук имеет низкую частоту и повышенную мощность. Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне.
Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твердом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определенных объемов среды, причем расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний. Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия, называется колебательной скоростью.
К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация - рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой ультразвука и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустические микропотоки. Ультразвук, при которых используется ультразвуковая кавитация в технологических целях, лежат в области УНЧ.
Акустическая кавитация возникает при прохождении звуковых волн высокой интенсивности и амплитуды, превосходящей пороговую величину. Для воды и водных растворов порог кавитации возрастает по мере снижения содержания газа в жидкости, при увеличении гидростатического давления, после "сжатия" газа в жидкости (~10 Па) гидростатическим давлением или при увеличении частоты звука. При импульсном ультразвуковом воздействии порог кавитации зависит от длительности импульса и достигает максимума при 0,06-0,6 мкс.
Физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости. Жидкость вскипает, и образуются кавитационные парогазовые пузырьки микроскопических размеров. Кавитационные пузырьки образуются в местах, где давление в жидкости становится ниже Накопление газа в пузырьке, обусловливающее рост среднего размера пузырька в поле переменного давления, называется выпрямленной, или направленной, диффузией. Диффузионный механизм обеспечивает сравнительно медленный рост пузырьков, и при высокой частоте ультразвука они совершают значительное число пульсаций, прежде чем достигнут резонансных размеров. Амплитуда пульсации пузырька с резонансными размерами (для данной частоты ультразвука) максимальна. Повышение интенсивности ультразвука приводит к нестабильной кавитации: пузырьки довольно быстро (за несколько периодов) достигают резонансного размера, стремительно расширяются, после чего резко захлопываются, создавая кратковременные (длительностью ~10-6 с) мощные импульсы давления (до 108 Па и выше) и ударные волны, способные разрушить даже прочные материалы. Захлопывание пузырьков сопровождается значительным ударным воздействием. При захлопывании содержащаяся в пузырьке парогазовая смесь, адиабатически (не успевая обменяться теплом с окружающей средой) сжимается до давления 105 Па (300 атм) и нагревается до температур порядка нескольких тысяч градусов (8000-12000 К). Весь процесс увеличения и захлопывания пузырьков происходит в течение нескольких миллисекунд. Давление внутри пузырьков и в воде достигает сотен MПa, а температура - нескольких тысяч градусов, что вызывает распад молекул воды и образование радикалов с высокой химической активностью (ст. "Кавитация". О.В. Мосин, к.х.н., доц., 05.05.2015).
Таким образом, применение ультразвуковых волн для воздействия на ледовое покрытие позволяет практически в минимальный промежуток времени разрушить структуру льда за счет формирования трещин из-за кавитационного процесса. При этом процессе повышение давления в области жидкой или квазижидкой фазы приводит к появлению разрывающих усилий без нагрева или разогрева льда. Применение данного вида излучения позволяет одновременно решить две задачи: ослабление связей в структуре льда и дефрагментация льда на отдельные куски. При этом важным является то, что протекание процесса деструкции льда проводится в течение нескольких миллисекунд, что позволяет, учитывая скорость перемещения льда или льдины или скорость нарастания ледового покрытия, гарантированно разрушать лед до того, как он физически достигнет ограждения (имеется в виду контакт с ограждением). В отличие от СВЧ-излучения появление водяной пленки будет приводить к спонтанному усилению процесса кавитации в зоне перед ограждением. Таким образом, перед ограждением во время сеанса ультразвукового излучения всегда будет зона, свободная от монолитного льда. Куски льда будут подхватываться морским течением и, огибая ограждение, проходить мимо. Если какие-то куски льда все-таки вступят в контакт с ограждением, то благодаря обтекаемой форме ограждения, они проскользят по периметру ограждения и будут увлечены течением. В любом случае, те куски льда, которые не будут подвергнуты полной деструкции, не окажут отрицательного влияния на ограждение и на защищаемое им морское стационарное сооружение.
В настоящее время излучатели ультразвуковых волн широко применяются в промышленности, например, в области чистки и очистки (в области силового воздействия, работающего на грани кавитации). Например, проведенные исследования О.Г. Павленко, работающего в области создания ультразвуковых излучателей, позволили создать эффективные малогабаритные излучатели простой конструкции (RU 110302, 60791, 3704).
Разработанный О.Г.Павленко малогабаритный полуволновой пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь содержит последовательно соединенные между собой пассивную накладку из стали, пьезоэлементы, связанные электрически с генератором формирования частоты ультразвуковых колебаний, и излучающую накладку из алюминия или алюминиевого сплава или дюралюминия, выполненную в виде усеченного конуса, меньшим основанием прикрепленного к пьезоэлементу, при этом излучающая и пассивная накладки выполнены разной высоты, а отношение высоты пассивной накладки к высоте излучающей накладки выполнено равным или большим единицы при количестве пьезоэлементов, равном двум и более парам. Для работы пьезоэлектрического устройства используется ультразвуковой генератор, конструкция которого описана в RU №3704. Электрические сигналы, сформированные генератором в виде пачек радиоимпульсов (или в непрерывном режиме) ультразвуковой частоты, через блоки защиты от перегрузки поступают на соответствующие усилители мощности и далее посредством герметичных кабелей на ультразвуковые пьезоэлектрические излучатели. С помощью блоков автоматической подстройки частоты, введенных в цепи обратной связи каждого канала, производится необходимая корректировка выходных частот радиоимпульсов (или непрерывных колебаний) ультразвуковых генераторов до появления режима развитой кавитации.
Ультразвуковые излучатели выполняются малогабаритными и прикрепляются к наружной стенке железобетонного ограждения. Для этого в стенке могут быть сформированы гнезда для утопленного расположения излучателей и с целью их защиты от внешнего силового воздействия, например, от кусков льда.
Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть изготовлено с использованием современных технологий бетонного строительства и ультразвуковой техники.
Устройство для защиты морского стационарного сооружения от дрейфующего льда или ледового покрытия, представляющее собой расположенные на расстоянии от морского стационарного сооружения излучатели сверхвысокочастотной энергии, связанные электрически с источником преобразования электроэнергии в энергию сверхвысокой частоты, отличающееся тем, что в качестве излучателей сверхвысокочастотной энергии использованы ультразвуковые излучатели, а устройство снабжено окружающим морское стационарное сооружение цилиндрообразной формы ограждением из железобетона, на часть своей высоты погружаемым в морскую воду, на наружной поверхности боковой стенки которого размещены выполненные ультразвуковыми излучатели, расположенные со смещением один относительно другого по высоте и по наружному периметру этого сооружения, при этом указанное ограждение выполнено из соединяемых между собой модулей, каждый из которых представляет собой часть стенки ограждения, которое установлено с возможностью вращения или углового поворота вокруг стационарно установленного морского сооружения.
