Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова : Композиційні матеріали плавучості для підводних технічних засобів освоєння мінеральних та біологічних ресурсів Світового океану

Композиційні матеріали плавучості для підводних технічних засобів освоєння мінеральних і біологічних ресурсів Світового океану

 
Композиційні матеріали плавучості використовуються для надання підводним технічним засобам нульової плавучості. Вони мають низьку щільність, близько 500...700 кг/м3. Типовим матеріалом плавучості є синтактна піна – композиційний матеріал на основі епоксидного зв’язуючого з наповнювачем у вигляді порожнистих скляних тонкостінних мікросфер діаметром 30 мкм. Існують інші модифікації на основі синтактних пін, додатково наповнених газовими мікропорами або макросферами з різних конструкційних матеріалів. Від щільності матеріалів плавучості і межі його міцності при гідростатичному навантаженні залежать масогабаритні характеристики підводної техніки. Іноді такий матеріал виконує додаткові функції теплоізоляційного матеріалу.

Це, в першу чергу, технічні засоби, які забезпечують технологічний процес глибоководного нафтогазодобування. Вашій увазі пропонується серія композиційних легковагових матеріалів плавучості, розроблених, всебічно перевірених на дії різноманітних експлуатаційних факторів і що виготовляються по кресленнях замовника в Національному університеті кораблебудування в лабораторіях кафедри “Конструювання і виробництва виробів з композиційних матеріалів”.

1. СФЕРОПЛАСТИКИ (SYNTACTIC FOAMS)

Сферопластики перевірені на дію статичних короткочасних, тривалих, повторно-статичних навантажень гідростатичним тиском води. Всі вони перевірені на дію експлуатаційних факторів Світового океану в будь-яких широтах і експлуатуються в конструкціях різних технічних засобів освоєння океану, що використовуються в Україні (глибоководні апарати (ГА) «Дельта», «Атлеш»), Росії (ГА «Скарус», «Полюс», «Диаф», «Уран» та ін.), Німеччини (ГА «Аделине»).

Розміри, форми блоків плавучості та їх вартість узгоджуються із Замовником.

Рисунок 1. Мікроструктура синтактної сфери (сферопластика) щільністю 580...630 кг/м3 при збільшенні в 440 разів

Матеріал призначений для експлуатації терміном до 30 років на глибині до 7000 м.

Рисунок 2. Приклади ненаселених прив'язаних глибоководних апаратів "Полярна зірка" (нижній ряд), "Атлеш" (середній ряд), "Дельта" (верхній ряд) виробництва НУК

Рисунок 3. Водопоглинання сферопластиків при тривалому навантаженні у воді тиском 72 МПа
- SP-1, SP-2 – сферопластик ЕДС-7А, щільність 650 кг/м3, Росія;

- SP-3, SP-4, SP-5 – сферопластики на мікросферах МСВП, щільність 700кг/м3, Росія;

- SP-6, SP-7 – сферопластик розробки Національного університету кораблебудування,  щільність 580-630 кг/м3.

Примітка: Одиниця на осі ординат відповідає повній втраті плавучості зразками.

Водопоглинання сферопластиків є найважливішою експлуатаційною характеристикою матеріалу. Порівняльний аналіз (рис.3) демонструє значну перевагу перед російськими розробками. Водопоглинання синтактних пін щільністю 650 кг/м3 для глибин експлуатації до 6500 м у відкритих джерелах інформації відсутні.

Рисунок 4. Зменшення межі міцності сферопластика щодо його початкового значення при гідростатичному навантаженні тиском 72 МПа у воді

- SP-1, SP-2 – сферопластик ЕДС-7А, щільність 650 кг/м3, Росія;

- SP-3, SP-4, SP-5 – сферопластики на мікросферах МСВП, щільність 700кг/м3, Росія;

- SP-6, SP-7 – сферопластик розробки Національного університету кораблебудування,  щільність 580-630 кг/м3.

Зменшення межі міцності сферопластиків в часі під робочим навантаженням – друга важлива характеристика його надійної експлуатації. В цьому показнику також маємо перевагу перед російськими розробками. Інформація про розробки США відсутня.

2. МОДУЛЬНІ ЕЛЕМЕНТИ ПЛАВУЧОСТІ З КЕРАМІЧНИМИ ОБОЛОНКАМИ І БЛОКИ ПЛАВУЧОСТІ НА ЇХ ОСНОВІ

Форма модульного елементу плавучості, що містить всередині керамічну оболонку – правильна шестигранна призма.

Висота призми –  100 мм.

Довжина ребра основи призми – 50 мм.

Модульний елемент містить порожнисту сферичну оболонку з фарфору із зовнішнім діаметром 96 мм. З модульних елементів плавучості шляхом склеювання набираються блоки (об’єми) плавучості необхідної форми і габаритів. Щільність уявна та інші характеристики блоків плавучості зберігаються на рівні властивостей модульних елементів.

Властивості модульних елементів і блоків плавучості на їх основі

Модульні елементи плавучості перевірені на дію статичних короткочасних, тривалих, повторно-статичних навантажень гідростатичним тиском води.

а) в заготовці елементу підготовлено порожнини для оболонок;

б) оболонки з фарфору вкладені в комірки;

в) блок плавучості у зібраному вигляді.

Рисунок 5. Елемент блоку плавучості буксируваного підводного глибоководного апарату (до 1000 м) в комбінації сферопластика з додатковою пористістю щільністю близько 420...450 кг/м3

Рисунок 6. Носовий обтікач підводного апарату, виготовленого з композиційного легковагового матеріалу типу сферопластик + фарфорові оболонки

 
Сферичні оболонки з кераміки можуть використовуватися як елементи плавучості безпосередньо або як наповнювач композиційного легковагового матеріалу (КЛМ) плавучості. Як зв’язуюче для нього може служити каучук, бітум та інші еластичні і в'язкі матеріали. Вартість одиниці сили плавучості такого КЛМ в 4…6 раз нижче за вартість аналогічних по глибині експлуатації сферопластиків

Рисунок 7. Глибоководний апарат “DELTA” виробництва  Національного університету кораблебудування на випробуваннях

Піноскло призначене для використання в конструкціях підводних технічних засобів, що експлуатуються в районах виходу термальних вод в зоні тектонічних розломів океанічного дна, а також як теплоізоляційний матеріал плавучості для теплоізоляції суден для перевезення гарячих наливних вантажів з температурою до 260 0С і для підводних продуктопроводів, що транспортують розплавлені продукти.

Рисунок 8. Мікроструктура  композиційного легковагового матеріалу плавучості щільністю 400...700 кг/м3 на основі піноскла

Матеріал призначений для експлуатації терміном до 20 років при температурах від -20С0 до 2000С0  на глибинах до 2600 м

Рисунок 9. Глибоководний автономний ненаселений апарат з програмним управлінням «Скарус-1»

Робоча глибина – 4500 м. Блоки плавучості виконані з синтактичної піни (сферопластика) щільністю 480 кг/м3, а також у вигляді окремих фарфорових макросфер діаметром 100 мм і 250 мм з уявною щільністю 260 кг/м3. Рама апарату і обтікач виготовлені в тришаровому виконанні сферопластик + сферопластик. Уявна щільність матеріалів рами і обтікача 710 кг/м3.

Примітка: Експозиція глибоководних матеріалів плавучості із зразками, фотографіями і елементами реальних конструкцій розташована в скляній вітрині з габаритами: основа – 600 мм?600 мм, висота – 1500 мм.