Читать книгу «Сколль. Холод и мгла» онлайн.
Профессор кивнул, сменил сцену и перед всеми отразилась таблица энерго-затрат:
— Перед вами отражены энергозатраты в киловатт*часах на разрушение кубометра породы средней прочности при бурении разными способами, — продолжал профессор. — Обратите внимание, на последнюю строчку. Именно электроимпульсным бурением я занимаюсь последние тридцать лет. Впрочем, давайте не будем тянуть кота за хвост.
По центру сцены возникла шестигранная призма с толстыми стенками. Ближе к концу она переходила в конус и далее в профиль квадратного сечения. Дмитрий начал вращать виртуальную копию объекта и рассматривать его со разных ракурсов.
— Фитинги для шлангов… Разъёмы для кабелей и технологические отверстия под винты. Чёрт побери, профессор, я не дурак, не подумайте. Московский геологоразведочный институт закончил с красным дипломом. Что это за хреновина?
— Это, молодой человек, и есть моё ноу-хау. Головка комбинированного бурения «ГКБ-7», точнее коронка от неё.
— Буровая коронка… Шестиугольная?!
— Именно. Посмотрите внимательней.
— Какие-то отверстия.
— Это не отверстия, а каналы для введения электродов и циркуляции жидкого диэлектрика, — пояснил профессор и, дотронувшись до модели, разделил её на две части. — Камера дезинтеграции, — профессор развернул один из сегментов с конической частью к зрителям. — Процесс разрушения выглядит следующим образом, прошу внимания, — на экране сменялись схемы, и профессор пояснял. — Комбинированное, ультразвуковое, гидроимпульсное, СВЧ и электроимпульсное воздействие в диэлектрической жидкости пробивает каналы в породе образуя шестигранный керн, который, в свою очередь, попадает в камеру дезинтеграции, где подвергается разрывающему воздействию импульсов тока и разрушающим гидроударам силой сто сорок тысяч атмосфер. Порода разрушается на частицы размером от двух миллиметров до десяти микрон, а образовавшаяся пульпа проходит через фильтры, выкачивается насосами и транспортируется либо на оборотную центрифугу, либо по системе трубопроводов поступает к обогатительному оборудованию.
— Прошу подробностей, профессор! — Дима сделал глаза, как у кота из Шрека. — Обещаю, буду молчать как рыба. Какая производительность у вашей головки?
— Не менее сорока метров в час в кварцитах и сто восемьдесят в гипсовом камне.
Дмитрий вылупил глаза, но на этот раз промолчал.
— Действительно, — поддержал я Дмитрия, — расскажите нам устройство и принцип работы. Думаю, многим будет полезно ознакомиться с ключевой технологией проекта.
— Если публика требует, — профессор помял папку в руках. — Единственное, попрошу не перебивать. Мне бы хотелось уложиться в отведённое время, не люблю, знаете ли, людей задерживать. Начнём, пожалуй, с теории. Электроимпульсное бурение исследуется в Томском НИИ высоких напряжений более пятидесяти лет. Построены десятки ЭИ-бурильных установок, накоплен колоссальный опыт. Как я говорил, разрушение породы происходит за счёт воздействия мощного электрического разряда, точней, пробоя высокого импульсного напряжения, соответствующего по амплитуде электрической прочности породы. Процесс идёт в приповерхностной зоне забоя скважины, заполненной жидким диэлектриком. В зависимости от задачи используется либо техническая вода, либо жидкость на основе жидкого стекла.
Эффективность импульсного бурения не зависит от крепости пород и глубины скважины и определяется только параметрами электрического пробоя, взрывной характер которого вызывает напряжения, вызывающие хрупкое разрушение скального грунта без потерь энергии на пластическую деформацию, так как прочность горных пород на разрыв на порядок ниже, чем на сжатие.
— То есть, чем прочней порода, тем эффективней разрушение? Видите, профессор, я тоже кое-что понимаю! — добавил Дмитрий.
— Совершенно верно. Если взять кварцит, то по прочности на сжатие он отличается от песчаника в семь раз, а по электрической менее чем в два раза. А теперь посмотрите вот сюда, — смена видеопотока, все увидели похожие на молнии кистевые разряды от электродов. — Обратите внимание на сеть радиальных трещин, убывающих по мере удаления от канала пробоя. Два этих явления идут друг за другом. В результате электрического пробоя в поверхностном слое породы образуется канал разряда, а после начинается разрушение твёрдого тела под действием механических напряжений, возникающих в результате расширения канала.
За годы исследований мы избавились от «детских болезней», в частности, найден материал с высокой вязкостью разрушения для изоляции высоковольтных электродов — радиационно-облучённый сверхвысокомолекулярный полиэтилен, рассчитан оптимальный размер разрядного промежутка между электродами, а также уровень рабочего напряжения для разных видов материалов.
Импульсные конденсаторы, трансформаторы и выключатели заменены на свои сверхпроводниковые аналоги. При охлаждении конденсаторов до температуры жидкого азота в замкнутом магнитопроводе возможно поддерживать очень большие токи без приложения дополнительного напряжения. Новые схемы высокочастотного преобразования напряжения в сто с лишним раз подняли энергетические характеристики сверхпроводниковых индукторов на основе иттрий-бариевой керамики. Доработан контакт Джозефсона и сверхпроводящие трансформаторы без сердечника, позволяющие сократить величину потерь… — профессор оглядел зал, увидел кислые лица. — Пожалуй, теории с вас хватит. Достаточно знать того, что силовая электроника модулей размещена в капсуле из нержавейки, охлаждается жидким азотом, а силовыми ключами управляет нейросеть через операционную систему. Параметры импульсов в зависимости от породы генерируются с помощью технологий машинного обучения.
— Профессор, а не проще ли сделать буровую головку большего диаметра?
— Нет! Мы в институте изготавливали буры диаметром по полтора метра, как сплошные, так и кольцевые. При испытаниях всплыл такой факт, что с увеличением диаметра бура, частота импульсов падает пропорционально, а чем она выше, тем больше объём разрушений и соответственно скорость бурения. Сформировать из типовых элементов разрушающий орган нужного диаметра и формы энергетически эффективней и дешевле. Собственно, — профессор закашлялся, — технологией объединения модульных буровых головок в кластер я занимался все эти годы, — он словно фокусник разделил шестигранную коронку вдоль. — Так как инструмент при работе не вращается, мы можем формировать коронку из сегментов любой формы. Плоские или угловые пластины для внутренних секций, закруглённые или зубчатого профиля для периферии щита. Но мы отвлеклись.
Итак, повторюсь, принцип автоматического, программируемого, распределения разрядов по большой площади забоя при использовании многоэлектродных конструкций головок позволяет обеспечить непрерывность процесса разрушения пород без каких-либо специальных мер, вроде вращения и сложных каскадов импульсов. У каждой буровой головки свой, независимый, источник импульсов, а значит, с ростом диаметра, повышается плотность энергии на единицу площади забоя. Говоря простыми словами, чем больше головок и чем больше диаметр щита, тем эффективней происходит разрушение. Немыслимое, с точки зрения механических способов проходки, явление.
Электроимпульсное бурение отличается малым износом бурового инструмента и допускает его изготовление из недорогих сталей. В отличие от механических способов, к коронке не требуется прилагать значительных усилий. Достаточно обеспечивать стабильный контакт инструмента с массивом породы. На первом этапе для проходки тоннелей мы планируем использовать раму с головками, установленную на колёсный или гусеничный ход. При необходимости наборную головку можно прикрепить к манипулятору робота или стреле экскаватора, весит она немного.
После этих слов глаза у Дмитрия расширились и стали похожи на блюдца, а профессор, довольный производимым эффектом, как ни в чём не бывало продолжил:
— Эффект электроимпульсного пробоя используется и в разработанных мной установках резания камней. При этом глубина щели ровна шестидесяти сантиметрам, а производительность — восемь квадратных метров в час. Энергозатраты на квадратный метр составляют от двух до восьми Квт*часов. По сравнению со взрывными работами щелевая резка и последующий скол массива кварцитов ЭГ-ударом повысят выход годного камня с трёх процентов до восьмидесяти. Резак можно использовать как для дноуглубительных работ, так для резки льдов. Сфера его применения отлично подходит для наших задач.
Вторая важная составляющая головки — электрогидроимпульсный дезинтегратор. Он разрушает каменные породы в два раза эффективней, чем механические дробилки и намного быстрей. Дезинтеграция (разрушение) проходит, по границам минеральных зёрен, достигается высокая степень раскрытия сростков, зёрен и кристаллов минералов без их разрушения, ошламования и размазывания. Идёт работа над выделением узких фракций минералов по классам крупности с дальнейшей обработкой частиц в ЭГ-дезинтеграторе, что позволит нам радикально сократить число обогатительного оборудования.
— Профессор, а все эти ваши чудеса уже работают? Руками потрогать можно!
— С нашей стороны всё готово. Ожидаем сверхпроводящие ленты из Японии. Три-четыре месяца, и первую партию головок можно отправлять на испытания. Модули СВЧ, ультразвукового и гидроимпульсного бурения готовы полностью.
— Если всё, о чём вы нам рассказали, работает, современное буровое оборудование можно выкидывать на помойку. И если можно, в двух словах о других ваших модулях. Хочу понять, как всё работает в связке?
— В двух словах, наверное, не выйдет, — профессор немного задумался. — Что сказать, эти модули критически важны. С их помощью мы увеличили производительность ЭИ-бурения на порядок. В СВЧ (сверхвысокочастном) модуле передача электромагнитного импульса в породу происходит в режиме резонанса. До девяносто пяти процентов энергии импульса передаётся в породу, в результате чего она ослабляется и разрушается по каналам теплового пробоя. Мы пока подбираем наиболее эффективные комбинации импульсов промывочной жидкости, мощности и частоты импульсов тока, СВЧ и ультразвука. Посмотрите, — Антон Игоревич вывел на экраны новые модели странной формы. — Перед вами генератор СВЧ в сборе, а вот этот медный цилиндр — проходной объёмный резонатор. От него, через гибкий волновод, энергия попадает в буровую коронку. Так мы и мощность сохраняем, и потери энергии сводим к нулю. Для конкретной породы, по фазе коэффициента отражения, механик-оператор производит настройку резонатора без демонтажа головки, путём изменения длины за счёт изменения количества регулировочных колец.