Читать книгу «Сколль. Холод и мгла» онлайн.
— Антон Игоревич! — прервал я. — Давайте без лишних подробностей.
— Хорошо, я действительно немного увлёкся. Перейдем к следующему модулю. Многие слышали про разрушение горных пород ультразвуком.
— А некоторые даже и работали! — вставил Дмитрий своё слово.
— Тогда вам и понять будет значительно проще. Что такое звук?
— Упругие колебания воды, воздуха, любой среды.
— Верно. Увеличение частоты колебаний приводит к росту мощности звуковой волны. При распространении ультразвуковых колебаний в жидкости появляются давления и разряжения, сопровождающиеся возникновением растягивающих усилий. В местах разрывов образуются многочисленные малые пустоты — кавитационные пузырьки. При смене разряжения давлением они как бы «схлопываются», генерируя гидравлический удар в несколько тысяч атмосфер. Доработкой модуля занимается фирма «Промтех». Их конструкторы на этом деле не одну собаку съели, — он вопросительно посмотрел на меня.
— Переговоры с собственником только начались, но принципиальное согласие на продажу озвучено, — пояснил я.
— Отличная новость! — профессор вновь повернулся к слушателям. — Сами колебания генерирует магнитострикционный излучатель из железокобальтового сплава, установленный в торце буровой головки. Под влиянием переменного магнитного поля она сжимается или растягивается с амплитудой сто микрон. Это много. Инженеры работают над увеличением амплитуды импульсов, — и осмотрев зал, Антон Игоревич пояснил, — увеличение амплитуды всего в два раза приводит к росту интенсивности ультразвука в квадрате, соответственно глубина проникновения ультразвуковых колебаний в призабойную зону значительно возрастает. Уже достигнута плотность энергии звука, эквивалентная давлению четыреста атмосфер.
На экранах появилось новое изображение.
— Поршневой насос гидроимпульсного модуля, — продолжил профессор, — генерирует струи жидкости с давлением тысяча атмосфер, а вот это роторно-пульсационное устройство, — он показал новый узел, — сглаживает и генерирует импульсы нужной нам частоты, заодно поднимая давление в несколько раз. В этом аппарате, а он, как и сам насос, слава богу, серийный, ничего дорабатывать не пришлось. Здесь и здесь, — он выделил рукой несколько последовательно установленных ступеней роторов и статоров, — небольшой зазор между ступенями, где находится активная рабочая зона. В аппарате обработке подвергается не весь объём жидкости, а её небольшая часть, которая проталкивается через отверстия в роторе и статоре, и кавитация возникает за счёт вихреобразования и турбулентности потока.
Струи жидкости с высокой скоростью и давлением не только вымывают частиц породы из забоя, но сами являются дополнительным разрушающим фактором, оказывающим как механическое, так и ударное, срезывающее, истирающее воздействие. Гидродинамические воздействия наиболее сильные — сдвиговые напряжения, турбулентность и пульсации давления.
Если вопросов по модулю нет, переходим к моему любимому детищу, — он в предвкушении потёр руки. — Способы бурения, о которых шла речь, лишь формируют шестиугольный забой, а вот керн, образующийся при таком процессе, разрушает электрогидравлический дезинтегратор. Совместно с электроимпульсным он производит девяносто процентов полезной работы.
В основе электрогидравлического эффекта лежит мало исследованное явление резкого увеличения гидравлического и гидродинамического эффектов и амплитуды ударного действия, при осуществлении импульсного электрического разряда в ионопроводящей жидкости, при условии максимального укорочения длительности импульса, максимально крутом фронте импульса и форме импульса, близкой к апериодической.
— И что это значит? — вопрос из зала.
— При электрогидравлическом дроблении порода разрушается ударной волной, порождаемой мощным электрическим разрядом в воде. Так, надеюсь, понятно?
— Более чем, — ответил кто-то из зала.
— Основными факторами, определяющими возникновение электрогидравлического эффекта, — продолжал профессор, — являются амплитуда, крутизна фронта, форма и длительность электрического импульса тока. Длительность импульса тока мала и мгновенная мощность импульса тока может достигать сотен тысяч Киловатт. Крутизна фронта импульса тока определяет скорость расширения канала разряда. При подаче напряжения на разрядные электроды в несколько десятков Киловольт, амплитуда тока в импульсе достигает десятков тысяч Ампер. Процесс приводит к резкому, лавинообразному возрастанию давления в жидкости, формирующему гидроудар до сто сорока тысяч атмосфер.
Высокие и сверхвысокие импульсные гидравлические давления приводят к появлению ударных волн со звуковой и сверхзвуковой скоростями. Возникают импульсные перемещения жидкости, совершающиеся со скоростями, достигающими сотен метров в секунду, кавитационные процессы, инфра и ультразвуковые излучения, и механические резонансные явления, которые не оставляют шансов полуразрушенному керну.
Производительность, как и в случае электроимпульсного разрушения, не зависит от прочности пород и пропорциональна энергии разряда, запасаемой в конденсаторе и частоте следования разрядов. Дробление породы имеет избирательный характер. Наиболее слабые породы разрушаются в первую очередь, а металлические включения остаются целыми, что благоприятно для отделения самородных металлов и кристаллических некоторых минералов. Энергозатраты зависят от степени дробления и составляют от двух до восьми кВт*часов на тонну породы. Оператор, через контроллер, задаёт размер фракции, от которых и зависит скорость разрушения, а значит проходки.
— Значит, буровые головки — это своеобразные мобильные дробилки? — спросил Дмитрий.
— Вы совершенно правы, молодой человек. Такая конструкция больше походит для быстрого разрушения пород и их гидротранспортировки.
— Есть какие-либо подводные камни?
— А где их нет? Что при электрогидравлическом дроблении, что при электроимпульсной дезинтеграции, рабочий конец электрода, как и разрушаемая порода, подвергается действию ударной волны. Скорость разрушения электродов два сантиметра в час. В первых моделях мне приходилось постоянно их извлекать и зачищать вручную, но теперь они самозатачивающиеся и рассчитаны на непрерывную работу. Особые валки подают с катушки в каналы кабель-электрод по мере расходования. Коронка изготовлена из вязкой стали MAGSTRONG А500 с высоким пределом текучести. Несмотря на то, что сталь не имеет прямого контакта с породой она интенсивно истирается вследствие воздействия ударов, давления и постоянного контакта с абразивными частицами. В зависимости от прочности породы её хватает на срок от трёх недель до двух месяцев. Рассчитываем в три раза увеличить износостойкость стали. По составленному нами техническому заданию сейчас в «НИИ стали и сплавов» разрабатывают сталь с пределом текучести до трёх тысяч МПа. Шаманят с пропорциями карбидов тантала и ниобия. Коронки будем не лить, а печатать индукционным 3D принтером, тем самым повысим износостойкость и уменьшим цену на порядок.
— Сколько же стоит одна головка, подсчитывали? — спросил Тимур.
— Сейчас, с учётом импортных комплектующих стоимость силовой электроники двенадцать тысяч долларов. При полном цикле производства цена снизится раз в десять. Извините, моё время вышло. Подведу итог: за час непрерывной работы головка разрушит три куба кварцитов или одиннадцать кубов гипсового камня. За сорок четыре месяца, соответственно — семьдесят тысяч кубаметров кварцитов или триста пятьдесят две тысячи гипса. Чтобы уложиться в обозначенный срок, потребуется произвести одиннадцать тысяч семьсот восемьдесят головок. Учитывая, что кольцевой забой разрушает не более пяти процентов от объёма породы, расход электроэнергии на разрушение кубометра кварца семнадцать КВт*часов, а гипса — четыре. При суммарной электрической мощности работающих головок в пятьсот пятьдесят МВт для разрушения пород и их транспортировки потребуется семнадцать млрд. КВт*часов.
— Энергия дело наживное! Если всё обстоит так, как вы рассказываете, — воодушевился Дмитрий, — я буду самым большим вашим сторонником. Подскажите, а буровой модуль долго менять?
— Износ коронок равномерный. Замена осуществляется одновременно, вручную, точно так как я вам демонстрировал. Одновременно производится замена катушек электродов и доливка жидкого азота в систему охлаждения. Время работ зависит от конструкции рамы и устройства проходческого щита, а это, извините, уже не моя стезя.
— Антон Игоревич, огромное спасибо за доклад. Профессор занимается проходческими головками, но кроме них нам нужна техника для крепления и отделки стенок тоннелей. По техническим заданиям ЦИК проектируются: роботизированная арка для точного позиционирования и свинчивания чугунных тюбингов в шахтах и горизонтальных тоннелях, самоходная механизированная опалубка для бетонирования стен тоннеля, секционный модуль плазменно-искрового спекания корундовой керамики, колёсные и гусеничные платформы с матрицами для крепления головок. В перспективе, для движения всех перечисленных модулей мы будем использовать геоход.
— О! Слышал-слышал. Проект «Элан», три секции с винтовыми лопастями, при повороте одной, две другие фиксируются распорными элементами и обеспечивают передачу крутящего момента. Что-то типа винта, вкручивающегося в гео-среду, — Дмитрий вставил слово.
— Не буду скрывать, ребята из Томского политехнического института участвуют в разработке нашего проекта, только у нас немного другая конструкция.