Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Вакпрофи. Публикация статей ВАК, Scopus
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Техника, Науки о Земле
Размещена 13.03.2018. Последняя правка: 09.05.2018.

Эффект облипания ледоколов и транспортных судов при движении во льдах

Степанюк Иван Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Российский государственный гидрометеорологический университет

профессор кафедры океанологии

Бацких Юрий Михайлович, главный специалист ФГУП «Росморпорт», почетный полярник


Аннотация:
Рассматривается электростатический механизм эффекта облипания ледоколов и транспортных судов при движении во льдах. Выполнены модельные расчеты. Подтверждено формирование больших сил сцепления обломков льда в реальном диапазоне электрических характеристик в зонах контакта. Приведены данные наблюдений. Сделан вывод о необходимости поиска принципиально новых методов защиты от эффекта.


Abstract:
The article considers the electrostatic mechanism of the effect of sticking of icebreakers and transport vessels when moving in ice. Model calculations are performed. The formation of large adhesion forces of ice fragments in the real range of electrical characteristics in the contact zones is confirmed. Given the observed data. The conclusion about the need to find fundamentally new methods of protection from this effect.


Ключевые слова:
ледоколы; транспортные суда; движение во льдах; эффект облипания; электростатический механизм; силы сцепления обломков

Keywords:
Icebreakers; transport ships; movement in the ice; the effect of sticking; electrostatic mechanism; the force of adhesion of ice fragments


УДК 551.457

Введение. При  движении во льдах ледоколов и транспортных судов в условиях отрицательных значений  температуры воздуха наблюдается эффект облипания корпуса снежно-ледяными конгломератами значительных объемов. Такие конгломераты образуются вдоль бортов, непосредственно контактирующих с взламываемыми участками льда, и приводит к появлению так называемой «ледовой подушки». Ее поперечные размеры достигают 10-15 м, а длина вдоль корпуса может достигать 50 м (например [11,15]).

 Для начального периода создания «подушки» характерен тот факт, что ее структура не является статичной – некоторые обломки льда могут двигаться друг относительно друга, оставаясь, в целом, в пределах создавшейся «подушки».

Формирование эффекта облипания происходит чаще всего в осенне-зимний период плаваний при температуре от -40С до -200С, преимущественно около -150С. Процесс облипания является очень быстрым – в работе [11] применен термин «лавинообразное облипание». Время образования «подушки» зависит от ряда факторов (температура воздуха, форма обводов судна, состояние корпуса, интенсивность сжатия льдов, заснеженности и др.) и может составлять от 1,5 до15 мин.

 

Актуальность задачи. Эффект облипания ледоколов и транспортных судов представляет не просто академический интерес. В условиях частого появления подобного эффекта среднесуточная скорость ледокола и, соответственно - проводимого им каравана транспортных судов, существенно снижается (рис.1). Это приводит к очень большим экономическим потерям [1]. Кроме того, в каждом случае появления эффекта происходит быстрое торможение ледокола из-за налипшей «подушки», что  приводит к опасности наваливания на корму ледокола следующего за ним транспортного судна.

Приведенные на рис.1 кривые содержат не только данные по скорости каравана при облипании, но также данные в условиях ледовых сжатий. Ледовые сжатия – очень опасный природный процесс, который приводит не только к «заклиниванию» судов в караване (их надо высвобождать с помощью ледокола), но и к гибели судов. Характерным примером воздействия сжатий является ситуация в проливе Лонга в 1983 г. Эффект облипания  еще больше, чем сжатия, ограничивает скорость каравана. Тем самым, для транспортных операций во льдах он опаснее сжатий.

 

1.png 

Рисунок 1 –  Обобщенные данные по скорости каравана в
различных гидрометеорологических условиях. Из работы [1].
Обозначения: кривые в правой части – скорость в условиях ледовых сжатий,
цифры возле кривых  – сжатия в баллах по стандартной шкале;
кривая «Обл» – скорость при облипании.

В настоящее время разрабатываются схемы вывоза сжиженного газа из Обской губы (п.Сабета) и производится вывоз добываемой в Обской губе нефти (м. Каменный). Работы выполняются по трассам Северного морского пути. Это предопределяет высокую актуальность выявления физического механизма эффекта.

 Возможные физические механизмы. В работах [11,15] эффект образования «ледовой подушки» обозначен термином «адгезия». Известен ряд теоретических моделей адгезии: адсорбционная, механическая, электрическая, электронная, диффузионная и химическая. Рассматривать здесь все эти модели неуместно. Какой-либо окончательный выбор в известной литературе отсутствует. Тем более он отсутствует для процесса облипания судов при движении во льдах.  

В научной литературе до настоящего времени рассматривался лишь термический механизм облипания, т.е.  ­смерзание обломков льда.

Представляется более привлекательной электрическая модель адгезии, предложенная в работе [8] для условий прилипания пленок к твердой подложке. К сожалению, прямое использование модели из этой работы для условий облипания судов не представляется возможным.

 Защита от облипания. Для защиты от облипания в настоящее время применяются пневмообмывающие устройства (ПОУ). Принцип их действия состоит в том, что через коллекторы, расположенные в подводной части корпуса судна, нагнетается воздух от компрессоров. Это создает воздушную прослойку в зоне ватерлинии и снижает прилипание образующихся конгломератов к борту судна.
Однако в работе [15] показано, что ПОУ не являются универсальным средством защиты. С возрастанием шероховатости корпуса, вызываемой  коррозией, эффективность ПОУ резко снижается.
Кроме этого, при использовании ПОУ теряется до 15 % мощности ледокола или транспортного судна, снабженных такими системами.
Из-за высокой стоимости самой системы ПОУ и ее эксплуатации, в настоящее время у значительной части судов эта система отсутствует.

В настоящее время на больших судах ледового класса, например на танкере-газовозе «Эдуард Толь» установлены винторулевые колонки типа «Азипод». Считается, что их использование (обмыв корпуса судна водной струей) позволяет, в принципе, обеспечивать борьбу с облипанием. Однако надежных данных об этом в специальной литературе пока найти не удалось.

 Сущность термического механизма. В работах [2,3] рассматривается механизм эффекта, связанное с быстрым смерзанием обломков льда после попадания в воду. Основой для такого смерзания являются «запасы холода» у обломков. Естественно, что «запасы холода» возможны только при отрицательных значениях температуры воздуха. При попадании переохлажденного обломка льда в воду на его границах происходит кристаллизация,  и создаются «корки» свежего льда.

Однако нарастание льда на этих границах затруднено низкой теплопроводностью всей обломка – примерно 2,3 Вт/(м∙К) при температуре -150С. Такая теплопровдность  сравнимо с теплопроводностью песчаника (2 Вт/(м∙К) или фарфора (1,4 Вт/(м∙К).
 Тем самым, для столь скоростного эффекта как облипание, на наш взгляд,  маловероятно быстрое «высвобождение» больших запасов холода из тела обломка. Для получения высокой прочности конгломерата недостаточно тонких «корок» льда, причем, только лишь на отдельных участках контактов, поскольку обломки никак не могут обладать ровными поверхностями. Необходимо полное смерзание обломков, т.е. промерзание воды между неровностями контактов. И уж тем менее вероятно примерзание всей «ледовой подушки» к корпусу ледокола. Такое примерзание к корпусу требует еще большего времени – ведь сам корпус не содержит никакого «запаса» холода, а скорее – наоборот.
 Электростатический механизм. В нашей ранней работе [12] был, по-видимому,  впервые рассмотрен электростатический механизм формирования эффекта облипания. В ней было предложено считать основой эффекта электростатическое заряжение обломков льда, попадающих в воду при движении судна, и практическое отсутствие возможностей релаксации зарядов из-за аномально высокой статической диэлектрической проницаемости тонких слоев свежекристаллизующегося льда.

Эффекты электризации и формирования импульсного ЭМИ в свежекристаллизующемся льду были выявлены в работах [5,9].  Эти эффекты основывались на известном термодиэлектрическом эффекте (К. Рибейро, 1944; Е. Воркман, С. Рейнольдс, 1950). В работе [5] экспериментально установлено, что в процессе кристаллизации воды удельный заряд вблизи фронта может достигать 2,5∙10-5 Кл/г при  скорости движения фронта примерно 10-3 см/с.

Столь большие значения удельного заряда приводят к выводу о формировании напряженности электрического поля вблизи фронта примерно таких же значений, как и при механических нагрузках, достигающих предела «длительной ползучести» (микротрещинообразования).

Действительно, в работе [9] было выявлено импульсное электромагнитное излучение (ЭМИ) при движении фронта кристаллизации. Регистрация проводилась с помощью осциллографа с внутренней памятью, при этом разрешение по времени было не хуже 10-7 с. Одновременно с импульсами ЭМИ регистрировались импульсы акустической эмиссии. Такое сочетание (акустическая эмиссия и ЭМИ) может появляться только при образовании микротрещин и разрядной релаксации зарядов в таких микротрещинах.

Подобные эффекты описаны также в работе [6], где изучались процессы кристаллизации при термических нагрузках на лед. Формирование импульсных электромагнитных полей в этой работе также связывается с микротрещинообразованием.

Разрядная релаксация зарядов в микротрещинах – это обычно разряд в газовой полости. Для такого разряда напряженность электрического поля должна достигать значений порядка 108 В/м (см. например [13]).

Описанные  в работах [5,6,9] эффекты наблюдались при  кристаллизации в пресной воде. Однако в морской воде в начальный период кристаллизации процесс идет аналогичным образом: кристаллы формируются на границе без «захвата» солей (см. например [7]), а соли вытесняются в окружающую воду. Тем самым, наблюдавшиеся в работах [5,6,9] эффекты электризации и формирования импульсных ЭМИ, на наш взгляд, могут быть полностью применены к тонким слоям при кристаллизации в морской воде.

Столь большие напряженности статического электрического поля в соответствии с известными законами электростатики формируют (естественно, при отсутствии разрядной релаксации в микротрещинах) весьма значительные силы взаимодействия зарядов. Для плоской диэлектрической границы раздела между зарядами (аналог конденсатора) значение силы определяется простым выражением (например [4]):

1.png,                                                              (1)                           
где  F – вектор действующей силы;
       D – составляющая вектора электрического смещения, расположенная по нормали к границе раздела зарядов;
      E ­­­-  составляющая вектора напряженность электрического поля, расположенная также по нормали к границе раздела зарядов;
       s – площадь контакта между разноименными зарядами;
      1n – единичный вектор, располагающийся по нормали к расположению зарядов.

Для поставленных здесь задач в выражении (1) целесообразно использовать некоторую суммарную площадь контактов между обломками SΣ.

Энергия этого поля W будет определяться выражением:



2.pngгде  V – объем, занимаемый полем.
Соответственно       , 
                                                                                              

2.png

где d– толщина слоя свежекристаллизовавшегося льда

 Давление, действующее на границу раздела зарядов получится следующим:

3.png                                                                                            (3)

 Важным отличием электростатического механизма облипания от термического является различие скоростей процессов. В электростатическом механизме получается следующее. Известна подвижность носителей зарядов во льду: у ориентационных дефектов (L- и D-дефекты Бъеррума, заряд 0,6e) подвижность составляет 2∙10-8 м2/В∙с, у ионизационных дефектов решетки подвижность равна 2,5∙10-7 м2/В∙с. В электрическом поле с напряженностью 105 В/м  это приводит к скоростям перемещений зарядов до  2,5∙10-2 м/с (ионизационные дефекты) и 2∙10-3 м/с (ориентационные дефекты). При повышенных значениях напряженности поля такие значения, соответственно, выше. Это предопределяет высокую скорость накопления зарядов в местах контактов обломков льдин.

Еще одной важной особенностью кристаллизационных процессов в воде является аномально высокое значение статической диэлектрической проницаемости, которая может достигать 104÷105 [5,9], что обусловливает возрастание действующих сил «сцепления обломков».

Совокупность рассмотренных особенностей приводит к предположениям, что эффект облипания ледоколов и транспортных судов преимущественно связан с электростатическими полями, формирующимися при появлении тонкой прослойки свежекристаллизующегося льда в местах контактов обломков разрушаемого льдин. Т.е. происходит настоящее «прилипание» обломков друг к другу.        

На рис.2  показана схема контакта обломков после попадания в воду. На границе 1 каждого обломка формируется тонкий слой свежекристаллизовавшегося льда 2 (выделено синим цветом), а в разрывах между обломками находится вода 3 – соответственно, полное смерзание обломков здесь отсутствует.

Электростатическое заряжение происходит вдоль всего слоя 2, однако в местах отсутствия контакта между обломками электрическое поле возникает между льдом и водой, и для задачи выявления механизма облипания практически не имеет значения.

 

2.png
Рисунок 2 – Схема формирования электростатического поля в зоне контакта обломков льда.
Обозначения: 1 – границы обломков; 2 – слои свежекристаллизовавшегося льда;
3 – вода между обломками.

 Аналогичный процесс может происходить также при контакте обломка, на котором уже появилась прослойка свежекристаллизовавшегося льда, с корпусом судна. Корпуса судов металлические, и противоположный заряд в зоне контакта возникает за счет индукции. При этом, естественно, не имеет значения знак заряда, возникшего в обломке льда – в корпусе судна будет индуцироваться заряд противоположного знака.

Это может объяснить снижение эффективности ПОУ в результате коррозии корпуса, отмеченное в работе [15]. «Оттеснить» пузырьки воздуха от корпуса для обломка льдины не представляет особого труда. Представляется, что намного важнее окраска борта: во-первых, за счет толщины слоя краски, а во-вторых – за счет более низкой статической диэлектрической проницаемости этой краски  по сравнению со свежекристаллизовавшимся слоем льда.

 Оценка действующих сил сцепления. Используя исходные данные из работ [5,9], по приведенным здесь формулам можно рассчитать силы сцепления обломков и возможное давление в зонах контактов. Результаты расчетов приведены в табл.1.

                                                                                                                                                                                             Таблица 1

Напряженность электрического поля в зоне контакта, В/м

Диэлектрическая прониц. образовавшегося льда

Коэффициент A,

В22

Толщина слоя свеже-кристаллизовавшегося льда, м

Энергия

в зоне контакта, Дж

Суммарная площадь контактов обломков, м2  

Сила сцепления обломков в зоне контакта, Н

Давление в зоне контакта обломков, МПа

1∙105

2∙104

2∙1014

5∙10-4

0,4

1,0

885

8,9∙10-4

1∙106

5∙104

5∙1016

110,5

22,1∙104

0,22

1∙106

105

1∙1017

221

4,42∙105

0,44

1∙106

1,2∙105

1,2∙1017

265,5

5,31∙105

0,53

1∙106

2∙105

2∙1017

442,5

8,85∙105

0,88

1,1∙106

2∙105

2,4∙1017

530

10,6∙105

1,1

1,2∙106

2∙105

2,9∙1017

640

12,8∙105

1,3

1,3∙106

2∙105

3,4∙1017

752,5

15,05∙105

1,5

2∙106

105

4∙1017

885

17,7∙105

1,8

1,5∙106

2∙105

4,5∙1017

995

19,9∙105

2,0

2∙106

2∙105

0,8∙1018

1770

35,4∙105

3,5

1∙107

104

1∙1018

2210

4,42∙106

4,4

2,5∙106

2∙105

1,25∙1018

2765

55,3∙105

5,5

 

Красным цветом выделены сочетания значений, при которых давление в зонах контактов превышает предел прочности льда на сжатие, который при температуре около -150С составляет 2÷2,5 МПа (см. например [14]).

На рис. 3 показано изменение давления в зависимости от различных сочетаний напряженности поля и диэлектрической проницаемости, выражаемых в значениях коэффициента A. Темно-синим цветом выделена зона, в которой слой свежекристаллизовавшегося льда 2 (рис.2) разрушается, приводя, тем самым, к релаксации разделенных зарядов.

 

3.png 

 Рисунок 3  – Изменчивость давления в зонах контактов в зависимости
от  сочетаний характеристик, выраженных коэффициентом A.

 

Расчеты выполнены для суммарной площади контакта 1 м2, однако они отражают общие закономерности. Действительно, при изменении площади результирующее давление, скрепляющее обломки льдин, в соответствии с выражением (3) остается неизменным (меняются только значения сил).

В отличие от давления энергия в зоне контакта зависит от площади и толщины слоя свежекристаллизовавшегося льда. Это следует из выражения (2). С уменьшением площади пропорционально уменьшается энергия.

 4.png

 Рисунок 4 – Запасенная энергия в зоне контакта обломков льдин
в зависимости от сочетаний, выраженных коэффициентом A при
объеме зоны 5∙10-4 м3

 Пример изменчивости запасенной энергии от сочетания характеристик, выраженных коэффициентом A, показан на рис.4. При расчетных значениях A более 4,5∙1017 В22  запасенная энергия тратится на разрушение.

 Экспериментальные данные. В нашей совместной работе [10]  приведены экспериментальные данные, полученные с борта атомного ледокола «Арктика». Измерялась напряженность электрического поля с выносом датчика в сторону от борта, т.е. с расположением над льдом. Использовался измеритель электрического поля в атмосфере (динамический электрометр) конструкции ГГО (Главной геофизической обсерватории им. Воейкова). При фоновой напряженности статического электрического поля атмосферы в Арктике примерно 100-150 В/м над разрушаемым льдом наблюдалось его возрастание до 104 В/м (рис. 5). При облипании корпуса напряженность поля возрастала до 4÷5∙104 В/м [10] .

Такие значения на уровне расположения датчика (11 м над ватерлинией) означают, что непосредственно над льдом напряженность может достигать 106 ÷107 В/м. Это следует из следующих соображений. Как известно, (например [4]), для сосредоточенного заряда напряженность поля уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, а в случае плоскопараллельного поля – обратно пропорционально первой степени расстояния. Это следует из решения уравнения Лапласа. При облипании наблюдается нечто промежуточное (ширина «подушки» 10-15 м, а ее длина – до 50 м, расстояние до датчика 11 м.). Однако решение уравнения Лапласа для таких условий нами не проводилось. Поэтому высказанные соображения следует рассматривать как оценочные.

  5.png

 Рисунок 5 – Фрагмент непрерывной записи напряженности электростатического поля над ледяным покровом при движении ледокола. Обозначения: 1 – уменьшение скорости; 2 –  увеличение скорости и прохождение торосистого участка; 3 – уменьшение скорости; 4 – остановка; 5 – ход назад по пробитому каналу; 6 – ход вперед, разгон; 7 –  пробивание торосистого участка (запись выполнена Андросенко В.Я.).

 Обсуждение.

1. Из полученных данных следует, что электростатический механизм является более значимым при создании «подушки» облипания (особенно – вначале), чем термический. Это в первую очередь обусловлено различными скоростями процессов (стекание зарядов в зону контакта обломков намного быстрее, чем поток холода из центральных областей обломков). В  рамках электростатического механизма находят объяснение  наблюдающиеся при облипании эффекты: высокая скорость создания «подушки», внутренняя динамика в «подушке», прилипание к металлическим (сравнительно теплым) бортам судна, а также ухудшение защиты (при использовании ПОУ) с появлением коррозии.

2. Соответственно, становится необходимым поиск способов защиты принципиально иного типа, чем  используемые в настоящее время.

Библиографический список:

1. Вопросы тактики плавания во льдах западного района Арктики. Методические рекомендации судоводителям // Авторы: Бабич Н.Г., Казаков А.Т./.– М.: ЦРИА «Морфлот», 1982.–124 с.
2. Воеводин В.А., О некоторых особенностях осенне-зимних сжатий льда // Тр. ААНИИ, 1975b, т. 126.– С. 53-58.
3. Воеводин В.А. К вопросу о влиянии сжатия льдов на судоходство // Тр. ААНИИ, 1981, т. 384.– С. 135-138.
4. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля.– М.: Энергия, 1968.– 488 с.
5. Григоров Н.О. Исследование электризации кристаллизующейся воды (применительно к процессам в грозовых облаках).– Автореферат дисс. на соиск. уч. степ.канд.физ.-мат.наук.– Л.: ЛГМИ, 1975.–21.
6. Гольд Р.М., Мастов Ш.Р. Ананина Е.В. Электромагнитное излучение при термическом воздействии на систему вода-лед.– Томский политехн. институт.– Томск, 1982.– 12 с. (рукопись депонирована в ВИНИТИ 28.12.1982 г., № 6439–82 деп.).
7. Доронин Ю.П. Физика океана. – СПб.: Изд. РГГМУ, 2000.– 340 с.
8. Дерягин Б.В., Кротова Н.А. Электрическая теория адгезии (прилипания) пленок к твердым поверхностям и ее экспериментальное обоснование //Успехи физических наук.– Т.XXXV1, вып.3.– 1948.– С.387-406.
9. Колев Стайчо Иванов. Исследование диэлектрических свойств и радиоизлучение кристаллизующейся воды. Автореферат дисс. на соиск. уч. степ.канд.физ.-мат.наук.–Л.:ЛГМИ,1980.–13с.
10. Качурин Л.Г., Андросеннко В.Я., Степанюк И.А., Псаломщиков В.Ф. Дистанционное зондирование напряженно-деформированного состояния ледяных покровов акваторий //В сб. «Вопросы проектирования судов, плавающих во льдах», межвузовский сборник научных трудов, Горьковский политехнический институт.– Горький, 1988.– С. 92-97.
11. Латухов С.В. Экологическая безопасность морских операций в Западном регионе Российской Арктики. Дисс. на соиск. уч.степ. докт. геогр. наук. Спец. 11.00.11 – Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. СПб., 1998.
12. Степанюк И.А., Бацких Ю.М. Оценка электретных свойств снежно-ледяных конгломератов, образующихся в условиях сжатий.– Деп.ЦНИИ ”Румб” NДР- 1832, 1983.– 4 с.
13. Степанюк И.А. Электромагнитные поля при аэро- и гидрофизических процессах.– СПб.: Изд.РГГМУ, 2002.– 214 с.
14. Степанюк И.А. Технологии испытаний и моделирования морского льда.– СПб.: Гидрометеоиздат, 2001.– 77 с.
15. Цой Л.Г., Легостаев Ю.Л., Кузьмин Ю.Л. Атомный ледокол нового поколения в ржавом корпусе [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=5536




Рецензии:

15.03.2018, 19:51 Велигурский Геннадий Алексанролвич
Рецензия: Статья носит обзорный характер. Рассматривается механизм облипания снежно-ледяными конгламератами корпусов судов при движении в арктических водах. Приведен сравнительный анализ некоторых наиболее известных существующих методов защиты судов от облипания. Особое внимание автором уделяется электростатическому механизму защиты. Приводятся результаты расчета при отсутствии и обосновании методики. Констатируется, что рассмотренные автором существующие направления нуждаются не в усовершенствовании и дальнейшем их развитии, а в поиск принципиально новых, соответствующих современному уровню развития общества, способов защиты. Однако автор конкретно ничего научно-обоснованного не предлагает и не указывает, каким видится ему механизм избавления от облипания ХХI века. Считаю, что статья представляет определенный интерес как обзорная (и только) и может быть опубликована.

16.03.2018 19:19 Ответ на рецензию автора Степанюк Иван Антонович:
Авторы благодарны рецензенту за проявленный интерес к нашей работе и за рекомендацию к ее публикации в журнале. С уважением От авторов Степанюк И.А.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх