доктор физико-математических наук, профессор
Российский государственный гидрометеорологический университет
профессор кафедры океанологии
Бацких Юрий Михайлович, главный специалист ФГУП «Росморпорт», почетный полярник
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.
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.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.
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.
Для поставленных здесь задач в выражении (1) целесообразно использовать некоторую суммарную площадь контактов между обломками SΣ.
Энергия этого поля W будет определяться выражением:
где V – объем, занимаемый полем.
Соответственно ,
где d– толщина слоя свежекристаллизовавшегося льда
Давление, действующее на границу раздела зарядов получится следующим:
(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.
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, В2/м2 |
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.
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.
Пример изменчивости запасенной энергии от сочетания характеристик, выраженных коэффициентом A, показан на рис.4. При расчетных значениях A более 4,5∙1017 В2/м2 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.
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.
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.