Читаем 2000 № 06 онлайн бесплатно

Президент Национальной академии наук Украины, академик Российской академии наук Б. ПАТОН, директор Института электросварки им. Е. О. Патона (Киев).

Борис Евгеньевич Патон.

В преддверии нового века возникает естественное желание поразмышлять над тем, что нас ожидает впереди, куда мы идем, какими путями. Это в полной мере относится к научно-техническому прогрессу, к сварочной науке и технике, без которых просто невозможно представить себе современное производство и строительство.

В соответствии с терминологией, предложенной Европейской сварочной федерацией, термин «сварка» означает соединение, резку и обработку поверхности материалов всех типов с использованием таких процессов, как сварка, пайка (твердая и мягкая), термическая резка, газотермическое напыление, адгезионное сцепление, микросоединение. Этот перечень включает и управление, обеспечение качества, неразрушающий контроль, гигиену труда и охрану здоровья персонала.

Основная задача сварочного производства — проектирование и изготовление сварных конструкций. Сварными в наше время делают конструкции из стали, цветных металлов и сплавов. Все глубже проникает сварка в производство изделий из синтетических материалов, создаются технологии сварки разнородных металлов и сплавов, освоена сварка композиционных материалов. Наиболее ответственные гражданские и военные машины и инженерные сооружения изготовляются в сварном исполнении. Год от года растут требования к качеству сварных конструкций, повышаются их надежность и долговечность.

О масштабах применения сварки можно судить по данным статистики: примерно 70 % всего выпускаемого в мире стального проката используется в сварных конструкциях; годовой объем мирового производства сварочных материалов и оборудования достигнет в нынешнем году в денежном выражении 40 миллиардов долларов. В разных странах мира в сварочном производстве заняты миллионы сварщиков, резчиков, дефектоскопистов и других специалистов.

Конечно, все это относится к производству и строительству в земных условиях. Однако на всех этапах развития человечества его привлекали Вселенная (ближний и дальний космос) и гидросфера (Мировой океан). Во все века люди стремились овладеть небесным и водным пространствами.

Эпохой активного вторжения человека в космос, в глубины океанов и морей стала вторая половина XX века. И это естественно и закономерно. Вместе с тем благодаря достижениям научно-технического прогресса появилась иллюзорная надежда на то, что человек обретет безграничную власть над окружающей средой, над природой. Такая философия очень опасна. Она может привести к глобальной катастрофе. Мы должны всегда помнить об этом.

Несомненно, в наступающем XXI веке будут интенсивно развиваться космические исследования, направленные на решение земных проблем, продолжатся глубокие фундаментальные исследования происхождения жизни на планете и эволюции человека. Дальнейшее проникновение человека в космос позволит создать такие новые жизненно важные отрасли, как глобальная информационная система, добыча внеземных ресурсов, космическая биотехнология, космическая энергетика, технология производства полупроводниковых монокристаллов, и другие.

Сейчас на орбите объединенными усилиями космических держав сооружается международная космическая станция. Реально рассматривается задача освоения Луны, ее минеральных и энергетических ресурсов. Продолжается штурм Марса. Чтобы осуществить эти грандиозные планы, нужно строить совершенно новые сооружения, создавать принципиально новые материалы. При этом решающую роль будут играть микрогравитация и вакуум, наличием которых определяются характеристики различных конструкций. Принципиально изменятся условия и методы труда человека.

Новую космическую технику будут создавать как в земных, так и в орбитальных условиях. И здесь очень важная роль отводится сварке и связанным с ней совершенно новым процессам и технологиям.

Говоря о гидросфере, прежде всего стоит вспомнить, что три четверти поверхности нашей планеты составляют океаны, моря, озера, реки. Они всегда привлекали людей своими необъятными просторами и глубинами. И хотя складывались легенды об ихтиандрах, до недавнего времени человек мог проникнуть лишь в верхние, мелководные зоны Мирового океана.

Практическое освоение континентального шельфа началось во второй половине нашего столетия. Сегодня в крупных промышленных масштабах добывают нефть и газ. Согласно прогнозу, в 2004 году мировая добыча нефти составит 3150 миллионов тонн, из них 32 % будет получено со дна морей и океанов. Примерно такую же долю составит объем добытого на шельфе природного газа. Развитие этой отрасли было бы невозможно без строительства мощных буровых и эксплуатационных платформ, терминалов, обустройства подводных месторождений. Кроме этого создана современная технология укладки мощных подводных трубопроводов. Так, в Северном море сооружен газопровод «Zip Pipe» диаметром до 1220 миллиметров, протяженностью более 1000 километров.

Грузовая стрела-манипулятор транспортирует космонавта-оператора и оборудование к месту проведения работ на внешней поверхности станции «Мир».

Пока все эти объекты построены на шельфе, глубина которого, как правило, не превышает 300 метров, правда, газопровод из Алжира в Европу уложен на глубине 600 метров. И это, конечно, не предел. Россия уже приступила к осуществлению грандиозного проекта — прокладке газопровода протяженностью около 400 километров на глубине свыше 2000 метров по дну Черного моря.

Сейчас разрабатывается технология строительства и эксплуатации на дне морей и океанов газоперекачивающих и нефтяных насосных станций без непосредственного участия человека. В этой связи возникают чрезвычайно сложные задачи диагностики и ремонта всех подводных сооружений топливно-энергетического комплекса. Нужно заметить, что пока самые квалифицированные водолазы могут действовать на глубине лишь до 300 метров.

Грандиозный шаг вперед сделала Япония. Здесь на сравнительно мелководном шельфе строятся целые города. При этом широко используются сварные сваи, опоры, платформы, трубопроводы.

В глубинах океанов таятся огромные запасы минеральных ресурсов. Их добыча, в частности марганцевых конкреций, пока нерентабельна. Но по мере исчерпания этих полезных ископаемых на суше и дальнейшего мощного развития научно-технического прогресса человечество неизбежно придет к добыче минеральных ресурсов со дна океанов и морей, глубины которых достигают 5000 метров.

Самостоятельную задачу представляет подъем затонувших кораблей и других конструкций. Эти огромные «запасы» металла, веками скапливавшиеся на дне морей и океанов, могут и должны быть введены в процесс рециклинга.

Совершенно очевидно, что проблемы освоения гидросферы, так же как и космического пространства, не могут быть решены без широкого применения разнообразных процессов и технологий сварки, резки, нанесения покрытий. Водная среда и громадные гидростатические давления — очень сложные условия для практического применения сварочных и сопутствующих им технологий, поэтому для их создания понадобятся дорогие и трудоемкие исследования.

Подводя итог вышесказанному, можно утверждать, что в наступающем XXI веке нас ожидают большие, чрезвычайной сложности работы в космосе и в глубинах Мирового океана. При этом громадное значение будут иметь сварочные технологии, используемые для создания сложного оборудования и аппаратуры в земных условиях. Частично они уже существуют, но для дальнейшего освоения космоса и гидросферы необходимо разрабатывать новые процессы сварки, резки, пайки и нанесения различных покрытий. В XXI веке появятся новые, экзотические материалы. Для их обработки и соединения опять-таки понадобятся совершенно новые технологии. К выполнению этих работ сварочная наука и техника достаточно подготовлены.

Схема прокладки сварного газопровода по дну Черного моря между Джубгой (Россия) и Самсуном (Турция).

Иначе обстоит дело с созданием материалов и технологий их обработки непосредственно в космосе и гидросфере, где условия необычайно сложны и принципиально отличаются от земных. И те и другие технологии объединяет то, что они заведомо должны быть ориентированы на экстремальные условия. Для космоса характерны не только микрогравитация и вакуум, но и термоциклирование, неизбежное при работах на орбите. В гидросфере же приходится иметь дело с непрерывной водной средой и со все большими и большими гидростатическими давлениями. При этом, в отличие от космоса, в глубинах мирового океана всегда сохраняется постоянная положительная температура. Обитание и, главное, работа человека в таких экстремальных условиях связаны с громадными трудностями, а иногда и просто невозможны. В обоих случаях нужны скафандры и высоконадежные системы жизнеобеспечения. Скафандры для работы в открытом космосе уже многократно проверены в деле, они существуют около 40 лет. Водолазные скафандры позволяют работать на глубине только до 300 метров. Погружение на большую глубину пока неосуществимо, и связано это в том числе с физиологическими особенностями организма человека.

И в космосе, и в гидросфере возникают трудности со снабжением электроэнергией, особенно если речь идет об ее длительном потреблении. Чтобы вырабатывать электроэнергию в космических условиях, понадобятся огромные солнечные батареи и мощные аккумуляторы. Полагаю, в дальнейшем будут использоваться и другие источники, в частности ядерные. Они могут функционировать на автономной необитаемой орбитальной станции-платформе, а излучаемый поток энергии будут принимать на обитаемой станции.

Ряд технологических операций в космосе может выполняться только при дистанционном управлении рабочими процессами с применением всевозможных роботов и манипуляторов. Некоторые образцы таких устройств уже действуют на американских шаттлах и на российской орбитальной станции «Мир». В большинстве случаев в их работу может вмешиваться оператор-космонавт, в том числе и в открытом космосе.

Орбитальная станция «Мир» полной конфигурации, на которой из года в год проводятся эксперименты по космическим технологиям.

Немалые трудности представляет снабжение электроэнергией оборудования, работающего в подводных условиях на больших глубинах. Чтобы передать значительное количество электроэнергии с надводного корабля на глубину, нужны специальные кабели достаточно большого сечения. Потери электроэнергии в них окажутся весьма существенными, и будет относительно трудно добиться жестких вольт-амперных нагрузочных характеристик. Видимо, предпочтение следует отдать аккумуляторным батареям, которые можно снабдить соответствующими преобразователями энергии. Вполне реально использовать в будущем сверхпроводниковые кабельные линии, соединяющие мощный источник питания на надводном корабле с приемной подстанцией на дне. Здесь предстоит искать оптимальные решения.

Что касается роботов и всевозможных манипуляторов, то их применение для глубоководных работ исключает возможность непосредственного вмешательства оператора. Человек будет управлять рабочими процессами дистанционно, из глубоководного обитаемого подводного судна (батискафа). Подводные суда можно оборудовать достаточно мощными подъемно-транспортными устройствами, оснастить телевизионными камерами и различными сенсорами. Батискафы будут использовать как для визуального наблюдения, так и для инструментального контроля за состоянием подводных трубопроводов и другого оборудования.

Сварка в космосе и гидросфере сможет получить серьезное распространение только в том случае, если удастся разработать весьма совершенные методы неразрушающего контроля сварных соединений, методологию технической диагностики сварных конструкций. Для этого потребуются мощные банки данных и компьютерное моделирование. Режимы сварки в широком понимании этого термина будут выбираться с помощью компьютеров. В целом без компьютеризации создать новые технологии сварки и применить их в космосе и гидросфере просто невозможно.