Журнал "Наука и жизнь", 2000 № 06

Сварка и родственные технологии в освоении космоса и мирового океана. XXI век

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.

Как видим, строительно-монтажные и ремонтные работы в космосе и гидросфере очень сложны и кардинально отличаются от таковых в наших земных условиях. Остановимся несколько подробнее на собственно сварочных и сопутствующих технологиях.

Сначала несколько слов о наиболее распространенной в земных условиях дуговой сварке. В космосе, где вакуум и микрогравитация оказывают существенное влияние на процессы сварки, резки, пайки и напыления, очень трудно обеспечить устойчивое горение дуги и стабильное протекание процесса сварки. Особенно это относится к сварке плавящимся электродом. Еще в шестидесятых годах в Институте электросварки им. Е. О. Патона Национальной академии наук Украины (сокращенно ИЭС НАНУ) были проведены опыты, включающие реальную сварку в космических условиях. Они показали, что дуговая сварка в открытом космосе не имеет больших перспектив.

Не дает положительных результатов и плазменная сварка, также опробованная в космосе. Тем не менее в дальнейшем дуговая и плазменная сварка и резка все же смогут найти применение в космосе, например при сооружении различных объектов на Луне. Совершенствовать и тот и другой вид сварки, а также электродуговую металлизацию, безусловно, необходимо. Для этого потребуются серьезные исследования физики дуги и металлургических процессов, протекающих при дуговой сварке в вакууме, в условиях микрогравитации.

Тем не менее сварка плавлением нужна в космосе уже сейчас при сооружении крупных орбитальных станций и платформ, а также при ремонтных операциях. Самый оптимальный процесс — электронно-лучевая сварка, поскольку необходимый для нее вакуум присутствует в космосе постоянно, а микрогравитация не составляет непреодолимых трудностей. В ИЭС созданы оборудование и технология, позволившие еще в 1984 году совместно с НПО «Энергия» осуществить электронно-лучевую сварку, резку, пайку и напыление различных металлов в открытом космосе. Эти работы превосходно выполнили космонавты С. Е. Савицкая и В. А. Джанибеков. В 1986 году в расширенном виде опыты повторили. Их провели в открытом космосе космонавты В. А. Соловьев и Л. Д. Кизим.

В девяностых годах специалисты ИЭС создали новое оборудование для применения электронно-лучевой технологии в космосе. Это установка «Универсал», снабженная сменным инструментом для сварки, резки, пайки и напыления. Она питается электроэнергией от бортовой сети космической станции. «Универсал» можно либо использовать как ручной инструмент, либо встраивать в механизированные дистанционно управляемые установки, применяемые в основном для восстановления деградировавших поверхностей теплозащитных экранов, антенн и других объектов на космических станциях. Установка «Универсал» прошла весь комплекс предполетных испытаний, сертифицирована и готова к проведению серии запланированных натурных экспериментов на орбитальной станции «Мир». Во время подготовки к полету установку «Универсал» осваивала группа американских астронавтов, прошли также «горячие» тренировки несколько российских экипажей, которым предстоит проводить сварочные эксперименты в космосе.

Первый в мире технологический эксперимент в условиях невесомости и вакуума — сварка металлов на установке «Вулкан» — был проведен в октябре 1969 года. (На фото слева направо: летчики-космонавты СССР В. Н. Кубасов и Г. С. Шонин.)

Работы, связанные с применением электронно-лучевой технологии в космосе, продолжаются: совершенствуется оборудование, увеличивается его мощность. Все это позволит сваривать и резать металл практически любой толщины.

Весьма интересна для применения в открытом космосе лазерная технология. От электронно-лучевой ее отличают по крайней мере два существенных преимущества: во-первых, нет высокого ускоряющего напряжения и, во-вторых, может быть применена волоконная оптика. Это значит, что можно установить лазер стационарно и транспортировать световой луч в любую точку орбитальной станции снаружи (в открытом космосе), а также внутри ее. Присущие лазерной технологии недостатки — низкий, по сравнению с электронным лучом, кпд процесса и сравнительно большие масса и габариты установки — устранимы, но над этим нужно работать. В недалеком будущем лазерная технология, видимо, найдет применение на космических орбитах. Особые надежды мы возлагаем на диодные лазеры.

Нет препятствий и для применения в открытом космосе контактной сварки (в частности, точечная сварка была проверена еще в шестидесятых годах). Это относится и к шовной (роликовой) сварке. Нужно создать своего рода установку «Универсал» со сменным инструментом для точечной и роликовой сварки, а также с устройствами, защищающими оператора от возможных выплесков металла. Контактную сварку можно будет использовать в космосе при сооружении различных конструкций из тонколистовых материалов и для их ремонта. Она может найти применение при сооружении объектов на Луне.

Представляют интерес различные сварные трансформируемые конструкции, изготовленные на Земле. Их можно доставлять на орбитальную станцию либо на Луну в компактном виде. Оболочечные металлоконструкции способны «раздуваться» с помощью небольшого избыточного внутреннего давления и приобретать заданную форму и габариты. Соединяя с помощью сварки отдельные преобразуемые элементы, можно собирать в космосе более сложные и крупные сооружения. Найдут применение и трансформируемые раздвигающиеся и складывающиеся конструкции, состоящие из унифицированных узлов. Их можно использовать как на орбитальных космических станциях, так и на Луне.

Словом, сварочные технологии в космосе — это не научная фантастика. Думаю, они будут востребованы уже в начале XXI века, по мере развития работ на международной орбитальной космической станции.

Американский астронавт в летающей лаборатории проводит эргономическую оценку созданного в ИЭС сварочного оборудования в условиях кратковременной невесомости.

В гидроневесомости (в бассейне) на макете шаттла отрабатываются циклограммы сварочного эксперимента.

Идет отработка технологии и приемов выполнения ручной электронно-лучевой сварки в барокамере.

Существуют «мокрая» и «сухая» технологии подводной сварки. В первом случае сварка (это же касается и резки) осуществляется непосредственно в воде, во втором — сварка и резка проводятся в локальных и крупногабаритных камерах, где можно создать либо газовую атмосферу, либо вакуум.

Конечно, весьма интересна и перспективна «мокрая» сварка, например, при сооружении в гидросфере крупных сварных конструкций и их ремонте. Такая технология применяется в наше время на глубине до 100 метров, при этом, как правило, в работе участвует оператор-водолаз. Однако в перспективе будут освоены глубины порядка сотен и тысяч метров, где работа оператора невозможна. Сварка и резка в таких экстремальных условиях должны быть полностью автоматическими.

Задача несколько облегчается благодаря тому, что за процессом сварки можно наблюдать и частично управлять им из находящегося поблизости батискафа. Решающую роль в работе сварочного оборудования должны играть подводные роботы и дистанционно управляемые манипуляторы. Но, как видим, на пути подготовки и сборки изделий под сварку и в процессе собственно сварки возникают громадные трудности.

Наибольший интерес для гидросферы представляет дуговая сварка. Однако следует иметь в виду, что на больших глубинах, где гидростатические давления достигают нескольких сотен атмосфер, свойства дуги и протекание металлургических процессов совершенно не изучены. В этом направлении нужны серьезные и длительные исследования, результаты которых сегодня трудно предсказать. Но постановка таких исследований крайне необходима.

Речь может и должна идти также о применении в гидросфере других способов сварки и резки. Определенную перспективу представляют различные варианты контактной сварки. Собственно точечная сварка, в том числе металлов больших толщин, видимо, возможна. Но для этого предстоит разработать такие конструкции и их сварные узлы, в которых точечные соединения будут иметь необходимый комплекс свойств.

Несколько сложнее обстоит дело с контактной стыковой сваркой. Получить качественные соединения, выполненные «мокрой» стыковой сваркой оплавлением, не удастся. Значит, необходимо развивать «сухую» сварку. То же самое относится к стыковой сварке сопротивлением.

В гидросфере может быть применена взрывная технология. Прежде всего это касается резки взрывом, используемой при ремонтных работах. Примером может служить вырезка дефектного участка подводного трубопровода либо резка трубчатых свай, на которых установлены исчерпавшие ресурс буровые или эксплуатационные платформы. Разработанные в ИЭС технологии резки взрывом безопасны для окружающей водной среды и ее обитателей. Опыт использования этой технологии на глубинах в несколько десятков метров позволяет предположить, что «резать» взрывом можно и на большей глубине. Но для этого необходимы серьезные исследования.

Возможно использование и лазерной технологии с применением твердотельного лазера и волоконной оптики. Лазер можно установить на надводном корабле, а световой луч транспортировать по волоконному световоду. Другой вариант — опустить лазер в герметичном корпусе на дно или поместить в батискаф, из которого «выпускается» световод с «горелкой». Словом, заставить работать под водой световой луч лазера в наших силах. Однако получить качественное сварное соединение очень трудно. Первые опыты по лазерной сварке под водой уже проводятся, но опять-таки необходимы серьезные эксперименты в гипербарических камерах. Видимо, предстоят длительные исследования, в том числе связанные с созданием новых присадочных материалов. Таким образом, при всей заманчивости «мокрой» сварки и резки, чтобы использовать их при строительстве и ремонте различных конструкций и сооружений под водой на больших глубинах, нужны очень серьезные, длительные и дорогие исследования и опытно-конструкторские работы.

Что касается «сухой» сварки, то выполнить ее в вакуумной камере под водой очень сложно. Ведь речь идет о том, чтобы поместить в крупногабаритную камеру либо всю сооружаемую конструкцию, либо ее узлы. Создать в такой камере вакуум при давлениях в окружающей водной среде в несколько десятков и даже сотен атмосфер чрезвычайно трудно. Полагаю, что разработки в этой области малоперспективны.

Реально можно осуществить сварку на больших глубинах в локальных камерах, которые устанавливаются в зоне сварки. В них подается газ под давлением, несколько превышающим гидростатическое давление окружающей среды. Вода вытесняется, и создается контролируемая газовая среда. Нужны только насосы высокого давления и достаточный запас газа. Необходимо следить за тем, чтобы плотность посадки камеры в зоне сварки была максимальной. В противном случае существенно возрастает расход газа, и это вызывает дополнительные трудности. Полагаю, что пока можно говорить лишь о необитаемых камерах.

Процесс сварки (резки) в камерах под водой должен быть автоматизирован. Управлять им и вести наблюдение можно только дистанционно — из батискафа либо из надводного корабля. Для этого в камере надо установить телевизионные мониторы и различные сенсоры. Информация от них будет выводиться на центральный пульт в батискафе или надводном корабле. Если батискаф оборудовать механической рукой и другими манипуляторами, то оператор сможет вмешиваться в работу при сооружении и сварке конструкции.

В случае необходимости в такой камере можно проводить антикоррозионное напыление различных конструкций. Это, например, газотермическое и плазменно-дуговое напыление, а также электродуговая металлизация. Однако о целесообразности использования этих процессов говорить пока рано. У нас нет опыта применения технологий, основанных на использовании электрической дуги при столь высоких давлениях. В этом направлении также предстоят серьезные длительные исследования в гипербарических камерах.

В камерах с контролируемой газовой атмосферой можно применять лазерный луч. Но и в этом случае предстоит добиться стабильного качества сварных соединений, создать новые присадочные материалы и технологии собственно сварки. Нужна также технология лазерной резки в условиях высокого давления газовой среды в камерах.

Все процессы сварки в камерах должен сопровождать неразрушающий контроль качества сварных швов — ультразвуковой, магнитный или рентгеновский. Естественно, процессы контроля тоже должны быть автоматизированы.

Подводная механизированная сварка при ремонте трубопровода на дне Волги.

Электроснабжение сварочных и сопутствующих технологических процессов на больших глубинах представляет самостоятельную и достаточно сложную задачу. Видимо, оптимальными, как уже было сказано, будут источники энергии, состоящие из аккумуляторной батареи и преобразователей, прежде всего инверторов. Источники питания можно поместить в герметичные кожухи с устройствами для теплообмена, опустить на дно, а после окончания работ поднять на надводный корабль либо «захоронить» на дне. Выбор варианта будет определяться экономическими соображениями. Можно разместить источники питания и в батискафе. В обоих случаях потребители электроэнергии подключаются к ним дистанционно с помощью манипуляторов, размещенных на батискафе, либо роботов.

Чрезвычайно сложная и актуальная задача — ремонт на больших глубинах сварных конструкций. Для него нужны дистанционно управляемые сборочные стапели, кондукторы и манипуляторы. Оказалось, что ремонтные работы значительно сложнее сварочных. Сегодня ремонт одного сварного стыка подводного трубопровода на глубине 100 метров и более стоит несколько миллионов долларов. Поэтому строители всегда стремятся выполнить максимальный объем сборки и сварки на берегу. Очень сложным будет неразрушающий контроль качества сварных соединений.

Огромное значение приобретает техническая диагностика сварных подводных сооружений. Эта задача решается сегодня во многих промышленно развитых странах. Систематический контроль, в том числе ультразвуковой контроль за эксплуатационным состоянием сварных соединений, ведется на сотнях морских буровых скважин на весьма больших глубинах.

Таким образом, сварка, резка, напыление и пайка в гидросфере представляют собой очень сложную комплексную задачу. Особенно, когда речь идет о больших глубинах, которые, несомненно, будут осваиваться в XXI веке.

Так в перспективе будут выглядеть сборка и сварка трубопроводов на дне океана.

Ученым и специалистам в области сварочной науки и техники предстоит выполнить сложнейшие исследования и опытно-конструкторские разработки, без них просто невозможно создать и освоить технологии соединения металлов, нанесения покрытий и сооружения уникальных конструкций в открытом космосе и гидросфере. При этом возникают огромные проблемы и в области экологии. Словом, нам предстоит решать чрезвычайно увлекательную научную и инженерную задачу.

Масштабность и комплексный характер всех этих проблем заставляют говорить об интеграции мировой сварочной науки и техники, это особенно важно, когда национальные ассигнования на науку сокращаются. Необходимо общими усилиями создавать крупные международные проекты, которые будут реализовываться на основе специализации и кооперации многих сварочных и других научных центров ведущих стран мира.