Технический очерк
Друзья земляне!
Предлагаю Вашему вниманию Международную Программу строительства на шельфе и глубоководном дне Мирового Океана подводных платформ
Как показывают оценки, нагрузки, которые будут испытывать подводные платформы, а также нагрузки на отдельные конструкционные узлы, элементы конструкций, фрагменты их поверхности и объема, значительны по величине и разнообразны по своей природе. По этой причине традиционные строительные системы, основанные на применении железобетонных и стальных конструкций, для строительства таких сооружений, как подводные платформы, использованы быть не могут.
Для решения фундаментальной и сложной задачи строительства подводных платформ и других морских сооружений предлагается принципиально новая строительная система. Название предлагаемой строительной системы – «Суперкомпозитная ячеистая строительная система Краснова».
Как показывают расчеты, пригодными для широкомасштабного подводного строительства, включая строительство на шельфе и глубоководном дне, оказываются исключительно ячеистые конструкции. Именно ячеистые конструкции обладают необходимой, очень высокой удельной конструкционной прочностью, надежностью и одновременно плавучестью. Традиционные стальные силовые рамные конструкции и железобетонные, сплошные в теле монолитные конструкции необходимыми прочностными свойствами не обладают.
Вторым важнейшим требованием, вытекающим из анализа видов нагрузок и характера воздействия морской глубоководной среды, является требование использования материала с очень высоким, даже уникально высоким уровнем физико-технических свойств. Уровня свойств таких традиционных конструкционных материалов, как сталь и железобетон, здесь недостаточно. По некоторым свойствам необходимо более чем десятикратное превышение величины соответствующей характеристики.
Третьим важнейшим требованием является требование использования конструкционного материала, у которого набор обязательных свойств, включая технологические свойства, существенно шире, чем могут удовлетворить железобетон и сталь. Примерами таких требуемых свойств являются следующие свойства: отсутствие у конструкционного материала электропроводности, а также практически полная неподверженность химической и электрохимической коррозии в морской воде.
В основе предлагаемой Программы лежит новейшая суперкомпозитная ячеистая строительная система. Только она позволяет удовлетворить многочисленные требования по прочности, надежности и долговечности, предъявляемые к столь объемным, сложным и ответственным сооружениям, как подводные платформы, в том числе платформы для добычи полезных ископаемых.
В самом общем виде указанная строительная система представляет собой процесс сборки из отдельных суперкомпозитных листовых элементов ячеистых пространственных структур и формирование на основе этих структур силовой конструкции всего сооружения.
Суперкомпозиты – это новый класс конструкционных строительных материалов. По своей структуре и составу суперкомпозиты представляют собой композиционные материалы на основе неорганического вяжущего – цемента. Суперкомпозиты в десятки раз превосходят железобетон по всему спектру физических, технических и технологических характеристик. Суперкомпозиты, кроме того, обладают теми характеристиками, которыми железобетон не обладает, в частности, полной собственной водонепроницаемостью и стойкостью к такой химически агрессивной среде, как морская вода. Последнее означает, что суперкомпозиты не требую дополнительных мер по их гидроизоляции или повышению химической стойкости. Это очень важно именно для строительства сооружений и их последующей эксплуатации в морской воде.
Но только одних свойств конструкционного материала, пусть и очень высоких, для подводного морского строительства не достаточно. Гораздо важнее оказываются свойства ячеистых структур, собираемых из листов этого материала.
Ячеистые структуры представляют собой совершенно новое дополнительное звено в традиционной связке «материал – конструкция». Между «материалом» и «конструкцией» появляется «ячеистая структура». Новая связка выглядит так: материал (в данном случае это суперкомпозит) - ячеистая (суперкомпозитная) структура – конструкция. Новое звено и возникающая вместе с ним новая цепочка полностью меняют всю идеологию и философию конструирования и строительства.
Это новая цепочка, в которой конструкция реализуется не из материала, а из структурно организованного материала. Более того, ячеистая структура, в которой реализуется конструкция, позволяет поставить вопрос о реализации всего сооружения (в нашем случае – подводного комплекса) не из отдельных конструкционных элементов, а как единой целостной интегрированной конструкции. Вместо связки «материал – конструкция – сооружение» для строительства крупногабаритных морских сооружений предложена принципиально новая связка «материал – ячеистая структура – сооружение». По сути, звено между «материалом» и «сооружением», называемое «конструкцией», исчезает. Часть задач конструкции «уходит» в ячеистую структуру, а часть задач «уходит» в сооружение.
В процессе сборки ячеистой структуры сооружение «выращивается» как единое целое без межконструкционных швов.
Только высочайший уровень силовых свойств ячеистых структур может обеспечить реализуемость предлагаемой Программы. Сплошные в теле силовые конструкции из железобетона слишком тяжелы, слишком объемны, слишком непрочны. Рамные конструкции из стальных элементов недостаточно прочны, кроме того, не обеспечивают необходимой конструкционной жесткости и устойчивости сооружению в целом и его отдельным фрагментам. Поэтому основу данной Программы составляют сооружения принципиально нового типа, не имеющие сплошных в теле силовых элементов. Все требования в полном составе и в полном объеме к подводным глубоководным сооружениям могут быть удовлетворены только в листовых ячеистых структурах.
Перечислим лишь некоторые важнейшие свойства суперкомпозитных ячеистых структур, собираемых из листовых элементов:
• Ячеистые структуры обладают способностью выдерживать огромное гидростатическое давление, выдерживать значительное по величине гидростатическое обжатие, свойственное большим глубинам.
• Ячеистые структуры обладают способностью перераспределять напряжения по всему своему объему, в частности, всему телу сооружения. В ячеистых структурах нет мест локальной концентрации напряжений.
• Ячеистые структуры имеют высокий запас деформационной прочности.
• Ячеистые структуры обладают необходимой конструкционной жесткостью и устойчивостью.
• Ячеистые структуры обладают способностью выдерживать импульсные и периодические колебательные нагрузки, выдерживать очень сильный гидродинамический удар.
• Ячеистые структуры обладают способностью гасить в своем теле энергию вибраций, энергию колебаний, энергию удара, энергию взрыва.
• Ячеистые структуры обладают высочайшей надежностью. В ячеистой структуре невозможно катастрофическое развитие трещин. Трещина, проходящая через всю ячеистую структуру, невозможна.
• Ячеистые структуры обеспечивают высокий уровень свободы строительного, конструкционного формообразования. Из ячеистых структур можно сформировать практически любую пространственную форму и реализовать силовую схему требуемой конфигурации.
• Ячеистые структуры обладают высокой плавучестью. Ячеистые сооружения теряют плавучесть только в том случае, если их разбить буквально в щепки, вплоть до каждой ячейки.
В предварительном плане разработаны уникальные ячеистые структуры для формирования стенок корпуса подводных сооружений. Такие стенки способны выдерживать внешнее гидростатическое давление в десятки атмосфер. Кроме того разработаны варианты многокорпусных подводных сооружений, обеспечивающих им исключительно высокую надежность и живучесть.
Важнейшей особенностью подводных сооружений является их плавучесть, основанная на существовании выталкивающей гидростатической силы Архимеда. Подводные сооружения могут опираться на дно, но на их фрагменты действует вертикальная сила, величина которой определяется весом воды, вытесненной фрагментами. Ячеистые структуры, имеющие пустоты, могут быть заполнены балластом, что позволяет компенсировать всю выталкивающую силу или ее часть.
Подводные платформы по своему назначению могут быть узкоспециализированными, широкопрофильными или универсальными. Приведем в краткий перечень возможных назначений подводных платформ:
• Подводное сырьевое добывающее предприятие;
• Подводная научно-исследовательская океанологическая, гидрологическая, геофизическая, геологическая и т.д. база;
• Подводное поселение или подводный город;
• Подводный завод, в частности, по переработке рыбы и других морских продуктов;
• Подводная гидроэлектростанция на морских течениях;
• Подводный логистический комплекс;
• Подводная топливозаправочная станция;
• Подводное нефте- или газохранилище;
• Подводный порт для надводных и подводных кораблей с транспортными тоннелями между дном и поверхностью, дном и сушей.
• Подводный туристический и развлекательный комплекс;
Подводные платформы как сооружения по своим размерам могут быть как очень маленькими (несколько десятков м куб.), так и очень большими (десятки и сотни тысяч м куб), могут иметь малую протяженность (единицы и десятки метров) и большую протяженность (километры). Добавим, что подводные транспортные сооружения могут иметь протяженность в тысячи км. Примером таких транспортных сооружений является плавучий или лежащий на дне (придонный) подводный транспортный тоннель, по которому могут перемещаться люди, автомобили, железнодорожный транспорт, конвейер. Другим примером является плавучий или лежащий на дне подводный коллектор. Он выполняет защитные и силовые несущие функции. В коллекторе могут быть проложены трубопровод, кабель линии оптоволоконной связи, кабель линии электропередачи и др.
Подводные платформы могут состоять из нескольких объемов различной формы, расположенных друг относительно друга различным образом. Платформы и составляющие их элементы могут иметь в объеме любую необходимую форму. Это связано с тем, что степень свободы подводного строительного формообразования в ячеистых суперкомпозитных структурах весьма значительна.
Подводные платформы могут располагаться недалеко от берега и на удалении в сотни и тысячи км. Платформы могут располагаться на неглубоком шельфе (глубина десятки и сотни метров), на заданной глубине в плавучем состоянии и на глубоководном дне (глубина тысячи метров) Мирового Океана.
Подводные платформы могут располагаться в территориальных водах или в международных водах. Подводные платформы могут располагаться в любой климатической зоне, включая крайние северные и южные широты.
Подводные платформы могут быть стационарными, т.е. не предполагающими их перемещение, и мобильными, предполагающими их перемещение, с необходимыми силовыми средствами и системами автономного позиционирования и якорения. Подводные платформы могут образовывать компактные или распределенные по акватории группы сооружений с внутренней системой транспортных подводных тоннелей.
Подводные платформы могут быть обитаемыми и необитаемыми. Подводные обитаемые платформы могут быть полностью автономными со всей необходимой системой жизненного и функционального обеспечения.
Подводные платформы могут иметь разные уровни надежности и живучести. Особо важные подводные платформы могут иметь повышенную надежность, вплоть до уровня гарантированного выживания при глобальных катастрофах. Устойчивые к гигантским волнам, которые могут возникнуть в мировом океане вследствие падения метеоритов, такие подводные платформы могут обеспечить решение глобальной проблемы сохранения Человечества.
Представляется, что нужна международная Программа строительства множества подводных городов для спасения Человечества от возможных катастроф.
Корпуса особо надежных платформ должны представлять собой многослойную многооболочечную конструкцию. Каждая из оболочек или групп оболочек выполняет свою функцию, например, защитную от внешних недружественных воздействий. Разрушение такой оболочки, например, от столкновения с подводной лодкой или от взрыва мины или торпеды, не приведет ни к каким тяжелым последствиям или угрозам для всей платформы. Добавим, что ремонтопригодность ячеистых структур очень высока. Работы по разборке фрагментов разрушенной оболочки и восстановлению целостности оболочки могут быть роботизированы.
Наиболее технологичным представляется строительство фрагментов платформ на стапеле на берегу или на плавучем стапеле непосредственно в открытом море. Готовые фрагменты могут буксироваться в надводном плавучем состоянии к месту установки платформы. Из отдельных фрагментов собирается вся платформа или ее крупногабаритная часть. Далее собранная часть платформы затапливается и позиционируется на заданной глубине либо на дне. После сборки и установки платформы в заданном положении вода из объема платформы откачивается.
Для сообщения между разнесенными в пространстве частями платформы могут быть собраны транспортные тоннели любого диаметра, а также защитные коллекторы для прокладки коммуникаций. Например, для теплоснабжения и электроснабжения платформы понадобится энергоустановка, которая в интересах безопасности может быть размещена в отдельном пространственном модуле. От этого модуля должны быть протянуты защитные коллекторы, внутри которых будут размещены линии теплопередачи и электропередачи. И транспортные тоннели, и защитные коллекторы должны выдерживать все те же внешние воздействия, что и платформа. По этой причине их строительство нужно будет осуществлять с использованием суперкомпозитной ячеистой строительной системы.
В частности, стенки труб и коллекторов будут представлять собой многослойные ячеистые структуры.
При необходимости можно соединить транспортными тоннелями и коллекторами платформы, находящиеся друг от друга на десятки километров, а также соединить любую платформу с континентальной сушей.
Для позиционирования на заданной глубине и в заданном положении подводных плавучих платформ, транспортных тоннелей и коллекторов разработана система якорения, также выполняемая из суперкомпозитных элементов.
Как легко видеть, впервые появляется возможность реальной колонизации океанского дня. Технической предпосылкой является возможность строительства платформ различного назначения и их размещения на заданной глубине, на шельфе или на глубоководном дне Мирового Океана. Технологической предпосылкой является новейшая и уникальная ячеистая суперкомпозитная строительная система. Экономической предпосылкой колонизации Мирового Океана является наличие гигантских по масштабам морских месторождений полезных ископаемых, в том числе нефти и газа.
Примером таких месторождений является Штокмановское газоконденсатное месторождение, открытое в 1988 году. Месторождение расположено в центральной части шельфовой зоны российского сектора Баренцева моря, в 550 км от берега. Начальные геологические запасы оцениваются в 3,9 трлн. м3 газа и 56 млн. т газового конденсата. Глубина моря составляет 340 м. Добыча с надводных платформ крайне затруднительна из-за природно-климатических и физических условий: ледяные поля большой мощности, высота волн — до 27 м, годовой диапазон температур: от ;50 до +33 °C, наличие айсбергов весом до 4 млн. тонн. Единственным разумным, экономичным и надежным вариантом освоения такого месторождения является строительство подводных газодобывающих платформ.
Другой пример - месторождение в Средиземном море Leviathan (Левиафан), открытое 29 декабря 2010 года. Месторождение расположено примерно в 130 км от побережья северного израильского города Хайфа, недалеко от Ливана. Оценочно месторождение содержит около 450 млрд. м куб. природного газа. Это приблизительно в пять раз больше объема, который принято считать "большими запасами". Выявление этих запасов может позиционировать Израиль как экспортера природного газа. Однако, между Израилем и Ливаном до сих пор не установлены дипломатические отношения и не проведена демаркация морской границы. Правительство Ливана заявляет, что месторождение природного газа может тянуться в сторону ливанских территориальных вод. Это усиливает опасения по поводу того, что месторождение может создать напряженность в отношениях между двумя странами. Активность на поверхности моря в виде строительства надводных газодобывающих платформ может провоцировать военные акции или даже террористические акты. В данном случае добыча может столкнуться с трудностями политического характера. Разумным и гораздо более безопасным вариантом является освоение месторождения с использованием подводных газодобывающих платформ.
Создавая подводные платформы различного назначения, отдельные государства или группы государств совместно могут решать свои стратегические задачи, такие, например, как:
• компенсация дефицита общей территории или прибрежной территории,
• выход в Мировой Океан,
• обеспечение сырьем промышленности,
• решение транспортных проблем, связанных с развитием гидроавиации, морского флота,
• развитие новых видов транспорта и транспортных систем.
Начало строительства подводных платформ и начало колонизации дна Мирового Океана – это вопрос времени. Безусловно, в условиях такой активности произойдет перераспределение между технологическими лидерами сначала акватории Мирового Океана, потом дна Мирового Океана, а затем и его ресурсов.
Настоящая Международная Программа имеет целью предложить лидирующие строительные технологии освоения шельфовой зоны и глубоководного дна в интересах всех заинтересованных стран мирового содружества.
Предлагаемая Концепция Программы ориентирована на практическую реализацию новейших технологических достижений в области материаловедения, производства, строительства. В рамках настоящей Концепции предполагается выполнение работ по следующим направлениям:
• создание системы научных, технологических, конструкторских, производственных подразделений для детальной разработки Программы строительства подводных сооружений и реализации стартового проекта;
• проектирование и строительство завода по производству суперкомпозитов;
• проведение испытаний суперкомпозитов и суперкомпозитных ячеистых структур;
• моделирование вариантов подводных платформ, линейных сооружений и отдельных силовых узлов;
• моделирование базовых гидродинамических условий эксплуатации подводных платформ и линейных сооружений в Мировом Океане;
• моделирование поведения подводных платформ, линейных сооружений и их элементов в различных эксплуатационных условиях;
• моделирование катастрофических сценариев и соответствующих комплексных воздействий на подводные платформы и сооружения;
• разработка моделей надежности подводных платформ и линейных сооружений и выбор соответствующих технических решений;
• выполнение проекта подводной платформы или сооружения для заданного вида использования;
• осуществление натурного проекта в заданном регионе Мирового Океана;
• опытная эксплуатация подводной платформы или сооружения;
• подготовка технического задания на разработку подводных и наземных строительных роботов первого поколения;
• подготовка технического задания на разработку автоматизированного и роботизированного морского производственного комплекса для серийного строительства подводных платформ и линейных сооружений;
• подготовка технического задания на разработку автономной системы жизнеобеспечения на подводной платформе.
В освоении Мирового Океана, в освоении его сырьевых, энергетических и прочих ресурсов объективно заинтересованы все государства мира, все Человечество. Освоение Мирового Океана – это важнейшая стратегическая цель Человечества.
В ближайшие десятилетия научно-технический прогресс сконцентрируется на задачах, связанных с освоением Мирового Океана. Мир стоит на пороге эры Аквацивилизации.
С неизбежностью будут возникать подводные, опирающиеся на дно, и плавучие аквагорода с десятками миллионов обитателей в каждом. Акваурбанизация - новая фаза освоения планеты Земля, позволяющая создать комфортные условия обитания на планете сотням миллиардов жителей.
По это причине освоение новой суперкомпозитной ячеистой строительной системы, разработка методов проектирования и технологий строительства подводных платформ и сооружений, в первую очередь, линейных сооружений типа тоннеля или коллектора, позволит в самое ближайшее время и за очень короткие сроки сформировать на международном строительном рынке новый огромный сегмент.
Потенциал соответствующего сегмента рынка строительных услуг, изделий и сооружений в ближайшие 20-30 лет можно оценить величиной в диапазоне 10 – 15 трлн. долл.