CC BY
211
Вестник ДВО РАН. 2015. № 6
УДК. 574.587, 629.12, 621.373
ЮН. КУЛЬЧИН, А.Ю. ЗВЯГИНЦЕВ, Е.П. СУББОТИН, С И. МАСЛЕННИКОВ, А.А. БЕГУН
Перспективы
и технико-экономические аспекты разработки новых методов контроля биообрастания на морском транспорте
Кратко описано явление морского биообрастания и меры борьбы с ним. Проведен краткий обзор работ по технико-экономическим аспектам влияния факторов биообрастания на эксплуатационные параметры морского транспорта. Обрисованы нерешенные проблемы, предложен перспективный экологически чистый способ поддержания высоких эксплуатационных характеристик морских судов с помощью внедрения системы мероприятий по профилактическому их обслуживанию в портах, основанный на новейших лазерных технологиях.
Ключевые слова: биообрастание, волоконный лазер, лазерная очистка, экономия топлива, морской флот, порт.
Perspectives and technical-economic aspects of elaboration of new methods of controlling biofouling on the maritime transport. Yu.N. KULCHIN (Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS, Vladivostok), A.Yu. ZVYAGINTSEV (A.V. Zhirmunsky Institute of Marine Biology, FEB RAS, Vladivostok), E.P. SUBBOTIN (Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS, Vladivostok), S.I. MASLENNIKOV, A.A. BEGUN (A.V. Zhirmunsky Institute of Marine Biology, FEB RAS, Vladivostok).
The paper briefly describes the phenomenon of marine biofouling and measures to control it. A brief overview of papers on the technical-economic aspects of the influence of biofouling factors on operational parameters of sea transport has been made. Unsolved problems in this area are outlined and offered a promising ecologically pure way of maintaining high performance of ships through the implementation of the system of special measures aimed to service ships in ports, based on the latest laser technologies.
Key words: biofouling, fiber laser, laser treatment, fuel economy, maritime fleet, port.
Важность борьбы с биообрастанием следует из экономических показателей эксплуатации судна, что напрямую связано с себестоимостью доставки грузов, а также длительностью эксплуатации морских гидротехнических сооружений и конструкций [11, 13]. Биообрастание отрицательно влияет на гидродинамические характеристики судна в процессе эксплуатации, что приводит к ухудшению его ходовых свойств, снижению скорости и увеличению эксплуатационных затрат. Так, затраты на топливо составляют
* КУЛЬЧИН Юрий Николаевич - академик, директор института, СУББОТИН Евгений Петрович - кандидат физико-математических наук, директор Центра лазерных технологий (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток), ЗВЯГИНЦЕВ Александр Юрьевич - доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, МАСЛЕННИКОВ Сергей Иванович - кандидат биологических наук, руководитель Центра аквакультуры и прибрежных биоресурсов, и.о. заведующего лабораторией, БЕГУН Андрей Аркадьевия -кандидат биологических наук, научный сотрудник (Институт биологии моря им. А.В. Жирмунского ДВО РАН, Владивосток). *E-mail: director@iacp.dvo.ru
Работа выполнена при поддержке Программы фундаментальных исследований ДВО РАН «Дальний Восток» (гранты 15-I-7-021, 15-!-6-012о).
приблизительно 80 % эксплуатационных расходов любого корабля [1]. Снижение крейсерской скорости требует дополнительных мощностей двигателей и увеличения топливного потребления. Таким образом, «гладкий» корпус - один из основных факторов экономичной эксплуатации судна.
Потери скорости вследствие биообрастания достигают 50 % от номинальной, повышается расход топлива, происходит ускоренный износ судового оборудования. По среднестатистическим данным, в процессе эксплуатации судна после очистки корпуса в доке и покраски скорость снижается на 8-9 %, причем обрастание гребного винта здесь может сказаться больше, чем обрастание корпуса судна (рис. 1) [9].
В результате многолетних наблюдений за скоростью обрастания судна с начала его эксплуатации после полной очистки подводной части корпуса выявлено, что, например, для судов типа «Панамакс» снижение скорости составляет в среднем 0,5 узла/год [10]. Увеличение шероховатости подводной части судна всего на 15 мкм повышает его сопротивление движению на 1 %, а обрастание балянусами и мидиями размером в 20-30 мм вызывает потерю скорости хода на 4 узла и значительный перерасход топлива [21]. Дальнейшее увеличение шероховатости подводной поверхности корпуса судна повышает расход топлива до 10 % на каждые 100 мкм обрастания (рис. 2) [20].
Затраты на эксплуатацию судов увеличиваются в геометрической прогрессии независимо от их скорости, но для относительно тихоходных судов - максимально критично (рис. 3) [14].
Вся промышленность в области морских перевозок приспосабливается к высоким ценам на топливо, используя метод снижения скорости, в результате чего сокращается потребление горючего независимо от возраста судна. При снижении скорости судна с 15 до 11 узлов можно сократить уровень потребления горючего на 50 % [16]. Такие же
/
Время после докования, мес.
Рис. 1. Потеря скорости судов вследствие обрастания корпуса
Рис. 2. Пример распределения общей биомассы обрастателей и наиболее массовых видов животных на трех судах Беринговоморской транспортной линии. На шкале - биомасса (г/м2)
Рис. 3. Увеличение средней шероховатости корпуса судна в зависимости от его возраста и увеличение мощности, необходимой для поддержания крейсерской скорости [2]. 1 - верхний, 2 - нижний предел
показатели, только со знаком минус, характеризуют процессы при обрастании. Из-за увеличения шероховатости корпуса за счет прикрепившихся морских организмов скорость корабля уменьшается на 4 узла, и для ее поддержания на прежнем уровне требуется увеличение мощности главной силовой установки и увеличение расхода топлива на 50 %.
Снижение скорости судна на 25 %, а следовательно сокращение потребления топлива на 50 %, обусловливает не только экономию средств судовладельца, но и увеличение времени доставки груза из порта в порт. В годовом исчислении это означает, что одно и то же судно сможет перевезти на 25 % груза меньше, чем если бы оно не снижало скорость.
Также можно оценить потери мирового флота на компенсацию потерь от сверхнормативного потребления топлива, вызванных обрастанием подводной части корпусов судов. Если в среднем принять среднестатистическую величину потерь, которая лежит в пределах от 0 % при выходе судна из дока до 50 % через 3 года эксплуатации, равную 25 % от нормативного значения [21], то, зная данные по бункеровке за год, можно подсчитать цифру годовых потерь мирового флота. Известно, что международный морской флот потребляет приблизительно 250 млн т топлива ежегодно [8]. Следовательно, если бы борьба с обрастанием была эффективной, то можно было бы сэкономить 62,5 млн т топлива, а при средней его цене 600 долл. США за 1 т это эквивалентно 37,5 млрд долл. Рынок бункерного топлива России в 2007 г. составлял около 10 млн т топлива в год [8]. Экономический эффект при снижении негативного воздействия обрастания составит 1,5 млрд долл. в год, или в национальной валюте при курсе 62 руб. за 1 долл. - свыше 93 млрд руб. Таким образом, для среднестатистического судна типа «Seawaymax» финансовые потери от обрастания составят 750 000 долл. в год.
Если обратиться к статистическим данным, можно увидеть, что на торговые суда приходится 85 % мирового флота, а на перевозку морем - 75 % всей мировой торговли. При этом весь глобальный флот в 2011 г. насчитывал около 50 000 морских судов общей грузоподъемностью свыше 1,4 млрд т [15]. Экономическая продолжительность жизни торгового судна, как правило, составляет 25 лет. В абсолютных значениях объем мировой торговли достигает 15 трлн долл., из которых 9 трлн обслуживается морским путем [16]. Также известна средняя цена бункеровочного топлива, которая, например, в 2013 г. в Сингапуре составляла около 600 долл./т [18]. Сухогрузный флот в среднем около 6 % всего времени доставки тратит на простаивание в портах в ожидании погрузки-выгрузки, что соответствует примерно 20 дням потерянной эффективности в год [16]. Кроме того, согласно нормативным документам каждое судно должно становиться в док на очистку корпуса и его обследование хотя бы 1 раз в 5 лет. Это приводит не только к дополнительным финансовым потерям судовладельца, но и к потерям времени, ушедшего на ремонт, а значит, к ухудшению эксплуатационных показателей флота в целом.
В определении границ понятия «обрастание» (англ. fouling) вслед за многими отечественными и зарубежными специалистами мы понимаем совокупность прикрепленных и подвижных форм организмов, населяющих антропогенные поверхности, находящиеся в эксплуатации [6].
Специалистами ИБМ ДВО РАН исследовано обрастание и микромасштабная турбулентность вдоль корпусов судов [7]. Распределение обрастателей, как доминантов, так и субдоминантов ценоза обрастания, носило отчетливо пятнистый характер (рис. 4). Для
Рис. 4. Зависимость топливной эффективности эксплуатации от гидродинамического качества корпуса судна, пропорционального его обрастанию [9]. Левый столбик -15 узлов, правый -30 узлов
контроля интенсивности биообрастания в мировой практике в последнее время используются защитные краски и покрытия подводной части судна, применение которых позволило увеличить период междокового его обслуживания до 5-7 лет и в итоге привело к существенной экономии при эксплуатации [19].
Наиболее безопасными и экологически чистыми считаются механические методы периодической очистки с помощью водолазов и механических или полуавтоматических роботов [17]. При этом применяются скребки, щетки, кавитационные устройства или гидродинамические пушки. Периодичность очистки сводится к определению компромисса между ее стоимостью и стоимостью потерь от обрастания. По своей идеологии эти методы очень просты: если избежать обрастания не удается, то его можно контролировать.
В то же время у этих методов имеются существенные недостатки. Так, специалистами Института биологии моря ДВО РАН показана низкая эффективность проводимой водолазами очистки судов от обрастания летом и осенью в прол. Босфор Восточный. Этот период совпадает с массовым оседанием усоногих раков Amphibalanus improvisus, в меньшей степени - ряда других видов обрастателей. Всего через две недели после такой очистки корпус судна оказывается на 100 % покрытым молодью этих балянусов. Таким образом, подводная очистка эффективна лишь в зимне-весеннее время, когда оседания макрообрастания практически нет [6].
Новейшим трендом в данном направлении является предложение использовать для очистки подводных поверхностей лазерное излучение определенной мощности [4]. Режимы лазерного излучения подбираются таким образом, чтобы не причинять вреда защитному лакокрасочному покрытию. Сохранение целостности лакокрасочного покрытия очень важно для долговечной эксплуатации корпуса, и лазерное излучение легко справляется с этой задачей, полностью очищая поверхность. Ни один существующий метод не дает такого качества очистки подводной поверхности [5]. После лазерной обработки морские организмы через некоторое время снова начинают прикрепляться к корпусу, и через несколько месяцев процедуру надо повторить.
В настоящее время себестоимость лазерной очистки от органики при скорости обработки 15 м2/ч составляет 0,5 долл. США/м2, и она снижается с ростом производительности
оборудования [12]. В работе [3] подробно рассмотрены физические и экономические вопросы применения лазерной очистки в промышленности, а также предложены решения, обеспечивающие значительный рост производительности лазерной очистки и снижения ее себестоимости [2, 12]. Перенос этих решений на морской лазерный комплекс для очистки подводной части судов технически не представляет трудности. Ориентировочные значения затрат по лазерной очистке судна водоизмещением 28 000 т показывают, что себестоимость разовой процедуры составила бы 14500 х 0,5 = 7250 долл., т.е при годовой потребности в четырех очистках - не более 29000 долл. Чистая годовая экономия от снижения расхода топлива для судовладельца только от одного такого судна при профилактической очистке корпуса с помощью лазеров может превышать 700 000 долл. в год.
Очень важно, что такая очистка может проводиться в порту, при разгрузке судна, или на рейде, в процессе ожидания подхода к причалу, совершенно не мешая обычной судовой жизнедеятельности. Для полной очистки судна в зависимости от его размеров достаточно 1-2 сут. Профилактическая очистка корпуса по предложенной методике поможет в ближайшее время решить проблему обрастания судов. Предупредить болезнь намного дешевле, чем лечить.
Максимальная экономическая целесообразность и дешевизна лазерной обработки корпуса судна могут иметь место только при условии проведения периодической очистки, когда процессы интенсивного обрастания еще не произошли. Пока судно разгружается, один-два специализированных катера пришвартовываются к борту и спускают 2-7 автономных роботов, которые начинают автоматически по программе с элементами интеллекта очищать подводную часть судна, одновременно производя видеофиксацию и дополнительно инспекцию корпуса и винто-рулевой группы на предмет вмятин, трещин, коррозионных свищей, отслоения краски. Для судовладельца эта процедура может быть практически бесплатна, а порту принесет дополнительные сборы и существенно поднимет его рейтинг. Вполне очевидно, что из двух портов, куда может зайти судно, судовладелец выберет тот, где он получит максимальный сервис и гарантию длительной экономически обоснованной эксплуатации судна.
Технические проблемы при реализации этой концепции касаются в первую очередь вопросов доставки лазерного излучения в нужное место на днище корабля и процессов управления движением как самого робота, так и его манипулятора с активной головкой, осуществляющей лазерную обработку. Кроме того, возникают многочисленные вопросы относительно моделирования геометрии поверхности корпуса корабля, адаптации движения робота по криволинейным участкам и т.д. Каждая ключевая составляющая в предложенной концепции уже имеет свое решение и техническое воплощение в других областях науки и техники. Сложность состоит в том, что все это надо собрать воедино и адаптировать к сложным условиям морской среды. Сроки окупаемости таких работ крайне малы, и если учитывать ежегодный экономический эффект от реализации этой концепции, то затраты на НИР и ОКР полностью окупятся в течение года за счет резкого снижения расхода топлива.
Для отработки методики начаты полевые эксперименты по очистке стальных пластин с разным сроком экспозиции в море. Пластины экспонировали на глубине 0,5 м в бухте Сухопутная (водозаборный ковш ТЭЦ-2, Владивосток) Уссурийского залива и бухте Тихая Заводь (пирс МБС «Запад» ИБМ ДВО РАН) зал. Восток (зал. Петра Великого). Сроки экспозиции - 05.06-06.07 и 05.06-28.08.2015 г., температура - 17,2 и 19,5 °С, соленость - 31 и 32,5 %о соответственно.
Спустя 1 мес. и 3 мес. экспозиции пластины вынимали и исследовали на наличие микроводорослей перифитона и макрообрастателей. Затем одну из пластин, контрольную, подвергали механической обработке, а другую обрабатывали лазерным излучением различной мощности. Далее пластины нарезали на фрагменты, каждый из которых фотографировали, а затем просматривали на сканирующем электронном микроскопе с различным увеличением (рис. 5, см. вклейку).
К статье: Ю.Н. Кульчин, А.Ю. Звягинцев, Е.П. Субботин, С.И. Масленников, А.А. Бегун «Перспективы и технико-экономические аспекты разработки новых методов контроля биообрастания на морском транспорте»
Рис. 5. Общий вид экспериментальных пластин после различной обработки. 1-3 - пластины, извлеченные из воды (1 - ТЭЦ-2, срок 1 мес., 2 - ТЭЦ-2, срок 3 мес., 3 - «Запад», срок 3 мес.), 4-7 - ТЭЦ-2, срок 1 мес. (4 - без обработки, 5 - механическая обработка, 6 -лазер 400 Вт, 7 - 1000 Вт), 8-10 - ТЭЦ-2, срок 3 мес. (8 - механическая обработка, 9 - лазер 400 Вт, 10 - 1000 Вт), 11, 12 - «Запад», срок 3 мес. (11 - лазер 400 Вт, 12 - лазер 1000 Вт), 13-15 - сканирующий электронный микроскоп (13 - ТЭЦ-2, 1 мес., без обработки, увеличение х20; 14 - то же,
х1000, 15 - механическая обработка, х20); 16-30 - сканирующий электронный микроскоп (16 - ТЭЦ-2, механическая обработка, х1000; 17-20 - ТЭЦ-2, срок 1 мес. (17, 18 - лазер 400 Вт, х20 и х1000; 19, 20 - лазер 1000 Вт, х20 и х1000), 21-26 - ТЭЦ-2, срок 3 мес. (21, 22 - механическая обработка, х20 и х1000; 23, 24 - лазер 400 Вт, х20 и х1000; 25, 26 - лазер 1000, х20 и 1000), 27-30 - «Запад», срок 3 мес. (27, 28 - лазер 400 Вт, х20 и х1000, 29, 30 - лазер 1000, х20 и х1000))
Таксономическая структура диатомовых водорослей перифитона на экспериментальных пластинах в водозаборном ковше ТЭЦ-2 и на МБС «Запад»
Отдел Bacillariophyta Число видов
ТЭЦ-2 МБС «Запад», 27.09.2015 г.
06.07.2015 г. 28.08.2015 г.
Класс Bacillariophyceae 11 30 13 4 6 2 4 5 3 19 41 18
Класс Fragilariophyceac
Класс Coscinodiscophyceae
Итого
Таксономический состав микроводорослей из обрастания пластин представлен тремя классами (табл. 2), макрообрастание - монодоминантным сообществом ювенильных особей усоногих раков Amphibalanus improvisus с диаметром домика в пределах 1-3 мм.
Плотность поселения балянусов весьма невысока - не более нескольких десятков экземпляров на 1 м2 при минимальной биомассе 0,1 г/м2. Кроме того, на пластинах зарегистрировано несколько единичных особей многощетинковых червей семейств Spirorbidae и Serpulidae (рис. 5, см. вклейку). Перифитон на экспериментальных пластинах в водозаборном ковше ТЭЦ-2 с различными сроками экспозиции, а также на МБС «Запад» представлен исключительно диатомовыми водорослями (отдел Bacillariophyta, см. таблицу).
Максимальное число видов перифитона (41 вид и внутривидовой таксон) отмечено на пластинах в водозаборном ковше ТЭЦ-2, экспонировавшихся с 05.06 по 28.08.2015 г. Минимальный видовой состав (18 видов) отмечен на МБС «Запад», где пластины экспонировали с 20.06 по 27.09.2015 г. Уровень качественного сходства видов в перифитоне ТЭЦ-2 и МБС «Запад» достаточно низкий, коэффициент Серенсена-Чекановского равен 0,30, что соответствует 30 %.
Микроводоросли перифитона на всех исследуемых пластинах отмечены только до начала лазерной обработки. После обработки пластин волоконным лазером на всех мощностях (100-1000 Вт) ни одной клетки диатомовых водорослей и ни одного кремнеземного панциря не найдено.
Обработка макрообрастания лазерным излучением после трехмесячной экспозиции пластин была эффективна на мощности 1000 Вт. На меньшей мощности на данном сроке экспозиции пластин после обработки были отмечены остатки домиков морских желудей и многощетинковых червей.
Для экономики России внедрение описанной технологии означает (кроме прямой ежегодной экономии 93 млрд руб. за счет снижения потребления бункерного топлива) дополнительное увеличение налоговых отчислений в связи с ростом международной привлекательности торговых портов и их товарооборота, возросший социальный фактор (создание дополнительных рабочих мест и значительное улучшение экологической обстановки в акваториях портов), укрепление здоровья населения. Немаловажна и экспортная направленность технологических решений. Реализация этой концепции позволит в короткое время создать новую методологию защиты морского транспорта от обрастания, ввести регулярную инспекцию подводной части корпуса судов для снижения аварийности на морском транспорте. Концепция будет способствовать появлению крупных интеграционных проектов, находящихся в русле мировых приоритетов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Брошков С.Д. Выбор экономичной скорости хода судна с учетом характеристик главного двигателя // Автоматизация судовых технических средств. 2013. № 19. С. 16-22.
2. Вейко В.П., Самохвалов А.А. Анализ механизма лазерной абляции под слоем жидкости на основе термо-флуктуационной теории разрушения // Приборостроение. 2014. Т. 57, № 6. С. 54-58.
3. Вейко В.П., Смирнов В.Н., Чирков А.М., Шахно Е.А. Лазерная очистка в машиностроении и приборостроении. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 103 с.
4. Вейко В.П., Волков С.А., Мутин Т.Ю., Смирнов В.Н. О возможности спектроскопического контроля процесса лазерной очистки // Приборостроение. 2011. Т. 54, № 2. С. 65-68.
5. Вейко В.П. и др. Перспективы индустриальных применений лазерной очистки материалов // Вестн. ин-формац. технологий, механики и оптики. 2012. № 3(79). С. 50-54.
6. Звягинцев А.Ю. Морское обрастание в северо-западной части Тихого океана. Владивосток: Дальнаука, 2005. 432 с.
7. Звягинцев А.Ю., Мощенко А.В. Роль микромасштабной турбулентности в распределении организмов ма-крообрастателей на корпусах судов дальнего плавания // Биология моря. 2002. № 6. С. 449-453.
8. Овчинникова А.В. Базовые принципы функционирования рынка судового топлива Дальнего Востока России // Проблемы современной экономики. 2007. № 3. С. 306-307.
9. Петрова Н.Е., Баева Л.С. Биокоррозия корпусов судов // Вестн. МГТУ. 2006. Т. 9, № 5. С. 890-892.
10. Пилюгин А.Г. Учет обрастания корпуса судна при расчетах силы сопротивления воды движению судна // Сб. докл. 60-й Междунар. науч.-техн. конф. Владивосток: Мор. гос. ун-т им. Г.И. Невельского, 2012. С. 34-35.
11. Протасов А.А., Силаева А.А. Контурные группировки гидробионтов в техно-экосистемах ТЭС и АЭС. Киев: Ин-т гидробиологии НАН Украины, 2012. 274 с.
12. Смирнов В.Н. и др. Очистка лазерным излучением // Журн. РИТМ. 2008. № 3 (33). С. 64-76.
13. Тарасов Н.И. Обрастания судов и гидротехнических сооружений у морских берегов СССР // Зоол. журн. 1959. Т. 38, № 12. С. 1886-1889.
14. Alternative ship hull coating system // Ship & Offshore. 2012. Vol. 1. P. 10-12.
15. Asariotis R. et al. Review of Maritime Transport. 2011. UNCTAD/RMT/2011.
16. Hanouz M.D., Geiger T., Doherty S. The global enabling trade report 2014 // World Economic Forum. 2012. P. 85-90.
17. Hydrex Whitepaper. 2011. N 5. P. 17.
18. Malmros C. Short-delivered bunkerings // Palmers university of technology. Gothenburg, 2013. P. 8.
19. Rompay B. Van. Surface Treated Composites White Book. Clearwater, FL: Tahoka press, 2012. 296 p.
20. Ship hull performance. 2012. Vol. 2, iss. 2. С. 7.
21. Swain G.W. The importance of ship hull coatings and maintenance as drivers for environmental sustainability // Proc. of RINA Conf. Ship Design Operation for Environmental Sustainability. L.: Royal Institute of Naval Architects, 2010. P. 48-56.
