Испытание льдом: В Крыловском государственном научном центре разрабатываются технологии будущего для освоения российской Арктики. Часть 1

Крыловский государственный научный центр (КГНЦ) является одним из мировых лидеров в области научных исследований и проектирования для судостроения. Уникальность Центра состоит в наличии единственной в судостроительной отрасли комплексной экспериментальной базы, позволяющей выполнять практически любые исследования. В последние годы были спроектированы высокотехнологичные морские объекты: ледоколы, буксиры-спасатели, научно-исследовательские суда, танкеры и сухогрузные суда различного назначения, буровые установки, суда снабжения буровых установок.  Также, одним из основных направлений деятельности Центра является стандартизация, каталогизация, классификация, сертификация продукции и систем менеджмента качества предприятий отрасли и метрологическое обеспечение производств

КГНЦ выполняет заказы фирм и компаний более чем 20 стран, обеспечивая научные и инженерные разработки практических вопросов развития военного и гражданского судостроения. Среди заказчиков ведущие классификационные общества, такие как Lloyd Register, Det Norske Veritas, American Bureau of Shipping, Russian Maritime Register of Shipping и другие

Территория КГНЦ в Санкт-Петербурге занимает площадь около 800 000 кв. метров, что сопоставимо с размерами небольшого города. На сегодняшний день в нем работает около 3200 человек

В КГНЦ был создан арктический инжиниринговый центр, посвященный научно-техническим исследованиям, связанным с технологиями, применимыми в сложных ледовых условиях Арктики. Это должно обеспечить концентрацию уникальной научно-экспериментальной базы, имеющихся наработок и практического опыта российских судостроителей

PRO-ARCTIC посетил арктический инжиниринговый центр КГНЦ, чтобы расспросить руководителей и ведущих специалистов центра о текущих и перспективных разработках для Арктики, а также технологиях, которые используются центром для проектирования, проведения испытаний и обучения. О работе арктического инжинирингового центра, технологиях проектирования и перспективных разработках рассказали начальник арктического инжинирингового центра, заместитель генерального директора Крыловского ГНЦ, Владимир Дюков и главный конструктор КБ «Балтсудопроект» Андрей Обухов

Об Арктическом инжиниринговом центре

Владимир Дюков: КГНЦ занимается научно-техническим руководством и сопровождением проектирования, постройки, эксплуатации судов и морской техники, работающих в суровых ледовых условиях уже не одно десятилетие. Тем не менее сама специфика работ арктической направленности, а также необходимость предоставления Заказчику комплексного решения поставили вопрос о целесообразности формирования структуры, которая бы являлась интегратором арктической тематики в Крыловском центре. Понимая, что спрос очень широк мы, конечно, в первую очередь, ориентированы на создание новых инновационных судов, которые смогут работать на Северном морском пути и техники для работы на арктическом шельфе. Сейчас в мире практически нет средств, которые могли бы работать в условиях, характерных для российской Арктики. Несмотря на то, что РФ является безусловным лидером по созданию ледокольного флота, требования, которые выставляет работа на арктическом шельфе, ставят вопрос о разработках другого порядка.

Недавно у нас были коллеги из «Роснефти» — мы с ними сошлись во мнении, что технологии освоения арктического шельфа сопоставимы с космическими, как по технологической сложности, так и по стоимости. С учетом новых масштабов задач применительно к созданию эффективных судов и морских сооружений для Арктики необходима разработка ряда принципиально новых («критических») технологий создания и эксплуатации этой техники — технологий определения и снижения ледовых нагрузок, разработки новых конструкционных материалов, технологий строительства крупногабаритных объектов, технологий пожаротушения, или, например, спасения в ледовых условиях. Арктический регион остается наименее освоенным, а это значит применяемые технологические решения должны обеспечивать спасение экипажей судов и платформ в случае каких-либо форс-мажорных обстоятельств.

Андрей Обухов: Наше конструкторское бюро «Балтсудопроект», входящее в состав Арктического инжинирингового центра, имеет большую историю создания проектов судов и нацелено на разработку высокотехнологичной техники. В свете решения задач, связанных с Арктикой, мы находимся в рамках реализации тех научных прикладных арктических изысканий, которые были выполнены КГНЦ или в со-исполнении с компетентными в этой области учреждениями, в рамках совместных работ с потенциальными заказчиками – операторами судов морской техники и добычных разведывательных комплексов.

ЦКБ «Балтсудопроект», как одно из подразделений КГНЦ, способно выполнить оценку проекта с точки зрения его реализуемости. Начиная с концептуального, эскизного, проекта до разработки технической, проектно-конструкторской, приемно-сдаточной и эксплуатационной документации. Первая часть – это научная идея и разработка концепции. Вторая часть включает в себя получение исходных данных для реализации целевой задачи и оценочную техническую и экономическую составляющую, а также выпуск проектной документации.

В своей работе мы используем все современные программные продукты, необходимые конструктору. Проектирование ведется по соответствующим регламентам с возможностью использования результатов НИР, выполненных КГНЦ, и являющихся основой технических решений.

В составе нашего КБ более 150 человек. Также есть возможность подключения к работе сотрудников ЦКБ «Айсберг», входящего в состав Арктического центра. Наши конструкторские бюро полностью совместимы как по подходу к проектированию, так и по инструментам (программным продуктам) и специализации. Работы определяются регламентами основанным на ГОСТах и требованиях, принятых в судостроении, как отечественном, так и зарубежном. ЦКБ «Балтсудопроект» стремится поддерживать партнерские отношения с такими организациями, как «Газпром», ОСК, «Росатом» и многими другими.

Арктическая тема напрямую присутствует в проектах ЦКБ. Это ледоколы, работающие на Балтике, на базе которых на сегодняшний день построено три ледокола пр. 21900М для работы в условиях Арктики. Также ведется разработка буровых платформ, научно-исследовательских и научно-экспедиционных судов.

Разрабатывая технику для Арктики, мы решаем первоочередные задачи, связанные с определением целевой нагрузки технических средств. И уже от функционала задач, таких как доставка грузов, выполнение специальных операций или прием летательных аппаратов, выбираем способ ее решения, применительно ко всем внешним факторам.   Спектр задач, который мы решаем, достаточно широк. Зачастую, речь идет не только о создании новой техники, но и о продлении ресурса уже действующей, в том числе в арктических широтах, на базе новых решений. 

Команды КБ «Балтсудопроект» и ЦКБ «Айсберг», которые работают в составе Арктического центра, сейчас являются одними из наиболее компетентных на рынке проектирования.  По качественному составу проектантов – это два конструкторских бюро, которые изначально ориентировались на создание ледокольного флота.

Хотелось бы отменить, что современная проектно-конструкторская документация – это не чертежи, которые появляются в рамках электронного формата, а полная 3D модель судна с высокой степенью проработки, выполненная на базе данных, предоставленных поставщиками оборудования, для завода-строителя. Только после окончательного согласования 3D модели начинается выпуск чертежей – выгрузка сечений, изометрических составляющих. Таким образом, все смещается в область объемного электронного проектирования. Это, с одной стороны, сдерживает выпуск самого чертежа, с другой — исключает наличие коллизий. Известно, что большой серийности в строительстве судов в нашей стране пока нет, в том числе для арктических широт. У нас каждый проект – это индивидуальный проект. Формирование арктического судна со всеми сопутствующими расчетами и испытаниями является сложной задачей. И главное, что все соисполнители таких проектов и поставщики оборудования, находятся в такой же ситуации, во многом повторяя путь создания индивидуального проекта нового оборудования. Проектант оказывается в ситуации, когда изготовитель вынужден создавать это оборудование при различных ограничительных условиях, включающих актуальную на сегодняшний день «санкционнную» составляющую. Например, на атомные суда (а для Арктики сейчас это основная часть) иностранного оборудования не поставляется, то есть, все должно быть создано на наших предприятиях, что требует значительного времени.

Владимир Дюков:  В процессе создания объекта морской техники возникает необходимость постоянного взаимодействия проектантов и специалистов в области ледовых технологий, так как знания в области ледопроходимости, расчета ледовых нагрузок и прочности, требующиеся при создании морской техники высоких ледовых классов, у проектанта могут быть недостаточны. Это позволяет избежать ошибок на ранних стадиях проектирования, увеличить качество результата и скорость работы.

Важным подспорьем в наших разработках является тот факт, что мы – один из крупнейших мировых гидродинамических центров. В основе наших научных разработок лежит анализ результатов  многочисленных модельных экспериментов, проводимых в ледовом бассейне, а также опыт сотрудников Центра. В результате использование наших инновационных научных разработок инженерами-проектировщиками позволяет производить эксклюзивный продукт, а степень детализации этого продукта может быть абсолютно разной в зависимости от поставленных целей и задач.

Многие объекты техники нуждаются в модернизации или усовершенствовании для работы в других условиях. В каждом отдельном случае задача является уникальной и, именно комплексный подход к её решению и совместная работа конструкторов и ученых, позволяют достигнуть высоких технических и экономических показателей.

Так, например, в случае отработки соответствующих проектов судов и морской техники высоких ледовых классов идет тесное взаимодействие проектанта и специалистов в области ледотехники для совершенствования технологии проектирования корпусов ледоколов и судов ледового плавания, исследования маневренных характеристик судов при движении в различных ледовых условиях и особенностей взаимодействия движительно-рулевых комплексов со льдом.

Андрей Обухов: При формировании технического задания мы запрашиваем первичные требования к объекту. С этого и начинается проектирование. Происходит формирование целевой задачи и модели использования этого судна. Условно: какие задачи выполняем, в какое время и  с какой скоростью. Что касается Арктики, модель с одной стороны понятна, а с другой – имеет много нюансов с точки зрения назначения, класса судна, условий эксплуатации. Если пренебрегать этими требованиями и решать укрупненную задачу, получаем результат с теми же укрупненными допущениями, а это отразится как на цене строительства, так и на стоимости эксплуатации.

Владимир Дюков: В ближайшие 5 – 10 лет мы ожидаем значительного увеличения судоходства по Северному морскому пути. Причем это может быть не транзитный грузопоток, а, в значительно степени, отправка углеводородов с onshore месторождений, разрабатываемых на Крайнем Севере. Здесь есть и несколько заводов СПГ, и Новопортовское месторождение, и еще целый ряд проектов. Так, например,  80 % сжиженного природного газа с завода «Ямал-СПГ» предполагается поставлять на рынки Азиатского региона. В связи с отсутствием необходимого ледокольного флота, доставка СПГ по восточному маршруту зимой затруднительна, хотя транспортировка этим путем наиболее экономически эффективна.

Кроме того, в условиях обострившейся конкуренции, серьезным условием востребованности Северного морского пути может являться обеспечение проводки судов со скоростью 10 узлов на всем маршруте, в том числе в 2-х метровых льдах. Для реализации этих задач нами совместно с ЦКБ «Айсберг» создается ледокол – лидер 120 МВт — самый мощный атомный ледокол  в мире. Ледокол предназначен для проводки одиночных крупнотоннажных судов, а также круглогодичного лидирования караванов на трассах Северного морского пути, в западном и восточном районах Арктики, в том числе для проводки судов проекта «Ямал СПГ». Дальность плавания ледокола неограниченна. Ледопроходимость подтверждена испытаниями в ледовом бассейне Крыловского центра.

О расчете ледовых глобальных нагрузок

Владимир Дюков: Морской ледяной покров в Арктике – это сложная физическая система. В основном, это однолетний соленый лед, прочность которого ниже, чем многолетнего пакового опресненного льда в гренландском регионе. Что важно – это мобильный лед. Воздействие ветра, течений, приливы и отливы вызывают перемещение льда, что в свою очередь вызывает появление разломов ледяных полей, торошение, образование стамух. А главное – это движение приводит к возникновению глобальных ледовых нагрузок, которые испытывает зафиксированный во льдах объект. И тут важно, чтобы этот объект при взаимодействии выдержал эти нагрузки и не сдвинулся с условной точки бурения или добычи, что может привести к печальным последствиям. Поэтому, например, значение глобальной ледовой нагрузки является одной из основных характеристик, необходимых для проектирования объекта, предназначенного для эксплуатации в ледовых условиях. Изучение параметров ледяного покрова и физической картины взаимодействия с ледостойкими платформами  в течение последних десятилетий  позволили снизить расчетные глобальные нагрузки в 4 раза  и тем самым, обеспечить экономическую целесообразность разработки месторождений в  Российской Арктике .

Из того, что сейчас на повестке, я бы отметил продолжающиеся дискуссии о выборе способа определения глобальных ледовых нагрузок для стационарных ледостойких сооружений. Это связано, как показывает сопоставительный анализ, с заметным расхождением в величине глобальных  ледовых нагрузок, полученных по признанным расчетным методам. Для преодоления этой ситуации в КГНЦ разрабатываются усовершенствованные методы расчета ледовых нагрузок, учитывающие  фактический ледовый режим в районе эксплуатации,  влияние  на величину ледовых нагрузок  податливости конструкций и  изменение механических характеристик грунта в течение всего срока эксплуатации. Проведенные исследования позволяют учесть эффект локализации давлений в зоне соударения корпуса со льдом и уточнить величины ледовых нагрузок на рамные связи бортовых перекрытий, что дало возможность успешно оптимизировать корпусные конструкции для обеспечения прочности и экологической безопасности. Так, например, экспериментально подтверждено, что при разрушении ледового поля в процессе внедрения борта судна в лед, процесс дробления льда локализуется на жестких связях набора, а обшивка загружается заметно слабее.

О перспективах российского инжиниринга

Владимир Дюков: Для нас очень важно, чтобы при реализации арктических проектов использовался российский инжиниринг, ведь мы лучше других знаем, что такое российская Арктика. При этом надо признать, что, к сожалению, участие российских проектантов и инжиниринговых компаний в арктических проектах недостаточно, а это в свою очередь сказывается на доли участия российских поставщиков оборудования в реализации проекта. На сегодняшний день импортная составляющая оборудования в проектах составляет до 80 — 90 процентов и такой процент во многом понятен, так как иностранный проектант естественно «подтягивает» иностранного же и поставщика.  Поэтому не развивая инжиниринг, не привлекая наши российские технологические решения, мы не изменим ситуацию, и все также будем в жесткой зависимости от иностранных технологий. Рассчитывать на оживление в судостроительной отрасли и, особенно, в судостроительном и нефтегазовом машиностроении можно только через более активное развитие и привлечение российского инжиниринга.

Понимая, что очень много технологий нам недоступно, мы, безусловно, очень активно работаем с крупными мировыми инжиниринговыми компаниями, это и европейские и азиатские компании.

Дальнейшее развитие арктических технологий является одним из приоритетов развития КГНЦ. Мы развиваем и наращиваем свои проектные мощности, одновременно запуская новые экспериментальные объекты. Сейчас мы осуществляем весь спектр основных испытаний – лед, мореходные и аэродинамические испытания, испытания на ходкость, проектирование винтов. Такой интегральный сервис можно получить только у нас. При этом надо понимать, что те бассейны и экспериментальные стенды, которые у нас есть, это в первую очередь инструментарий, который позволяет нам создавать новые инновационные продукты.

На сегодняшний день КГНЦ является одним из крупнейших мировых научных центров, позволяющих проводить широкий круг исследований, дающих возможность еще дальше продвинуться в развитии арктической морской техники. Учитывая компетенции и знания наших партнеров, совместная работа по целому ряду направлений может сделать реализацию проектов в Российской Арктике еще более эффективной и безопасной.

Об экологии

Владимир Дюков: Технологические средства, которые разрабатываются нами с точки зрения уменьшения экологического вреда – это переход судов на газовое топливо, на СПГ. Сами суда, построенные на сегодняшний день (ледокол «Новороссийск», «Мурманск»), были спроектированы с системой очистки выхлопных газов.  

В связи с введением новых экологических требований по выбросам, заказчики будут вкладывать средства в экологическую модернизацию судов. Многие наши заказчики уже в процессе постановки задачи предусматривали введение данных норм. Например, наличие двухтопливных установок, которые позволяют работать на газе.

О перспективных проектах газовозов СПГ

Владимир Дюков: В КГНЦ разработаны проекты газовозов СПГ вместимостью 180 и 95 тыс м.куб.  Суда спроектированы на ледовый класс Арк 7 и предназначены для эксплуатации в районах акваторий Северного, Баренцева, Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского, Чукотского, Берингова, Охотского и Японского морей и сопредельных вод. Особенности этих судов связаны с технологиями хранения СПГ и его использования для дожигания в энергетической установке.

О разведочном бурении в условиях Крайнего Севера

Владимир Дюков: Сейчас мы обсуждаем с компаниями нефтегазового сектора проект судна, способный решить проблему разведочного бурения в условиях Крайнего Севера. В Карском море, в море Лаптевых очень короткий межледовый период, буквально 2-3 месяца. Для того, чтобы пробуриться и испытать скважину, нужно иметь в запасе минимум 4-5 месяцев.  У нас разработан концепт-проект бурового судна, который позволяет решить задачу разведочного бурения в таких критически сложных ледовых условиях. Нами предложена инновационная турельная система удержания и система динамического позиционирования, которые позволяют проводить такого рода операции во льдах до 2 метров. При этом судно имеет высокую винторизацию и ледовый класс, позволяющий самостоятельное движение во льдах толщиной до 1,7 метров или следуя за ледоколом, во льдах до 3 метров. В нашем понимании это один из тех проектов, без которого определенные лицензионные обязательства нефтегазовых компаний выполнить критически сложно. Я думаю, что в ближайшие 2-3 месяца проект получит дальнейшее развитие с точки зрения принятия решения о разработке технического проекта и в дальнейшем мы перейдем от проектирования к строительству этого судна.

О новых проектах

Владимир Дюков: Для Арктики у нас есть еще целый ряд проектов судов обеспечения и снабжения, которые мы разрабатываем. Эти суда должны обеспечить развитие нефтегазовых проектов на шельфе уже в ближайшей перспективе.

Один из таких интересных проектов — судно на воздушной подушке повышенной грузоподъемности до 50-70 тонн. На целом ряде нефтегазовых проектов в районе полуострова Ямал и прибрежных арктических акваториях, в силу их мелководности, в ледовых условиях не могут работать водоизмещающие суда. При этом, очень остро стоит вопрос, как транспортировки грузов в таких условиях, так и доставки персонала и спасения. Для решения этих вопросов, нам, например, Заказчиком поставлена задача разработки такого судна на воздушной подушке, которое, с одной стороны, могло бы обеспечить доставку грузов в процессе обустройства месторождения на шельфе, с другой стороны – обеспечить организацию спасения при аварийных ситуациях.

Есть еще одно решение для мелководных районов Арктики, где возможен подход водоизмещающих судов при глубинах 4-5 метров – новый мелкосидящий снабженец. Нами разработано новое инновационное судно на базе сидящего ледокола, позволяющее работать с осадкой до 3,5 метров при толщине льда до 1, 5 метров на глубинах до 5,5 метров, обеспечивая вопросы спасения и доставки грузов.  Ничего подобного сейчас на рынке нет.

Испытание льдом. Часть 2

/PRO-ARCTIC/