Мобильные лазерные технологии

Зарождение идеи мобильных лазерных комплексов

Новые технологии для промышленности

В начале 90-х годов в ГНЦ РФ ТРИНИТИ родилась идея, которая перевернула представление о возможностях лазерных технологий в экстремальных условиях. Началась разработка семейства мобильных технологических комплексов на базе мощных газоразрядных СО2-лазеров.

Их создание открывало широкий круг принципиально новых технологий в различных отраслях промышленности. Представлялось перспективным применение таких систем при проведении аварийно-восстановительных и демонтажных работ:

• ✓ В атомной промышленности
• ✓ В газонефтяной отрасли
• ✓ При техногенных катастрофах
• ✓ При природных и экологических катастрофах

Особенно ценным было то, что работать можно было дистанционно, когда приближаться к объекту воздействия затруднительно или даже опасно для жизни.

Концепция мобильности

Мобильный лазерный технологический комплекс (МЛТК) должен оперативно доставляться в любое место любым видом транспорта — наземным, водным или воздушным. И через несколько десятков минут его уже можно использовать для решения возникших проблем.

Кроме того, представлялся перспективным рынок оказания лазерных технологических услуг. Например, в выездном решении технологических проблем разового характера, когда использование лазерных технологий оказывается исключительно выгодным, но создание стационарного лазерного участка экономически нецелесообразно.

Первые комплексы: МЛТК-5 и МЛТК-50

МЛТК-5: непрерывный лазер мощностью 5 кВт

В конце 90-х годов были созданы и прошли полевые испытания комплексы МЛТК-5 и МЛТК-50. МЛТК-5 был создан на основе непрерывного СО2-лазера замкнутого контура с накачкой самостоятельным разрядом. Выходная мощность излучения составляла 5 кВт.

Комплекс базировался на автомобильном шасси полуприцепа-контейнеровоза. Применялся для:

• → Дистанционного разрушения каменных пород
• → Ведения восстановительной наплавки на шейки крупногабаритного ротора
• → Других технологических операций

МЛТК-50: импульсно-периодический лазер мощностью 50 кВт

МЛТК-50 был создан на основе импульсно-периодического электроионизационного СО2-лазера открытого контура с мощностью излучения 50 кВт. Оригинальность идеи заключается в использовании в качестве основного рабочего тела окружающего атмосферного воздуха [1].

Оборудование комплекса МЛТК-50 размещалось на двух автомобильных полуприцепах, и общий вес достигал 48 тонн.

Комплекс МЛТК-50 успешно демонстрировал возможность решения поставленной задачи: с дистанции порядка 50 метров вести разделительную резку металлоконструкции толщиной до 40 мм при ликвидации аварий на газовых скважинах [2].

Сложность ведения аварийных работ заключалась в необходимости расчленения и удаления поврежденного оборудования, располагающегося вблизи и в самом устье горящей аварийно фонтанирующей скважины. Не удовлетворили газпромовцев только весогабаритные характеристики.

Революция волоконных лазеров

Новое поколение лазерных источников

К началу XXI века произошла революция в лазерной технике. В ООО «НТО «ИРЭ-Полюс» (г. Фрязино Московской области) были созданы мощные волоконные лазерные источники.

Они имели уникальные весогабаритные и эксплуатационные характеристики. Стало очевидно: эти лазеры с оптоволоконной системой доставки лазерной энергии (до 300 м) великолепно вписываются в разработанную концепцию создания автономных мобильных лазерных технологических комплексов многофункционального назначения.

Применение в атомной энергетике

В атомной энергетике актуальными становятся проблемы, связанные с прекращением эксплуатации ядерных объектов вследствие техногенных или природных катастроф, либо вследствие окончания допустимого срока эксплуатации.

При выводе из эксплуатации этих объектов необходимо решить задачи фрагментации и многократного уменьшения радиационно-экологической опасности поверхностно-загрязненных деталей и изделий.

Применение лазерных технологий для решения этих задач дает ряд значительных преимуществ по сравнению с традиционными методами:

• ✔ Высокая производительность
• ✔ Дистанционный характер лазерной обработки
• ✔ Существенно меньший объем вторичных радиоактивных отходов, подлежащих захоронению

МЛТК-2: многофункциональный комплекс для Росатома

Конструкция и компоновка

Эти обстоятельства стимулировали практическую разработку и создание опытного образца автономного мобильного лазерного комплекса МЛТК-2 по заказу Росатома.

Он состоит из функциональных блоков-модулей:

1. Блок непрерывного волоконного иттербиевого лазера мощностью излучения 2 кВт
2. Блок вспомогательных импульсно-периодических Nd-лазеров
3. Блок автономного электропитания

Рис. 1. Комплекс МЛТК-2

Компоновка комплекса — блочно-контейнерная: три блока сечением 2×2 м, общей длиной 3 м и общим весом 970 кг могут транспортироваться любым носителем.

Время подготовки к эксплуатации после транспортировки — не более 10 минут. Количество необходимых блоков и очередность их сборки в составе мобильного комплекса требуемой модификации определяется при получении конкретного технологического задания.

Технические возможности

Комплекс МЛТК-2 уже в течение 6 лет успешно демонстрирует свои технические возможности:

• ☑ Фрагментацию строительных и металлоконструкций, ледовых образований и т.п.
• ☑ Ремонтно-восстановительные работы, включая сварку и восстановительную наплавку в труднодоступных местах
• ☑ Очистку поверхности металлоконструкций, зданий и сооружений от краски и загрязнений, в т.ч. радиоактивных
• ☑ Поверхностная термообработка с целью повышения надежности и коррозионной стойкости изделий

В паузах между получаемыми конкретными технологическими заданиями комплекс МЛТК-2 с соответствующим координатным столом осуществляет размерную резку (раскрой) листового металла толщиной до 14 мм.

МЛТК-3: легкая модульная система

Практически аналогичные операции осуществляет комплекс МЛТК-3. Он состоит из трех 1 кВт лазерных источников с соответствующими чиллерами системы охлаждения, общей системой формирования и позиционирования лазерных лучей на заданном объекте воздействия и набором технологической оснастки.

Вес каждого из 7 блоков оборудования МЛТК-3 не превышает 100 кг. Комплекс успешно используется в работах по демонтажу строительных конструкций.

МЛТК-20: новейшая разработка для газовой промышленности

Создание комплекса

Новейшей разработкой является комплекс МЛТК-20, созданный в 2010 г. ГНЦ РФ ТРИНИТИ и ООО «Газпром газобезопасность» совместно с:

• ★ ООО «НТО «ИРЭ-Полюс»
• ★ ООО НПО «Этан-промгаз»
• ★ ООО НПЦ «Система»
• ★ Оптико-физической лабораторией ГОИ им. С.И. Вавилова
• ★ Другими российскими организациями

Оборудование комплекса размещается в четырех блок-контейнерах. Вес каждого блока не превышает 2 т.

Рис. 2. Комплекс МЛТК-20 на демонстрационной площадке полигона УТЦ «Досанг» (Астраханская обл.)

Конструкция блок-контейнеров

Блок-контейнеры №№ 1-3 (габаритами 2,4×2,4×2,4 м) идентичны по составу оборудования, управлению и функционированию. В каждом из них смонтирован лазерный блок ЛС-20 мощностью инфракрасного излучения (λ=1,07 мкм) 8 кВт с соответствующим чиллером РС-170 системы охлаждения.

Потребляемая электрическая мощность каждого блока не превышает 32 кВт. От каждого из этих блоков лазерное излучение передается по оптоволоконному кабелю (Ø 150 мкм) длиной до 90 м к четвертому блок-контейнеру.

Это позволяет использовать лазерные блоки как в составе комплекса МЛТК-20, так и по отдельности для различных локальных или коммерческих операций.

Конструкция блок-контейнера № 4 формирующего телескопа (ФТ) отличается несколько меньшими габаритами (2×2×2 м), но более прочным, «антивандальным» исполнением и наличием на передней стенке открываемого люка 0,9×0,9 м для вывода лазерного луча на объект воздействия.

В четвертом блок-контейнере размещен трехканальный линзовый формирующий телескоп с системами наведения и наблюдения, управления положением луча и управления работой всего комплекса. Здесь же во время боевой работы размещаются 1-2 оператора, которые наводят лазерный луч на заданную зону резки металлоконструкции, удаленную на расстояние до 70 м, а также контролируют (при необходимости – корректируют заданную скорость резки) по монитору процесс ведения резки.

Энергопотребление этого блок-контейнера не превышает 10 кВт.

Конструкция блок-контейнеров рассчитана на работу установленного в нем оборудования при температуре окружающей среды от -45°С до +45°С, имеет сертификат соответствия Госстандарта России.

Транспортировка МЛТК-20 (всех 4-х блок-контейнеров) может осуществляться всеми видами транспорта. Время разворачивания комплекса в полевых условиях – не более 0,5 часа. Его неограниченная по длительности работа требует лишь подключения к внешнему источнику электропитания (3 фазы, 380 В) мощностью не менее 100 кВт.

Испытания в экстремальных условиях

В ходе создания МЛТК-20 проводились испытания при различных экстремальных условиях:

• → Повышенных тепловых потоков
• → В условиях низких температур
• → При прохождении лазерного излучения с λ=1,07 мкм сквозь фронт огня

Определялись наиболее оптимальные технологические режимы разделительной лазерной резки различных натурных фрагментов газовой арматуры с толщиной стенки 40 мм и более.

При этом была экспериментально подтверждена необходимость выполнения рассчитанного теоретически ранее [3] критерия вытекания расплава металла, требующего превышения силы тяжести капли расплава над удерживающими ее силами поверхностного натяжения.

Таким образом, экспериментально подтверждено, что ширина реза толстостенной металлоконструкции при оптимальном режиме эффективного ведения дистанционной разделительной резки составляет 15 мм, т.е. необходимый диаметр лазерного пятна на объекте взаимодействия должен иметь аналогичные размеры.

Рис. 3. Дистанционная лазерная резка

Боевое крещение: ликвидация аварии на скважине № 506

Чрезвычайная ситуация

Боевое крещение мобильный комплекс МЛТК-20 прошел в июле 2011 года в Пуровском районе Ямало-Ненецкого АО.

В результате нарушения технологии строительства скважины № 506 Западно-Таркосалинского нефтегазоконденсатного месторождения 12.07.2011 г. был допущен открытый газовый фонтан с возгоранием.

Рис. 4. Буровая установка БУ-3200/200 ЭУК после возникновения открытого газового фонтана

Применение МЛТК-20

Штабом по ликвидации аварии было принято решение применить МЛТК-20 для дистанционной резки конструкций и оборудования разрушенной буровой установки. 18.07.2011 г. комплекс был доставлен автотранспортом (~4000 км) к месту аварии.

Мощное тепловое излучение не позволяло вести лазерную резку с расстояния менее 50 м, причем основная часть работы велась с расстояния 70 м.

Общее время генерации лазерного излучения комплекса составило около 30 часов. 23.07.2011 г. после надежной работы комплекса была завершена резка и удаление всех намеченных конструкций и, как результат, решена главная задача – локализация газовой струи.

Рис. 5. Результаты лазерной резки несущих конструкций и оборудования буровой установки на скважине № 506 Западно-Таркосалинского НГКМ

Таким образом, МЛТК-20 выполнил все поставленные задачи, что позволило в кратчайшее время обеспечить безопасное проведение дальнейших работ.

Перспективы развития мобильных лазерных комплексов

Новые горизонты применения

Появление высокоэффективных и надежно работающих мобильных лазерных комплексов с большой выходной мощностью открывает новые перспективы использования лазерной техники и лазерных технологий в различных отраслях.

От атомной энергетики до нефтегазовой промышленности, от ликвидации последствий катастроф до планового обслуживания инфраструктуры — всюду находят применение мобильные лазерные системы.

Что особенно важно: технология доказала свою эффективность не в лабораторных условиях, а в реальных чрезвычайных ситуациях, когда на кону стоят человеческие жизни и экологическая безопасность целых регионов.

А.Г. Красюков

ФГУП «ГНЦ РФ ТРИНИТИ»

Тел. (496) 751-06-46

e-mail: krasukov@triniti.ru

Литература:

1. Востриков В.Г., Красюков А.Г., Наумов В.Г., Шашков В.М., Мощный СО2-лазер на смеси атмосферного воздуха с углекислым газом, Патент РФ № 2086064 от 27.07.97
2. Блохин О.А., Востриков В.Г., Красюков А.Г. и др. Мобильный лазерный комплекс для аварийно-восстановительных работ в газовой промышленности, Газовая промышленность, декабрь, стр. 33-34, 2001
3. Лиханский В.В., Лобойко А.И., Красюков А.Г. и др. Механизм создания отверстий в вертикально расположенных металлических пластинах непрерывным излучением СО2-лазера, Квантовая электроника, т.26, №2, стр. 139, 1999