ЛАЗЕРЫ И НЕФТЬ

/Сказка-быль/

Во все времена и у всех народов существовали мифы о чудолучах. Сказка о «гиперболоиде инженера Гарина» еще недавно стояла на книжной полке каждого советского мальчика – «хорошиста» и тем более отличника учебы. С самого рождения все мы «имели установку» сказки делать былью. В частности, мечтали направить энергию лазерного излучения на службу советскому народу, на решение народнохозяйственных задач. Однако серьезные дяденьки военные – хорошие «наши» и плохие «забугорные» - на долгие годы холодной войны отобрали у наивных мальчишек – инженеров их сказку и заставили лазеры работать практически эксклюзивно на нужды обороны. Мифы конца ХХ века говорят лишь о чудесных, а точнее ужасных военных возможностях лазерных лучей. В газетных публикациях их называли «лучами смерти».

А что изменилось к сегодняшнему дню? Как относиться к экономически крайне заманчивым предложениям наших ученых – бывших милитаристов? Теперь они предлагают внедрить лазерные технологии в сугубо гражданские отрасли промышленности. Много чего обещают. Может быть это хитрость ученых - оборонщиков, коварно выманивающих денежки у мирных граждан на ложную конверсию своих лазерных пушек и способных ради такой цели насочинять хоть три, хоть четыре короба сказок о чудесных перспективах применения лазеров на «гражданке»?

Строгий, непредвзятый анализ ситуации позволяет сделать удивительное, весьма приятное открытие. Сегодня лазерная промышленность России, в прошлом насквозь военизированная, действительно готова не на словах, а на деле решать актуальные, в частности для нефтяников, технические проблемы. Спектр этих предложений необычайно широк: от дорогих мощных мобильных лазеров, в эпоху холодной войны решавших задачи ПВО и ПРО, до дешёвых миниатюрных лазерных приборов, способных существенно повысить эффективность нефтепереработки.

Начнем рассказ с наиболее масштабного Проекта, в результате реализации которого на службу нефтяникам и газовикам уже пришли мобильные мощные лазерные технологические комплексы.

В 90-х годах прошлого века после серии крупных аварий на фонтанирующих газовых скважинах руководство Газпрома пришло к выводу о необходимости создания лазерной техники для дистанционной резки металлоконструкций, находящихся в толще столба пламени вблизи устья аварийной скважины. К этому времени наши военные уже построили множество мощных лазерных установок, предназначенных для уничтожения самолетов, спутников, ракет…Благодаря новой государственной политике по конверсии военной техники удалось сравнительно быстро выполнить заказ Газпрома. Специалистам из бывшего ВПК (ГНЦ РФ ТРИНИТИ, НПО «Алмаз», НИИЭФА) было совсем непросто научиться «считать деньги» при выборе технологических и конструкторских решений. Прежде всего, пришлось отказаться от уникальных дорогих расходуемых компонентов рабочих лазерных сред, которые обязательно применялись в военных установках. Российским ученым впервые в мире удалось создать относительно недорогой в эксплуатации мощный электроионизационный СО2-лазер, работающий на потоке атмосферного воздуха.

Серия опытных мобильных лазерных технологических комплексов с мощностью излучения от 1 до 50 кВт успешно прошла испытания в полигонных условиях, в том числе имитирующих обстановку на открыто фонтанирующих горящих скважинах.

Самый мощный комплекс МЛТК-50 базируется на двух серийных автоприцепах и допускает перевозку в контейнерах. Стоимость изготовления подобных лазерных комплексов пока еще весьма велика и составляет от 0,3 до 2 млн. долларов. Однако, разработчики под влиянием рыночных экономических наук готовы рассматривать предложения по лизингу дорогих лазерных установок.

Что сегодня уже умеют делать мобильные мощные лазеры на «гражданке»? Лазерный луч на расстоянии порядка 100 метров обеспечивает резку металлоконструкций и железобетона, разделку судов на металлолом, очистку от краски мостовых пролетов, повышает скорость бурения скважин в твердых породах. С помощью лазера можно разгонять облака около посадочной вертолетной площадки на морских буровых платформах, можно защищать эти платформы от обледенения. Успешно проходят опыты по применению лазерного излучения для борьбы с саранчой и лесными пожарами. Список областей практического применения мощных мобильных лазеров постоянно расширяется в полном соответствии с растущими аппетитами Заказчиков. Успешному развитию лазерных технологий способствуют «меры доверия» со стороны разработчиков лазеров. Сегодня потенциальный Заказчик имеет реальную возможность опробовать и детально проверить свои самые смелые фантазии по перспективному применению мощных лазеров на подмосковном полигоне в г. Троицке. Опыты на территории ГНЦ РФ ТРИНИТИ проводятся при непосредственном участии Заказчика, о чем еще недавно нельзя было и мечтать из-за режимных соображений или ведомственных барьеров.

Казалось бы, не остается ничего другого как признать, что лазеры уже нашли свое оптимальное место на рынке высоких технологий. Однако, все перечисленные выше «специальности» лазеров по сути используют лазерный луч для переноса тепловой энергии и лишь в некоторых случаях успешно заменяют традиционные технологии резки и сварки. На практике такой подход, в принципе, может иногда приводить к заметным положительным экономическим эффектам. Но подобными применениями лазеров нельзя к сожалению создать принципиально новые «прорывные» технологические направления. Здесь самое время вспомнить, что лазерное излучение характеризуется не только тепловым воздействием на материалы, но обладает целым рядом уникальных физических свойств. Это, например, высокое оптическое качество потока излучения, его когерентность и монохроматичность. Использование именно этих уникальных свойств лазерного луча открывает замечательные, временами кажется фантастические, перспективы разработки новых технологий.

С гордостью за российскую науку можно привести пока еще к сожалению редкий конкретный пример такого умного подхода к развитию лазерных технологий. Речь пойдет о создании мобильных установок для лазерной очистки водной поверхности от нефтепродуктов.

Наши учение и инженеры впервые в мировой практике успешно провели лабораторно-полигонные эксперименты по удалению пленки нефтепродуктов с поверхности воды (льда, гранита, бетона и т.п.) с помощью лазерного излучения. Нефтяная пленка прозрачна для излучения СО2-лазера, но поверхностный слой воды под нефтяной пленкой эффективно поглощает это излучение, вследствие этого нагревается, испаряется и отрывает нефтяную пленку от поверхности воды. Водонефтяная паро-капельная смесь сжигается в атмосфере или собирается с помощью насосов в емкости. Потом собранную нефть очищают от воды и используют в производстве. При ликвидации аварий, связанных с разливом нефтепродуктов, таким способом можно эффективно и быстро удалять нефтесодержащие пленки практически любого состава и толщины. Только применение лазера позволяет проводить полную очистку поверхности воды от тонких «радужных» пленок, что недостижимо другими известными способами. При использовании лазерной технологии можно проводить очистку водной поверхности со значительных расстояний, например, с берега.

Лазерный способ очистки может быть с успехом применен в совокупности с традиционными методами для финишной обработки поверхности нефтяного разлива после механического или химического сбора толстых пленок, а также для очистки водоемов-плантаций морепродуктов или жемчужных факторий, береговой кромки и гидротехнических сооружений. Опыты показали, что скорость очистки слабо зависит от состава вязкости нефтепродуктов, а также от угла падения лазерного излучения на поверхность воды.

ЦКБ морской техники «Рубин» совместно с НИИЭФА им Д.В.Ефремова и ТРИНИТИ разработал проект плавучего комплекса, реализующего лазерную технологию при очистке «внутренних» водоемов (рек, водохранилищ, портов и т.д.) и прибрежных акваторий морей от эксплуатационных разливов нефти и нефтепродуктов. Вредное воздействие на окружающую среду практически отсутствует, так как лазерному воздействию при удалении пленки подвергается очень тонкий слой воды (10-20 мкм) за сотые доли секунды, а продукты испарения нефти перед выпуском в атмосферу очищаются. Дополнительную информацию для сравнения способов очистки дают результаты выполненной технико-экономической оценки. Производительность и стоимость работ приведены в таблице.

 

 

Производительность по толщине пленки 50 мкм (скорость хода 2 узла)

По площади 3600 м2/ч

0,50 км2/сутки Стоимость очистки

1км2 – 800 USD

По массе 1,40 т/ч

20,00 т/сутки Стоимость утилизации

1 тонны нефти – 20 USD

Производительность при толщине пленки 33 мкм (скорость хода 3 узла)

По площади 5400 м2/ч

0,75 км2/сутки Стоимость очистки

1км2 – 530 USD

По массе 1,40 т/ч

20,00 т/сутки Стоимость утилизации

1 тонны нефти – 20 USD

 

Известно, что стоимость 1 судно-суток при ликвидации аварийных разливов нефти механическим способом составляет 3000 долларов. А стоимость эксплуатации лазерного комплекса – 400 долларов в сутки.

Затраты на сбор механическим способом 1 тонны чистой нефти оцениваются в 200-400 долларов. Стоимость работ с использованием лазерной технологии -–20 долларов за 1 тонну.

По законодательствам ряда стран финансовая ответственность за 1 тонну разлитой нефти составляет 4000-10000 долларов, в России – 20 тыс.руб. В этих условиях создание и эксплуатация плавучего комплекса с производительностью утилизации 20 тонн нефти в сутки при себестоимости 20 долларов за тонну будет в десятки раз дешевле, чем выплата штрафных санкций.

Предлагаемый плавучий комплекс может быть с успехом применен для финишной обработки поверхности в местах аварийного разлива нефти (после сбора толстых пленок существующими методами) с целью повышения качества очистки.

Другой областью, позволяющей круглогодичное использование комплекса, может стать очистка водной поверхности в местах, где изначально присутствует только тонкая нефтяная пленка. Это акватории незамерзающих портов, особенно с нефтяными терминалами, морских нефтедобывающих платформ, стоки нефтеперерабатывающих предприятий, устья рек.

Применение лазеров для очистки водной поверхности от нефтепродуктов – это хороший и пока еще, к сожалению, весьма редкий пример грамотного применения академических, казалось бы абстрактных знаний, для решения трудных реальных проблем. Но российская наука к счастью пока еще жива и в лабораториях наших физиков родились новые, на первый взгляд запредельно фантастические технологии по лазерной обработке нефтепродуктов, смазочных материалов, электролитов аккумуляторных батарей…

Главными героями в этих «сказках» стали своеобразные «дюймовочки» – крохотные источники лазерного излучения, типа широко известной лазерной указки. Мощность таких приборов так мала, что ее трудно даже измерить. Это, как правило, от 0,001 до 0,020 Ватт. Для сравнения: плотность мощности солнечного излучения составляет 0,1 Ватт/см2. При типичных размерах лазерного светового «зайчика», например, от лазерной указки, плотности мощности световой энергии от солнца и от лазера вполне соизмеримы. Но секрет в том, что лазерное излучение обладает еще и набором уникальных физических свойств. Наилучшим способом использовать эти свойства т.е резонансно воздействовать на различные материалы ученые стремились еще на самых первых этапах рождения лазерной техники. Больших успехов в этом направлении достигли биологи, медики, ветеринары, агрономы… Лазерные физиотерапевтические Центры в России помогают ежегодно десяткам тысяч пациентов. Автор этих строк с помощью милливатного (sic!) лазера успешно прошел процедуру обновления своей крови и избавился от большой кучи «шлаков» в организме. В итоге не только победил свои тяжкие недуги, но и получил дополнительные весьма весомые аргументы в пользу своего посильного участия в развитии технологий, использующих малую интеллектуальную лазерную энергетику для повышения экономических и экологических характеристик выходных продуктов нефтепереработки.

В этой новой, можно сказать «изящной» технологии, используется процесс «умного» исключительно тонко управляемого, эффективного взаимодействия низкоэнергетического (!) лазерного излучения с жидкими моторными топливами, смазочными материалами, электролитами и т.п. Российские ученые обнаружили, что при лазерном облучении эти жидкости меняют свои физико-химические свойства, такие как текучесть, электропроводность, кислотность и др. Иначе начинают происходить процессы смачивания, адгезии и вязкого течения.

При проведении исследований использовались самые различные жидкости: от воды и водных растворов до спиртов и от бензинов до масел. Таким образом, было изучено влияние лазерной обработки практически на весь спектр жидкостей, массово используемых в отечественной промышленности.

Интересные для широкого практического использования результаты получены при лазерной обработке электролита аккумуляторных батарей. Как установили российские ученые кратковременное облучение электролита перед каждой зарядкой свинцово-кислотной батареи оказывает существенное влияние на ослабление механизмов, связанных с разрушением электродной системы, сульфатизационными явлениями, а также на процессы кристаллообразования РbО2 и интенсивность перемещения ионных потоков. В результате лазерного воздействия на жидкости уменьшается их вязкость и поверхностное натяжение, возрастает капиллярный эффект, сопровождающийся ростом проникающей способности электролита через оксидные пленки и кристаллический слой РbО2 к активной массе электродов, что позволяет увеличить срок службы аккумуляторов. Влияние лазерного излучения на окислительно-восстановительные процессы существенно снижает интенсивность коррозионных процессов, протекающих на токоотводящих элементах положительного электрода, что, в свою очередь, способствует уменьшению внутреннего напряжения в аккумуляторе, механическому разрушению активной массы и, следовательно, уменьшению вероятности короткого замыкания. Изменение электропроводности жидкостей под действием лазерного излучения должно приводить к возрастанию подвижности ионных потоков при электрохимических процессах и положительно отражаться на времени разряда и заряда аккумуляторных батарей.

Опыты показали, что обработка электролита лазерным излучением позволяет продлить срок службы аккумуляторных батарей, по меньшей мере, на 30%. При этом гарантируется 20%-ное увеличение ёмкости аккумулятора, отдаваемой в стартерном режиме.

Кроме очевидного экономического эффекта увеличение срока службы АКБ за счет лазерной обработки дает также преимущества в области экологии и защиты окружающей среды, поскольку утилизация списанных аккумуляторов связана с переработкой свинца и его соединений, а также серной кислоты. Сегодня можно утверждать, что лазерная обработка электролита не только технически целесообразный, но и отвечающий всем требованиям экологии способ повышения эксплуатационных характеристик свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

В некоторых опытах исследователи отметили, что в результате обработки низкоэнергетическим лазерным излучением, вязкое движение жидкости в капиллярных каналах происходит более интенсивно, например, в процессе фильтрации.

Для проведения фильтрации применялись фильтры из различных материалов – бумаги, ткани, керамики. Обработка жидкости лазерным излучением проводилась перед проведением фильтрации. Длительность фильтрования облученной жидкости оказалась меньше по сравнению с обычной жидкостью. Количественно это отличие зависит как от индивидуальных свойств жидкости, так и от материала фильтра, однако характер изменений был одинаков для всех рассмотренных жидких сред и фильтров. В общем случае интенсивность фильтрации повышалась не менее чем на 15%, порой достигая 40%.

Скорость фильтрации при лазерной обработке растет, прежде всего, за счет увеличения текучести жидкости. Кроме того, снижение степени диссоциации раствора уменьшает отложение осадков на перегородках фильтров, а также стенках транспортных коммуникаций.

Отработка этого метода в лабораторных условиях показала, что он эффективен для большинства жидкостей, в частности, водных и спиртовых растворов, ацетона, нефтепродуктов, минеральных, синтетических и растительных масел.

В некоторых случаях ученым удалось получить конкретные, воспроизводимые результаты, однозначно свидетельствующие об улучшении эксплуатационных характеристик моторных топлив или смазочных материалов под воздействием лазерного излучения. Под таким воздействием молекулы смазывающей среды активизируются, приобретают дипольный момент. Их движение вблизи поверхности узлов трения упорядочивается и в итоге увеличивается абсорбирующий потенциал этой среды. Потребителю в скором времени можно будет отказаться от использования дорогостоящих поверхностноактивных добавок (ПАВ) при решении задач повышения износостойкости узлов трения машин и приборов.

В процессе проведения исследований был выявлен «эффект памяти» активированного состояния смазывающей жидкости (СЖ) после ее лазерной обработки. Это свойство является весьма важным в технологическом плане, позволяя заранее осуществлять модификацию состояния СЖ лазерным излучением и затем в течение длительного времени использовать активированную смазочную среду, не изменяя конструкции изделия и существующей технологии сборки его узлов трения.

В результате проведения серии экспериментов на радиально-упорных шарикоподшипниках было установлено снижение среднего момента трения подшипника при использовании смазки, активированной лазерным излучением по сравнению с подшипником, имеющим обычную смазку, в среднем на 8%. При использовании смазки, обработанной лазерным излучением, имело место снижение среднего момента сопротивления вращению ротора на 8-10% по сравнению с моментами сопротивления при использовании стандартной смазки.

Преимущества лазерного метода – простота технологического оборудования, низкое энергопотребление, возможность активации смазывающей среды до ее введения в рабочую зону, дистанционность воздействия излучения на смазывающую среду, - выдвигают его в число наиболее перспективных физических методов активации смазочных сред.

Все рассказанное выше, можно было бы считать еще одной веселенькой, пустяковой в сущности сказочкой про лазеры, каких появилось очень много сразу после рождения этого «гиперболоида» в 60-70 –х годах прошлого века.Но это не сказка. А всего лишь присказка. Настоящая сказка впереди. Вот уж чудо так чудо придумали и превратили в реальность наши инженеры.

Суть их последних достижений можно сформулировать примерно так: обработка нефти и нефтепродуктов низкоэнергетическим лазерным излучением существенно повышает эффективность процессов нефтепереработки и улучшает качество моторных топлив.

В одном из российских патентов (№ 2024596 РФ) описано, например, около десятка конкретных вариантов применения лазерной технологии для обработки нефти, бензина дизельного топлива. Во всех случаях используется Не-Nе- лазер с мощностью 0,02Вт (!)

Способ обработки нефти и нефтепродуктов лазерным излучением обладает следующими преимуществами:

При обработке нефти повышается процент выхода нефтепродуктов – бензина на 6,16%, керосина на 4,73%, дизельного топлива на 4,7%, сокращается время переработки нефти на 21%, улучшается качество бензиновых фракций.

При обработке бензина улучшаются пусковые свойства топлива, улучшается приемистость двигателя, устойчивость его работы, равномерность распределения топлива по цилиндрам двигателя, однородность состава рабочей смеси. Уменьшается склонность топлива к конденсации; снижается расход топлива; увеличивается ресурс двигателя и повышается его экономичность; снижается количество вредных примесей в выхлопных газах; повышается октановое число топлива  на 5 ед.

При обработке дизельного топлива улучшаются распыливание и полнота сгорания топлива; уменьшаются нагарообразование в зоне цилиндропоршневой группы и склонность топлива к конденсации; снижается износ деталей; увеличивается ресурс двигателя; снижается количество вредных примесей в выхлопных газах; повышается цетановое число.

Возможна обработка лазерным излучением и других нефтепродуктов (керосина, масел, мазута и др.).

Все это позволяет широко использовать метод лазерной обработки в нефтеперерабатывающей промышленности. Возможна обработка лазерным излучением нефтепродуктов (бензина, керосина, дизельного топлива и др.) с помощью бортовых систем, размещенных на транспортном средстве.

В заключении необходимо ответить на вечный для России вопрос: «Почему так ужасно медленно внедряются в производство эти сказочно перспективные технологии?». В данном случае кроме традиционных для нашего общества причин типа «нет пророков в родном отечестве» существуют и объективные противопоказания.

Фантастически удачное применение микромаломощных лазеров для обработки нефтепродуктов основано практически полностью на голых эмпирических фактах. Правда, таких фактов набралось великое множество, их уже нельзя не заметить. Можно утверждать, что даже в этом научном направлении образовалась своеобразная «критическая масса» эмпирических фактов. Но, к большому сожалению, убедительных теорий, объясняющих крупномасштабные изменения физико-химических свойств моторных топлив, подвергнутых микровоздействию лазерного излучения, пока не создано.

Конечно, теоретики опубликовали кое-какие заумные объяснения подобных эффектов. Чтоб оценить юмор ситуации приведем пример такого научного трактата о воздействии луча на некий биообъект. (Авторы – физики, сотрудники авторитетного Московского физтеха).

«Для объяснения специфичности действия лазерного излучения большинство изобретателей привлекают представления о солитонах, каустиках, спекл-структурах, фракталах дробных размерностей и прочие серьезные понятия. Однако без соответствующего серьезного физико-теоретического анализа эти гипотезы неубедительны.

В попытках объяснить конкретные эффекты, вызываемые низкоинтенсивными лазерами, предложено много гипотез, среди которых немало вполне привлекательных, способных, в принципе, объяснить наблюдаемые эффекты в ряде конкретных случаев. Наиболее интересные из них нам представляются следующие(внимание!):

1. Сенсибилизированное эндогенными продуктами метаболизма перекисное фотоокисление липидов клеточных мембран. Оно убедительно объясняет цепь событий, приводящую к активации энергетических и синтетических процессов.

2. Фотореактивация фермента супероксиддисмутазы (СОД), теряющего свою активность при протонировании в кислой среде.»

 

Остается надеяться, что инженер – практик после такой «помощи» от академических ученых найдет в себе силы продолжить свои «сермяжные» эмпирические изыскания по практическому внедрению лазерных технологий.

В конце концов, когда-то и «лампочка Ильича» представлялась чудом. Сегодня или в крайнем случае завтра каждый автомобилист сможет купить в киоске за 50 рублей лазерную указку и с ее помощью существенно уменьшить затраты на эксплуатацию своего авто. Есть резон и капитанам нефтяного бизнеса присмотреться к новым лазерным технологиям. Вот тогда уже точно появится у нас шанс увидеть в ближайшие лет пять, как «сказка» о лазерах становится былью на нашей грешной земле и, особенно, на российских нефтеперерабатывающих заводах.

Виктор Шарков, доктор технических наук, Национальный Эксперт Российской Федерации по лазерам и лазерным технологиям.