Перспективное направление: синие лазеры для глубоководных исследований

Подводная обработка синим диодным лазером – перфорация/проникновение через стальную пластину толщиной 8 мм © Laserline

Подводные работы в морской среде многочисленны, от резки и сверления до удаления краски и обрастания, и их количество сопоставимо с количеством песчинок на пляже. Некоторые из этих работ выполняются на глубине нескольких тысяч метров. Новая лазерная система на основе синих диодных лазеров обещает бесконтактное, не требующее сложного обслуживания и экономичное решение для широкого спектра подводных операций.

Будь то техническое обслуживание морских платформ, вывод из эксплуатации старых нефтяных вышек или инспекция подводных сооружений, требования к точности, эффективности и экологической безопасности подводных операций постоянно растут. В то же время традиционные методы быстро достигают здесь своих пределов. Распространенные методы обработки под давлением, такие как струи воды высокого давления, используемые для удаления водорослей, теряют свою эффективность с увеличением глубины из-за высокого противодавления воды. Кроме того, многие из этих систем требуют интенсивного технического обслуживания и подвержены износу. Механические инструменты, такие как циркулярные пилы, в свою очередь, создают силы отдачи при контакте с компонентами, что дестабилизирует дистанционно управляемые подводные аппараты (ROV) и часто приводит к их дрейфу.

Следовательно, отрасль проявляет большой интерес к бесконтактным и бессиловым, малоизносным и не требующим сложного обслуживания альтернативам – возможностям, которые может предложить, в частности, лазерная технология. Однако первые попытки оказались не очень успешными. Первые попытки использования обычных инфракрасных (ИК) лазеров для резки конструкций при выводе нефтяных платформ из эксплуатации оказались лишь частично практичными. Основная причина: инфракрасное излучение (длина волны 1000 нм) полностью поглощается водой в пределах нескольких сантиметров, что приводит к значительным потерям энергии. Поэтому для подводных работ ИК-лазерная резка может выполняться только с использованием воздушного сопла или камеры, заполненной воздухом – сложный и дорогостоящий процесс, который также препятствует использованию на больших глубинах.

Синие лазеры как ключевая технология

Новая подводная лазерная система на основе синих диодных лазеров от компании Laserline обещает решить эту проблему. В отличие от ИК-излучения, синий свет, излучаемый этими лазерами, с длиной волны около 445 нанометров, практически не поглощается водой. Таким образом, лазеры обеспечивают превосходную передачу излучения, благодаря чему (почти) вся мощность лазера доступна – даже при необходимости преодоления расстояний до одного метра и более во время обработки. В сочетании с мощностью лазеров до 6 киловатт это физическое преимущество открывает множество новых возможностей для бесконтактной обработки материалов непосредственно под водой – без воздушной камеры или другой сложной инфраструктуры.

Диодные лазерные системы Laserline также обеспечивают максимальную точность: например, размер лазерного пятна можно регулировать с точностью до микрометра, а мощность можно точно контролировать в течение миллисекунд. Эта возможность быстрой регулировки мощности делает систему особенно подходящей для сложных задач на больших глубинах.

Подводная обработка синим диодным лазером – перфорация/проникновение через стальную пластину толщиной 8 мм © Laserline

Эффективный, гибкий, экономичный

Сочетание высокой эффективности и точной управляемости делает новую лазерную систему чрезвычайно привлекательной как с технологической, так и с экономической точки зрения. Бесконтактная обработка под водой значительно снижает износ инструментов и компонентов, уменьшает энергопотребление и минимизирует выброс потенциально вредных частиц или веществ. С точки зрения защиты окружающей среды и ресурсосбережения, процесс на основе диодного лазера явно превосходит традиционные механические или химические методы, которые часто наносят вред окружающей среде и приводят к деградации материалов. Это особенно актуально для удаления морских обрастаний, которые до сих пор часто обрабатывались такими методами, представляющими опасность как для окружающей среды, так и для компонентов.

Система также предлагает новые логистические преимущества. В то время как традиционные процессы термообработки в глубоководных районах часто требуют использования крупных специализированных судов с ежедневными затратами в пяти- и шестизначных суммах, диодная лазерная система может эксплуатироваться и с небольших судов снабжения благодаря более простой архитектуре системы. Это не только снижает затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию и значительно сокращает время в пути, но и существенно повышает доступность системы и оперативность работы оперативных групп. Особенно для срочных задач по техническому обслуживанию или аварийному ремонту компании получают существенное оперативное преимущество.

От процессов резки до удаления водорослей

Спектр возможных применений разнообразен: резка листового металла и труб при выводе из эксплуатации нефтяных вышек, удаление покрытий, краски и морских обрастаний, осмотр и техническое обслуживание клапанов и несущих конструкций на трубопроводах или морских платформах. Последние, в частности, часто полностью покрываются водорослями после нескольких лет эксплуатации. В таких случаях подводный аппарат с диодным лазером и камерой может удалить водоросли и восстановить четкую видимость критически важных компонентов за одно погружение – решающее преимущество для компаний, занимающихся техническим обслуживанием, и подводных интеграторов. Роботизированные системы для инспекции трубопроводов также могут быть оснащены диодным лазером в качестве полезного дополнения.

Подводная обработка – удаление водорослей с камня с помощью синего диодного лазера перед обработкой. © Laserline

Подводная обработка – удаление водорослей с камня с помощью синего диодного лазера в процессе обработки. © Laserline

Подводная обработка – удаление водорослей с камня с помощью синего диодного лазера после обработки. © Laserline

Линейная резка тонкого металлического листа © Laserline

Системные технологии

В зависимости от области применения были разработаны различные подходы к интеграции диодных лазеров. Один из вариантов — установка лазерной системы на подводный аппарат Workhorse, управляемый дистанционно с судна снабжения через традиционный кабель. Лазерная система с выходной мощностью до 6 кВт имеет специальный корпус, обеспечивающий постоянную защиту от воды, давления и грязи. Постоянно низкая температура воды в глубоководных районах, составляющая от четырех до семи градусов Цельсия, делает интегрированную систему охлаждения лазера особенно эффективной.

В зависимости от сценария, лазерные системы могут быть адаптированы под конкретные требования заказчика. Подводные аппараты могут быть оснащены лазерными сканерами или стационарной оптикой, а также диодными лазерами различных классов мощности, в зависимости от конкретного применения. Однако развитие в этой области еще далеко не завершено: ожидается, например, что модульные отдельные компоненты позволят создавать еще более компактные системы, что в конечном итоге также уменьшит размеры дистанционно управляемых подводных аппаратов. Предполагаются дальнейшие оптимизации: мощность лазеров и энергоэффективность будут продолжать расти, а системы распознавания изображений в будущем могут быть объединены с искусственным интеллектом для автоматического обнаружения обрастаний или коррозионных пятен.

Пример из практики: Очистка корпусов кораблей синими лазерами.

Выдающиеся пропускающие свойства синих волн в воде также могут быть использованы для борьбы с биологическим обрастанием корпусов судов. В рамках исследовательского проекта «FoulLas», финансируемого проектным агентством Юлих за счет ресурсов Федерального министерства экономики и климата Германии (BMWK), партнеры проекта — Институт технологий производства и прикладных материалов им. Фраунгофера (IFAM), компания Laserline GmbH и Лазерный центр Ганновера eV (LZH) — впервые продемонстрировали, что целенаправленное подводное лазерное облучение может смертельно повреждать морские обрастания, такие как водоросли, мидии и ракообразные, не повреждая при этом защитные покрытия под ними. После обработки отмершие обрастания естественным образом отрываются во время следующего рейса судна под действием сдвиговых сил воды. Этот метод является многообещающей альтернативой механическим процессам, которые часто повреждают покрытия и высвобождают живые организмы.

В рамках последующего проекта под названием «FoulLas2» эти лабораторные результаты в настоящее время применяются на практике: полуавтономный подводный гусеничный аппарат с магнитным креплением, оснащенный встроенной лазерной оптикой, будет систематически сканировать корпус судна и непосредственно облучать обрастание.

Заключение: Установление новых стандартов в подводных технологиях

В целом, синий диодный лазер представляет собой технологическую веху для морской отрасли. Он сочетает в себе эффективность, точность и экологичность в компактной системе и открывает новые возможности для подводной обработки. Будь то обслуживание морских платформ, инспекция трубопроводов или удаление морского обрастания, лазер предоставляет мощное и устойчивое решение для множества сценариев применения. Для сервисных, ремонтных и снабженческих компаний в подводном секторе эта система открывает новые технологические горизонты и может заменить многие устоявшиеся методы подводной обработки в среднесрочной и долгосрочной перспективе.

Коэффициент мощности излучения ИК- и синего лазерного света под водой © Laserline