Темная сторона обрастания. Не только корабли
Курс «Подводный лес: исследование морских обрастаний»
Лекция 4
«В предыдущих лонгридах мы следили за многовековой борьбой человечества с обрастанием кораблей. Однако человек — существо очень упорное и любопытное, поэтому сотни килограмм нароста из моллюсков и ракообразных не испугали его, и в море с развитием промышленности стали появляться все новые конструкции: от телеграфных кабелей до нефтяных платформ. Из этой лекции вы узнаете об удивительном разнообразии субстратов, которые человек погружает в воду. Мы рассмотрим на двух примерах, как именно люди справляются (или не справляются) с морским обрастанием».
Александра Чава
Младший научный сотрудник Лаборатории экологии прибрежных донных сообществ Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН
Системы охлаждения на атомных электростанциях
Казалось бы, каким образом крошечные моллюски, ракообразные и губки могут влиять на благополучие огромной атомной электростанции? Для поддержания нужной температуры в реакторе на АЭС существует система охлаждения, которая в случае прибрежных АЭС использует морскую воду. В таких системах на этапе водозабора создаются идеальные условиях для организмов, которые используют фильтрацию в качестве основного типа питания.
«Во-первых, система водозабора — это твердый субстрат, а во-вторых, там все время есть однонаправленный ток воды, несущий в себе много еды, которую можно отфильтровать. Что еще нужно для счастья двустворчатому моллюску или усоногому рачку?»
Александра Чава
Младший научный сотрудник Лаборатории экологии прибрежных донных сообществ Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН
Satpathy, K. K., Mohanty, A. K., Sahu, G., Biswas, S., Prasad, M. V. R., & Slvanayagam, M. (2010). Biofouling and its control in seawater cooled power plant cooling water system-a review. Nuclear power, 191−242.
Satpathy, K. K., Mohanty, A. K., Sahu, G., Biswas, S., Prasad, M. V. R., & Slvanayagam, M. (2010). Biofouling and its control in seawater cooled power plant cooling water system-a review. Nuclear power, 191−242.
В последние десятилетия обрастание поставило под угрозу безопасность систем охлаждения прибрежных АЭС по всему миру. Например, в 1981 г. осколки раковин атлантической устрицы Crassostrea virginica полностью повредили устройство отвода остаточного тепла на атомной электростанции в Брансуике, США. А обрастание системы водозабора на АЭС Мадрас в Индии в конце 1980-х гг. препятствовало нормальному поступлению морской воды в систему охлаждения и приводило к перегреву реактора.
Подробнее можно прочитать тут: 1. Lin, H., Huang, Y., Lin, Y., Zhang, S., Yu, S., Liu, K., … & Li, Z. (2023). Biofouling characteristics in Xinghua Bay of Fujian, China. Frontiers in Marine Science, 9, 1 107 087.
2. Rajagopal S., Venugopalan V. P., Nair K. V. K., Azariah J. (1991b). Biofouling and its control in a tropical coastal power station: A case study. Biofouling 3 (4), 325−338. doi: 10.1080/8 927 019 109 378 186
2. Rajagopal S., Venugopalan V. P., Nair K. V. K., Azariah J. (1991b). Biofouling and its control in a tropical coastal power station: A case study. Biofouling 3 (4), 325−338. doi: 10.1080/8 927 019 109 378 186
Обрастатели с удовольствием поселяются на заградительных фильтрационных сетках и решетках, а остатки твердых кальцинированных раковин в потоке воды повреждают небольшие трубопроводы, теплообменники и клапаны. Ежегодные глобальные расходы на обработку и предотвращение биообрастания в морских атомных проектах составляют миллиарды долларов США.
Нефте- и газодобывающие шельфовые станции
Решетки, сетки и фильтры — это, конечно, хорошо, но что, если погрузить в воду несколько сотен квадратных километров всевозможных железных балок, труб, вентилей и сложных конструкций? Это же целая «страна» для обрастателей, которые не избалованы лишним твердым субстратом под водой. Именно так выглядят нефте- и газодобывающие установки на шельфе, которые стали активно строить и вводить в эксплуатацию после нефтяного кризиса 1973 г.
Klijnstra, J., Zhang, X., van der Putten, S., & Röckmann, C. (2017). Technical risks of offshore structures (pp. 115−127). Springer International Publishing.
Если корабль можно отправить в сухой док и очистить его от обрастания, то чистка огромных металлоконструкций, иногда уходящих на многие десятки метров в глубину, кажется непосильной задачей.
Безусловно, можно использовать противообрастательные покрытия, но, во-первых, многие эффективные современные покрытия рассчитаны на то, что объект движется и покрытие самополируется, а во-вторых, у любого покрытия есть срок службы, который сильно меньше, чем предполагаемый срок службы той или иной нефтяной платформы.
Безусловно, можно использовать противообрастательные покрытия, но, во-первых, многие эффективные современные покрытия рассчитаны на то, что объект движется и покрытие самополируется, а во-вторых, у любого покрытия есть срок службы, который сильно меньше, чем предполагаемый срок службы той или иной нефтяной платформы.
Упорное желание все же добыть нефть привело к довольно изобретательным мерам борьбы с обрастанием:
- Катодная защитаПо металлической поверхности под водой буквально пускают электрический ток: накладывают отрицательный электрический заряд на погруженную конструкцию, что подавляет электрохимические реакции, приводящие к коррозии, а также замедляет образование биопленки и оседание организмов-обрастателей.
- Ультразвуковая защитаЭтот способ подразумевает прикрепление к поверхности специальных механизмов, испускающих высокочастотные звуковые волны в воду (обычно от 20 до 100 кГц). Они создают микроскопические пузырьки, которые взрываются у поверхности субстрата и предотвращают образование биопленки и дальнейших стадий обрастания.
- Механическая очистка с помощью роботов или водолазовНа небольших конструкциях или участках со сложной геометрией под водой в качестве чистильщиков работают водолазы. Это довольно трудная и утомительная работа, требующая хорошей физической подготовки и серьезных профессиональных навыков. Но на больших площадях и глубинах с задачей чистки уже несколько десятилетий отлично справляются разнообразные роботы: от маленьких и похожих на пауков до огромных и сложных с пятиступенчатыми руками-манипуляторами.
- Тепловая защитаИногда некоторые участки конструкций нагревают до 50−60 °С. Как правило, это побочный эффект работы подводного добывающего комплекса, который, однако, прекрасно справляется с защитой конструкции от обрастаний. Если некоторые бактерии и могут приспособиться к таким температурам, то большинство личинок беспозвоночных рискует просто свариться на такой теплой поверхности, и поэтому не оседает на нее.
- Регулярный мониторингЗвучит скучно, но это лучший способ понять, как быстро и кем именно обрастает та или иная поверхность под водой. Такой мониторинг необходимо проводить еще до стройки, опуская в воду на нужные глубины тестовые экспериментальные пластины из разных материалов и с разным покрытием. Также нужно осмотреть дно и понять, кто там растет, взять пробы воды, чтобы проверить, какие личинки там плавают. Все это поможет составить первичное представление о темпах роста и составе обрастания. На практике строительные и нефтегазовые магнаты редко задумываются о таких превентивных исследованиях, что потом приводит к многомиллионным потерям из-за вышедшего из строя оборудования.
Помимо вышеописанных конструкций, в море обрастают буи и швартовы, электрические и телеграфные кабели, сенсоры подводных роботов и измерительных устройств, причалы и понтоны, сети для ловли рыбы, ветровые и волновые шельфовые электростанции, объекты марикультуры и др.
Впрочем, человек не сдается и продолжает придумывать новые безопасные способы борьбы с обрастанием, а также учится использовать появление обрастания во благо себе и окружающему миру природы. Но об этом мы поговорим в следующем лонгриде.
Вопросы для самопроверки
| Начать |
1. Почему системы охлаждения АЭС подвержены биообрастанию?
Температура воды не всегда высокая, а ключевым фактором является постоянный поток с питательными веществами.
Радиационный фон не влияет на поселение моллюсков и ракообразных.
Обрастание наблюдается в морях с разными температурами.
| Далее |
| Проверить |
| Узнать результат |
2. Какую проблему вызвало обрастание системы водозабора на АЭС в Индии в 1980-х гг.
Радиоактивные отходы не связаны с биологическим обрастанием.
Пар выводится другим путем, не связанным с водозабором.
Обрастание не разрушает бетон, но может повредить трубопроводы и фильтры.
| Далее |
| Проверить |
| Узнать результат |
3. Почему очистка нефтяных платформ от обрастаний сложнее, чем очистка кораблей?
Любые твердые поверхности в воде подвержены обрастанию, независимо от материала.
В отличие от кораблей, платформы стоят на месте, что делает их удобной средой для обрастателей.
Такие покрытия применяются, но их эффективность ограничена.
| Далее |
| Проверить |
| Узнать результат |
4. Как работает катодная защита на морских сооружениях?
Катодная защита основана на электрических процессах, а не на вибрации.
Катодная защита не связана с химическим воздействием.
Катодная защита не требует нанесения каких-либо покрытий.
| Далее |
| Проверить |
| Узнать результат |
5. Какой метод борьбы с обрастанием использует ультразвуковые волны?
Катодная защита работает за счет электричества, а не звука.
Тепловая защита связана с повышением температуры, а не с ультразвуком.
Химические методы предполагают использование специальных веществ, а не звуковых волн.
| Далее |
| Проверить |
| Узнать результат |
6. В чем преимущество механической очистки роботами перед очисткой водолазами?
Частично верно, но это не единственное преимущество.
Верно, водолазы работают на меньших глубинах, тогда как роботы универсальны, но это лишь часть ответа.
Верно, но это лишь часть ответа.
| Далее |
| Проверить |
| Узнать результат |
7. Почему важен предварительный мониторинг поверхности перед строительством конструкции?
Наоборот, высокая плотность организмов-обрастателей — это проблема.
Мониторинг не влияет на скорость строительства, но помогает избежать проблем в будущем.
Мониторинг проводится для технических, а не юридических целей.
| Далее |
| Проверить |
| Узнать результат |
8. Как появление морского обрастания может использоваться во благо?
Обрастание не влияет на температуру воды в системе.
Наоборот, обрастание может усугублять коррозию.
Обрастание увеличивает сопротивление воде, что повышает расход топлива.
| Далее |
| Проверить |
| Узнать результат |
Не отчаивайтесь!
Да, это не так уж просто, но вы можете вернуться к материалам главы в любой момент и пройти тест снова.
| Пройти еще раз |
Неплохой результат!
Вы хорошо справились, но упустили некоторые детали из виду. Вернитесь к лекции, чтобы закрепить пройденный материал.
| Пройти еще раз |
Отлично! Вы справились!
| Пройти еще раз |
Дополнительные материалы
- В исследовании описан годовой эксперимент с использованием бетонных панелей для оценки биообрастания в заливе Синьхуа, расположенном в прибрежной зоне Фуцзяни, Китай.: Lin, H., Huang, Y., Lin, Y., Zhang, S., Yu, S., Liu, K., … & Li, Z. (2023). Biofouling characteristics in Xinghua Bay of Fujian, China. Frontiers in Marine Science, 9, 1 107 087
- В статье рассматриваются методы регулирования интенсивности биообрастания на подводных статичных искусственных структурах (SSAS), таких как причалы, платформы и другие морские сооружения: Hopkins, G., Davidson, I., Georgiades, E., Floerl, O., Morrisey, D., & Cahill, P. (2021). Managing biofouling on submerged static artificial structures in the marine environment-assessment of current and emerging approaches. Frontiers in Marine Science, 8, 759 194
- В этой статье рассматриваются проблемы морского обрастания в нефтегазовой и других прибрежных отраслях промышленности. Обрастание приводит к увеличению гидродинамической нагрузки на платформы, повышению коррозии и ускоренному износу конструкций: Page, H. M., Dugan, J. E., & Piltz, F. (2010). Fouling and antifouling in oil and other offshore industries. Biofouling, 252−266
- В статье исследуются особенности биообрастания на подводных искусственных структурах, таких как нефтяные платформы и другие сооружения в глубоководных зонах. Отмечается, что, в отличие от прибрежных районов, где биообрастание хорошо изучено, глубокие воды представляют собой относительно неизученную среду с уникальными экологическими условиями: Apolinario, M., & Coutinho, R. (2009). Understanding the biofouling of offshore and deep-sea structures. In Advances in marine antifouling coatings and technologies (pp. 132−147). Woodhead Publishing
- В этом исследовании изучается влияние ультразвука на циприсовидных личинок и молодых особей Amphibalanus amphitrite. Целью было оценить эффективность ультразвука как метода предотвращения обрастания: Guo, S. F.; Lee, H. P.; Chaw, K. C.; Miklas, J.; Teo, S. L. M.; Dickinson, G. H.; Birch, W. R.; Khoo, B. C. (2011). „Effect of ultrasound on cyprids and juvenile barnacles". Biofouling. 27 (2): 185−192
- Видео представляет собой подводную съемку с двух погружений на нефтяной платформе в открытом море у побережья Лос-Анджелеса. Автор видео, Александр, делится кадрами морской жизни вокруг платформы
Запишитесь на курс, чтобы выполнять задания и получить сертификат!
Школьникам, абитуриентам и учителям
Подводный лес: исследование морских обрастаний
Онлайн-курс про сложные подводные экосистемы, способы изучения и их роль в биоразнообразии планеты и деятельности человека.
- Что вы получите
- 8 уроков
- Уникальные фотографии и видео из экспедиций
- Авторская подача: живая и грамотная речь
- Свободное расписание: нет дедлайнов и сроков сдачи заданий
- Все материалы доступны сразу, можно начать обучение в удобное время
- Профессиональное видео и современная графика
- Быстрая связь с техподдержкой и чат с однокурсниками
- Сертификат о прохождении курса
- Наш курс позволит вам
- Узнать больше о современных исследованиях и профессиях в биологии
- Расширить кругозор и открыть для себя много необычного
- Хорошо провести время, изучая короткие лекции, рассматривая уникальные фото и видео, играя в мини-игры и проходя квизы курса
Находясь на сайте, вы даете согласие на обработку файлов cookie. Это необходимо для более стабильной работы сайта
OK