Котел

Размер котла должен соответствовать мощности двигателя, чтобы обеспечивать необходимое давление пара. Слишком большой котел в устройстве паровой машины неэффективен — зачем греть лишнюю воду, тратить драгоценное тепло, чтобы потом стравливать большую часть пара регулятором скорости? Если же котел мал, а поездка предстоит далекая, воду можно запасти в отдельном баке с насосом.

Для нормальной работы двигателя котел должен быть всегда наполнен водой минимум на три четверти. Индикатор уровня может представлять собой застекленное смотровое окно, проделанное прямо в стенке котла, или же прозрачную трубку, выведенную наружу по принципу сообщающихся сосудов.

Вот схема устройства паровой машины: 1 — поршень; 2 — шток поршня; 3 — ползун; 4 — шатун; 5 — коленчатый вал; 6 — эксцентрик для привода клапана; 7 — маховик; 8 — золотник; 9 — центробежный регулятор.Автор: Panther

Крайне необходимый элемент в конструкции паровой машины — клапан, который выпускает пар, когда давление внутри котла становится слишком большим. Отсутствие или неисправность предохранительного клапана могут закончиться взрывом котла. Клапан располагается в верхней части котла — нам нужно стравливать пар, а не воду. Пар, выходящий через клапан, может быть направлен в дымоход.

Жизненно необходимый аксессуар в устройстве паровой машины. Свисток помогает узнать, есть ли давление в котле, стравливает лишний пар при необходимости, распугивает зевак и, конечно, отлично выглядит.

Паровые трубы выходят из верхней части котла — ведь в его нижней части кипит вода. Иногда «паропровод» вновь возвращается в котел, чтобы пройти сквозь жаровые трубы в виде змеевика. Такое устройство называется «пароперегреватель» (superheater). Пароперегреватель дополнительно увеличивает давление пара в трубах паровой машины, а также уменьшает вероятность конденсации влаги в двигателе.

Как в печке или камине, в устройстве паровой машине дымоход служит для вентиляции огня, который горит в топке и кипятит воду в котле. Дымоход может быть практически любого размера и формы. Иногда внутрь дымохода заводят выходную трубу с отработавшим паром от двигателя или прямо от котла, через клапан. Выход пара под давлением создает разрежение внутри дымохода, способствуя дополнительной воздушной тяге.

Чтобы преобразовать воду в пар, в топке можно сжигать все, что хорошо горит, — уголь, дрова, газ, керосин. Подача топлива должна регулироваться, обеспечивая точный контроль над мощностью двигателя. В случае с газом и жидким топливом с регулировкой отлично справляются вентили и клапаны, когда же речь идет об угле или дровах, роль клапана приходится исполнять кочегару. 

Для каждого вида топлива необходимо предусмотреть хранилище в конструкции паровой машины — баллон для газа, бак для керосина, контейнер для угля. Кроме того, интенсивность горения можно регулировать, изменяя подачу воздуха. Для этого в конструкции есть воздушные заслонки.

Паровые двигатели могут иметь разное количество цилиндров разной конфигурации. Цилиндр — это главный элемент мотора, он скрывает поршень, который перемещается под давлением пара. Рядом с цилиндром в конструкции паровой машины располагается коллектор — клапан, который поочередно направляет пар с разных сторон поршня. И поршень, и коллектор соединяются с коленчатым валом практически одинаковыми шатунами. На коленчатом валу обязательно располагается тяжелый маховик. Он делает работу двигателя более плавной и исключает остановку в мертвой точке.

Этот небольшой цилиндрический резервуар, как правило, располагается рядом с коллектором на паровой трубе и обеспечивает двигатель смазкой. Вместе с паром масло постепенно попадает в коллектор и цилиндр паровой машины. В некоторых случаях лубрикатор оснащается ручным насосом.

Важный элемент в устройстве паровой машины — центробежный регулятор. Интересно, что это устройство служит для управления расстоянием и давлением между жерновами ветряных мельниц Начиная с XVII века.

Самый эффектный приборчик в устройстве паровой машины ограничивает обороты двигателя. Повинуясь центробежной силе, тяжелые металлические шарики поднимаются тем выше, чем быстрее вращается «карусель», и увлекают за собой коромысло, открывающее клапан. Как только скорость достигает установленного значения, клапан стравливает давление пара, не давая двигателю развить более высокие обороты. Чтобы работать правильно, регулятор должен стоять строго вертикально.

Конденсатор улавливает отработанный пар, содержащий масло. Масло конденсируется вместе с водой, а наружу выходит чистый пар. Конденсатор не обязателен для работы двигателя, он заботится, скорее, об экологии и чистоте лиц пассажиров. Затем отработанный пар может выводиться по трубам в дымоход — тогда белые облака будут исходить прямо из основной трубы. Как вариант, с помощью конденсатора можно пополнять запасы воды, увеличивая тем самым запас хода.

Манометр — классический и очень эффектный элемент в схеме устройства паровой машины. Манометры могут располагаться в разных местах, показывать давление пара в котле и других частях системы. Чем больше стрелок — тем внушительнее выглядит машина.

В XIX веке теплоизоляция чаще всего применялась на судовых двигателях, чтобы минимизировать потери тепла. Изолировать можно котел, паровые трубы, цилиндры двигателя. Самая эффектная теплоизоляция — дерево. Оно придает паровой машине характерный старинный облик.

Разнообразные шестеренки — это символ всего механического, от часов до разводных мостов. Крутящий момент парового двигателя зачастую приходилось передавать на движитель с бóльшим передаточным отношением. Для этого в конструкции паровой машины использовались сложные комбинации шестерен разного диаметра. Чем больше зубчатых колес — тем внушительнее выглядит конструкция.

Рычаги могут делать все что угодно: открывать и закрывать клапаны, управлять сцеплениями, соединять или разъединять шестерни, притормаживать колеса. Главное, чтобы в конструкции паровой машиины их было как можно больше!

Как это возможно — уложить сотни километров стальных труб на огромную глубину, на дно со сложным рельефом? Как добиться, чтобы вся эта конструкция выдерживала огромное давление, не смещалась, не была уничтожена коррозией, выдерживала удары корабельных якорей и рыболовного снаряжения и, наконец, просто работала как надо? Самым свежим примером сооружения подводного мегатрубопровода стал знаменитый «Северный поток», пролегший по балтийскому дну и соединивший российскую и немецкую газотранспортные системы. Две нитки труб, каждая длиной более 1200 км — почти 2,5 млн тонн стали, поглощенных морем по воле человека. Именно на примере «Северного потока» мы попытаемся вкратце рассказать о технологиях создания подводных трубопроводов.

Из кормы трубоукладочного судна сваренные трубы выходят непрерывной плетью и укладываются на дно. Хорошо заметна специальная защита монтажных стыков. Когда секция закончена, к ней приваривается временная заглушка.

Две нитки газопровода состоят из 199 755 двенадцатиметровых труб, сделанных из высокосортной углеродистой стали. Но коль скоро речь идет о соприкосновении с такой химически агрессивной средой, как морская вода, металлу нужна защита. Для начала на внешнюю поверхность трубы наносят трехслойное покрытие из эпоксидного состава и полиэтилена — это делается прямо на заводе-производителе. Там же, кстати, трубу покрывают и изнутри, правда, задача внутреннего покрытия не в защите от коррозии, а в повышении пропускной способности газопровода. Красно-коричневая эпоксидная краска дает очень гладкую, глянцевую поверхность, снижающую, насколько это возможно, трение молекул газа о стенки трубы.

Можно ли укладывать такую трубу на морское дно? Нет, ее требуется дополнительно защищать и усиливать против давления воды и электрохимических процессов. На трубы устанавливают так называемую катодную защиту (наложение отрицательного потенциала на защищаемую поверхность). С определенным шагом к трубам приваривают электроды, соединенные между собой анодным кабелем, который связан с источником постоянного тока. Таким образом, процесс коррозии переносится на аноды, а в защищаемой поверхности проходит только неразрушающий катодный процесс. Но главное, что еще предстоит сделать с трубой, прежде чем она будет готова опуститься на дно, — это обетонирование. На специальных заводах внешнюю поверхность трубы покрывают слоем бетона толщиной 60−110 мм. Покрытие армируется приваренными к корпусу стальными стержнями, в бетон добавляется наполнитель в виде железной руды — для утяжеления. После обетонирования труба приобретает вес около 24 т. У нее появляется серьезная защита против механических воздействий, а дополнительная масса позволяет ей стабильно лежать на дне.

На фото – сварочная станция трубоукладочного судна Castoro Dieci. Сварные стыки пройдут процедуру неразрушающего ультразвукового контроля, затем их защитят с помощью термоусадочного полиэтиленового рукава, металлического кожуха и пеноматериала. Судно Castoro Dieci принадлежит итальянской компании Saipem и предназначено для прокладки участков трубопроводов на прибрежном мелководье. Фактически это плоскодонная несамоходная баржа, которая передвигается только с помощью буксира и якорной лебедки, однако точное позиционирование Castoro Dieci осуществляет самостоятельно за счет восьмиточечной системы якорей.

Но надо помнить, что дно даже такого сравнительно неглубокого моря, как Балтийское, не предоставит само по себе удобного и безопасного ложа для газопровода. Есть два фактора, которые неизбежно приходилось учитывать проектировщикам и строителям «Северного потока»: антропогенный и природный.

История судоходства в североевропейском регионе насчитывает тысячелетия, и потому на дне моря скопилось немало всевозможного мусора, а также обломков затонувших кораблей. XX век внес свой страшный вклад: на Балтике в ходе мировых войн велись активные боевые действия, устанавливались сотни тысяч морских мин, а по окончании войн в море же утилизировались боеприпасы, в том числе и химические. Поэтому, во-первых, при прокладке маршрута газопровода требовалось обходить выявленные скопления опасных артефактов, а во-вторых, тщательно обследовать зону прокладки, включая так называемый якорный коридор (по километру влево и вправо от будущей трассы), то есть зону, в которой бросали якоря суда, задействованные в строительстве. В частности, для мониторинга боеприпасов применялись корабли, оснащенные эхолокационным оборудованием, а также специальным донным роботом (ROV), связанным кабелем с базовой донной станцией TMS. При обнаружении боеприпасов (морские мины весьма чувствительны к движению) их подрывали на месте, предварительно обеспечив безопасность судоходства в заданном районе и приняв меры по отпугиванию крупных морских животных.

Второй фактор, природный, связан c особенностями рельефа дна. Дно моря сложено из различных пород, оно имеет выступающие гребни, впадины, расселины, и опускать трубы прямо на все это геологическое разнообразие не всегда возможно. Если допустить большое провисание нитки газопровода между двумя естественными опорами, конструкция может со временем разрушиться со всеми вытекающими из этого неприятностями. Поэтому донный рельеф для прокладки необходимо искусственным образом исправлять.

Корма трубоукладочного судна со стингером – специальным желобом, увеличивающим радиус сгиба укладыва- емой нитки. Благодаря стингеру буква S обретает более плавные очертания.

Если требовалось выровнять рельеф дна, использовалась так называемая каменная наброска. Специальное судно, нагруженное гравием и мелкими камнями, с помощью трубы, нижний конец которой оборудован соплами, «прицельно» заполняло полости дна, придавая ему более подходящий профиль. Иногда вместо камней вниз опускались целые бетонные плиты. Другой вариант — выкапывание в дне траншеи для прокладки труб. Логично предположить, что создание траншей предшествовало прокладке труб, однако далеко не всегда это происходило именно так. Существует техническая возможность стабилизации положения нитки на дне уже тогда, когда трубопровод проложен (при условии, что глубина моря в данной точке не превышает 15−20 м). В этом случае с судна на дно опускается траншеекопатель, имеющий роликовые захваты. С их помощью трубопровод приподнимается со дна, и под ним пропахивается траншея. После проведения этой операции трубы укладываются в получившееся углубление.

Прокладка "Северного потока" с помощью судна Castoro Sei

В процессе трубоукладки устойчивость судна Castoro Sei обеспечивают 12 якорей. Каждый из якорных канатов управляется лебедкой, создающей постоянное натяжение. Судно также оснащено движителями для более точного позиционирования.

Сыпать тяжелый грунт на дно можно не всегда: масса гравия продавливает мягкие породы. В этом случае для «спрямления» рельефа используют более легкие опоры из металлических или пластиковых конструкций.

Теперь, пожалуй, самое интересное: как трубы оказываются на дне? Разумеется, сложно себе представить, что каждая отдельная 12-метровая труба приваривается к нитке газопровода прямо в море на глубине. Значит, эту процедуру необходимо проделывать до укладки. Что, собственно, и происходит на борту трубоукладочного судна. Тут необходимо ненадолго вернуться к конструкции самой трубы и заметить, что после нанесения на нее антикоррозионной защиты и утяжеляющего бетонирования оконцовки труб остаются открытыми и незащищенными, — иначе сварка была бы затруднена. Поэтому участки соединений защищаются от коррозии уже после сварки. Сначала монтажные стыки изолируются с помощью полиэтиленового термоусадочного рукава, затем закрываются металлическим кожухом, а полость между кожухом и рукавом заполняется полиуретановой пеной, придающей месту стыка необходимую механическую прочность.

Далее происходит укладка S-образным способом. Сваренная из труб плеть приобретает в процессе укладки форму, напоминающую латинскую букву S. Плеть под небольшим углом выходит из кормы корабля, достаточно резко опускается вниз и достигает дна, где принимает горизонтальное положение. Труднее всего представить себе, что нить из стальных, покрытых бетоном 24-тонных труб способна к таким резким изгибам без разрушения, однако все происходит именно так.

Разумеется, для того чтобы плеть не сломалась, применяются разнообразные технологические хитрости. За трубоукладочным судном на десятки метров тянется стингер — специальное ложе, уменьшающее радиус наклона уходящей вниз плети. На судне также установлено натяжное устройство, прижимающее трубы книзу и снижающее нагрузки на изгибы. Наконец, система позиционирования точно контролирует положение судна, исключая рывки и резкие смещения, способные повредить трубопровод. Если укладку почему-либо требуется прервать, вместо очередной трубы к плети приваривают герметичную заглушку с креплениями и плеть «сбрасывают» на дно. При возобновлении работ другой корабль подцепит заглушку тросом и вытянет плеть обратно наверх.

В 2012 году был сконструирован специальный «интеллектуальный зонд», который будет через определенные промежутки времени инспектировать состояние газопровода, передвигаясь с потоком газа от российской бухты Портовая к немецкому Любмину.

И все же без подводной сварки не обошлось. Дело в том, что каждая из ниток «Северного потока» состоит из трех секций. Различие между секциями — разная толщина стенок используемых труб. Пока газ идет от терминала в российской бухте Портовая к приемному терминалу на немецком берегу, давление газа постепенно падает. Это дало возможность использовать в центральной и финальной секциях более тонкостенные трубы и таким образом экономить металл. Вот только обеспечить соединение разных труб на борту трубоукладочных судов не представляется возможным. Сочленение секций происходило уже на дне — в гидроизолированной сварочной камере. Для этого на дно опускались трубоподъемные механизмы, которые отрывали от дна и точно позиционировали друг напротив друга плети отдельных секций. Для той же цели применялись надувные мешки с переменной плавучестью, обеспечивавшие вертикальные перемещения труб. Термобарическая сварка велась в автоматическом режиме, однако наладка оборудования сварочной камеры — сложнейшая водолазная операция. Для ее проведения под воду опускалась водолазная камера, где могла проходить декомпрессию целая бригада водолазов, и специальный колокол для спуска ко дну. Сварка секций проводилась на глубине 80−110 м.

Прежде чем использовать газопровод для перекачки топлива, его испытывали... водой. Еще до термобарической сварки каждая секция трубопровода прошла суровое испытание. Внутрь секций с помощью поршневого модуля была закачана предварительно отфильтрованная от взвесей и даже бактерий морская вода. Жидкость, нагнетавшаяся со специального судна, создавала внутри плети давление, превышающее рабочее, и такой режим поддерживался в течение суток. Затем вода откачивалась, и секция газопровода осушалась. Еще до того, как в трубопроводе появился природный газ, его трубы заполнялись азотом.

Прокладка газопровода по морскому дну — лишь часть проекта «Северный поток». Немало усилий и затрат потребовалось для оборудования береговой инфраструктуры. Отдельная история — это вытягивание нитки газопровода на берег с помощью мощной лебедки или создание механизма компенсации сезонного сжатия-расширения 1200-километровой нитки.

Строительство «Северного потока» вызвало немало дискуссий на разные околополитические темы — от экологии до чрезмерной роли сырьевого экспорта в экономике России. Но если абстрагироваться от политики, нельзя не заметить: трансбалтийский газопровод — отличный пример того, как продвинутые технологии и международная кооперация способны творить современные чудеса во вполне рабочем рутинном режиме.