Дайвинг-колокол: передовие капсула для безопасной подводной работы

Основы

Коммерческие дайверы, выполняющие подводное строительство или спасательные работы, часто используют дайвинг-колокол для транспортировки к подводному объекту. Использование колокола (также — Персональная Трансферная Капсула, PTC) и гипербарической камеры увеличивает время безопасного пребывания под водой. Дайвинг-колоколы известны с IV в. до н.э., когда их наблюдал Аристотель. Более совершенные колоколы разработаны в XVII веке. Современные коммерческие колоколы развились после II мировой с ростом оффшорной нефтегазовой отрасли.

Коммерческое дайвинг (платное) делится на два типа: поверхностное и насыщением. В поверхностном дайверах в шлемах работают под водой, подключённые к дыхательному аппарату на берегу/корабле/барже/платформе. Обычно работают парами: один под водой, второй на поверхности tends шланги и оборудование. Поверхностные дайверы безопасно работают до 91,5 м, но время под водой ограничено. Эффекты давления ведут к декомпрессионной болезни. Под давлением азот накапливается в тканях, блокируя сосуды. При быстром всплывании азот образует пузыри в тканях, как газировка при вскрытии. Пузыри вызывают боль, паралич, смерть. После глубокого погружения дайверу нужна постепенная декомпрессия, очень медленное возвращение к поверхностному давлению. Время декомпрессии зависит от глубины и длительности. При погружении 1 час декомпрессия может занять дни. Поверхностное дайвинг практично только для малых работ.

Второй тип — насыщением — для крупных строительств. Дайверы используют гипербарическую камеру (Deep Diving System, DDS), соединённую с дайвинг-колоколом. Камера и колокол начинают на борту судна. Команда дайверов садится в камеру, которую механически прессуризируют, имитируя среду на глубине geplанного погружения. Камера — полноценная жилая среда с кроватями, душем, мебелью, вмещающая команду на недели. Когда дайверы акклиматизировались, они выходят через стыковочный туннель в дайвинг-колокол, также прессуризированный. Кран поднимает колокол и опускает к подводному объекту. На месте один дайвер выходит в скафандре и шлеме, начинает работу. Второй остаётся в колоколе, tends шланги и оборудование первого. Через ~2 часа меняются. Работая из колокола, дайверы могут провести 8-часовой день под водой. Затем их доставляют на поверхность в колоколе, они заходят в гипербарическую камеру и сменяются со следующей сменой. Когда работа завершена, команда декомпрессируется в камере. Хотя они погружались многократно, команда декомпрессируется только один раз.

История

Ведро или бочка, опущенная в воду дном вверх, задерживает воздух внутри. Аристотель писал о дайверах, использующих наполненные воздухом котлы для дыхания под водой. Александру Македонскому приписывают погружение в дайвинг-колокол — бочку из белого стекла — в 332 г. до н.э., якобы пробыл дни в глубине, но это невероятно. Есть ссылки на колоколы в Средневековье. В 1531 итальянец Гульельмо де Лорена сделал рабочий колокол, поднял древнеримские корабли с дна озера. Другие колоколы изобрели и использовали в Европе, в основном для спасения сокровищ. Предтеча современного колокола — англичанин Эдмунд Галлей, известный кометой. В 1690 г. построил колокол с кожаными трубами и свинцовыми бочками для подачи свежего воздуха. Колокол — деревянный открытый конус, обгружен свинцом, с стеклянным иллюминатором. Внутри Галлей повесил платформу для отдыха дайвера и систему взвешенных бочек. Бочки фиксированы так, что при втягивании дайвером в колокол водяное давление снизу заставляло их выпускать свежий воздух. Помощники на поверхности перезаправляли бочки воздухом. Галлей и команда пробыли под водой на глубине ~18,3 м до 1,5 часов.

Другие дублировали успех Галлея, но дизайном не улучшали до 1788 г. Шотландский инженер Джон Смитон сделал колокол с насосом на крыше для закачки воздуха. Колокол Смитона использовали дайверы при подводном ремонте мостов. XIX век принёс разнообразное дайвинговое оборудование, работающие шлемы со шлангами к наземному воздуху. Оборудование было тяжелым, громоздким, сотни кг металла для выдержки глубинного давления. Рабочие на тоннелях и мостах спускались в огромные чугунные колоколы или лифтоподобные камеры — каиссоны. Мало знания о давлении привело к массовым заболеваниям и смертям от «каиссонной болезни» — декомпрессионной болезни.

Основы будущего коммерческого дайвинга заложены после II мировой. Швейцарец Ханс Келлер в 1962 г. использовал колокол для глубины 300 м. Его колокол был при слегка более высоком давлении, чем место погружения. Келлер дышал смесью гелия и кислорода через шланги к машине в колоколе. Показал, что колокол может быть ценной промежуточной станцией для глубокого дайвера, давая не только дыхательную смесь, но и электричество, связь, горячую воду для нагрева скафандра.

Насыщенное дайвинг стало возможным благодаря работе д-ра Джорджа Бонда, директора Подводной медицинской центра ВМС США в середине 1950-х. Его эксперименты показали, что ткани дайвера насыщаются азотом через определённое время экспозиции. После точки насыщения длительность погружения неважна. Дайвер может оставаться под давлением неделями или месяцами. Время декомпрессии одинаково, будь то час или неделя на точке насыщения. Эксперименты Бонда привели к Deep Diving Systems. Их активно использовали нефтяники в 1970–80-х при расцвете глубоководных платформ.

Батисфера и батискаф

Два важных современных дайвинг-колокола — батисфера и батискаф. Глубоководные аппараты для научного наблюдения. Батисфера построили Уильям Биби, американский зоолог, и инженер Отис Бартон в 1930 г. Биби, очарованный подводной жизнью, придумал машину, Бартон спроектировал. Идея Бартона — идеально сферическая камера для равномерного распределения давления. Изготовлена из литой стали толщиной >2,5 см, диаметром 1,5 м. Вес ~2449 кг, почти слишком тяжело для доступных кранов. Биби и Бартон сделали множество погружений у Бермуд, достигли 900 м в 1932 г. Благодаря прочности сфера защищала от давления, но батисфера была неудобной и рискованной. Заброшена в 1934 г.

Десятилетие позже швейцарцы-отец и сын Огюст и Жак Пиккард спроектировали похожий аппарат — батискаф. Как батисфера, устойчива к давлению тяжёлой стальной сферой. Камера висела под большим лёгким бензинонаполненным контейнером. Открытие клапанов давало потерю плавучести и погружение под собственной силой. Для подъёма сбрасывали железный балласт, аппарат медленно поднимался. Первый батискаф 1946 г., безнадежно повреждён в 1948 г. Улучшенная машина спустилась на 4000 м в 1954 г. Пиккарды построили другой батискаф, «Триесте», в 1953 г. ВМС США купили «Триесте» в 1958 г. Жак и лейтенант ВМС Дональд Уолш достигли рекордной глубины 10 916 м в Марианской впадине в Тихом океане в 1960 г.

Сырьё

Современные дайвинг-колоколы из высокопрочного мелкозернистого сталя. Окна — литой акрил спец. класса для давления. Колоколу нужна внешняя опора из толстого алюминия для защиты от ударов. Окраска — высококачественная морская эпоксидная краска. Спецификации стали и алюминия варьируются по расчётной глубине.

Дизайн

Дайвинг-колоколы проектируются индивидуально под заказчика. Клиент приходит к производителю с планом потребностей. План специфицирует форму колокола, мин. число людей, число окон, спец. нужды (стойки для оборудования). Производитель рассматривает план, разрабатывает финальный дизайн.

Производство и дизайн подчиняются регламентам Американского общества механических инженеров (ASME). У ASME подраздел, регулирующий Давления для Человеческого Присутствия (PVHO). PVHO включают дайвинг-колоколы, погружаемые аппараты, декомпрессионные/рекомпрессионные камеры, высотные камеры и др. ASME устанавливает строгие стандарты во всех аспектах — от дизайна через фабрикацию и тесты. Производители и подрядчики должны следовать гайдлайнам ASME пошагово для получения штампа ASME на готовом колоколе.

Производственный процесс

Изготовление колокола

• 1. Корпус колокола из прочного мелкозернистого сталя. Листовой катанец на конвейере проходит через автоматизированную пилу, режущую на верх, низ, стороны.
• 2. Секции на сварной участок, сертифицированный для такого строительства. Каждую секцию вручную сварщивают. Швы должны выдерживать высокое давление и быть абсолютно водонепроницаемыми. Цех следует гайдлайнам ASME.
• 3. Литые акриловые окна, от субподрядчика или своего производства, монтируют на место.

Инспекция и тесты

• 4. После сварки колокол инспекционируют. Могут проходить разные тесты — от визуального контроля швов до ультразвукового сканирования. Затем «пробный тест». Колокол наполняют водой и прессуризируют 1 час в 1,5 раза выше расчётного давления. Если колокол рассчитан на 183 м (282 psi), тестируют на давлении 274,3 м (415 psi). Колокол должен легко выдержать. Он спроектирован на 4-кратное запас давления как мера предосторожности.

Покраска и финиш

• 5. Колокол красят. Механические распылители наносят морскую эпоксидную краску, устойчивую к жёсткой эксплуатации под водой.
• 6. Затем финишат интерьер. Колокол получит обогреватель, приборы, свет, CO₂-скруббер, вентиляторы. Кронштейны болтят внутрь. Трубопроводы и проводки тоже болтят. Колокол не готов к использованию пока всё оборудование не установлено.

Сертификация

• 7. Если колокол проходит все тесты и инспекции, штампуют печатью ASME. Это значит, что построен по стандартам ASME, предполагается безопасным для человеческого присутствия. Индивидуальный сертификат фиксирует где, когда, кем построен. Другие записи — происхождение стали для корпуса.
• 8. Производитель поставляет колокол как «сырой» корпус. Клиент затем оснащает нужной аппаратурой — трекинг, камеры, радио.

Контроль качества

КК критично важна для судна, используемого в опысно опасной подводной работе. КК встроена в процесс, так как производители следуют стандартам ASME. Не только колокол тестируется после постройки, но даже предварительный дизайн удовлетворяет правилам ASME. Общий регулятор дайвинга, включая коммерческий, в США — Береговая охрана.

Будущее

ВМС США также тестируют дайвинговое оборудование для своих нужд. Экспериментальный дайвинговый блок тестирует существующее оборудование и передовую технологию. Блок также нанимает врачей и исследователей, изучающих физиологические эффекты дайвинга. Часть исследований может привести к регламентам для коммерческих дайверов. Это в свою очередь может повлиять на процедуры безопасности и КК тесты для колоколов и другого оборудования.

Коммерческие дайверы ежедневно полагаются на колоколы для транспорта между гипербарической камерой и глубоководным объектом. Развитие насыщенного дайвинга дало гораздо более эффективный способ обширной подводной работы, так как дайверы декомпрессируются только один раз в конце работы. Текущие исследования исследуют способы обойти декомпрессию вовсе. Некоторые исследуют искусственные жабры, позволяя дышать кислородом прямо из воды. Другая технология — жидкое дыхание. При глубоком давлении, если лёгкие заполнены кислородсодержащей жидкостью, они теоретически могут продолжать функционировать. Гипотетически, скафандр может дышать оксигенированной фторуглеродной жидкостью из переносного баллона. Это позволит погружаться глубже без гипербарической камеры и колокола. Ещё направление — биологическая декомпрессия. Спец. бактерия в теле может метаболизировать газы в тканях, вызывающие декомпрессионную болезнь. Это устранит нужду в декомпрессии в камере. Если любая из технологий станет жизнеспособной для коммерческих дайверов, существующая система камеры и колокола может измениться.

Где узнать больше

Книги

Биби, Уильям. Полмили вниз. Нью-Йорк: Dull, Sloan and Pearce, 1951.

Паркер, Торранс Р. 20 000 работ под морем: История дайвинга и подводной инженерии. Палос Вердес Пенинсула, CA: Sub-Sea Archives, 1997.

Пиккард, Жак, Роберт С. Диетц. Семь миль вниз: История батискафа Триесте. Нью-Йорк: G. P. Putnam's Sons, 1961.

Периодика

Бахрах, Артур Дж. «История дайвинг-колокола.» Historical Diving Times (весна 1998).

Прочее

Страница дайвинг-наследия. Июнь 2001. < https://www.divingheritage.com >.

Анджела Вудворд