Эксперты утверждают, что винты, крепящие дисплей к корпусу Titan, могут привести к постепенному ослаблению оболочки из углеродного волокна и ее разрушению под водой при достижении порогового значения.
Трагедия подводной лодки «Титан», затонувшей на дне Атлантического океана 23 июня, привлекла внимание как СМИ, так и экспертов. Помимо комментариев об ошибках проектирования, структурных ошибках или слишком глубоком погружении корабля «Титан», эксперты также выдвинули гипотезу о выходе из строя из-за материалов (Materials Failure).
Многие источники информации свидетельствуют о том, что производитель OceanGate произвольно переоборудовал корабль Titan из целей научного дистанционного зондирования в туристические цели. На снимках конструкции судна, опубликованных OceanGate, видны два дисплея, прикрученных непосредственно к корпусу, который снаружи покрыт углеродным волокном, как и обещал генеральный директор Стоктон Раш.
Оба дисплея прикреплены болтами к корпусу и соединены вручную (выше) в Titan, как показано в ознакомительном видеоролике о подводном аппарате Titan. Фото: OceanGate
Это табу, поскольку углеродное волокно в 5 раз прочнее стали, но очень хрупкое, и его часто смешивают со смоляным клеем, чтобы он прилипал к поверхности покрываемого материала. Этот процесс ламинирования осуществляется путем наложения слоев друг на друга, аналогично склеиванию слоев бумаги клеем.
Таким образом, структура углеродного волокна будет представлять собой не чистый монолитный лист, а композит углеродного волокна со смолой. Компания OceanGate использовала название «композит из углеродного волокна» для этого материала в патенте, выданном в 2021 году.
Поскольку это композитный материал, в структуре углеродного волокна будет много микроскопических зазоров, которые смола не сможет заполнить. OceanGate сообщила, что уровень вакансий составляет менее 1%, однако конкретная цифра не уточняется. Разница между коэффициентом пустотности 0,99% и 0,0000000000001% может существенно повлиять на весь структурный каркас, а также на скорость разрушения материала.
Метод сверления и крепления экрана к корпусу приведет к появлению небольших трещин на внутренней композитной поверхности. После многочисленных погружений с целью посетить затонувший «Титаник» на глубине 3800 м корпус «Титана» в течение длительного времени непрерывно находился под большим давлением, из-за чего трещины распространялись так же быстро, как битое стекло.
Это явление можно сравнить с изображением ледника с дырой на его поверхности. Трещина изначально небольшая, но постепенно, после каждого достаточно долгого и достаточно сильного удара, она раскалывает блок шириной в сотни метров, что приводит к большая глыба льда треснула.
Углеродное волокно известно своей прочностью, но не прочность на сжатие является ключом к выдерживанию давления на дне океана, а прочность на растяжение, которая удерживает каркас от растяжения и разрыва.
Композитное углеродное волокно трескается медленнее, чем чистое углеродное волокно, в результате чего процесс растрескивания происходит постепенно, структурные трещины слишком малы, чтобы их можно было обнаружить снаружи. Скорость разрушения внутри одного и того же слоя углеродного волокна будет увеличиваться от слоя к слою, поэтому трещина будет становиться больше, пока не сделает внутреннюю структуру чрезвычайно слабой.
При соблюдении всех условий даже легкого столкновения, скользящего толчка с любым предметом на дне океана достаточно, чтобы вызвать ужасное крушение батискафа «Титан», в результате которого погибнут 5 человек. на корабле
В этом случае структура композитного материала из углеродного волокна внезапно разрушится, даже если до этого не было никаких отклонений. Это объясняет, почему предыдущие путешествия «Титана» были нормальными, но во время последнего путешествия 18 июня корабль достиг точки разрушения.
Даже если между титановым корпусом и внешней оболочкой из композитного материала из углеродного волокна имеется определенный зазор, так что отверстие для винта не приводит к образованию трещин, сверление титанового корпуса судна также создает возможность для возникновения этого явления. Ржавчина на металле возникает Быстрее.
Титан менее подвержен ржавчине, чем железо и медь, но цвет корпуса не полностью титановый, а скорее похож на титановый сплав, как рекламирует OceanGate, или на твердый стальной материал, аналогичный тому, который ВМС США используют для подводных лодок.
Процесс обмотки корпуса «Титана» углеродным волокном. Источник: OceanGate
OceanGate может использовать для изготовления корпуса сплав вместо чистого титана, чтобы сократить производственные затраты, но при этом корпус станет более подверженным ржавчине. В этом случае место расположения винта всегда будет первым местом, подверженным ржавчине, что приведет к риску распространения и ослабления окружающей конструкции.
Вероятно, OceanGate пришлось добавить больше винтов к корпусу, поскольку судно переоборудовали для перевозки туристов и требовалось установить больше оборудования для наблюдения. Кроме того, со стороны двери имеются довольно грубые сварные швы рамы, без дополнительного антикоррозионного или противоизносного покрытия, аналогично конструкции крепления окна на балконе дома.
В материаловедении нижняя сторона сварного шва наиболее подвержена ржавчине и структурным разрушениям из-за контакта как минимум двух различных материалов.
Риск при этом методе выше, чем при использовании винтового метода. Сварные швы могут иметь металлические связи, которые приводят к быстрому распространению ржавчины из-за электрохимической коррозии при воздействии высокой влажности. Чтобы снизить риск, производители могут покрывать эти сварные швы тонкой, устойчивой к истиранию и коррозии пленкой для защиты материала и конструкции в условиях воздействия окружающей среды, но пока нет никаких доказательств того, что OceanGate реализовала эту меру безопасности.
Конструкция подводного аппарата Titan из оригинального патента OceanGate показывает, что судно создано на основе глубоководного подводного аппарата Alvin DSV первого поколения, который используется и по сей день. Вместо того чтобы использовать традиционную сферическую форму для оптимизации способности выдерживать давление со всех сторон, г-н Раш преобразовал подводный аппарат Titan в трубчатую форму, чтобы перевозить больше пассажиров.
Обе стороны банки изготовлены из титана, а цилиндрический каркас в середине обернут множеством слоев углеродного волокна толщиной около 13 см. Центральный блок цилиндров в этой конструкции становится основной несущей зоной, при этом именно эта зона подвергается воздействию болтовых соединений и сварки.
Конструкция подводного аппарата OceanGate включает в себя два стакана и кольца, усиленные в месте соединения, выполненные из титана. Графика: Oceanliner Designs
Углеродное покрытие толщиной 13 см может помочь кораблю повысить его устойчивость к внешнему давлению, но оно также непреднамеренно увеличивает его хрупкость и затрудняет наблюдение за очень маленькими трещинами внутри слоистой структуры. сложнее
Соединения между корпусом трубки и титановыми головкой и хвостовиком не печатаются на 3D-принтере из одной партии, а свариваются вместе с использованием уплотнительного механизма, что создает риск ослабления механической рамы. Общая конструкция будет очень слабой из-за использования различных материалов, соединенных вместе из углеродного волокна, титана и акрилового стекла. Каждый материал имеет различную прочность, расширение и хрупкость в одной и той же среде.
По этой же причине технология 3D-печати является предпочтительной для изготовления корпусов космических аппаратов, хотя она во много раз дороже метода сборки. Благодаря этой технологии производителям достаточно один раз выполнить 3D-печать, чтобы получить готовое изделие, независимо от сложности конструкции, без сварки или винтов, что помогает снизить риск отказа. Общая структура
В своем патенте OceanGate упоминает, что компания провела безопасные испытания подводного аппарата Titan при давлении 5000–6000 фунтов на квадратный дюйм (в 400 раз больше атмосферного давления). Это испытательное давление эквивалентно давлению, которому подвергается судно на глубине 4000 метров.
Но для процесса оценки безопасности это чрезвычайно серьезная ошибка. Производитель несет ответственность за то, чтобы изделие выдерживало условия, во много раз более суровые, чем те, которые ожидаются при обычном использовании. Согласно результатам испытаний, OceanGate должен был убедиться, что Titan выдерживает давление не менее 8000–10 000 фунтов на квадратный дюйм, прежде чем разрешить ему регулярно работать при давлении 6000 фунтов на квадратный дюйм, вместо того чтобы разрешать ему перевозить туристов на максимальном уровне.
Маркетинговая тактика OceanGate в отношении Titan и его экспедиционных круизных пакетов также вызвала вопросы о том, проводились ли проверки безопасности в соответствии с международными стандартами.
Обломки батискафа «Титан» были доставлены в порт Сент-Джон, Канада, 28 июня. Фото: АП
Компания OceanGate утверждает, что ее подводный продукт настолько новый, что он превосходит общепринятые стандарты безопасности и не может быть проверен ни одним агентством. С другой стороны, OceanGate использует в патенте недоказанную концепцию «титановый сплав - углеродное волокно», вместо того чтобы четко определить материал как «титановый сплав», а не чистый титан и композит из углеродного волокна, а не чистое углеродное волокно.
Фактически производители могут использовать новые материалы, которые прочнее, долговечнее и тверже, но они всегда должны обеспечивать стандарты безопасности выше минимальных. Самостоятельная работа и установление собственных стандартов безопасности всегда сопряжены с риском возникновения несчастных случаев.
Статья представляет точку зрения автора Данга Нхат Миня, в настоящее время являющегося докторантом в Центре передовых технологий обработки поверхностей материалов Австралийского исследовательского совета (ARC SEAM) при Технологическом университете Суинберн в Мельбурне.
Данг Нат Минь
Ссылка на источник
Comment (0)