Современное состояние и развитие корпусных материалов водного транспорта

Одной из наиболее важных частей судна является его корпус, к материалу которого предъявляются требования по прочности, пластичности, коррозионной стойкости, свариваемости в сочетании с невысокой стоимостью. Всем этим запросам в той или иной мере отвечают стали, которые до сегодняшнего дня являются наиболее применяемыми корпусными материалами. От величины предела текучести материала зависит масса конструкции, трудоемкость постройки и в конечном итоге стоимость судна. Величина пластичности определяет способность корпуса судна противостоять образованию трещин под действием технологических и эксплуатационных нагрузок. От значений предела прочности зависит способность сплавов противостоять наибольшим напряжениям до разрушения. Отношением предела прочности к пределу текучести характеризуется способность сталей противостоять перенапряжениям. Для судо-корпусных сталей это отношение должно находиться в пределах 1,35-2,16.

Большинство корпусов судов сварные, поэтому требование к корпусным сталям по свариваемости существенно. Прочность и работоспособность стальных сварных корпусных конструкций зависят от предела усталости (выносливости). Наиболее опасное разрушение корпуса – хрупкое. Если сварка не вызывает появления трещин, сварные швы и конструкции удовлетворяют требованиям прочности.

Одним из главных требований к стали является и ее коррозионная стойкость, которая определяет продолжительность межремонтных периодов корпуса судна. Типичной и наиболее опасной для судостроительных материалов является электролитическая коррозия в морской или пресной воде. Влияние на коррозионные процессы корпуса и других элементов конструкции судна может оказывать не только агрессивная водная среда, но и перевозимые судном химически активные грузы.

Коррозионную стойкость стали принято оценивать средней скоростью коррозии, т.е. средней глубиной разрушения металла в год. Установлено, что первые признаки коррозии корпуса судна из нелегированных и низколегированных сталей появляются на шестом году службы, а к 12-15 годам возникают отдельные сквозные язвенные поражения [1].

Коррозионная стойкость стали зависит не только от ее химического состава, но и от структуры, способов выплавки, электрического потенциала и потенциала конструкций, с которыми данная сталь контактирует, наличия и качества защитных покрытий. Скорость коррозии повышается, если на поверхности стальных конструкций имеется окалина или наклеп, полученный в результате технологической обработки, а также при обрастании подводной части корпуса водорослями или ракушками. Использование в изготовлении корпусных конструкций листов и профилей с гладкой поверхностью обеспечивает уменьшение скорости коррозии особенно в начальный период эксплуатации судна.

Химический состав оказывает наиболее существенное влияние на коррозионную стойкость сталей. Так, например, в морской воде средняя скорость коррозии корпусной низколегированной стали марки 10ХСНД (ГОСТ 19281-2014) примерно на 10-20 % меньше, чем нелегированной стали. Стали, содержащие хром и никель, на воздухе корродируют примерно в два раза медленнее, чем нелегированные [1].

Наибольшую коррозионную стойкость корпусных конструкций обеспечивают специальные нержавеющие стали с содержанием не менее 18 % хрома для эксплуатации в морской воде, и не менее 12-14 % – в речной. Наиболее применяемыми нержавеющими корпусными сталями для морских судов являются аустенитные хромоникелевые типа 18-8, например, марки 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-2014). Эти стали сочетают высокие механические характеристики с хорошей или удовлетворительной свариваемостью. Применение нержавеющих сталей повышает надежность судов и длительность их эксплуатации благодаря гарантированной сохранности корпуса при длительном контакте с агрессивной средой и высокой пластичности, что важно при значительных сосредоточенных нагрузках. Однако нержавеющие стали являются дорогостоящими, поэтому часто долговечность корпуса увеличивают путем плакирования нелегированных сталей марок СтЗсп, СтЗпс (ГОСТ 380-2005) или низколегированных (09Г2, 09Г2С, 10ХСНД (ГОСТ 19281-2014)) хромоникелевыми коррозионностойкими сталями.

Для изготовления элементов конструкций корпусов судов и морских технических сооружений, соответствующих классу Регистра, применяют прокат из стали нормальной, повышенной и высокой прочности категорий А, D, Е32, F36 и др. [2, 3].

Кроме стали корпуса морских и речных судов изготавливают из деформируемых коррозионно-стойких алюминиевых сплавов марок АМгЗ, АМг5, АМг6 (для сварных корпусов), АМц (для клепаных корпусов) (ГОСТ 4784-97). Применение сплавов алюминия позволяет снизить вес судна, улучшить его ходовые характеристики, увеличить стойкость к механическим ударам и вибрациям, повысить коррозионную стойкость корпуса.

С развитием новых классов судов различного назначения к корпусным материалам предъявляются все более высокие требования к их массе, механической прочности, трещиностойкости, коррозионной стойкости, долговечности и надежности, свариваемости и экологической безопасности, поэтому разработка и внедрение новых корпусных материалов в судостроение являются все более актуальными.

В России головным предприятием по созданию новых судостроительных материалов и технологий, отвечающих современным требованиям, для гражданского судостроения, военного кораблестроения и объектов морской техники является федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей»» (ЦНИИ КМ «Прометей»).

Институтом разработаны и продолжают усовершенствоваться уникальные нержавеющие стали аустенитного класса легированные азотом: сталь марки НС-5Т с пределом текучести до 400 МПа, сталь марки АС-1 повышенной прочности до 600 МПа. В сравнении с традиционными сталями аустенитного класса азотосодержащие стали обладают высокой прочностью и пластичностью, абсолютной коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и технологичностью [4]. Ведутся работы по созданию и исследованию не менее перспективных корпусных сверхпрочных титановых сплавов (марок ПТ-3В, ПТ-17, ПТ-5В, ПТ-37), наноструктурированных материалов, дисперсионно-упрочненных материалов на основе металлов; разработан корпусной биметалл «алюминий-сталь» марки КБМ-1 для изготовления современных надводных кораблей и судов [5-8].

Все более широкое применение в мировой практике судостроения находят полимерные композиционные материалы, а также композиты с алюминиевой матрицей, армированной дисперсными частицами карбидов, оксидов, боридов и другими металлоподобными химическими соединениями.

Высокопрочные корпуса судов, изготовленные из композиционных материалов, хорошо противостоят коррозии, имеют сниженную массу, долговечны в эксплуатации. Композитные материалы по удельной прочности могут на 50-100 % превосходить стали или алюминиевые сплавы, обеспечивая при этом снижение массы конструкции на 20-50 % по сравнению со стальной и на 10-15 % по сравнению с алюминиевой [4]. Применение композиционных материалов позволяет создавать суда с высокими аэро- и гидродинамическими характеристиками.

Наибольшее распространение в современном судостроении получили полимерные композиты, армированные стекловолокном. Такой материал отличается низкой стоимостью и высокими прочностными свойствами. Не менее востребованными являются такие композиционные материалы, как углепластики. Создание монолитных корпусов судов из композиционных материалов позволяет исключить из технологического процесса их производства операции сварки, сократить сроки постройки судна.

Зарубежное судостроение в развитии судостроительных материалов шагнуло далеко вперед. Около 30 % зарубежных судов изготавливается с применением новых материалов, в России же всего лишь 2-3 % [9]. Очевидно, что в сложившейся ситуации, особенно в условиях импортозамещения, от отечественного материаловедения требуется более интенсивное развитие в области новых судостроительных материалов (наноматериалов, композиционных и «интеллектуальных» материалов).

1. Якшаров П.С. Малые стальные суда. – Л.: Судостроение, 1968.
2. ГОСТ Р 52927-2015. Прокат для судостроения из стали нормальной, повышенной и высокой прочности. Технические условия. – М.: Стандартинформ, 2017.
3. Правила классификации и постройки морских судов. – Ч. II. Корпус // НД № 2-020101- 24. – СПб.: Российский Морской Регистр Судоходства, 2020.
4. Половинкин В.Н. Перспективные конструкционные материалы. [Электронный ресурс]. – URL: https://basalt.today/ru/2016/03/4202/ (дата обращения: 20.02.2020).
5. Леонов В.П., Михайлов В.И. Морские титановые сплавы // Новый оборонный заказ. – 2017. – № 3(45).
6. Титан – конструкционный материал для судостроения и атомной энергетики. [Электронный ресурс] // Новый оборонный заказ. – 2010. – № 1(8). – URL: https://dfnc.ru/arhivzhurnalov/c139-2010-1-8/titan-konstruktsionnyj-material-dlya-sudostroeniya-i-atomnoj-energetiki/ (дата обращения: 25.01.2020).
7. Титановые сплавы. [Электронный ресурс]. – URL: http://www.crism-prometey.ru/ science/titanium/index.aspx (дата обращения: 26.01.2020).
8. Биметалл «алюминий-сталь» марки КБМ-1. [Электронный ресурс]. – URL: http:// www.crism-prometey.ru/science/aluminium/bimetall-aluminum-steel-kbm-1.aspx (дата обращения: 10.03.2020).
9. Ежелева Л. Легкие и неуловимые: о композитных материалах в судостроении. [Электронный ресурс] // Морской бизнес. – 2016. – № 44. – URL: http://mbsz.ru/?p=26101 (дата обращения: 11.03.2020).