УДК 629.14.018.62:621.791.011

 

МАТЕРИАЛЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ – ОСНОВА СОВРЕМЕННОГО СУДОСТРОЕНИЯ И СУДОРЕМОНТА

 

MATERIALS OF THE NEW GENERATION - BASIS OF MODERN SHIPBUILDING AND SHIP REPAIR

 

Пашеева Т.Ю., Баева Л.С.

(Мурманский государственный технический университет, г.Мурманск,  РФ)

 

Pacheeva T.Yu.,  Baeva L. C.

(Murmansk State Technical University, Murmansk, Russian Federation)

 

Рассмотрены вопросы применения хладостойких сталей для изготовления сварных конструкций с учетом их дальнейшей эксплуатации в условиях низких температур. Изложены основные требования, предъявляемые к судостроительным материалам.

 

The questions of application of cold-resistant steels for manufacturing of welding designs in view of their further operation in the conditions of low temperatures are considered. The main requirements imposed on ship-building materials are stated.

 

Ключевые слова: хладостойкие стали, технология, сварка, технологические свойства, эксплуатационные свойства, качество

Keywords: cold-resistant became, technology, welding, technological properties, running abilities, quality

 

Для обеспечения динамичного развития Арктической зоны Российской Федерации планируется в течение 30 лет постройка более 150 судов арктического плавания различного предназначения, 10 атомных ледоколов, 30 ледовых платформ для добычи углеводородов. Отличительной особенностью перспективных судов арктического плавания являются тенденции роста их водоизмещения, мощности, скорости прохода и ледопроходимости (толщина льда до 3 м). Для постройки различных судов арктического плавания потребуется около 10 миллионов тонн хладостойких свариваемых сталей [1].

Одной из важнейших научно-технических проблем является необходимость разработки новых хладостойких материалов, технологий их изготовления и обработки, позволяющих повысить работоспособность и ресурс морской техники, эксплуатируемой в условиях низких климатических температур.

Основные задачи, которые ставят перед материаловедением современная техника и промышленность – это конструирование и создание материалов нового поколения с комплексом свойств, отвечающим требованиям по физико-химическим, механическим, эксплуатационным и экологическим характеристикам [2].

Применение нового поколения материалов позволит решить задачи повышения надежности и экологической безопасности морских арктических конструкций, отказаться от импорта высококачественных конструкционных сталей. В настоящее время в России государственный научный центр ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» (ЦНИИ КМ «Прометей») является лидером работ по созданию хладостойких материалов. В результате деятельности ЦНИИ КМ «Прометей» выпущен новый Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 52927-2008 «Прокат стальной для судостроения из стали нормальной, повышенной и высокой прочности» и внедрены в отечественной промышленности новые технологии производства высококачественных конструкционных сталей [3].

Повышение качества постройки и ремонта судов – одна из важнейших проблем в судостроении. Качество закладывается в процессе проектирования, обеспечивается в производстве и поддерживается при эксплуатации. При постройке и ремонте корпуса судна выбор конструкционных материалов производится на основе их свойств: физико-химических, механических,   технологических и  является решающим в обеспечении качества. Материалы, используемые для изготовления и ремонта судокорпусных конструкций должны соответствовать технологическим, эксплуатационным, экономическим требованиям. Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение, они обеспечивают высокую работоспособность корпусных конструкций при заданных условиях нагружения, рабочих температурах,  в контакте с различными средами.  При низких температурах у металлов наблюдается потеря пластичности и вязкости, повышенная склонность к хрупкому разрушению. Основное требование к материалам, работающим в условиях низких температур – отсутствие хладноломкости. Для надежной работы материала необходимо, чтобы температурный порог хладноломкости был ниже рабочей температуры.

Хладостойкость – это свойство металлов и сплавов переходить в хрупкое состояние (терять вязкость) при понижении температуры. Хладостойкость железа, сталей и металлов с ОЦК– и ГПУ– решетками оценивается порогом хладноломкости. Смена вязкого вида разрушения хрупким – суть хладноломкости материалов. Появлению хрупкого разрушения способствуют высокая скорость нагружения, низкие температуры, объемное напряженное состояние, развивающееся у концентраторов напряжений – дефектов (трещин).

Технологические свойства (технологичность) материала – способность к переработке в конечную деталь, изделие или конструкцию с минимальной трудоемкостью или трудовых затратах, а следовательно, с большей экономичностью [4].

Использование новых конструкционных металлов и сплавов возможно только при условии разработки методов их соединения. Сварка является одним из ведущих технологических процессов изготовления и ремонта многообразных конструкций судоремонтной и судостроительной отрасли. При строительстве и ремонте судов выполняются огромные объемы сварочных работ. Современное состояние науки о природе сварочных процессов позволяет утверждать, что все металлы и сплавы, обладающие физической свариваемостью, могут образовывать сварные соединения удовлетворительного качества. Однако, совокупность свойств, определяющих возможность физической свариваемости, еще не полностью определяет возможность получения качественной и экономичной сварной конструкции, отвечающей требованиям высокой работоспособности во время эксплуатации и наименьшей стоимости при изготовлении. При этом: чем сложнее условия работы конструкции, тем большее число свойств должно учитываться при определении свариваемости. Следует учитывать такие технические характеристики, как свариваемость и пластичность. Вероятность образования холодных трещин или задержанного разрушения зависит от ряда факторов: типа микроструктуры и ее температуры в процессе превращения аустенита;  присутствия диффузионно-подвижного водорода; уровня и темпа роста напряжений, возникающих в сварных соединениях. При сварке и в процессе последующего охлаждения сварных соединений все эти факторы находятся во взаимодействии. Основной проблемой изготовления конструкции с точки зрения эксплуатационной надежности сварных соединений является поведение основного металла при термическом воздействии сварки. Основная цель, которая преследуется при сварке, - получение равнопрочного с основным металлом соединения, однако достигнуть ее весьма сложно. Большинство методов сварки связано с нагревом места соединения до высоких температур, что в свою очередь оказывает значительное влияние на свойства металла сварных соединений, величину остаточных напряжений, вероятность возникновения дефектов. При сварке температура любой точки тела достигает своего максимального значения. Изменения структуры в основном металле или сварном шве в большей степени определяет термический цикл, характер которого зависит от метода и режима сварки. В связи с чем необходимо выбирать способ сварки, параметры режима, чтобы в структуре металла изменения были минимальными и не имели большого отрицательного влияния на технологическую прочность металла и эксплуатационную надежность сварного соединения [5].

Разница между сплавами, обладающими хорошей или плохой свариваемостью, состоит в том, что последние для получения сварных соединений с комплексом свойств, отвечающих требованиям эксплуатации, должны свариваться по более сложной технологии, например с предварительным и сопутствующим подогревом, с обязательной последующей термической обработкой сварных изделий, в некоторых случаях в специальных камерах с контролируемой атмосферой или в вакууме и т.д.

Качественно новый уровень разработок продемонстрировал ЦНИИ КМ «Прометей» в реализации важнейших инновационных проектов государственного значения «Металл» (2003–2007 гг.) и «Магистраль» (2007–2010 гг.). В рамках этих проектов были разработаны высокопрочные хладостойкие стали и сварочные материалы для изготовления конструкций, работающих в экстремальных условиях Арктики при повышенных статических, циклических и динамических нагрузках [7].

Разработанные высокопрочные корпусные, хладостойкие и плакированные стали, а также сварочные материалы находят широкое применение при строительстве судов, морских платформ и других конструкций в судостроении. Основными требованиями, предъявляемыми к выбору сварочных материалов для сварки хладостойких сталей, являются: использование присадочных материалов (электродов, проволок, пластин), обеспечивающих высокую пластичность и вязкость металла швов при низких тем­пературах; специальное легирование металла шва элементами, обеспечивающими необходимый запас пластичности швов и способствующими повышению стойкос­ти швов к горячим трещинам; режимы сварки должны обеспечивать минимальные значения погонной энергии для получения требуемых стандартами размеров и формы швов [8].

 

Список использованных источников

1.    Алексашин А. А., Половинкин В. Н. Современное состояние и перспективы развития ледового судостроения и судоходства // Арктика: экология и экономика. 2015. № 1 (17). С. 18–30.

2.    Сироткин О. С. Основы инновационного материаловедения : [монография]. Москва : ИНФРА-М, 2011. 156, [1] с. : ил., табл. (Научная мысль).

3.    Горынин И. В. Конструкционные материалы – важный элемент надежности и экологической безопасности инфраструктуры Арктики // Арктика: экология и экономика. 2015. № 3 (19). С. 82–88.  (Новые технологии освоения Арктики).

4.    Зоткин В. Е. Методология выбора материалов и упрочняющих технологий в машиностроении : учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Материаловедение в машиностроении», «Металловедение и термическая обработка металлов». Изд. 4-е, перераб. и доп. Москва : Форум : ИНФРА-М, 2008. 319 с. : ил., табл. (Высшее образование).

5.    Материаловедение и технология материалов: учебник для бакалавров / Г. П. Фетисов [и др.] ; под ред. Г. П. Фетисова. 7-е изд., перераб. и доп. М.: Юрайт, 2014. 767 с. (Серия: Бакалавр. Академический курс).

6.    НИЦ «Курчатовский институт»-ЦНИИ КМ «Прометей»: сайт, 2000-2017. URL: http://www.crism-prometey.ru/index.aspx, свободный.

7.    Российский судостроительный портал URL: http://shipbuilding.ru/rus/prometey/, свободный.

8.    Воробьева И. «Прометей» в Арктике // Прямые инвестиции. 2007. № 7 (63). С. 58–59.

9.    Пашеева Т. Ю., Баева Л. С. О проблемах получения качественного сварного соединения со свойствами, равноценными свойствам основного металла // Наука – производству: материалы междунар. науч.-практ. конф., Мурманск, 24–27 марта 2015 г. / Федер. агентство по рыболовству, ФГБОУ ВПО «Мурман. гос. техн. ун-т», Мор. ин-т ; редкол.: Л. С. Баева [и др.]. Мурманск : Изд-во МГТУ, 2015. С. 261–265.