ЦНИИ “Прометей”: Высокопрочные стали для корпусов кораблей

Авторы:  А.В. Ильин, С.А. Голосиенко, Е.И. Хлусова. 

 НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей" 

Развитие отечественного кораблестроения и обеспечение национальной безопасности страны на современном этапе немыслимы без разработки и внедрения прорывных конкурентоспособных материалов и технологий. 

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в области создания цветных сплавов, в первую очередь титановых, а также неметаллических материалов, именно сталь является основным конструкционным материалом для флота в настоящее время, и будет оставаться таковым в ближайшем будущем.

Из общего объема производства стали сегодня лишь около 10% можно отнести к наукоемкой, то есть обладающей уникальными потребительскими характеристиками. Необходимость применения все более сложных инженерных решений, в том числе к конструкциям, эксплуатирующимся в экстремальных условиях, способствует росту потребления высококачественных сталей и сплавов. Таким образом, повышение качества стали при снижении ее стоимости может дать толчок экономическому росту.

Опыт кораблестроения показывает, что успех применения той или иной марки корпусной стали в значительной степени зависит от ее свариваемости, поскольку трудоемкость сварочных работ составляет до 50% от общей трудоемкости изготовления крупногабаритных корпусных конструкций.

В настоящее время в отечественном и зарубежном кораблестроении для строительства корпусов широко применяются высокопрочные свариваемые стали с нормированным пределом текучести от 590 до 1200 МПа – стали АБ и марок HY и HSLA с нормированным пределом текучести от 550 до 900 МПа [1, 2]. По своим механическим и технологическим (свариваемость) характеристикам отечественные стали находятся на уровне, превышающем мировой, обеспечивая наилучшее сочетание прочности и сопротивления хрупким разрушениям. Все поколения кораблей нашей страны (начиная с 1958 г.), изготовленные из этих сталей, надежно эксплуатируются в течение десятков лет. Зарубежные корпусные стали уступают отечественным по свариваемости из-за более высокого содержания углерода и/или легирующих элементов.

Современный подход при разработке корпусных сталей и внедрении новых технологий их производства заключается в использовании новых принципов: это обеспечение высокого металлургического качества исходных заготовок (слитков и слябов), многостадийная горячая пластическая деформация, совмещенная с термической обработкой [3]. Таким образом, возможно не только снизить легирование стали без изменения ее свойств, но и уменьшить ее себестоимость за счет сокращения технологического цикла производства.

Основные тенденции развития современных технологий производства высокопрочных свариваемых сталей как в России, так и за рубежом: 

• применение способов выплавки и разливки, обеспечивающих высокую чистоту стали по вредным примесям, газам и неметаллическим включениям;
• создание энергосберегающих технологических процессов с целью снижения трудоемкости производства;
• использование высокопроизводительных технологий сварки. 

Разработка, освоение и постоянное совершенствование технологических процессов, обеспечивающих необходимое высокое качество корпусных сталей, определяют работоспособность и надежность при эксплуатации конструкций, а также повышение технико-экономических показателей производства, включая сварочное. Это одна из основных задач, стоящих перед НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей".

В последние годы специалисты НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей" выполнили комплекс научно-исследовательских, опытно-конструкторских и опытно-технологических работ, направленных на совершенствование производства высокопрочных сталей. Проведена экспертиза оборудования и возможностей производства для обеспечения требуемого качества листового проката, в том числе определение готовности сталеплавильного, прокатного и термического оборудования металлургических предприятий к обеспечению технологического процесса производства полуфабрикатов, видов контрольных испытаний, а также соответствия испытательного оборудования для контрольных испытаний.

На ведущих металлургических предприятиях страны, полностью соответствующих предъявляемым требованиям, освоена технология производства высокопрочных сталей, обеспечивающая высокое металлургическое качество исходных заготовок (слитков и слябов), сокращение цикла производства на 10–12% за счет усовершенствования предварительной и окончательной термической обработки слитков и листов [4–6].

Прорывной научный и технологический эффект в производстве и применении традиционных корпусных материалов, а именно: энерго- и ресурсосбережение за счет снижения уровня легирования и исключения ряда дорогостоящих переделов; улучшение свариваемости и постепенный отказ от дорогостоящих аустенитных сварочных электродов; улучшение технологичности при гибке, правке и других видах обработки, достигнут за последние 10–15 лет. Работа по созданию производства корпусных сталей в РФ отмечена Премией Правительства за 2011 год [7]. По разработанным НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей" технологиям из созданных сталей в настоящее время производятся: листовой (гомогенный, двух- и трехслойный плакированный), профильный прокат, поковки, в том числе биметаллические.

Дальнейшее повышение эффективности технологических процессов и снижение себестоимости продукции будут достигаться за счет: увеличения сортамента продукции (в том числе разных категорий прочности), производимой из одного базового химического состава на одной технологической линии; широкого применения прецизионных технологий производства сталей; обеспечения управляемого на основе компьютерных моделей формирования заданной внутренней структуры для повышения конечных свойств полуфабрикатов из этих сталей; разработки многослойных продуктов с дополнительными функциональными свойствами (коррозионная стойкость, износостойкость, внешний вид и т.д.).

Для потребителей листового, профильного проката и поковок из высокопрочных марок стали применение металлургических изделий и полуфабрикатов с улучшенными характеристиками прочности, пластичности, сопротивления хрупким разрушениям, коррозионно-механической прочности и циклической долговечности при их экономном легировании позволит снизить металлоемкость конструкций на 10–25% и обеспечить ресурсосбережение сопутствующих расходных материалов при сохранении технологичности процессов гибки и сварки. Также важна технологичность изготовления конструкций в условиях судостроительных заводов с использованием современных технологий постройки, которая обеспечивается, в первую очередь, возможностью сварки стали без подогрева (с учетом прочности и толщины листового проката), а также достаточной пластичностью при холодной и горячей гибке, правке, штамповке и изготовлении различных деталей корпуса.

Особое внимание специалисты института уделяют совершенствованию сварочных материалов (электродов, порошковых проволок, агломерированных флюсов) с использованием отечественных сырьевых материалов и компонентов, а также разработке новых технологий сварки изделий [8, 9]. Сварные соединения должны обеспечивать, помимо заданных механических и эксплуатационных характеристик, высокую коррозионную стойкость и коррозионно-механическую прочность. Для обеспечения таких характеристик металла сварных соединений необходимо при выполнении сварочных работ использовать сварочные материалы со сверхнизким содержанием диффузионного водорода и специальные технологические приемы, позволяющие гарантировать получение сварных соединений с требуемым уровнем служебных свойств.

Заключительный этап создания любой технологии – сертификация материалов. Немаловажным аспектом является обоснование критериев применимости материалов и технологических процессов для конструкций, эксплуатирующихся, в том числе, и в полярных регионах. Эти критерии реализуются в виде принципов выбора материалов, используемых при проектировании, системы требований к материалам, содержащихся в стандартах и спецификациях на их поставку. Опыт работ в этой области показывает, что эти критерии и требования оказываются тесно связанными и с самими методиками проведения контрольных испытаний [10].

Специалисты НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей" разработали новые методики сертификационных испытаний материалов (рис. 1) и критерии их применимости в различных конструкциях, требования к технологическим процессам изготовления материалов [11]. Предложены новые методики ультразвукового контроля с использованием многоэлементных преобразователей: методы антенных и фазированных решеток, примененные на конструкциях с трудной доступностью для существующих методов контроля.

Рис. 1. Комплекс из 13 испытательных машин SCHENCK с усилием от 100 до 10 000 кН, оснащенный промышленными компьютерами с 16-разрядными АЦП фирмы ADLINK

В институте созданы методики испытаний сталей и их сварных соединений на склонность к различным видам коррозионных разрушений (общей, питтинговой и щелевой, контактной коррозии, коррозионному растрескиванию под напряжением, коррозионной усталости) применительно как к лабораторным, так и натурным условиям (природной морской воде) [12]. Разработки опробованы и внедрены на предприятиях судостроительной промышленности. Кроме того, созданы методы определения эффективности средств противокоррозионной защиты (электрохимической и лакокрасочной).

Рис. 2. Аддитивные лазерные технологии

Перспективное направление развития – аддитивные лазерные технологии (рис. 2). Их уникальность заключается в локализованном воздействии на металл. Лазерные технологии позволяют восстанавливать изношенные детали, создавать трехмерные объекты сложной формы, модифицировать поверхность, повышая уровень потребительских свойств традиционных материалов [13]. За этим будущее безотходных технологий и "белой" металлургии.

Разработка новых сталей и освоение промышленных технологий их производства – одно из основных направлений деятельности института. На основе комплексного подхода к решению сложнейших задач в НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей" выполняется широкий круг фундаментальных и прикладных научно-технологических исследований, позволяющих предприятию оставаться лидером в отечественном материаловедении высокопрочных сталей и во многом опережать зарубежные разработки.

e-mail: mail@crism.ru 
телефон +7 (812) 274-37-96 
факс +7 (812) 710-37-56 

www.crism-prometey.ru 

"Новый оборонный заказ. Стратегии"  
2018г., февраль 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чернышов Е.А., Романов А.Д., Романова Е.А. Высокопрочные судостроительные стали и сплавы // Металлург – 2016, № 2 – С. 59–63.
2. Горынин И.В., Рыбин В.В., Малышевский В.А., Легостаев Ю.Л., Семичева Т.Г. Основные аспекты создания и применения высокопрочной конструкционной стали // Вопросы материаловедения – 1999, №3 – С. 7–29.
3. Орыщенко А.С., Голосиенко С.А., Хлусова Е.И. Новое поколение высокопрочных корпусных сталей // Судостроение – 2013, № 4 – С. 73–76.
4. Орыщенко А.С., Хлусова Е.И., Голосиенко С.А. Принципы легирования и требования к технологическим процессам производства высокопрочных корпусных сталей нового поколения // Вопросы материаловедения – 2014, № 2 – С. 9–25.
5. Милюц В.Г., Цуканов В.В., Петров С.Н., Ефимов С.В. Повышение чистоты корпусной стали, обработанной комплексными модификаторами // Вопросы материаловедения – 2016, № 3 – С. 14–22.
6. Цуканов В.В., Милюц В.Г., Нигматулин О.Э., Голосиенко С.А., Ефимов С.В., Павлова А.Г. Оптимизация режима термической обработки кованых слябов из высокопрочной низкоуглеродистой стали // Металлург – 2017, № 9 – С. 63–66.
7. [Режим электронного доступа]: https://rg.ru/2012/02/15/premiya-dok.html
8. Бишоков Р.В., Барышников А.П., Гежа В.В., Мельников П.В. Сварочные материалы и технологии сварки высокопрочных сталей // Вопросы материаловедения – 2014, № 2 – С. 128–137.
9. Орыщенко А.С., Бишоков Р.В., Гежа В.В., Шаталов А.В. Перспективы развития автоматической сварки под флюсом в судостроении // Судостроение – 2013, № 6 – С. 73–77.
10. Ильин А.В., Филин В.Ю., Артемьев Д.М. Сопоставление различных методик оценки трещиностойкости металла сварных конструкций, работающих в арктических условиях // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства – 2015, № 40-41 – С. 62–71.
11. Ильин А.В., Виноградов О.П., Филин В.Ю. Обоснование применимости материалов для сварных нетермообрабатываемых конструкций из высокопрочных сталей на основе механики разрушения / Труды Крыловского государственного научного центра – 2010, № 53 – С. 77–84.
12. Мушникова С.Ю., Харьков О.А., Костин С.К. Методы оценки коррозионно-механической прочности конструкционных материалов и стенды для их испытаний. Сборник докладов Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов ТестМат, 2013. – С. 18.
13. Горынин И.В., Орыщенко А.С., Малышевский В.А., Фармаковский Б.В., Кузнецов П.А. Аддитивные технологии на базе композиционных порошковых материалов // Металловедение и термическая обработка металлов – 2014, № 10 – С. 4–8.