Текст: Г.Ю. Калинин, д.т.н. , и О.А. Ставицкий, к.т.н.
НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей"
Россия – северная страна. Арктическая зона России – это огромный макрорегион, занимающий 3,9 млн кв. км, составляющий более чем 20% территории нашего государства и имеющий большое значение в экономике страны.
Еще большее значение Арктическая зона будет иметь в перспективе – в связи с возрастающими техническими возможностями в области ресурсодобычи в условиях Севера, а также развитием транспортных сетей, и в первую очередь Северного морского пути (СМП) как кратчайшего транспортного моста, связывающего экономику северных регионов России между собой и страны Северо-Западной Европы с динамично развивающимися странами Азиатско-Тихоокеанского региона.
Обеспечение круглогодичного функционирования Северного морского пути для крупнотоннажных судов требует создания мощных атомных ледоколов нового поколения. При этом необходимо обеспечить их высокую эксплуатационную надежность при крайне тяжелых условиях эксплуатации: это рабочие температуры до –50…60 °С для замерзающих бассейнов и до –35 °С для открытых бассейнов Северного Ледовитого океана; высокая циклическая ветроволновая и ледовая нагрузка; длительное коррозионное воздействие и коррозионно-эрозионный износ при влиянии ледовых полей; низкая ремонтодоступность из-за удаленности развитой инфраструктуры.
НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей", ведущий материаловедческий центр страны по созданию материалов и технологий для судостроения, объектов морской техники, в том числе для добычи углеводородов на полярном шельфе России, особое внимание уделяет вопросам эксплуатационной надежности и продлению срока службы изделий и конструкций, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.
Ученые предприятия разработали все применяемые в отечественном судостроении средства и системы защиты от коррозии: коррозионно-стойкие стали и сплавы, функциональные и защитные покрытия, системы электрохимической протекторной и катодной защиты.
Создавая в 1950-е годы первый атомный ледокол, мы многого не знали о свойствах льда и его коррозионно-эрозионном влиянии на обшивку ледокола, не была известна и физическая природа взаимодействия льда с обшивкой в зимний период.
Первые серьезные исследования взаимодействия сталей с движущимся в морской воде льдом были проведены специалистами Центрального научно-исследовательского института конструкционных материалов "Прометей" в 1980-х годах. Тогда возникла проблема снижения ледопроходимости атомных ледоколов за счет увеличения шероховатости подводной части корпуса в результате интенсивных коррозионных процессов. Кроме того, корпус ледокола находится под воздействием ветровых и волновых нагрузок, динамического воздействия движущихся льдов и отрицательных температур. Существовавшие в то время средства защиты от коррозии были малоэффективными.
Для разработки более эффективных мер борьбы с интенсивным износом корпуса ледоколов были проведены электрохимические, физические и коррозионные исследования, выполненные в лабораторных условиях и двух ледовых экспедициях на атомном ледоколе "Арктика", а также осуществлен анализ многочисленных данных о механизме разлома льдов при их взаимодействии между собой и металлом. Удалось обнаружить ряд явлений, которые позволили создать общее представление о процессах, способных усиливать коррозионный износ стальных конструкций, одновременно приводя к неравномерной коррозии (рис. 1).
Рис. 1. Повреждение корпуса судна вследствие процессов коррозии и эрозии
Проведенные обследования показали, что во всех случаях отмечается усиленный неравномерный износ сталей, который не зависел от примененной при строительстве марки стали. Интенсивность коррозии возрастала при увеличении срока эксплуатации судов в ледовых условиях. Но особенно сильному износу были подвержены атомные ледоколы проекта 1058 ("Арктика" и "Сибирь"), которые впервые начали проводку судов через тяжелые многолетние льды в зимних условиях. Существенное падение ледопроходимости ледоколов (вплоть до полной остановки) в зимних условиях вызвано как явлением лавинообразного облипания корпуса снежно-ледяной массой, так и значительным увеличением сопротивления движению в заснеженных льдах при низких температурах наружного воздуха (рис. 2).
Рис. 2. Облипание корпуса атомного ледокола "Арктика" снежно-ледяной массой на третьем году после ввода в эксплуатацию (Карское море, февраль 1978 г.)
Необходимость решения этих проблем определяет актуальность изыскания технических средств, улучшающих ледопроходимость и одновременно повышающих эффективность использования мощности главной энергетической установки.
Традиционный способ защиты от коррозии с помощью лакокрасочных покрытий не решает проблемы, так как на судах ледового плавания и ледоколах степень их разрушения на подводной части корпуса, и прежде всего в районе ледового пояса, чрезвычайно велика, что в условиях воздействия льда приводит к коррозионно-эрозионному разрушению корпуса, снижению ледопроходимости, повышенному расходу топлива и увеличению объема доковых работ.
Проблема повышенного и специфического коррозионного износа корпусов ледоколов, судов ледового класса и ледостойких морских сооружений усугубляется низкой эффективностью в ледовых условиях традиционных способов защиты от коррозии с помощью лакокрасочных покрытий. Как показывает опыт эксплуатации атомных ледоколов, даже при применении ледостойкой эмали на эпоксидной основе типа "Инерта-160" после 1,5–2 лет работы в Арктике сохранность покрытия в зоне ледового пояса составляет не более 20–30% (рис. 3).
Для постоянного сохранения ледопроходимости ледоколов на спецификационном уровне с применением покрытия "Инерта-160" последнее, по опыту, следует обновлять ежегодно, что означает необходимость ежегодного вывода ледокола из эксплуатации с затратами времени и средств на его докование и окраску.
Рис. 3. Подводная часть корпуса атомного ледокола "50 лет Победы" при доковании в апреле 2011 г. (лакокрасочное покрытие отсутствует, защиту от коррозии обеспечивала только система катодной защиты)
Наиболее эффективное (экономически целесообразное) для мощных атомных арктических ледоколов средство сохранения их ледопроходимости на спецификационном уровне в процессе эксплуатации и предотвращения облипания корпуса снежно-ледяной массой – применение для наружной обшивки плакированных нержавеющим слоем сталей в сочетании с электрохимической защитой. Это позволяет сохранить взаимодействующие со льдом части корпуса практически гладкими в течение всего срока службы ледокола.
Одним из наиболее успешных примеров применения двухслойной стали в судостроении следует считать использование плакированной стали в качестве корпусного материала при строительстве атомного ледокола "50 лет Победы". Так, установка листов двухслойной стали с основным слоем из высокопрочной хладостойкой стали типа АБ и плакирующим слоем из коррозионно-стойкой азотсодержащей стали типа 08Х19Н10Г2Б в ледовом поясе наружной обшивки обеспечила надежную защиту корпуса ледокола от коррозионно-эрозионного воздействия льда и морской воды.
Разработки, проводимые в НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей" по созданию азотсодержащих сталей, показали, что легированные азотом аустенитные коррозионно-стойкие стали могут иметь предел текучести на уровне 600–780 МПа, то есть на уровне высокопрочных низколегированных конструкционных сталей.
Благодаря этому просматривается перспектива по разработке биметалла с равнопрочными основным и плакирующим слоями, что позволило бы при расчете прочности конструкций принимать во внимание общую толщину двухслойной стали, включая толщину как основного, так и плакирующего слоев. В таком случае для толстостенных конструкций, таких как, например, наружная обшивка корпуса атомного ледокола, где толщина основного слоя листа двухслойной стали составляет от 30 до 40 мм, а плакирующего – 5–7 мм, учет в расчетах конструктивной прочности корпуса толщины плакировки оказывается очень актуальным.
Применением электрохимической (катодной) защиты можно обеспечить экономию за счет:
- сокращения необходимости в замене листов корпуса или подварки швов;
- уменьшения расхода топлива путем поддержания проектной ледопроходимости, так как шероховатость корпуса остается низкой;
- увеличения интервалов между постановками судна в док.
При этом плакированная сталь обеспечивает высокую коррозионную стойкость в зоне истирающего и ударного воздействия льда и в зоне переменного смачивания, а защиту плакирующего слоя из нержавеющей стали от питтинговой коррозии и поверхности корпуса из гомогенной стали в подводной зоне, в том числе по линии ее стыка с двухслойной сталью, обеспечивает система катодной защиты.
При этом ледостойкие аноды катодной защиты располагаются ниже ледового пояса на поверхности корпуса из гомогенной стали, то есть ниже уровня воздействия максимальных ледовых нагрузок. Следует отметить, что применение для ледового пояса плакированной стали без установки системы катодной защиты приводит к интенсивной контактной коррозии гомогенной корпусной стали по всем районам ее стыка с плакированной сталью.
Такой комбинированный способ защиты ледового пояса от коррозионно-эрозионных разрушений, включающий применение плакированной стали и катодной защиты наложенным током, был впервые реализован на атомном ледоколе "50 лет Победы" и в дальнейшем при строительстве МЛСП "Приразломная".
Системы катодной защиты с изготовленными по нанотехнологии Pt-Nb анодами с текстурированным платиновым покрытием гарантированно обеспечивают полное предотвращение коррозии и снижают риск экологической опасности различных металлических судов и морских сооружений, в том числе при их эксплуатации в арктических широтах, на срок службы не менее 30 лет.
Опыт эксплуатации с 2007 года атомного ледокола "50 лет Победы" с учетом только одной окраски корпуса в 2011 году показал, что комбинированный способ защиты корпуса путем изготовления ледового пояса из плакированной стали в сочетании с установкой системы катодной защиты позволяет предотвратить возникновение шероховатости металлической обшивки вследствие коррозионных и коррозионно-эрозионных разрушений, что обеспечивает сохранение ледопроходимости ледокола на проектном уровне в процессе эксплуатации (рис. 4, слева). На МЛСП "Приразломная" система катодной защиты от коррозии успешно эксплуатируется с 2012 года (рис. 4, справа).
Рис. 4. Комбинированный способ защиты ледового пояса, включающий плакированную сталь и систему катодной защиты на атомном ледоколе "50 лет Победы" (слева) и МЛСП "Приразломная" (справа)
Богатейший опыт, накопленный в России при эксплуатации судов в высоких широтах Арктики, подтверждает, что природа не прощает ошибок при выборе материалов и оценке воздействия ни них внешних экстремальных условий.
В целях успешной реализации национальной морской политики и сохранения мирового лидерства в строительстве и эксплуатации атомных ледоколов в 2012 году на Балтийском заводе начато строительство серии из трех универсальных атомных ледоколов нового поколения проекта 22220 мощностью 60 МВт, это "Арктика", "Сибирь" и "Урал".
Учитывая перспективы развития добычи и переработки углеводородного сырья в арктической зоне, реализации в ближайшие десятилетия международных проектов создания трансарктической магистрали межконтинентальных морских перевозок из Атлантического бассейна в Тихоокеанский регион и обратно, созрела необходимость в создании ледокола-лидера, способного обеспечить плавание судов на традиционных, высокоширотных и приполюсных маршрутах СМП в круглогодичном навигационном цикле.
Для этих и других новых проектов ученые и специалисты НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей" предлагают широкий спектр современных металлических и неметаллических шельфовых материалов, методы и системы их защиты. Так, например, предложена к использованию двухслойная коррозионно- и эрозионно-стойкая сталь с плакирующим слоем из азотсодержащей стали 04Х20Н6Г11М2АФБ, равнопрочным основному слою из стали АБ2-2, вкупе с системой анодной защиты наружной обшивки в районе переменных осадок, а также сварных швов от коррозии с новыми узлами на ледоколе-лидере проекта 10510.
Разработки предприятия позволяют обеспечить конструкторов различных направлений высокотехнологичными и наукоемкими материалами при строительстве новых технических средств: уникальных ледоколов-лидеров, многофункциональных ледоколов, судов снабжения и других судов высокого ледового класса, отвечающих всем техническим нормам, способных внести весомый вклад в реализацию национальных интересов Российской Федерации в Арктике.
©"Новый оборонный заказ. Стратегии"
№6 (53) 2018г.
