Благодаря ему судно сможет проходить четырехметровые льды. Что такое ледовый пояс, что такое плакирование и какие еще стали применяются в корпусах атомоходов, рассказывает заместитель начальника научно-производственного комплекса ЦНИИ КМ «Прометей» Сергей Голосиенко.
Материалами для судостроения «Прометей» занимается с середины прошлого века.
Толщина металлических листов для атомных ледоколов может достигать 60 мм, а в отдельных случаях 80 мм — для зон, которые подвергаются наиболее интенсивным нагрузкам. Это как раз ледовый пояс, часть корпуса от носовой оконечности до приблизительно середины длины судна с обоих бортов.
Но даже высокопрочный черный металл уязвим в арктических морях. Эксплуатация первого атомного ледокола «Ленин» показала, что совместное воздействие льда и морской воды приводит к коррозионно-эрозионному разрушению наружного слоя обшивки, возникает шероховатость, язвенные образования с острыми кромками — на сленге «терка».
В первые годы эксплуатации ледокола шероховатость стальной обшивки возрастает более чем в 10 раз, затем стабилизируется. Но жизнь портит изрядно: «терка» цепляет на себя лед, и скорость продвижения судна серьезно снижается. Чтобы защитить металл от износа, поверхность корпуса можно покрывать специальной краской. Эффект временный, восстанавливать такое покрытие нужно едва ли не ежегодно.
Ученые-материаловеды долго ломали голову, как увеличить износостойкость корпуса атомных ледоколов, и придумали использовать биметалл — плакированные стали. Название происходит от французского plaque, что означает «накладывать», «покрывать». Плакированные листы применяют в разных отраслях промышленности для защиты от агрессивной среды. Это альтернатива однослойному, гомогенному, прокату из дорогих легированных сталей.
Плакированная сталь для ледового пояса атомного ледокола состоит из двух листов: основного — обычного черного металла толщиной около 50 мм — и плакирующего — тонкого листа нержавеющей стали толщиной 5 мм, который контактирует со льдом и водой. Эта сталь отличается высокой устойчивостью к износу, шероховатость меняется незначительно даже при эксплуатации в самых суровых условиях.
Поначалу, в порядке эксперимента, листы плакированной стали вварили в ледовый пояс корпусов атомных ледоколов «Арктика», «Сибирь» и «Ямал» как заплатки, в те участки, где самый интенсивный износ при эксплуатации. Через несколько лет работы ледоколов заплатки остались гладкими, с них только сошла защитная краска. А вот шероховатость металла вокруг заплаток заметно увеличилась. Тогда было решено изготовить из плакированной стали весь ледовый пояс. Первый и пока единственный ледокол с таким поясом — «50 лет Победы». Судно эксплуатируется с 2007 года, ледовый пояс до сих пор почти как новенький.
Еще один объект в Арктике с ледовым поясом из плакированной стали — морская платформа «Приразломная», которая добывает нефть на шельфе в дрейфующих ледовых полях.
Плакированные стали всем хороши, но есть нюанс. Для них нужна катодная защита корпуса. Дело в том, что черный металл в морской воде сильно корродирует в контакте с нержавеющей сталью. Один из главных элементов системы катодной защиты — аноды, которые монтируются в корпусе судна ниже ватерлинии. Они создают электрохимический потенциал и препятствуют коррозионному повреждению черного металла по всей части корпуса, контактирующей с морской водой.
Лед и морская вода разрушают наружный слой обшивки судов, в результате скорость продвижения судна серьезно снижается
Надежность системы катодной защиты, и в частности самих анодов, — важный фактор безопасности эксплуатации. Подтверждение качества системы получено в ходе многочисленных обследований состояния корпуса ледокола «50 лет Победы».
На строящихся ледоколах типа «Арктика» проекта 22220 ледовый пояс не плакированный — когда их проектировали, не были закончены работы, нужные для принятия решения о комбинации ледового пояса и новой системы электрохимической катодной защиты. На этих ледоколах на наружную поверхность подводной части корпуса наносят ледостойкое покрытие на эпоксидной основе «Инерта». Важно поддерживать его целостность, иначе ледопроходимость судна может значительно снизиться.
Теперь, когда надежность электрохимической катодной системы не вызывает сомнений, возможно применение плакированных сталей в составе корпуса атомного ледокола проекта 10510 «Лидер». Закупить листы стали для изготовления ледового пояса головного «Лидера» планируется в 2021 году. Максимальная ширина ледового пояса в корпусе составит более 7 м, длина — около 100 м с каждого борта. Всего для изготовления пояса понадобится более 1 тыс. т проката.
Принципиально работа на судостроительном заводе с листами из плакированной стали мало чем отличается от работы с обычным прокатом, за исключением сварки. Если гомогенный металл можно сварить одним сварочным материалом на всю толщину, здесь нужно будет использовать разные материалы: для основного слоя и для плакирующего. Нетривиальная, но уже решенная техническая задача.
Рассматривается и альтернативный вариант. Биметаллический прокат может быть заменен на гомогенный из высокопрочной азотсодержащей нержавеющей стали, разработанной в нашем институте. Такое решение может обеспечить высокую стойкость к любым коррозионным воздействиям и упрощение технологий сварки. Но есть фактор сдерживания — стоимость азотсодержащей стали. Мы работаем над этим вопросом.
Существуют три способа получения толстых листов биметаллов. Первый — электрошлаковая наплавка нержавеющей стали на заготовку из черного металла, затем горячая прокатка и термическая обработка. Этим способом была изготовлена плакированная сталь для ледового пояса «50 лет Победы». Второй способ — пакетная прокатка, когда на заготовку из черного металла накладывается заготовка из нержавейки, затем опять же совместная горячая прокатка и термическая обработка. Третий способ — сварка взрывом готовых листов. Листы укладывают один на другой, сверху помещают взрывчатку и взрывают: нержавеющая сталь впечатывается в черный металл.
При изготовлении судов для снижения объема сварных работ целесообразно применять листы как можно большего габарита. Если не углубляться в подробности, первые два способа позволяют производить достаточно большие биметаллические листы на предприятиях в России. В случае сварки взрывом габариты конечного продукта определяются габаритами исходных листов. И если производство листов основного слоя из черного металла на отечественных предприятиях освоено во всей номенклатуре, то крупногабаритный лист толщиной 5–6 мм и шириной не менее 2,5 м из нержавеющей стали потребуется закупать за рубежом.
Российские металлургические заводы смогут без проблем произвести новую сталь для ледового пояса судна — и плакированную, и гомогенную. Технического дооснащения для этого не потребуется. Но могут возникнуть проблемы организационного характера. Для комбината, который отгружает по 10 млн т металла в год, 1 тыс. т — небольшой объем. А вот сложностей с заказом будет много, потому что материал должен быть аттестован Морским регистром. Для производителя это дополнительные затраты на опытную партию продукции, на сложные сертификационные испытания. С другой стороны, производство металла для такого ледокола, как «Лидер», — имиджевый проект. Надеюсь, наши комбинаты возьмутся за него.
Сейчас специалисты нашего института разрабатывают технологии производства Arc-сталей. Это гомогенные стали, которые обладают самой высокой эксплуатационной надежностью среди всех судокорпусных материалов. От обычных отличаются гарантированными показателями сопротивляемости к разрушению при температуре –60 °С и даже ниже. Именно то, что нужно для безопасной эксплуатации морской техники в Арктике, на Северном морском пути. Пока Arc-стали не вошли в обиход судостроителей, но в будущем они заменят многие судостроительные стали.
Первый коммерческий заказ в России на Arc-стали сформирован при помощи «Росатома». В надводной части корпуса ледокола «Лидер» они будут применены на участках с самой низкой температурой эксплуатации.
Arc-стали — один из результатов работы в области прецизионных, то есть точных, технологий создания новых материалов. До последнего времени любые изменения в показателях качества стали решались преимущественно легированием — введением в железо различных химических элементов. Но повышение содержания легирующих элементов значительно удорожает и усложняет процесс производства. Мы занялись созданием сталей с минимальным легированием.
Фактически благодаря тонкой настройке технологического процесса открылась возможность получать стали с разными свойствами из одной и той же заготовки. Например, изменение температуры в фазе окончания горячей деформации может оказывать влияние на прочность и пластичность металла. То есть для получения заданных свойств стали при производстве необходимо обеспечить определенный температурный диапазон.
Но следует понимать, что факторов влияния на показатели качества десятки. В лабораториях института проводится множество экспериментов, непрерывно собирается и анализируется гигантский массив данных. Многие закономерности мы достаточно изучили, но есть и нерешенные вопросы, над которыми предстоит поработать.