ЦНИИ Ш «ПРОМЕТЕЙ»- 70 ЛЕТ
СУДОСТРОЕНИЕ 5'2009
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ ДЛЯ СУДОСТРОЕНИЯ
И. В. Горынин, академик РАН, президент — научный руководитель ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»
УДК 669.14.018293
Развитие отечественного судостроения на современном этапе немыслимо без внедрения инноваций и разработки прорывных технологий для создания перспективных рыночных ниш и конкурентоспособной продукции, обеспечения национальной безопасности страны.
В настоящее время, в связи с реализацией планов России по освоению месторождений нефти и газа в районах Сибири, на шельфе северных морей возросла потребность в качественной низкоуглеродистой низколегированной стали нормальной, повышенной и высокой прочности.
Традиционно повышение прочности судостроительной стали достигалось увеличением содержания углерода, но в дальнейшем стремление сохранить при повышенной прочности высокую пластичность вызвало необходимость использования легированных сталей. Работы по созданию первой корпусной стали завершились в 50-е годы разработкой широко известной стали марки АК-25. Она была применена для корпусов подводных лодок первого поколения, при строительстве атомных ледоколов «Ленин» (рис. 1) и других, а также для крупносерийно-
го строительства подлодок типа «Варшавянка» [1].
Кардинальное улучшение технологических и физико-механических свойств легированных сталей было достигнуто в начале 70-х годов после разработки и внедрения технологии электрошлакового переплава (ЭШП) [2, 3]. Технология производства корпусных сталей с использованием ЭШП взамен применявшейся ранее выплавки в основных мартеновских печах, а также одновременный переход на прокатку на мощных станах «Кварто» вместо устаревших станов «Дуо» позволили резко повысить качество стали и ее технологические свойства — прежде всего свариваемость. Благодаря этим работам в 70-80-е годы отечественное судостроение было обеспечено самыми высокопрочными, самыми качественными и технологичными в мире корпусными материалами.
Одновременно проводились исследования тонкой структуры стали, взаимосвязи легирования со структурой и механическими свойствами, что позволило минимизировать содержание углерода и легирующих элементов в количествах, обеспечивающих сквозную прока-
ливаемость и ослабление отпускной хрупкости [4—6].
С использованием опыта создания и применения высокопрочных сталей в дальнейшем были разработаны высокопрочные свариваемые стали марок АБ [7, 8] с пределом текучести до 620 МПа, превосходящие по технологичности (при сварке) даже упомянутую выше сталь марки АК-25.
Для решения задачи освоения углеводородных месторождений арктического шельфа, с учетом географического положения основных судостроительных верфей в СевероЗападном регионе России, несколько лет назад были начаты работы по созданию хладостойких сталей широкого спектра категорий прочности. При этом разрабатываемые стали могут быть использованы для различного типа платформ, строительства судов ледового плавания и объектов инфраструктуры, эксплуатирующихся в районах Арктики и Крайнего Севера.
К конструкционным материалам предъявляются очень высокие требования:
• предел текучести от 235 до 690 МПа;
• высокая свариваемость, обеспечивающая возможность сварки стали без подогрева при пониженных температурах окружающего воздуха (до -20 °С) с целью возможности монтажа конструкций в условиях открытых стапелей или на морском шельфе в процессе сборки, что требует снижения углеродного эквивалента;
• изотропность свойств, обеспечивающая сопротивляемость слоистым разрушениям металла при действии растягивающих напряжений в направлении толщины листа при выполнении сварки;
• высокая сопротивляемость хрупким разрушениям при низких температурах (до -40 °С) и одновременном воздействии статических, циклических, динамических нагрузок из-за ветроволновых нагрузок, сейсмической активности.
Вся предшествующая история развития свариваемых корпусных сталей для судостроения позволила разработать научные принципы создания материалов и на их основе разработать новые металлургические и сварочные процессы для эко-номнолегированных корпусных ста-
Рис. 1. Атомный ледокол «Ленин», построенный из корпусной стали АК-25
лей, эксплуатирующихся в экстремальных условиях.
Высокая прочность при одновременном достижении высоких сварочных свойств предопределили необходимость:
✓ легирования элементами замещения N & и карбидообразующи-ми элементами при одновременном снижении содержания углерода;
✓ применения модифицирующих добавок для измельчения зерна (используется микролегирование Al,
V);
✓ термического улучшения;
✓ применения прокатки с контролируемой температурой или термомеханической обработки (ТМО) в различных вариантах;
✓ существенного снижения содержания серы и фосфора, а также примесей внедрения: ^ N O;
✓ применения выплавки в электродуговых и конверторных печах с внепечным рафинированием и ва-куумированием.
Опыт судостроения показывает, что успех применения той или иной марки корпусной стали в большой степени зависит от ее свариваемости. До 1940 г. металлические конструкции судов, как правило, были клепаными, и разрушение отдельных частей клепки не приводило к общему ее разрушению. В 50-е годы корпуса судов стали цельносварными с широким применением автоматической, ручной и полуавтоматической сварки. Однако в тот период перехода от клепаных конструкций к сварным не получил должной оценки тот факт, что монолитность сварной конструкции может создавать условия для разрастания возникшей микротрещины в большую, что может привести к катастрофическим последствиям.
Первые исследования таких разрушений показали недостаточность требований к судостроительным сталям, базирующихся только на свойствах, получаемых при испытаниях на растяжение. Изучение разрушений судов показало, что, как правило, аварии происходили на судах, плавающих в северных широтах, и наибольшее число повреждений наблюдалось при сочетании низких температур и сильного волнения на море.
В связи с этим сталь должна обладать достаточной сопротивляемостью хрупким разрушениям. Хими-
ческий состав стали, и прежде всего допускаемый верхний предел содержания углерода, должны обеспечить при установленной технологии сварки малую вероятность возникновения трещин в зоне термического влияния сварки. Принятые для большинства низколегированных корпусных сталей пределы содержания углерода (<0,12% ) оправдали себя в условиях производства. Для сталей, подвергающихся ТМО, содержание углерода необходимо было снижать для повышения пластичности и вязкости.
За последнее десятилетие созданы научные основы формирования и эволюции структуры и свойств конструкционных хладостойких свариваемых марок стали с двукратным повышением важнейших эксплуатационных свойств:
• на стадиях производства с учетом процессов выплавки, ковки, штамповки, прокатки, термической обработки и ТМО;
• на стадиях технологической обработки при гибке, правке, резке и сварке;
• под влиянием внешних воздействий при эксплуатации — статических, динамических, циклических, в том числе при воздействии агрессивных сред.
Эти работы были выполнены по инновационному проекту важнейшего государственного значения «Металл». Проект был посвящен решению одной из актуальных проблем — созданию хладостойких сталей и сварочных материалов для освоения нефтегазовых месторождений арктического шельфа российских морей.
Успешному выполнению работ по проекту способствовало творческое сотрудничество научно-исследовательских институтов с металлургическими компаниями страны. Наибольший вклад внесли ученые и инженеры ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с ЦНИИЧермет им.И. П. Бардина и Институтом физики металлов УрОРАН, ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова, ИМЕТ им. Байкова РАН, ОАО «Северсталь» , ООО «ОМЗ-Спецсталь».
Комплексный фундаментальный подход при выполнении проекта «Металл» позволил решить целый ряд практических проблем.
1. Для получения высококачественной сверхчистой стали на стадии ее производства:
♦ разработаны технологические режимы выплавки стали, обеспечивающие высокое металлургическое качество исходного металла по содержанию неметаллических включений и газов;
♦ разработан оптимальный комплекс микролегирования стали с целью формирования мелкозернистой структуры при горячей пластической деформации и термической обработке;
♦ установлены оптимальные режимы прокатки на базе изучения влияния деформации на изменение структуры и изотропности свойств;
♦ оптимизированы температур-но-деформационные параметры горячей пластической деформации при ТМО;
♦ усовершенствованы технологии термической обработки и ТМО на основе количественных физических моделей фазовых и структурных превращений, оценки степени наследования несовершенств кристаллической решетки, созданной при горячей пластической деформации, изучения процессов карбидообразо-вания.
2. Для обеспечения высокой технологичности стали на стадии ее обработки:
♦ оптимизированы технологии формообразования (гибки, правки) стали различной категории прочности на основе исследований влияния температурных и деформационных режимов на степень деградации исходной структуры;
♦ определены граничные параметры свариваемости стали различной категории прочности и структурных классов, в том числе граничные условия применения лазерной сварки;
♦ выявлены закономерности формирования и выполнена классификация и количественная аттестация мезоструктур фазового превращения в сварных швах и зоне термического влияния сварного со-еди нени я сталей различных классов в зависимости от режима сварки, что позволило осуществить оптимизацию технологий сварки хладостойких сталей.
3. Для обеспечения высокой работоспособности и надежности конструкций из создаваемых сталей:
♦ разработаны модели, позволяющие прогнозировать сопротивляемость стали статическим, цикли-
б)
Рис. 2. Структура хладостойкой стали F36W (06ГНФБ) по сечению листового проката: а — мелкозернистая ферритобейнитная структура на поверхности проката; б — мелкозернистая ферритобейнитная структура в середине по толщине проката 60 мм. Размер зерна 6—11 мкм
ческим и динамическим видам нагру-ж
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.