Журнал: "Транспортная стратегия XXI век" статья: Конструкционные материалы для освоения арктического шельфа и Северного морского пути | Издательский дом
#

Конструкционные материалы для освоения арктического шельфа и Северного морского пути

 


Генеральный директор ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» д. т. н. Алексей Орыщенко

Советник генерального директора ФГУПЦНИИ КМ «Прометей» д. т. н. Виктор Малышевский

 

Масштабное освоение углеводородных ресурсов морского арктического шельфа, интенсивная круглогодичная эксплуатация Северного морского пути требуют создания мощного ледокольного флота, судов ледового плавания, ледостойких морских платформ.

 

 

Проектирование и строительство мощного ледокольного флота, судов ледового плавания, ледостойких морских платформ невозможно без применения конструкционных материалов, к которым предъявляется целый ряд особых требований: широкий интервал прочностных характеристик в сочетании с высокими пластичностью и вязкостью, высокое сопротивление хрупким разрушениям при температурах эксплуатации до минус 40 оС, сопротивление воздействию статических, динамических и циклических нагружений, отсутствие коррозионно-механических повреждений при расчетном сроке эксплуатации в морской воде, сопротивление слоистым разрушениям в узлах сварных конструкций, достаточная технологичность при изготовлении (гибке, правке) и сварке, обеспечивающая возможность изготовления конструкций крупными блоками и сборку на открытых площадках в условиях низких температур (в отдельных случаях до минус 20 оС).

 

 

Материалы, которые работают

 

Лидером работ по созданию хладостойких материалов для мощных ледоколов и нефтегазодобывающих платформ, начиная с 50-х годов прошлого столетия, является государственный научный центр ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей». Практически все арктические конструкции изготовлены из конструкционных материалов, разработанных ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей». Это серия высокопрочных свариваемых сталей для судов ледового плавания, ледоколов, морских конструкций для разведки и добычи углеводородов, многие из которых нашли свое применение в проектах ПБУ типа «Шельф», «Каспий», корпусах атомных ледоколов «50 лет Победы», «Таймыр» и «Вайгач».

 

В рамках важнейших инновационных проектов «Металл» и «Магистраль» институтом создана серия экономичных хладостойких сталей различной прочности (от 315 до 690 МПа) с улучшенными в несколько раз характеристиками для морской техники, эксплуатирующейся в экстремальных условиях арктического региона – при предельно низких температурах, воздействии статических, динамических и циклических нагружений, коррозионной среды. Работы по созданию новых материалов ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» выполнил совместно с основными заводами-изготовителями продукции: ЧерМК ОАО «Северсталь», ООО «ОМЗ-Спецсталь», научно-исследовательскими и проектными организациями, в их числе ФГУП «Крыловский государственный научный центр», ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова, Российский морской регистр судоходства (РМРС) и др.

 

После введения в эксплуатацию на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» нового автоматизированного стана «5000» в 2009 году серия новых хладостойких сталей с пределом текучести от 235 до 620 Н/мм2 была освоена также и на этом комбинате.

Все работы по созданию новых материалов завершены их сертификацией в соответствии с требованиями РМРС, предъявляемыми к сталям и их сварным соединениям.

Высокая конкурентоспособность разработанных сталей, обусловленная уникальным сочетанием экономичного легирования с уровнем прочностных характеристик, вязкости, хладостойкости

(до -60 0С), изотропности свойств, трещиностойкости и отличной свариваемости листового проката, обеспечила востребованность сталей на российском и международном рынках.

 

 

Объекты внедрения

 

Крупнейшим современным объектом внедрения новых сталей и сварочных материалов, разработанных в последнее десятилетие в ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», стала морская ледостойкая платформа для эксплуатации на нефтяном месторождении «Приразломное» в Печорском море и самоподъемная буровая платформа «Арктическая». Обеспечено новыми материалами строительство научно-экспедиционного судна «Академик Трёшников» на ОАО «Адмиралтейские верфи», принято в эксплуатацию головное судно на Выборгском судостроительном заводе, принято в эксплуатацию головное судно серии многофункциональных судов снабжения добывающих платформ «Витус Беринг», заложены три ледокола проекта 21900М, строительство которых будет осуществляться в кооперации с Arctech Helsinki Shipyard, начато строительство на Балтийском заводе серии из трех самых больших и мощных атомных ледоколов в мире ЛК-60 проекта 22220 водоизмещением 33,54 тысячи тонн каждый.

 

 

Высокопрочные хладостойкие стали

 

Перспективные проекты разработки углеводородных месторождений шельфа Арктики и дальневосточных морей России предусматривают строительство целого ряда крупномасштабных конструкций и судов ледового плавания, эксплуатирующихся при предельно низких климатических температурах (до -50 °С, а для внутренних бассейнов – до -60 °С), при интенсивном воздействии циклических ветро-волновых и ледовых нагрузок, с возможными сейсмическими воздействиями. Основными материалами, поставляемыми для строительства таких конструкций, остаются низколегированные высокопрочные свариваемые стали, особенностью которых является наличие вязко-хрупкого температурного перехода. Это обусловливает потенциальную опасность хрупких разрушений при снижении температуры. Очевидно, что из-за тяжелых экономических и экологических последствий такая опасность должна быть полностью исключена, в связи с чем РМРС разработаны требования к сталям арктического применения с индексом «Arc», применимым без ограничений в условиях Арктики.

 

В последние годы нашим институтом созданы новые высокопрочные хладостойкие стали F500Arc40, F620Arc40и F690Arc40 для листов толщиной до 50 мм с пониженным уровнем легирования и гарантированным сопротивлением хрупким, слоистым и коррозионно-механическим разрушениям при низких температурах, удовлетворяющие новым требованиям РМРС, и малозатратные технологии их производства, в обеспечение изготовления корпусных конструкций судов арктического плавания, нефтедобывающих платформ, судов FPSOи других объектов морской техники.

 

Повышение мощности атомных ледоколов для обеспечения круглогодичной проводки судов по Северному морскому пути и освоения месторождений арктического шельфа приводит к неизбежному повышению коррозионно-эрозионного износа стального корпуса при эксплуатации в мощных ледовых полях. Разработана серия высокопрочных двухслойных и трехслойных плакированных сталей для ледового пояса стационарных платформ и ледоколов, в которых в качестве плакирующего слоя используется коррозионно-стойкая сталь. Показана перспективность использования коррозионно-стойких азотсодержащих сталей в качестве материала для плакирующего слоя и высокопрочных хладостойких корпусных сталей марок АБ в качестве материала для основного слоя. Разработанная технология обеспечивает сплошность и высокую прочность сцепления основного и плакирующего слоев при сопротивлении срезу не менее 300 МПа, что гарантирует отсутствие отслоений плакирующего слоя при всех технологических операциях изготовления сварных конструкций: гибке, сварке, правке.

 

Наряду с созданием новых корпусных марок стали разработаны сварочные материалы (электроды, сварочные проволоки, флюсы), которые по уровню свойств, обеспечиваемых в наплавленном металле, отвечают требованиям РМРС.

 

 

Средства защиты

 

Институт является единственным в стране разработчиком и изготовителем средств и систем электрохимической защиты, позволяющей исключить коррозионно-механические повреждения любого объекта морской техники на весь требуемый срок службы – до 50 лет включительно. Системы катодной защиты с наноструктурированным и платино-ниобиевыми анодами установлены на стационарной ледовой нефтедобывающей платформе «Приразломная», на флагмане отечественного ледокольного флота – атомном ледоколе «50 лет Победы», а также на трубопроводах забора охлаждающей морской воды береговых АЭС.

 

Весьма перспективным является нанесение наноструктурированных износо-коррозионно-стойких практически беспористых покрытий на детали, узлы, арматуру и сварные швы оборудования, работающего в жестких условиях эксплуатации. Для создания таких покрытий в институте разработаны и освоены уникальные гибкие технологии высокоскоростного механосинтеза, сверхзвукового холодного газодинамического и микроплазменного напыления, эффективного электрохимического легирования поверхности, управляемого лазерного синтеза. Реализация наноструктурного состояния в функциональных покрытиях позволит существенно (в 2–3 раза) повысить срок службы ответственных деталей и узлов, одновременно обеспечив более высокую надежность эксплуатации оборудования в арктических условиях.

 

 

Перспективы развития

 

Освоение Арктики как хозяйственного региона с особыми климатическими условиями постепенно набирает силу. Безусловно, будет расти и потребность в новых видах морской техники и, следовательно, новых конструкционных материалах, разработкой которых уже более 75 лет занимается ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей».

Следующий научный шаг по снижению стоимости конструкционных материалов для Арктики – унификация химических составов сталей различных категорий прочности и их разлегирование. Это позволит, сохранив высокие потребительские свойства, одновременно существенно сократить сроки и издержки производства.

 

В перспективе развитие материалов для Арктики должно идти в направлении создания наномодифицированных интеллектуальных композитов с регулируемой структурой. Изменяя основу матрицы и состав армирующих компонентов, возможно в широком диапазоне целенаправленно придавать таким материалам уникальные свойства – такие как самодиагностика, самозалечивание, трансформация. Для создания композитных материалов наиболее целесообразно развитие аддитивных технологий.

 

Такие принципиально новые материалы могут стать драйвером (толчком для развития) отечественной экономики как в части спектра инновационных технологий, пригодных для различных отраслей техники, так и в части инвестиционных проектов для создания нового отечественного оборудования.

 

 
 
 
 
 
 
 
 


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Яндекс.Метрика