Экспертами Морского инженерного бюро проанализированы основные направления практического использования новых конструкционных материалов в гражданском судостроении. Все они подкреплены  примерами из отечественного опыта.

Сталь для ледоколов

Главным материалом судостроения является сталь. Драйверами применения новых марок сталей является постройка корпусов арктических морских сооружений и судов.

Условия эксплуатации их конструкций крайне тяжелые: температура эксплуатации до -60°С; цикличность нагрузки конструкции от ледовой нагрузки - до 10⁷ циклов в год; от волновой нагрузки - 10⁸ циклов в год; длительное коррозионное воздействие и коррозионно-эрозионный износ в условиях сезонного повышения солености льда.

Для изготовления таких тяжелонагруженных сварных конструкций все более широкое применение получают высокопрочные стали с повышенной хладостойкостью.

В связи с этим особую актуальность приобретает освоение и производство импортных аналогов высокопрочных закаленных и отпущенных сталей для изготовления механизмов, машин и конструкций, работающих при низких температурах (до -60 °С).

Ведущей отечественной организацией является НИЦ "Курчатовский институт" - Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей". Для решения проблемы усиленного коррозионно-эрозионного износа в условиях льдов повышенной солености "Прометеем" были разработаны специальные двуслойные (плакированные) стали. Такие биметаллыизготавливаются с основным слоем из стали различной категории прочностии плакирующим слоем из различных аустенитных марок стали. Они отличаются высоким сцеплением слоев, коррозионно-эрозионной стойкостью, и могут свариваться без снятия плакирующего слоя.

Сейчас завершены работы по созданию нового поколения низкоуглеродистых хладостойких судостроительных сталей, которые дешевле применяемых раньше решений. Разработаны и высокопрочныенаноструктурированные стали унифицированного состава. Примером применения высокопрочных сталей с повышенной хладостойкостью с пределом текучести 500 Мпа можно назвать наружную обшивку построенных в 2018 году на Выборгском судостроительном заводе ледоколов мощностью 22 МВт проекта IBSV01. Содержание Ni до 4%.

Применяемый для ледового пояса ледоколов листовой прокат из хладостойкой высокопрочной стали должен обладать сложным комплексом требований, сочетающих взаимопротиворечивые характеристики для обеспечения надежности конструкций: сочетание высокой прочности и пластичности; высокие характеристики ударной вязкости; низкая температура вязко-хрупкого перехода; высокий уровень трещиностойкости; сопротивление усталостному разрушению.

Сталь для рыбопромысловых судов

Помимо ледовых поясов ледоколов и арктических платформ, высокопрочные износостойкие стали востребованы при постройке рыбопромысловых судов нового поколения. Это траловые палубы и слип. Примеры использования этих сталей – в проектах морозильных траулеров СТ-192, КМТ01, КМТ02.

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы, безусловно, широко известны в отечественном судостроении многие годы. Они применяются в первую очередь для корпусов скоростных судов (для увеличения полезной нагрузки за счет снижения массы корпуса), надстроек и рубок пассажирских судов, паромов и служебно-вспомогательных судов (для решения вопросов по остойчивости за счет снижения положения ЦТ по высоте).

Примером могут служить надстройки круизных судов нового поколения проектов PV08, PV09, PV300, PV300VD.

Новшеством является применение новых Al-Mg сплавов с пониженным содержанием скандия, разработанных RUSAL.

Основные преимущества деформируемых Sc-содержащих сплавов RUSAL (с 0,1% Sc):
низкая стоимость (в 2-3 раза) по сравнению с традиционными Sc-содержащими сплавами; по уровню прочностных свойств превосходит традиционные сплавы минимум на 40%; высокий уровень свойств достигается без использования операции закалки в воду. Достигнуто снижение стоимости Sc сплавов (в виде слитков) до 5000 долларов США за тонну (при содержании до 0,1% Sc).

За счет роста прочности масса конструкций может быть снижена по сравнению с обычными алюминиевыми сплавами примерно на 25%.

Применение алюминиевых сплавов возможно и для изготовления люковых закрытий речных сухогрузных судов. Показано, что для судна грузоподъемностью около 2500 тонн длиной 110 м и шириной 12 м масса такого люкового закрытия составляет около 25 тонн.

Облегченные панели

НИЦ «Курчатовский институт - ЦНИИ КМ «Прометей» разработал технологию производства сварных крупногабаритных облегченных панелей (СКО-панелей) с использованием катаных и прессованных полуфабрикатов из коррозионно-стойких алюминиево-магниевых сплавов 1561, 1565ч толщиной от 2,5 мм методом сварки трением с перемешиванием.

В Крыловском центре был проведен анализ эффективности снижения веса корпусных и надстроечных конструкций судов различного класса при использовании таких сварных крупногабаритных облегченных панелей, полученных сваркой трением с перемешиванием, взамен традиционных прессованных панелей шифра ПК0266. Показано, что снижение веса может достигаться как за счет снижения толщины полотна панели, так и за счет увеличения межреберного расстояния. Наибольший эффект снижения веса корпусных конструкций пассажирских судов - 23% обеспечивается заменой прессованной панели ПК0266 сварной крупногабаритной облегченной панелью толщиной 2,5 мм с межреберным расстоянием 400 мм.

Многослойные структуры

Широкое применение в судостроении нашли фиксель-панели. Это - многослойные структуры, разработанные специально для использования в модульных конструкциях, особенно там, где требуется как горизонтальная, так и вертикальная жесткость в сочетании с низким номинальным весом.

В фиксель-панелях применяется соединение горячеоцинкованные стальные листы на фланцах с последующей холодной прокаткой, в результате чего получается ячеистая конструкция. При этом прочность швов превышает критерии, установленные для конструкций, полученных с помощью лазерной сварки.

Для пассажирского судна проекта PV300VD были выполненные проработки по замене элементов конструкции из алюминиевого сплава на фиксель-панели в жилой части надстройки.

Было показано, что такое решение позволит:
- исключить использования дорогостоящего алюминиевого сплава;
- избежать существенных трудностей, связанных с отсутствием на заводе-строителе судна достаточного числа квалифицированных специалистов, подготовленных к работе с конструкциями, элементы которых изготавливаются из алюминиевого сплава;
- применение фиксель-панелей для судна, надстройка которого компонуется восновным типовыми блоками, позволяет использовать индустриальные методы производства и насыщения блоков вне судна с последующей погрузкой блоков крановыми средствами в процессе формирования надстройки, что существенно снижает трудоемкость и затраты времени.
При этом отмечается увеличение массы надстройки.

Композиты

Инновационный катамаран «Грифон» проекта 23290 с корпусом из углепластика (АО «Средне-Невский судостроительный завод», входит в состав АО ОСК) - яркий пример применения композитов в судостроении.

Его корпус изготовлен из композитных материалов с применением отечественных углеродных тканей. Применение композитных материалов в данном проекте позволило улучшить прочность корпуса. При этом вес такого судна гораздо легче судов с металлическим корпусом, в результате чего расход топлива и горюче-смазочных материалов гораздо ниже. Кроме того, композитный корпус не подвержен коррозии, что существенно увеличивает срок его эксплуатации.

Инновационный катамаран проекта 23290 предназначен для комфортабельной транспортировки 150 пассажиров. Длина судна - 25,7 м, ширина - 9,03 м, осадка - 1,5 м. Дальность плавания судна составляет 1000 км. Максимальная скорость - 29,5 узлов. Катамаран может эксплуатироваться при высоте волны 2 м (мореходность 4 балла).

Композиты отвечают современным требованиям по массе конструкций, их прочности и экономии при дальнейшем эксплуатировании.

Применение различных армирующих наполнителей (стекло- и углематериалы), заполнителей (конструкционные пенопласты и соты) в сочетании с широким выбором связующих различных типов (эпоксидные, полиэфирные, эпоксивинилэфирные и т.д.) обеспечивает разнообразность готовых ламинатов и эффективность их применения в конструкциях различного назначения.

Имеющийся опыт эксплуатации судов с корпусами из стеклопластика показывает, что более 30 лет они сохраняют свою работоспособность и, в отличие от стальных корпусов, постоянные толщины обшивки.

Более 50 летпромышленного применения пластмасс в судостроении дало возможность построить огромное количество судов с корпусами из стеклопластика, в том числе малые суда - шлюпки, яхты, катера, рыболовецкие боты, корпусов судов среднего водоизмещения, в том числе пассажирских, рыболовных траулеров.

Стеклопластики используются на крупных металлических судах в качестве конструкционного материала для надстроек и рубок, при создании корпусов судовсна подводных крыльях или на воздушной подушке.

Однако в процессе эксплуатации в ряде случаев возникают дефекты на внешней поверхности корпуса (царапины, повреждения ЛКП, проколы и др.), дальнейшее развитие которых приводит к образованию повреждений, не допускающих дальнейшую эксплуатацию судна и требующих длительного и дорогостоящего капитального ремонта в условиях ремонтных предприятий.

Корпуса из композитов не рассчитаны для эксплуатации в ледовых условиях. В зимний период выбор сочетания видов отстоя, обеспечивающего безопасную и безаварийную стоянку судна, зависит от особенностей района хранения.

Хранение судов из полимерных материалов во льдах не допускается и требует его подъема на берег.

Композиты дороже, чем сталь и алюминиевые сплавы, что объясняется высокой ценой на стекловолокно, углеволокно, вспененные материалы для сэндвич-конструкций, а также термопластичные и термореактивные смолы.

К тому же, когда дело доходит непосредственно до изготовления композитных деталей, производитель сталкивается с тем, что капитальные затраты организацию такого производства выше, а оборудование дороже по сравнению с металлами.

Как отмечают представители Средне-Невского судостроительного завода, применение, например, для обстановочного судна композиционных материалов позволит:
- снизить вес судна на 20% по сравнению с существующими аналогами за счет применения композиционных материалов;
- повысить физико-механические характеристики на 10-20%, рекомендованных Российским Морским Регистром Судоходства, за счет применения метода вакуумной инфузии;
- снизить эксплуатационные расходы судна;
- увеличить межремонтные периоды судна;
- повысить эксплуатационную надежность судна;
- повысить энергоэффективность судна на 10-15% за счет снижения массы корпуса и надстройки.

Для грузовых судов смешанного река-море плавания и речного плавания актуальными является применение композитов для изготовления люковых закрытий (был приведен пример водного транспорта США, где такое решение применяется повсеместно), перемещаемых поперечных переборок, дельных вещей, элементов надстройки.

Полиэтилены

Впервые в России в промышленном масштабе ростовский судостроительно-судоремонтных завод ЗАО РИФ, который входит в состав Группы компаний «Ростовский порт», освоил строительство катеров и плавобъектов из полиэтилена высокой плотности (HDPE).

Это вид полиэтиленовой пластмассы, который активно используется в судостроении благодаря высокой плотности и легкости. Использование УФ-добавки повышает стойкость к воздействию ультрафиолетового излучения, и материал не выгорает под воздействием солнца.

Преимущества полиэтилена высокой плотности (HDPE):
- срок эксплуатации составляет более 50-ти лет. Превосходная стойкость к образованию трещин;
- гибкий, пластичный и прочный материал позволяет создавать любые желаемые формы;
- полиэтилен не подвержен коррозии и сохраняет заявленные рабочие характеристики при любых условиях эксплуатации;
- материал обладает повышенной ударопрочностью даже при экстремально низких температурах;
- материал прост в уходе и эксплуатации, практически не потопляем, не загрязняется и не загрязняет окружающую среду, не содержит токсичные вещества.

Полиэтилен высокой прочности значительно превосходит традиционные материалы (сталь, алюминий, дерево) в надежности и экономичности.

Катера серии RIF длиной от 5 до 17 метров имеют твердую HDPE-конструкцию, состоящую из труб и пластин с использованием инновационных методов сварки.

Строительство осуществляется под наблюдением Российского Речного Регистра.