Главная → Об институте → Деятельность → НПК - Конструкционные стали и функциональные материалы для морской техники

Научно-производственный комплекс
«Конструкционные стали и функциональные материалы для морской техники»

 

 

Ильин Алексей Витальевич
Заместитель генерального директора по научной работе
Начальник научно-производственного комплекса “Конструкционные стали и функциональные материалы для морской техники”
Доктор технических наук, доцент

 

 

 

Основные направления деятельности НПК:

 

• создание высокопрочных, хладостойких, коррозионностойких и наноструктурированных сталей с уникальным уровнем потребительских свойств;
• разработка металлургических процессов получения первичных полуфабрикатов, включая листовой и профильный прокат, отливки и поковки;
• создание сварочных материалов и разработка технологии и технологических процессов ручной, полуавтоматической в среде защитных газов, автоматической в защитных газах и под флюсом, многодуговой сварки, электронно-лучевой и лазерной технологий сварки;
• разработка технологии сварки и наплавки медных сплавов в одноименном и разноименном сочетаниях;
• исследование и разработка новых конструкционных и функциональных наноматериалов и покрытий с аморфной,  микрокристаллической, нанофазной, интерметаллической структурами; технологических процессов их получения и обработки;
• выполнение работ по получению исходных наноматериалов, созданию конструкционно- функциональных элементов и изделий на их основе, нанесению функциональных покрытий;
• исследование работоспособности основного материала и сварных соединений с определением гарантированного ресурса эксплуатации, конструктивно-технологической и местной прочности сварных соединений и конструкций, мониторинг и прогнозирование срока службы материалов и сварных конструкций;
• исследование состава, структуры, физико-механических свойств материалов;
• оперативный неразрушающий контроль структуры и свойств материалов;
• коррозионные и коррозионно-механические испытания конструкционных материалов; метрологические услуги и сертификация конструкционных материалов.

 

 

Высокопрочные свариваемые конструкционные стали (корпусные стали)

 

 

Первые отечественные высокопрочные корпусные стали и технологии их производства были разработаны институтом в середине 20-го столетия, когда возникла потребность в разработке сталей, обладающих не только хорошей свариваемостью, но и высоким сопротивлением хрупким разрушениям, значительно более высокой  усталостной и коррозионно-механической прочностью.

 

Кардинальное  улучшение  технологических  и  физико-механических  свойств стали было достигнуто в начале 70-х годов после разработки и внедрения технологии  электрошлакового  переплава (ЭШП), в результате чего была создана серия новых, существенно более высокопрочных корпусных сталей.

 

В последние годы было организовано их изготовление по принципиально новой энергосберегающей технологии на ОАО «Северсталь», ООО «ОМЗ-Спецсталь», ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».  Работа института по воссозданию корпусных сталей в РФ отмечена Премией Правительства РФ за 2011 г.

 

Параллельно с развитием технологии ЭШП высокопрочных корпусных сталей в институте был создан ряд сталей марок АБ. Новые стали отличались повышенной хладостойкостью и свариваемостью, что позволило широко использовать их в различных отраслях техники от судостроения до краностроения. Из этих сталей построены корпуса ледоколов «Таймыр», «Вайгач», «50 лет Победы», атомные лихтеровозы, грузовые тележки скоростных поездов и т.д.

 

 

 

 

В 1995-1998 годах была разработана технология производства стали марок АБ с использованием внепечной обработки. Разработанные на основе современных достижений металловедения и металлургии стали марок АБ за счет формирования дисперсной однородной по толщине бейнитно- мартенситной структуры обеспечивают:

 

• высокую сопротивляемость хрупким разрушениям, в том числе в условиях резко изменяющихся температур от - 50 до +100 °С;
• сопротивляемость слоистым разрушениям в узлах сварных конструкций, в том числе при высоких растягивающих напряжениях в направлении толщины листов;
• высокое сопротивление воздействию знакопеременных нагрузок, обусловливающих усталостные разрушения;
• хорошую свариваемость, благодаря чему крупногабаритные конструкции можно изготавливать блоками и секциями в цехах с последующей сборкой в условиях низких температур на открытых площадках;
• гарантированное сопротивление коррозионным и коррозионно-механическим повреждениям.

 

Эти стали успешно применяются для изготовления тяжелонагруженных сварных конструкций, эксплуатирующихся при температурах от -40 до +100 °С в условиях коррозионного воздействия морской воды, повторно-статических и динамических нагружений. В первую очередь к ним относятся корпуса судов, в том числе арктического плавания — атомных лихтеровозов, ледоколов, танкеров, судов - газовозов, морских плавучих самоподъемных и полупогружных буровых установок, уникальных стационарных ледостойких платформ, глубоководных аппаратов и др. Благодаря высокому уровню физико-механических свойств, технологичности и прежде всего уникальной свариваемости эти стали могут успешно применяться  в энергомашиностроении, при строительстве подвижного состава высокоскоростных магистралей,   плавучих кранов, сосудов давления и др.

 

 

 

Плавучая полупогружная буровая установка (ППБУ) типа "Шельф"

 

 

 

Производство стали марок АБ освоено на ООО «ОМЗ-Спецсталь», ОАО «Северсталь», ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».

 

 

Плакированные стали

 

Важным достижением является создание на базе сталей типа АБ плакированных нержавеющей сталью двух- и трехслойных композитов. Разработанная институтом технология плакирования обеспечивает абсолютно надежное сцепление основного и плакирующего слоев, что позволяет приваривать крестообразные соединения непосредственно к плакирующему слою без его съема.

 

Помимо высокого сопротивления обычной коррозии эти стали обладают исключительно высоким сопротивлением коррозионно-эрозионному износу в ледовых полях при низких температурах, что позволяет применять их в ледовых поясах атомных ледоколов, буровых платформ и других сооружений для эксплуатации в Арктике. Безусловно, перспективно их использование и в химической промышленности, строительстве хранилищ и контейнеров для ядохимикатов, радиоактивных отходов и т.п.

 

НПК разработаны также новые эффективные сварочные материалы и технологии сварки всех перечисленных сталей: автоматическая под слоем флюса (керамического и плавленого), механизированная в среде защитных газов порошковой проволокой и ручная с покрытыми электродами. Они обеспечивают равнопрочность металла шва и основного металла. Главная отличительная особенность разработанных материалов и технологий их сварки состоит в качественной сварке без подогрева, либо в случае значительной толщины свариваемых конструкций — при умеренном подогреве.

 

 

Азотосодержащие стали

 

Большой прогресс достигнут институтом в создании немагнитных  корпусных сталей, легированных азотом. Наиболее опасная форма коррозии – коррозионное растрескивание под напряжением в морской воде - практически зачеркнула широкое применение сталей, легированных марганцем. Поэтому приоритетным как наиболее эффективное и целесообразное было принято направление развития азотосодержащих аустенитных сталей. И, действительно, выполненные за последние годы научно-исследовательские, опытно-конструкторские работы и их промышленное опробование показали возможность использования стали этого класса в ряде гражданских и оборонных отраслей промышленности.

 

Уникальным свойством новых азотосодержащих сталей  является  хладостойкость (до минус 200^оС) при высокой прочности, что дает  возможность их использования для строительства отечественных газовозов, а также станций сжижения и хранения сжиженного газа. Использование этих сталей позволит создать оригинальную отечественную патентоспособную конструкцию танков для сжиженного газа, а также хранилищ для сжиженного газа, позволяющих  избежать покупки зарубежных патентов и лицензий и  обеспечить строительство газовозов на отечественных заводах на существующем оборудовании.

 

 

 

Танкер для сжиженного газа

 

Азотосодержащие стали интересны также при создании буровой техники для глубокого наклонного бурения.

 

 

Высокопрочные трубные стали и высокоэффективные технологии изготовления труб большого диаметра категорий Х70-Х100 и К60-К70

 

Эти трубы предназначены для эксплуатации в северных регионах, превзошли зарубежные аналоги по результатам натурных испытаний и конкурентоспособности. Из этих труб категории Х70 уже построен газопровод Бованенково-Ухта. Выполнение этой работы открывает возможность реального использования труб категории прочности до Х100 и К70, обеспечивающих металлосбережение, повышение объемов транспортировки нефти и газа, а также обеспечение экологической безопасности на срок до 40-50 лет.  Работы по этому направлению отмечены Премией Правительства Российской Федерации за 2010 год, а также Государственной Премией Президента РФ за 2012 год.

 

 

 

Хладостойкие стали для Арктики

 

Создана серия экономичных хладостойких сталей различной прочности с улучшенными в несколько раз характеристиками для морской техники, эксплуатирующейся в экстремальных условиях арктического региона, которая хорошо зарекомендовала себя при строительстве стационарных и буровых платформ «Приразломная» и «Арктическая».

 

Высокая конкурентоспособность разработанных сталей, обусловленная уникальным сочетанием экономичного легирования с уровнем прочностных характеристик, вязкости, хладостойкости (до -60°С), изотропности свойств, трещиостойкости и отличной свариваемости листового проката, обеспечила востребо­ванность сталей на российском и международном рынках.

 

Листовой прокат из хладостойких сталей производится в ЧерМК ОАО «Северсталь», ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ООО «ОМЗ-Спецсталь», ТБД - в ЗАО «Ижорский трубный завод» и ОАО «Челябинский трубопрокатный завод». Для новых сталей разработаны необходимые сварочные материалы и технологии сварки.

 

Разработан новый стандарт на поставку судостроительных сталей, в том числе хладостойких, ГОСТ Р52927-2008.

 

Создание в НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей» новых высоконадежных материалов с высоким уровнем потребительских свойств для добычи и транспортировки углеводородов с арктических месторождений в рамках выполнения важнейших инновационных проектов государственного значения «Металл» и «Магистраль» является огромным прорывом в развитии промышленного комплекса РФ.

 

 

Высокопрочные стали унифицированного состава

 

В настоящее время в НПК активно происходит развитие энергоэффективных ресурсосберегающих технологий производства новых усовершенствованных материалов – высокопрочных сталей унифицированного состава. Опыт, полученный в результате выполнения важнейших инновационных проектов Государственного значения «Металл» и «Магистраль» показал, что существующее сейчас многообразие по химическому составу может быть сведено к нескольким базовым составам с минимальным легированием, а многообразие требований промышленности по физико-механическим свойствам может быть обеспечено за счет управляемой на основе математического моделирования эффективной малозатратной технологии производства, обеспечивающего необходимую степень наноструктурирования.

 

Таким образом, развитие материаловедения в этом направлении позволит решать задачи строительства оборонных и гражданских отраслей промышленности не за счет легирования материалов дорогостоящими легирующими элементами, а за счет управляемой технологии наноструктурирования. При этом одновременно может быть и решена задача кардинального изменения в большой металлургии. Известно,  насколько опасно для экологии и человечества  масштабное производство металлических материалов при использовании традиционных доменных, конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных способов первичного производства стали, и особенно легирующих элементов – хрома, никеля, молибдена и др. Унификация химических составов стали, использование процессов наноструктурирования позволит в полной мере использовать бездоменные процессы прямого восстановления железа, использование окатышей, конкреций и др. более экологичных способов производства.

 

 

Функциональные наноматериалы

 

Создание конструкционных наноматериалов в настоящее является одной из наиболее востребованной, но в то же время наименее изученной областью нанотехнологий.

 

Постановлением Правительства РФ от 02.03.2007 № 498 институт определен головной организацией по конструкционным наноматериалам в составе национальной нанотехнологической сети в рамках ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии РФ на 2007-2010 годы». Для решения поставленных задач в институте создается «Научно-технологический комплекс по разработке конструкционных наноматериалов» (Наноцентр). Структура и оснащение Наноцентра уникальным экспериментальным, диагностическим, метрологическим, испытательным и технологическим оборудованием обеспечивает возможность создания конструкционных металлических, неметаллических и функциональных наноматериалов и покрытий мирового уровня, востребованных, практически, во всех отраслях промышленности.

 

 

Диагностика и аттестация материалов

 

Выполнение исследований структуры и свойств разрабатываемых материалов осуществляется на базе Испытательной лаборатории конструкционных материалов «ПРОМТЕСТ КМ» и в Центре коллективного пользования научным оборудованием «Состав структура и свойства функциональных и конструкционных материалов».

 

Испытательная лаборатория  «ПРОМТЕСТ КМ» соответствует требованиям  ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2000 и ГОСТ Р 51000.4-96. Лаборатория аккредитована в Российском морском регистре судоходства в   качестве   технически   компетентной   и независимой испытательной лаборатории. Лаборатория выполняет более 140 видов механических испытаний металлических материалов с применением более чем 1000 стандартов.

 

 

Центр Коллективного Пользования (ЦКП) "Состав, структура и свойства конструкционных и функциональных материалов" НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей" создан в 2005 г. и входит в состав института.

 

ЦКП предназначен для оказания комплекса услуг и повышения эффективности использования имеющейся в институте опытно-экспериментальной и приборной базы, включающей физико-аналитическое измерительное, испытательное и технологическое оборудование и используемое при решении задач, определенных приоритетными направлениями развития науки, техники и технологий Российской Федерации. ЦКП обеспечивает свыше 200 видов различных исследований. Приборная база ЦКП содержит технический парк нового современного аналитического оборудования и предназначена для обеспечения исследований. В ЦКП имеется более 100 единиц уникального исследовательского оборудования. ЦКП включает 13 лабораторий, оказывающих научно-технические услуги при проведении исследований.