Лидер или неопытный новичок? Российское материаловедение для строительства арктического флота

Возвращение России к активной деятельности в Арктике, строительство нового поколения ледокольного флота и освоение шельфа сделали крайне актуальным вопрос на стыке научных и управленческих компетенций. Это вопрос выбора материалов и технологий для изготовления конструкций, в том числе крупногабаритных, а также изделий судового машиностроения, защитных покрытий и т.д., предназначенных для работы в экстремальных условиях.

Когда сбоит рыночная эффективность

Правильный выбор материала обеспечивает не только надежную, безопасную и долговечную эксплуатацию морской техники, но также позволяет снизить ее массогабаритные характеристики, расширить функциональные возможности, применять новые, порой нестандартные, конструктивные решения.

Казалось бы, фактор арктической природы должен учитываться всеми в равной мере, однако в промышленности заметны два весьма разных подхода к созданию новой техники. Когда речь идет об объектах военного кораблестроения или атомной энергетики, то разработка и выбор материалов для них, их строгое соответствие российским техническим нормам играют одно из ключевых значений в принятии решений при проектировании и строительстве.

Но в гражданском судостроении дела обстоят иначе. При проектировании конструкторы часто берут за основу традиционно используемые материалы, которые обладают существенно более низкими характеристиками работоспособности, чем специально разработанные новые отечественные. Нередко, из-за несовершенства нормативно-технической документации, несогласованной с материаловедами, применяются такие комбинации материалов, которые в принципе недопустимы в арктических условиях. Ответственность за эти «вольности» снимают ссылкой на некий «зарубежный опыт». Делаются настойчивые попытки «адаптировать» вновь разрабатываемые российские стандарты под зарубежные, обладающие в ряде случаев более низкими требованиями к применяемым материалам.

Дальше проблемы только растут, поскольку заводы-строители, желая сэкономить, проводят закупку материала, схожего по характеристикам, но не идентичного требуемому. Часто предпочтение отдается импортным «аналогам» российских материалов. При строительстве допускаются отклонения от предписанных технологий сборки, сварки и прочих операций, что может привести к критическому снижению надежности корпусных конструкций судов.

Результатом такого подхода становятся задержки при строительстве судна по причине выхода из строя оборудования на этапе предварительных испытаний, проведение дополнительных работ по устранению различных дефектов. Далее при эксплуатации выявляются проблемы, связанные с обеспечением безопасного срока службы корпуса и других конструкций из-за неправильного выбора материалов и средств защиты от внешних воздействий. Такие последствия исправлять ещё сложнее и дороже.

Опасная экономия на «мелочах»

Один из недавних примеров — ситуация со строительством атомного ледокола серии 22220 («Арктика»). В последние годы при техническом сопровождении специалистов НИЦ «Курчатовкий институт» — ЦНИИ КМ «Прометей» на АО «ЗиО-Подольск» были успешно изготовлены корпуса реакторных установок РИТМ-200 для трех новых ледоколов. При этом принципиально новое интегральное конструктивно-технологическое исполнение корпуса реактора потребовало тщательной отработки технологий сварки, наплавки, термической обработки.

Материаловедческое сопровождение проектирования всей реакторной установки на «ОКБМ Африкантов», как всегда, осуществлялось специалистами «Прометея». Но! К проектированию нового ледокола в целом и к его изготовлению на Балтийском заводе институт уже не привлекался. Отчаянная попытка «сэкономить» привела к необходимости в авральном порядке решать множество задач. Например, для монтажа систем главного пара, отбора пара, вспомогательного пара, продувания, высокого давления, разогрева и расхолаживания была поставлена арматура, несоответствующая требованиям российских нормативных документов, а корпуса арматуры были изготовлены из марок сталей, склонных к сенсибилизации при сварке.

В трубопроводы системы управления расходом питательной воды реакторной установки из стали 08Х18Н10Т были установлены клапана с корпусами из мартенситной стали 07Х16Н4Б без предварительной наплавки на кромки аустенитными материалами и термической обработки после сварочных операций. Такое конструктивно-технологическое исполнение является грубейшим нарушением российской нормативной документации. В результате клапана, собранные уже под сварку «напрямую», были демонтированы из систем, разобраны, а их корпуса прошли доработку на производственной базе ЦНИИ КМ «Прометей» (выполнена наплавка и термическая обработка). И таких примеров множество.

«Сквозной» вопрос: от проектирования до утилизации

Жизненный цикл объектов морской техники состоит из нескольких этапов, на каждом из которых учет материаловедческих аспектов очень важен. Обоснованный, опирающийся на результаты комплексных испытаний и исследований, выбор материала или разработка нового материала под заданные более высокие технические требования к конструкции являются ключом к эффективному выполнению задачи, поставленной заказчиком перед проектантами. От того, какие процессы будут происходить в материале при эксплуатации, будет ли деградировать его структура при различных внешних воздействиях, зависит надежность и работоспособность конструкции в целом.

За последнее время российскими учеными разработан ряд новых материалов и технологий для судостроения: стали высокой хладостойкости для арктического применения, высокопрочные немагнитные коррозионностойкие азотсодержащие стали, новые технологии сварки, включая лазерную и лазерно-дуговую, износо- и коррозионностойкие покрытия, 3d технологии производства деталей сложной формы для судового машиностроения.

Однако промышленное освоение и внедрение новых разработок идет крайне медленно. Создается ложное ощущение, что все действительно новое делается где-то за рубежом.

«Стандарт отставания»: физика в борьбе с психологией

Причины ситуации довольно очевидны: производители судов и морской техники выполняют работы по конкретным проектам, разработанным КБ. КБ ориентируются на стандарты, отраслевые документы и Правила Регистра, которые предусматривают использование лишь давно апробированных материалов и технологий. Внедрение новых материалов и технологий требует осуществления дорогостоящих программ сертификации – либо под требования Регистра, либо по требованиям МВИ, если речь идет о военном кораблестроении. Нужно время для внесения изменений в существующие нормы и стандарты. Отсюда – простой соблазн идти по пути наименьшего сопротивления. Вот только последствия такого выбора крайне негативны для судостроительной отрасли страны и для развития отечественной наукоемкой промышленности в целом.

Отдельно стоит остановиться на существующем подходе к разработке новых стандартов, устанавливающих требования к проектированию, строительству и эксплуатации морской техники. Проблемной сферой является разработка стандартов для подводных добычных комплексов, где в создаваемых сейчас документах вообще не предусматривается возможность импортозамещения по материалам. Берутся за основу зарубежные стандарты и минимально адаптируются под российский рынок.

Под видом обновления нормативной базы и обеспечения единства с зарубежными системами качества принимаются в качестве ГОСТ и предварительных национальных стандартов неграмотные подстрочные переводы зарубежных документов различных «обществ» и коммерческих организаций. В части применяемых материалов российские разработки не фигурируют якобы «из-за отсутствия опыта». Зато применяется, например, американская хладостойкая углеродистая сталь, которая на поверку оказывается всего лишь сталью с контролем работы удара при –46°С. И это считается достаточным для Российской Арктики? Разработчиком таких «переводных» стандартов выступает компания «Газпром 335».

На предложения от известных КБ-проектантов и «Прометея» о возможности использования отечественных материалов и составлении таблицы соответствия отечественных и американских марок стали, упомянутых в ссылочном документе, комментарий представителей «Газрома 335» был следующий:

«На начальном периоде развития отечественных подводных технологий и прохождения последовательных этапов ОКР, создания опытных образцов отдельного оборудования и их испытаний, комплексного опробования систем взаимосвязанного оборудования, строительства в море и эксплуатации СПД в условиях реального шельфового месторождения РФ будут применяться материалы и изделия, произведенные по зарубежным стандартам, т.к. лучшие достижения науки, технологии и практического опыта в данной области сформированы за рубежом».

Остается только изумляться компетентности корпоративных специалистов, которые считают XXI век «начальным периодом развития» российских подводных технологий. Особенно забавно читать подобные суждения в «Прометее», из материалов которого был построен весь атомный подводный и ледокольный флот СССР. Кстати, крупнейший в мире.

Объективный факт состоит в том, что российская нормативная база в сфере конструкционных материалов для морской техники не соответствует современной реальности и ее необходимо актуализировать. Но вместо решительного ускорения, мы накапливаем отставание. Обновление наших стандартов осуществляется значительно реже, чем за рубежом (для сравнения: в США – 5 лет, в Германии, Японии – 4 года, в России — более 15 лет). За период двух десятилетий, благодаря научно-техническому прогрессу, накопилось большое число новаций, не находящих отражения в нормативных документах, то есть, по существу, стандарты превратились в тормоз на пути производства оборудования новых поколений.

Кроме того, чтобы российское, в частности, нефтегазовое оборудование было востребовано на международных рынках, предприятиям-производителям необходимо пройти процедуру сертификации в международных признанных системах. Значит не только модернизация, но и научно обоснованная гармонизация с международными стандартами нам крайне необходима.

В то же время, когда речь идет о внутреннем потреблении, приоритет должен отдаваться российским стандартам и российской продукции. А этого, увы, не происходит. Например, при разработке отечественных месторождений с зарубежным участием, предпочтение отдается зарубежной продукции машиностроения. Российское нефтегазовое оборудование почти не допускается к участию в тендерных торгах.

Рациональный опыт рядом

Каким видится возможное решение? При создании новых российских стандартов можно обратиться к успешному опыту стран СНГ. В частности, весь блок национальных стандартов Казахстана формировался тремя путями:

• «методом обложки», когда международный стандарт после квалифицированного перевода практически без изменений принимался в качестве национального;
• «методом модификации» — использовался в тех случаях, когда применение международного стандарта в качестве национального влекло за собой необходимость относительно небольших изменений или дополнений международного документа;
• «методом основы», при котором уникальность объекта по его назначению или условиям эксплуатации требует создать новый самостоятельный документ с учетом национальной специфики, но не противоречащий международной практике.

Последний метод, очевидно, должен быть превалирующим при формировании системы стандартизации в отечественном судостроении, при создании промышленных конструкций и морской техники для освоения Арктического шельфа РФ и инфраструктуры Северного морского пути. Полагать, что применительно к этому региону, кто-то в мире обладает более масштабным опытом и материаловедческими компетенциями, чем мы – это уже за пределами здравого смысла.

Вызов – лидировать в испытаниях материалов

Отдельно следует обозначить проблему создания нормативной документации,  содержащей технические требования к материалам и методам их испытаний. Сегодня в отечественную практику нередко внедряются документы, содержащие либо избыточные и невыполнимые в российских условиях требования (под совершенно конкретное испытательное оборудование от заинтересованных производителей), либо напротив — неконкретные или просто фиктивные требования, которые не обеспечивают качества материала.

Пример — испытания полномасштабных образцов на торможение трещины по методу ESSO. Процедура испытания не обеспечивает однозначную трактовку результата, критерий качества материала основан исключительно на опыте, нет его научного обоснования. Одновременно, понимая это, зарубежные  исследователи занимаются поиском корреляций с другими видами подобных испытаний и придумывают «с нуля» такие методики, которые в России применяют уже 40 лет. Почему мы должны быть заложниками этих напряженных попыток изобрести велосипед – совершенно непонятно.

Попытки «Прометея» внедрить качественные стандарты по механическим и коррозионно-механическим видам испытаний, а также по неразрушающему контролю, в комитетах по стандартизации находят крайне слабый отклик. В публичной риторике мы часто слышим призыв к импортозамещению и импортонезависимости, но на практике у российских предприятий почти нет шансов предложить свои новые разработки российскому же заказчику. Даже в части требований к резьбовым соединениям у нас предусмотрена американская система размеров и допусков…

О пользе «умного» госрегулирования

Стратегия развития Арктики предполагает строительство серии мощных атомных ледоколов, морских платформ, установок подводной добычи, сопутствующей инфраструктуры для переработки и хранения углеводородов, строительство портов, научно-исследовательских судов и судов обеспечения, техники для предотвращения и ликвидации аварийных разливов нефти в ледовых условиях.

Требуется обеспечить на порядок (по сравнению с материковыми районами) более высокую экологическую безопасность конструкций, исключить необходимость ремонтных и восстановительных операций для систем, размещаемых в труднодоступных регионах. При этом опыт длительной эксплуатации сварных конструкций, функциональных материалов в природно-климатических условиях арктического региона России, более суровых по сравнению с прибрежными зонами Норвегии, Канады, США, есть только у нас. Современный масштаб задач требует междисциплинарных системных подходов к контролю, оценке и продлению при необходимости ресурса безопасной длительной эксплуатации сварных корпусных конструкций и оборудования, к разработке требований к применяемым материалам с учетом российской геостратегической ситуации. Такие подходы должны базироваться на комплексном анализе всех стадий жизненного цикла конструкций, охватывать вопросы проектирования, технологии изготовления, эксплуатации и ремонта.

Казалось бы, государство подтверждает свой интерес тем, что выделяет немалые деньги на финансирование целевых программ. Пример – программа развития гражданского судостроения. Однако в отношении разработки и выбора материалов, формулировок требований к ним все отдано «на откуп» заказчикам и проектантам. В этой странной ситуации отечественная материаловедческая наука должна фактически сама себе искать работу, оспаривая абсурдные тезисы и пытаясь получить поддержку  своих предложений со стороны КБ-проектантов.  Для них же это только очередная «головная боль», поскольку примитивная коммерческая логика в союзе с устаревшими стандартами упорно нашептывает: «купи железо за границей и ни о чем не думай».

Скупой, как известно, платит дважды. Но говоря о развитии Российской Арктики, следует отчетливо понимать, что дело далеко не только в деньгах. Неверное управленческое или инженерное решение, мотивированное сиюминутной выгодой, может привести к катастрофическим последствиям для окружающей среды и даже к человеческим жертвам. Именно такими могут быть результаты неоптимального, а порой просто неадекватного выбора материалов при проектировании морской техники, конструкций и сооружений в арктической зоне. Странно, но приходится напоминать об этом в ситуации, когда у России есть все возможности укреплять и наращивать свое научно-технологическое лидерство в создании техники для экстремальных условий эксплуатации.

О. В. Фомина, доктор технических наук, начальник научно-производственного комплекса
НИЦ «Курчатовкий институт» — ЦНИИ КМ «Прометей»