Судовой журнAl

Морской, корабельный, судовой, лодочный – у алюминия, применяемого в судостроении, много названий. Все они в первую очередь подчеркивают высокую коррозионную стойкость этого металла. Но свою растущую популярность у корабелов алюминий заслужил также благодаря другим своим уникальным качествам.

Премия от Нобеля

Алюминий пришел в судостроение немногим ранее, чем в авиацию. Причем начало применению алюминия в судостроении положил не кто-нибудь, а химик, инженер и учредитель Нобелевской премии Альфред Нобель. По его заказу в 1891 году в Швейцарии из алюминия построили 8-местный паровой катер. Катер явился прообразом нынешних «премиальных» видов водного транспорта: прогулочных лодок и яхт, полностью выполненных из алюминиевых сплавов. Россия не осталась в стороне от прогрессивного тренда, и в 1895 году шотландская верфь Yarrow & Сo, Ltd получила заказ от российского императорского флота на алюминиевый 58-футовый миноносец «Сокол». Изготовленный с использованием алюминиевых деталей, корабль смог развить рекордную по тем временам скорость — более 30 узлов (55 км/ч).

Первым катером из алюминия отечественного производства считается АНТ-3, построенный Андреем Туполевым. Будущий знаменитый авиаконструктор создал настоящий дюралюминиевый болид, взяв за основу поплавок гидроплана. В 1927 году его глиссирующий «Первенец» превысил на испытаниях скорость в 100 км/ч. Именно в 20-е годы прошлого века появились алюминиевые сплавы группы «алюминий-магний», ставшие основой алюминиевого судостроения. Широкое применение алюминия началось уже после Второй мировой войны, что было связано с развитием технологии сварки. После разработки в 1960-х годах стойких к коррозии сплавов алюминий стал активно применяться в пассажирском и грузовом судостроении. Сегодня алюминий используют при постройке легких, а также больших морских и речных судов.

Мили и доллары

Выбор современных корабелов в пользу алюминия объяснить легко. К числу основных достоинств «крылатого» металла эксперты отрасли относят высокую удельную прочность и коррозионную стойкость при низком весе, отсутствие искрообразования и неспособность намагничиваться, а также возможность повторной переработки металла и, как следствие, высокую остаточную стоимость судна при утилизации. Неоспоримым преимуществом судов из алюминия является и экономия на лакокрасочных материалах – выше ватерлинии красить такие корабли необязательно. Применение более легких конструкций из алюминия позволяет экономить топливо и увеличить срок службы судна.

Цифры, описывающие выгоду судовладельца от облегчения конструкции судна, весьма впечатляющие. При условии нормальной эксплуатации экономия топлива для большого судна может доходить до 80 тонн за 3000 миль, что в денежном выражении составляет около 1,3 млн долл. в год. Для 25-летнего жизненного цикла, экономия на топливе может достигать 32 млн долларов.

В мировой практике основным сплавом на основе системы алюминий-магний остается сплав 5083, а в России популярностью пользуется морской сплав АМг61 (1561). Данные сплавы прочные, не требуют термической обработки, хорошо свариваются и отличаются высокой стойкостью к коррозии в морской и пресной воде. Это не значит, что новые материалы хуже и им нет места, просто замена одних материалов на другие в судостроении небыстрый процесс. Но и в России, и в мире многие компании имеют собственные решения для судостроения. Я верю в развитие и будущее скандий-содержащих сплавов. Скандий, пожалуй, одна из лучших добавок в алюминий, а сплавы Al-Mg-Sc можно «программировать», обеспечивая необходимый набор характеристик.

Директор по науке ИЛМиТ Дмитрий Рябов

Сплавы с морским характером

Применяемые в судостроении алюминиевые сплавы относятся к двум ключевым группам: сплавы Al-Mg (магналии) и Al-Mg-Si (авиали), характеризующиеся высокой коррозионной стойкостью.

Вторая категория сплавов (Al-Mg-Si) не менее интересна, так как их использование обеспечивает более высокие показатели прочности материалов. Правда, для них требуется проведение закалки и искусственного старения. Существует еще группа сплавов на основе системы Al-Zn-Mg, являющаяся рекордсменом по прочности. Сегодня ученые разрабатывают новые сплавы на основе этой системы с более совершенными характеристиками.

В последнее время активно тестируют алюминий-скандиевые сплавы – 1570 или 1580, которые являются логичным развитием традиционных сплавов алюминий-магний. Добавление скандия повышает прочностные характеристики на 30-50%, сохраняя при этом положительные качества морского алюминия – высочайшую коррозионную стойкость и свариваемость. Удельная прочность скандийсодержащих сплавов, которая практически сравнялись со стальными аналогами, позволяет применять решения на их основе не только в судостроении, но и авиакосмической технике.

Скандий – дорогостоящая добавка к алюминию, и даже введение всего 0,1% массы приводит к удорожанию материала. Сейчас РУСАЛ реализует большой проект по созданию внутри компании промышленной экосистемы добычи и переработки скандия в новые экономно-легированные сплавы. Их создание основано на максимально возможном снижении стоимости дорогостоящего компонента за счет использования сырья из красных шламов. Ученые считают, что в ближайшие несколько лет скандийсодержащие сплавы смогут успешно конкурировать не только с титаном и сталями, но и традиционными алюминиевыми материалами.

Как сварить корабль

Для постройки кораблей на судоверфях применяется аргонно-дуговая сварка, но для судов с деталями из алюминия наиболее перспективной является сварка трением с перемешиванием. Эта технология позволяет обходиться без тепловых деформаций шва и, что немаловажно, дает возможность соединять все алюминиевые сплавы, алюминий со сталью и титан. Причем процесс не предполагает перевода материалов в жидкое состояние, что важно для алюминия с его невысокой температурой плавления. В то же время дуговая сварка, как известно, приводит к появлению зоны термического влияния, которая может существенно снизить прочность сварных соединений алюминиевых сплавов, особенно термически упрочняемых.

Конечно, как и у всех сложных процессов, у сварки трением с перемешиванием есть свои особенности. Например, для сварки массивных конструкций требуются большие усилия прижатия инструмента, что не всегда возможно организовать на судоверфи в условиях стапельного производства. Как показывают современные исследования, не очень массивные конструкции могут быть успешно сварены с использованием обычных промышленных роботов за счет оптимизации инструмента и скорости вращения. В целом технологии сварки трением находят все большее применение в мировой практике.

Программируя сплавы

В последние десятилетия ученые постепенно переходили от совершенствования составов сплавов к созданию особых режимов термомеханической обработки. Один и тот же сплав может изменять характеристики работоспособности в зависимости от своего состояния. Например, сплав 5083, созданный еще в середине прошлого века, до сих пор успешно используется в судостроении, только помимо обычного отжига поставщики полуфабрикатов предлагают полуфабрикаты в различных состояниях – стабилизированные и нагартованные.

Усталость – критическая характеристика, которую необходимо учитывать для конструкций, испытывающих периодические и знакопеременные нагрузки. Об усталости металлов известно давно, и сейчас существуют специальные методики проведения усталостных испытаний металлических материалов, которые позволяют оценивать их работоспособность. Этого достаточно для производства надежных конструкций, которые будут безаварийно работать весь срок эксплуатации.

Алюминиевый флот

Наглядным подтверждением долговечности алюминиевых судов служат «Метеоры» еще советской постройки, которые спустя 35-45 лет продолжают бороздить водные просторы. К слову, не секрет, что средний возраст судов на туристических маршрутах достигает 40 лет. Стратегия развития внутреннего водного транспорта до 2030 года, помимо увеличения объемов пассажирских перевозок, предполагает модернизацию парка судов. Уже вводятся в эксплуатацию новые суда на подводных крыльях (СПК) – те же «Метеоры», а еще «Валдаи» и «Кометы». По подсчетам экспертов Алюминиевой Ассоциации, только на модернизацию парка этих СПК потребуется 500 тонн алюминия. 24 мая 2019 года на АО «Судостроительный завод «Лотос» в Нариманове (Астраханская область) состоялся спуск на воду крупного пассажирского судна — круизного пассажирского лайнера «Пётр Великий» проекта PV-300VD. В этом лайнере, как и в его почти двойнике «Мустае Кариме» (проект PV-300), который ранее был спущен на воду, в надстройке используются алюминий.

Пополняется новыми катерами отечественный маломерный флот. На Кингисеппском машиностроительном заводе (КМЗ) строят катера серии «Сапфир» с корпусами из морского алюминия АМГ5.

Более века назад алюминий своим появлением произвел настоящую революцию в судостроении. И сегодня, когда конструкторы обращаются к новым техническим решениям и материалам, чтобы снизить вес и увеличить полезную нагрузку судна, у алюминиевых сплавов и решений на основе алюминия есть большие перспективы.

ОТ ПЕРВОГО ЛИЦА

Денис ЛЕДНЕВ, руководитель группы проектов РУСАЛ

– Каков сегодня расчетный срок эксплуатации судов из алюминия?
– Срок эксплуатации современных алюминиевых судов составляет более 30 лет. Многие действующие сегодня скоростные пассажирские суда были построены еще в советские годы и имеют срок службы 35-40 лет и более.

– Кто в России сегодня производит «морской» алюминий, и в каких видах выпускается металл?
– «Морской» алюминий производят практически все прокатные предприятия – «Алюминий Металлург Рус», «Арконик СМЗ» и Каменск-Уральский металлургический завод. Это алюминиевые плиты и листы толщиной от 0,5 до 10 мм, прессованные и горячекатаные профили, оребренные прессованные панели. Новый продукт – это сварные крупногабаритные облегченные панели (СКОпанели) толщиной от 2 до 6 мм, которые применяются для строительства корпусов и надстроек. Все полуфабрикаты и панели имеют сертификаты Российского морского и речного регистров судоходства и удовлетворяют требованиям части XIII «Материалы» Правил классификации и постройки морских судов (под наблюдением Регистра).

– Применение алюминиевых решений в судостроении каким-либо образом влияет на сроки, в которые выполняются работы?
– Конечно, влияет! Причем положительным образом. Например, использование экструдированных алюминиевых панелей ускорило строительство пятизвездочного круизного лайнера проекта PV300 «Мустай Карим».

– Импортируются ли сегодня какие-нибудь виды алюминиевого проката для судостроения?
– Весь необходимый ассортимент алюминиевых полуфабрикатов производится на отечественных металлургических предприятиях в соответствии с требованиями Российского морского и речного регистров судоходства. Поэтому нет необходимости импортировать прокат для нашего судостроения.