Что такое судовая сталь?
Содержание
В судостроении металл играет ключевую роль: корпус из него определяет прочность, надежность и долговечность любого судна. Стальная основа корабля должна выдерживать огромные нагрузки от волн и грузов, а также противостоять агрессивной морской среде. Благодаря сочетанию высокой прочности и устойчивости к коррозии, судовые стали стали основным материалом корпусов современных кораблей, тогда как ранее в истории применялись дерево и чугун. Сегодня стальная обшивка и каркас являются стандартом в отрасли судостроения и морской промышленности, обеспечивая безопасность судоходства и долгий срок службы плавсредств.
Основные характеристики и особенности судостали
Судовая сталь выпускается в виде листового проката, профилей и фасонного металлопроката, из которых формируют корпуса судов, палубные надстройки, внутренние переборки и другие элементы.Главные характеристики судостали обусловлены условиями службы на флоте: она обязана иметь высокую механическую прочность, выдерживать удары волн и тяжесть груза, но при этом быть пластичной (чтобы конструкция могла немного деформироваться без разрушения) и сохранять свойства в широком диапазоне температур.
Кроме того, судовая сталь должна хорошо свариваться: ведь современные корпуса собираются преимущественно сваркой больших стальных листов и профилей. Качество сварных швов напрямую влияет на герметичность и прочность корпуса, поэтому к сталям предъявляются требования по химическому составу и чистоте (минимум серы и фосфора) для обеспечения высокой свариваемости.
В итоге судовая сталь сочетает в себе следующие особенности: устойчивость к морской коррозии, высокие показатели предела прочности и текучести, вязкость при низких температурах, а также хорошую технологичность при обработке (резке, гибке, сварке).
Типы судовой стали
Судостроительные стали подразделяются на несколько типов в зависимости от их свойств и назначения:Обычная (углеродистая) и коррозионностойкая сталь
Подавляющее большинство корпусов строится из углеродистой или низколегированной стали, которая без защиты ржавеет во влажном воздухе. Поэтому такие корпуса защищаются многослойными покрытиями: грунтами, лакокрасочными составами и подводными покрытиями, а также катодной защитой (жертвенные аноды, ICCP-системы). Без этого даже прочнейшая конструкция подвергнется разрушению в морской среде.Существуют и коррозионностойкие стали для судостроения – легированные сплавы, более устойчивые к ржавчине. Примером могут быть атмосферостойкие стали с добавками меди и хрома (аналогичные сталям типа 10ХСНД), которые медленнее корродируют на воздухе, или нержавеющие хромоникелевые стали, практически не ржавеющие в пресной воде. Однако нержавеющие стали дорогие и тяжело поддаются обработке, поэтому в корпусах кораблей применяются ограниченно (в спецназначении, например, на некоторых узлах или во внутренних емкостях). Чаще используют экономичную углеродистую сталь с антикоррозионной защитой.
Таким образом, углеродистая сталь – это стандартная судовая сталь, требующая защиты от коррозии, а коррозионностойкая сталь – специальные марки с повышенной стойкостью к ржавлению, применяемые для особо ответственных мест (балки в танкерах, обшивка военных катеров и пр.).
Конструкционная сталь для каркасов и корпусов
Это основные судостроительные стали, используемые для формирования набора корпуса (силового каркаса) и внешней обшивки. Они отличаются сбалансированными свойствами – достаточной прочностью, пластичностью и ударной вязкостью.К этой категории относятся нормальные конструкционные стали судостроения, например марки A, B, D, E по классификации Регистров. Эти листовые стали (толстолистовой прокат) идут на наружную обшивку корпуса, настил палуб, переборки, а также используются в виде профильного проката для набора: шпангоутов, стрингеров, рамных конструкций.
Сталь для каркаса судна поставляется не только листами, но и в виде профильной продукции: уголок, швеллер, двутавровая балка (двутавр), специальный профиль полособульб (балка с полкой особой формы для использования в корпусных наборах) и другие фасонные профили.
Специальные профили, такие как полособульб, действительно изготавливаются из судовых марок стали и используются в корпусных конструкциях. Однако такие элементы, как уголок, швеллер и двутавровая балка, применяемые на судне, могут поставляться и из обычных конструкционных сталей, при этом к ним предъявляются аналогичные требования по прочности и свариваемости. Важно, чтобы все профили, использующиеся в силовом наборе судна, соответствовали требованиям РМРС (Российского морского регистра судоходства) по механическим характеристикам.
Конструкционные судостали обычно углеродистые или низколегированные (с небольшими добавками марганца, кремния и др.). В российской практике распространена, например, низколегированная сталь марки 09Г2С – хорошо свариваемая и хладостойкая сталь, применяемая в том числе для судовых конструкций и палубных надстроек. Она выдерживает морозы (не хрупка при минусовых температурах) и обладает повышенным пределом текучести порядка 345 МПа, что полезно для нагруженных элементов.
Сталь для особо нагруженных элементов
В крупных судах и морских сооружениях отдельные узлы испытывают экстремальные нагрузки – например, днище ледокола, крепление киля, шпангоуты в районе машинного отделения, опоры кранов и т.д. В таких случаях применяются высокопрочные судовые стали.Эти стали имеют повышенный предел текучести (обычно 315–390 МПа и выше) при сохранении достаточной пластичности. Добиться этого позволяют дополнительные легирующие элементы (например, Ni, Mn, а также микродобавки Nb, V) и специальные методы обработки (нормализация, закалка и отпуск). Высокопрочные судостали позволяют снизить массу судна за счет использования более тонких листов без потери прочности конструкции.
Примеры: марки категории AH32, DH36, EH40 (по зарубежной классификации) или их отечественные аналоги типа Д32, Д36, Д40 (стали повышенной прочности для кораблестроения по ГОСТ Р 52927). Они предназначены для сварных корпусов, работающих под большими нагрузками – например, корпуса танкеров, контейнеровозов, военных кораблей.
Также к особо прочным относят стали специального назначения: например, жаропрочные стали для элементов энергетических установок (турбин, котлов), немагнитные стали для корпусов тральщиков и подлодок (снижают магнитные поля судна), износостойкие сплавы для палубного настила и машинных отделений, стойкие к истиранию. Эти специальные материалы используются точечно, в компонентах, где обычная судовая сталь не обеспечивает требуемых характеристик.
Классификация по маркам и применению
Судовые стали классифицируются как по химическому составу, так и по уровню прочности. Классификационные общества (например, Российский морской Регистр Судоходства – РС, Lloyd’s Register, DNV и др.) присваивают сертификаты соответствия стали определенному классу прочности.Стали нормальной прочности (предел текучести ~235 МПа) в международной маркировке обозначаются буквами A, B, D, E. Для указания их морского назначения в российских стандартах используют обозначения РСА, РСВ, РСD, РСЕ, где “РС” указывает на Регистр Судоходства, а буква – класс стали. Эти марки предназначены для умеренно нагруженных конструкций, эксплуатируемых при температуре воды до -20…-40 °C (D и E – более хладостойкие для низких температур).
Стали повышенной прочности имеют в обозначении дополнительный индекс (число или букву): например, A32, D36, E40 и т.п., где число примерно соответствует минимальному пределу текучести в кгс/мм² (32 ~ 315 МПа, 36 ~ 355 МПа, 40 ~ 390 МПа). Они применяются там, где нужны более выносливые конструкции.
Кроме того, существуют специальные марки судостали с особыми свойствами: коррозионностойкие (например, 10ХСНД, 15ХСНД – атмосферостойкие стали с Cu, Ni, Cr), жаростойкие (для пожаробезопасных перегородок, труб выхлопа), а также сталепрокат для арктического применения с гарантированной вязкостью при экстремально низких температурах. В рамках ГОСТ и других стандартов судостали делятся на категории нормальной, повышенной и высокой прочности, каждая из которых имеет свой набор марок и область применения.
Свойства судостали
Судовые стали обладают рядом свойств, необходимых для надежной службы в морской среде:- Устойчивость к коррозии
Одно из ключевых качеств судостали – сопротивление морской коррозии. Судовая сталь эксплуатируется в условиях высокой влажности и соленой воды, что требует особого внимания к стойкости материала. Для повышения сопротивления коррозии контролируется химический состав стали, а её поверхность тщательно защищается с применением комплексных систем покрытий. Такие меры позволяют предотвратить развитие очагов ржавчины и продлить срок службы металлических конструкций.
Кроме того, прокат для кораблей поставляется с предварительной защитой (фосфатирование, грунтование) либо изготавливается в условиях минимального окисления, что упрощает дальнейшую оцинковку или лакокрасочную защиту. Судовая сталь хорошо поддается нанесению покрытий – краски, цинкового напыления, эпоксидных смол – которые вместе с самой сталью образуют многоуровневую защиту от коррозии.
В итоге правильно выбранная и обработанная судосталь обеспечивает десятилетия службы корпуса без сквозной ржавчины, при условии регулярного техобслуживания. - Прочность и долговечность
Сталь для судостроения должна выдерживать сложные условия эксплуатации: вес груза, давление воды, деформации при изгибе корпуса, вибрации от двигателей и штормовые воздействия. Поэтому ей присущи высокий предел прочности на разрыв (обычно 400–600 МПа в зависимости от марки) и достаточный запас пластичности, чтобы избежать хрупкого разрушения. Важна также усталостная прочность – способность металла долго сопротивляться многократным переменным нагрузкам без образования трещин.
Сплавы для судов разрабатываются с учетом длительной эксплуатации: легирование (например, марганцем, кремнием) и термообработка обеспечивают мелкозернистую структуру стали, которая противостоит растрескиванию и расслоению под нагрузкой.
Предел текучести – нагрузка, при которой сталь начинает необратимо деформироваться – для судосталей нормальной прочности составляет ~235 МПа, а для высокопрочных может превышать 390 МПа. Чем выше предел текучести, тем большую нагрузку конструкция выдержит без остаточных деформаций, что особенно важно для ответственных элементов.
Таким образом, судовая сталь обеспечивает необходимую прочность корпуса и его элементов, гарантирующую безопасность судна даже в штормовых условиях. Правильно спроектированные и выполненные из сертифицированной судостали корабли способны десятилетиями ходить в море, сохраняя структурную целостность. - Обрабатываемость (резка, сварка)
В процессе строительства судна стальные листы и профили проходят множество операций обработки. Резка металла (термическая — газовая, плазменная, лазерная, или механическая) должна выполняться быстро и качественно, поэтому судосталь адаптирована к этим операциям – она относительно мягкая до закалки и не содержит излишних легирующих добавок, затрудняющих раскрой. Кромки после резки должны быть чистыми и не склонными к растрескиванию.
Главный способ соединения деталей – сварка, поэтому свариваемость судовой стали является критически важным свойством. Сталь с высоким содержанием углерода сваривать сложно (она дает хрупкую зону закалочной структуры вдоль шва), поэтому судостали обычно малоуглеродистые (C примерно до 0,18–0,21%) и раскисленные (спокойная сталь). Добавки титана, ниобия и алюминия связывают вредные примеси и улучшают свариваемость. В итоге при правильной технологии судовые стали позволяют получать прочные сварные швы без трещин и потери свойств в зоне термического влияния.
Также судосталь хорошо поддается гибке и формовке – из листов можно гнуть обшивку сложной кривизны (например, носовые обводы корабля) без разрушения материала.
Обрабатываемость судостали важна не только на верфи, но и при ремонте: участки корпусной обшивки или набора можно вырезать и заменить новыми, выполнив сварку — и материал позволяет это делать в полевых (доковых) условиях без снижения надежности. Наконец, судосталь пригодна для механической обработки (сверление, фрезерование) при установке оборудования, хотя и уступает в мягкости обычным конструкционным сталям — это плата за ее прочность. - Температурная стойкость
Эксплуатация судов связана как с низкими, так и с повышенными температурами. В холодных широтах металл корпуса охлаждается до отрицательных температур, и сталь не должна при этом становиться хрупкой.
Судовые стали специально проверяются на хладостойкость – способность выдерживать ударные нагрузки при, скажем, -20°C или -40°C (в зависимости от класса стали). Марки стали D и E нормальной прочности рассчитаны на низкие температуры (для северных морей), а высокопрочные стали зачастую сохраняют вязкость даже при -60°C (это важно для ледоколов, арктических платформ).
Показатель ударной вязкости (KCV, или работа удара) нормируется стандартами при разной температуре для разных категорий стали. С другой стороны, элементы судовых силовых установок (например, котлы, выхлопные трубы, турбины) испытывают нагрев до нескольких сотен градусов. Для таких частей либо применяются специальные жаростойкие стали (легированные хромом, молибденом, способные долго работать при +500…600°C), либо сама судосталь должна кратковременно выдерживать повышение температуры (например, при пожаре на судне) без потери несущей способности. В целом корпусная судосталь не предназначена для длительной работы при высоком нагреве, но обладает некоторым запасом: при пожаре в отсеке правильная марка стали не должна сразу потерять прочность или сильно деформироваться.
Температурная стойкость также включает стойкость к перепадам температур и к циклам нагрев-охлаждение (что близко к усталостным свойствам). Совокупно судовая сталь сохраняет свои свойства в широком диапазоне условий — от арктического холода до жары тропиков, что расширяет географию использования кораблей.
Применение судовой стали
Области применения судовой стали обширны в морской и прибрежной индустрии.Судостроение
Основное применение — строительство корпусов и надстроек кораблей и судов разных типов. Практически все современные морские суда (танкеры, сухогрузы, контейнеровозы, военные корабли, пассажирские лайнеры) имеют стальной корпус, набранный из листов судостали, усиленных внутренними ребрами жесткости.Судовая сталь идет на:
- Корпуса и обшивку
Сюда относятся наружные борта, днище, палубы, переборки. Толстолистовая сталь (например, 10–40 мм) образует герметичную оболочку корабля. Часто применяется рифленый лист (с насечками) на палубах и трапах для противоскользящего эффекта. - Силовой набор корпуса
Шпангоуты (поперечные рамы), стрингеры (продольные балки), пиллерсы (стойки палуб) и прочие элементы каркаса выполняются из профильного судостального проката (уголки, тавры, двутавровые балки, швеллеры, а также полособульбовый профиль для плоских рам). Эти детали воспринимают нагрузки и придают корпусу форму и жесткость. - Надстройки и внутренние конструкции
Из судостали изготавливают рубки, мачты, дымовые трубы, шахты лифтов на лайнерах, прочие надпалубные сооружения. Внутри судна сталь идет на лестницы, трапы, настилы полов, крепления оборудования. Даже элементы интерьера в практичных судах могут быть металлическими (стальные перегородки в технических помещениях). - Специальные суда
Для кораблей особого назначения судовая сталь адаптируется под их требования. Например, для подводных лодок используются высокопрочные маломагнитные стали, выдерживающие давление глубин. Для ледоколов – стали с повышенной вязкостью на морозе и высокой прочностью, чтобы выдерживать удары льда. Для катеров на подводных крыльях – более легкие сплавы (вплоть до замены на алюминий), но несущие элементы крыльев все равно стальные.
Морская энергетика и оффшорные платформы
Судовая сталь широко применяется за пределами классического кораблестроения – в морской нефтегазовой и энергетической отрасли. Оффшорные платформы для добычи нефти и газа (стационарные вышки, буровые установки, опоры морских ветряных электростанций) строятся из аналогичных марок стали, что и корабли, потому что условия эксплуатации схожи: соленая вода, ветер, нагрузки от волн.Например, основание нефтяной платформы – это массивная стальная конструкция, часто состоящая из трубчатых опор (трубы большого диаметра) и ферм из балок. Эти опоры должны выдерживать вес надстройки и давление моря, не корродируя за десятки лет службы. Применяются либо традиционные судовые стали с усиленной защитой (вплоть до оцинкованных покрытий), либо специальные оффшорные марки стали, соответствующие стандартам (например, категории API для морских сооружений, часто близки к судовым сталям повышенной прочности).
Кроме того, в инфраструктуре подводной добычи – на морских трубопроводах, гибких шлангах, соединениях – используют стальную арматуру и проволоку высокой прочности для упрочнения конструкций (например, армирование гибких труб).
Морская энергетика также включает приливные электростанции, плавающие платформы для солнечных панелей и другие объекты на воде – их металлические части изготавливаются из стойких к коррозии конструкционных сталей.
Морская инфраструктура
В прибрежном строительстве и инфраструктуре портов также находит применение судостроительная сталь.Примеры:
- Портовые сооружения
Причалы, пирсы, доки часто содержат элементы из судовой стали. Например, фронт причала может быть выполнен из стальных шпунтовых свай (шпунт Ларсена) – длинных профилей, образующих стенку берегоукрепления. Эти профили должны противостоять коррозии в зоне переменного уровня воды, поэтому для них подходит сталь с подобными требованиями. Опорные конструкции кранов в порту, защитные отбойники, аппарели паромных причалов – все эти детали испытывают морскую воду и потому выполняются из качественной стали. - Мосты и переходы
Мосты через судоходные реки, раздвижные и подъемные пролеты, причальные мостики изготавливают из профильного проката (балки, фермы) из стали повышенной коррозионной стойкости. Нередко такие металлоконструкции дополнительно покрываются цинком или специальной краской для долговечности. Сталь марки 09Г2С и аналогичные часто применяются в конструкциях мостов, в том числе над водой, за счет сочетания прочности и относительной коррозионной стойкости. - Гидротехнические сооружения
Опоры и затворы плотин, шлюзы, морские дамбы и волнорезы содержат много металлических частей. Например, затвор шлюза – это огромная стальная дверь, постоянно контактирующая с водой. Для ее изготовления нужна сталь, которая не подведет в условиях постоянной влажности и давления — обычно применяют судовые или близкие к ним марки (с контролем качества сварки и антикоррозионной обработкой). Армирование береговых бетонных конструкций (дамб, молов) тоже требует устойчивой к коррозии стальной арматуры и сетки, иногда применяют арматурную сталь с эпоксидным покрытием или нержавеющую, но по прочности они эквивалентны судосталям. - Другие способы применения
Стальные трубы большого диаметра, используемые для водозаборов, подводных тоннелей, опорных свай, изготавливаются из сталей с требованиями по морской коррозии. Сетки и решетки из нержавеющей стали применяют в ограждениях морских ферм, рыбных хозяйств. Даже рифленый прокат может применяться – например, рифленые противоскользящие листы настила на причалах. И во всех этих случаях желательно использовать металл, проверенный на стойкость к соленой воде и на прочность – т.е. свойства, которыми обладает судовая сталь.
Значение стали для судостроения
Сталь — основа современного судостроения, и от качества судовой стали напрямую зависит надежность и безопасность кораблей. Прочный стальной корпус обеспечивает целостность судна даже в тяжелых штормовых условиях, при столкновениях с льдом или другими объектами. Если бы корпуса изготавливались из менее прочного материала, они не выдерживали бы нагрузки, и риск аварий резко возрос. Судовая сталь гарантирует структурную устойчивость судна: корабль сохраняет форму и мореходные качества под действием волн и веса груза, не ломаясь и не деформируясь непоправимо. Это критично для безопасности экипажа, пассажиров и сохранности перевозимого груза.Кроме того, сталь в корабле играет роль своеобразной защиты от внешних факторов. Толстый стальной борт выдерживает удары волн, препятствует проникновению воды внутрь. Противокоррозионные свойства стали, подкрепленные защитными покрытиями, позволяют эксплуатировать судно в агрессивной морской среде 20–30 лет и более без потери герметичности корпуса. Например, танкеры и контейнеровозы постоянно перевозят химически активные грузы, но стальные танки со специальным покрытием успешно справляются с этим. Для военных кораблей сталь важна с точки зрения живучести — броневые свойства специальных судосталей могут защитить от осколков и огня.
Еще один аспект – экономическая эффективность и технологичность. Сталь является относительно недорогим и доступным материалом, по сравнению с альтернативами (алюминий, композиты). Она обеспечивает оптимальное соотношение цены и прочности, а судостроительные заводы отработали технологии работы со сталью до высокой эффективности.
Сборка стальных конструкций хорошо механизирована – современные верфи используют автоматическую резку и сварочные аппараты, роботизированные линии, что возможно благодаря предсказуемым свойствам стали. Ремонтопригодность стальных судов также высока: поврежденную секцию корпуса можно вырезать и приварить новую, в то время как, например, цельнолитой композит починить гораздо труднее. Сталь магнитится, что позволяет средствами дефектоскопии (магнитным методом) контролировать корпус на трещины – важный плюс для техобслуживания.
Наконец, значение судовой стали проявляется в универсальности применения. Одни и те же марки металлопроката могут использоваться и на корабле, и на берегу, что облегчает логистику проектов. Судостроительные предприятия часто изготавливают и мосты, и краны, и другие конструкции из той же стали.
Итак, судосталь – это фундаментальный материал, без которого немыслимо развитие морского транспорта и инфраструктуры. Безопасность, долговечность и эффективность судоходства во многом обеспечиваются именно свойствами судостали: ее способностью долго служить в суровых условиях океана.
В каталоге на сайте СПб Металл вы можете ознакомиться с ассортиментом судостали, которая применяется для самых ответственных задач. Если вам потребуется консультация, вы всегда можете обратиться к нашим специалистам по телефону или с помощью форм обратной связи на сайте.