Композиты по Правилам и без: перспективы и факторы риска применения ПКМ в судостроении

Флот: ГРИФОН
- A + Автор: Олег Гненной КомментарииПрочитано 604 раза   |
Точку зрения Российского морского регистра судоходства (РС, Регистр) на применение в судостроении полимерно-композиционных материалов в интервью "Корабел.Ру" представил заместитель генерального директора РС по классификации и наблюдению в промышленности Сергей Шишкин.
Шишкин С.А., заместитель генерального директора РС по классификации и наблюдению в промышленности / Фото: РС

– Сергей Александрович, композиты известны судостроителям без малого век. Какие типы судов из них сегодня строят?

– Если говорить о гражданском флоте, полимерно-композиционные материалы (ПКМ) применяются сегодня, в основном, при постройке маломерных, прогулочных и спортивных судов. Такие суда представлены и в классе РС, однако это пока единичные случаи.

– Какие виды ПКМ наиболее активно применяются в судостроении? Что на судне может быть выполнено из композитов?

– В настоящий момент для строительства судов применяются стеклопластики и углепластики.
 
Правилами Регистра из композитов допускается изготавливать:
  • трубы и фасонные части из полимерных материалов для судовых трубопроводов;
  • панели из трудногорючего ПКМ для внутренней отделки судовых помещений;
  • полимерные подкладки для установки главных и вспомогательных механизмов, судового оборудования;
  • ПКМ для изготовления дейдвудных подшипников и подшипников баллера руля;
  • гребные валы (центральные секции) и муфты из ПКМ;
  • судовые двери и люки из ПКМ непроницаемые при воздействии моря (за исключением противопожарных);
  • переходные мостики из ПКМ для нефтеналивных судов;
  • сосуды из ПКМ для контейнеров-цистерн;
  • корпуса спасательных шлюпок, корпуса высокоскоростных судов, корпуса рыболовных судов длиной до 24 м;
  • судовую мебель, отделочные материалы и изделия, например, рамы иллюминаторов, душевые кабинки.

– Что ограничивает спектр применения композитных материалов в судостроении?

– Физическое поведение композиционных материалов отличается от поведения наиболее распространенных конструкционных материалов, которые являются однородными и изотропными. К преимуществам стеклопластиков, по сравнению с традиционными для судостроения металлами, относятся:

– малая плотность при прочности в направлении армирования, сопоставимой с низколегированными сталями;
– немагнитность и радиопрозрачность;
– неподверженность коррозии и гниению;
– возможность регулирования свойств материала, путем варьирования структуры армирования;
– многофункциональность, достигаемая, в частности, путем введения в состав материала различных модификаторов;
– хорошая стойкость к воздействию на материал микроорганизмов;
– снижение эксплуатационных расходов, связанное с отсутствием коррозии;
– высокая диссипативная способность и соответствующая высокая вибростойкость конструкций из композиционных материалов на полимерной основе;
– возможность создания безупречно выполненной с точки зрения эстетичности наружной поверхности корпусных изделий.

Вместе с тем полагаем, что композитные материалы потенциально могут занять только определенную нишу – в тех случаях, где требуется их специфические характеристики (стойкость к коррозии, меньший вес конструкции). 

Применение композитов в судовых конструкциях прежде всего ограничивают свойства материала, главные из которых – низкая огнестойкость и горючесть с выделением высокотоксичных веществ (например, паров синильной кислоты, хлороводорода и др.). Так, данные свойства обусловили запрет на использование пластмасс в трубопроводах с горючими средами: в случае разрушения труб во время пожара существует опасность разлива горючей среды. Кроме того, следует учитывать анизотропию прочностных свойств, низкую электропроводность и то, что температурный коэффициент расширения пластиков существенно отличается от стали. 

Но есть также и субъективные факторы, препятствующие применению пластиков – отсутствие освоенных технологий на верфях, большая стоимость, высокая пожароопасность выполняемых работ и более длительный цикл производства по сравнению со стальными изделиями. 

Дополнительным фактором, сдерживающим более широкое распространение композитных материалов в отечественном судостроении, является тот факт, что в России практически отсутствуют испытательные лаборатории, способные выполнять испытания по части 2 Кодекса ПИО 2010 – испытания на токсичность. Использовавшийся ранее метод испытаний на токсичность на лабораторных мышах ныне не соответствует требованиям Кодекса ПИО 2010 и не допускается, поскольку испытания должны опираться исключительно на приборные измерения. 

У большинства отечественных лабораторий нет такой аппаратуры, или она не полностью комплектна. Закупить ее можно только у иностранных производителей, она дорогостоящая, и для работы с такой аппаратурой требует высококвалифицированный персонал со знаниями в области химии. Таким образом, данный вид испытаний приходится проводить за границей. При этом во время разработки новых материалов необходимо проводить десятки подобных испытаний, чтобы оценить, как изменение концентраций и комбинаций различных добавок влияет на свойства материала.

– Какие суда из полимерных композитных материалов позволяют строить новые правила РС? Какие методы могут применяться для расчета прочности композитных конструкций?

– В текущий момент в «Правилах классификации и постройки морских судов» (Правила РС) имеются ограничения только по размерам корпуса таких судов – их длина должна составлять не более 70 м. 

В 2019 году Регистр выпустил полностью переработанную версию части XVI "Конструкция и прочность судов из полимерных композиционных материалов" Правил РС, требования которой учитывают современные технологические возможности и виды новых ПКМ для постройки таких судов. Они охватывают все типы распространенных в судостроении армированных пластиков, здесь подробно рассмотрены конструктивное исполнение узлов конструкции (сочленения, стыки, переходы и пр.). 

Предусмотренные в части XVI Правил РС расчеты прочности носят проверочный характер. Для расчетов различных элементов корпуса вводятся коэффициенты безопасности, характеризующие особенность конкретного применяемого ПКМ. По методам расчета прочности в Правилах РС ограничений нет, методы расчета не оговариваются и, соответственно, допускаются любые, выбранные проектантом.

– Как соотносится наша нормативная база с международной?

– Регистр учитывает международные требования (конвенции, кодексы, резолюции). Правила РС полностью согласуется с международной нормативной базой.

– Что служит основанием для пересмотра требований Регистра к применению композитов в судостроении? С какими научными центрами РС сотрудничает при их разработке?

– Требования РС – это не застывшая форма, это живой организм, который находится в постоянном развитии с учетом современных задач и потребностей отрасли. Основанием для пересмотра требований становятся разработка новых прогрессивных технологии, инновационных материалов и соответствующий запрос индустрии на их применение и продвижение в сфере судостроительного производства. 

В целом требования Правил РС условно можно разделить на требования, взятые из международных НД, и собственно требования РС. Требования РС уточняются на основании выполняемых по заказу Регистра научно-исследовательских работ, а также нормативных предложений о пересмотре, которые в Главное Управление Регистра направляют подразделения и клиенты РС (проектанты, верфи, судовладельцы, изготовители материалов и изделий и т.д.). 

Например, в 2021 году Крыловским государственным научным центром подано нормативное предложение в части совершенствования требований РС к судовым конструкциям рыболовных судов из ПКМ.

Также в прошлом году по заказу РС были выполнены две научные работы: "Разработка требований Правил Регистра судоходства к судовым дейдвудным подшипникам из синтетических материалов" (исполнитель – Центр технологии судостроения и судоремонта) и "Разработка требований РС к валам из полимерных/композитных материалов для судовых валопроводов с возможностью применения на судах ледовых классов" (исполнитель – Санкт-Петербургский государственный морской технический университет).

– С какими компаниями вы взаимодействуете при исследованиях композитных материалов и технологий?

– Регистр активно взаимодействует с Средне-Невским судостроительным заводом – одним из отечественных лидеров судостроения и кораблестроения из ПКМ, а также со множеством испытательных лабораторий, имеющих Свидетельства о признании РС. Общение с коллегами, а также широкая сеть представительств РС и проведение освидетельствований заводов и лабораторий позволяют получать актуальную информацию, которая помогает оценить в каком направлении движется развитие технологий в гражданском судостроении, чтобы заблаговременно учитывать запросы промышленности, своевременно совершенствуя требования нормативных документов Регистра. Также по заказу РС исследования периодически проводит Сколковский институт науки и технологий.

– Завершились ли планировавшиеся РС исследования, связанные с применением композитов в судах ледового класса?

– В результате выполненных НИР в Правилах РС появились требования к объему технической документации, к методам расчета и изготовления элементов валов и муфт из композитных материалов. Необходимость заказа работы была вызвана тем, что несколько лет назад немецкие изготовители муфт стали проявлять интерес к изготовлению неупругих элементов муфт из композитных материалов, которые предполагалось устанавливать на буксирах с относительно высокими ледовыми категориями Arc4 – Arc5.

– Что показала эксплуатация катамарана "Грифон" с корпусами из композита на основе углеродного волокна?

– По катамарану проекта 23290 "Грифон" имеется положительный опыт эксплуатации в акватории Черного моря, при различных волновых характеристиках, в том числе, по обеспечению прочности корпуса и надстройки судна.
В 2021 году катамаран "Грифон" эксплуатировался на маршруте Новороссийск – Сочи  / Фото: Корабел.ру

– Зачаточное состояние нормативной базы – одна из преград на пути внедрения аддитивных технологий в мировую промышленность, но, тем не менее, на 3D-принтерах уже печатают надводные суда и подводные дроны. В России допускается использование AM-технологий в судостроении? Ведет ли РС работу в этом направлении?

– Технологии аддитивного синтеза открывают принципиально новые возможности для решения сложных конструкторских задач, т.к. сокращают затраты на производство сложных узлов механизмов и систем, позволяют выполнить градиентный переход от одного материала к другому, повысить прочность отдельных фрагментов изделия и т.п.

Регистр ведет работу по внедрению требований в отношении этой прогрессивной технологии: в 2020 году в часть XIII "Материалы" Правил классификации и постройки морских судов включен новый раздел "Продукты аддитивного производства". Таким образом, РС допускает возможность применения продуктов, получаемых методами аддитивного синтеза, для изготовления компонентов судна, которые являются объектами технического наблюдения Регистра. Раздел содержит требования к общему порядку освидетельствования, объему и методикам испытаний аддитивных продуктов, а также порядок признания Регистром предприятий-изготовителей и область действия свидетельства (СПИ), выдаваемого по итогам такого освидетельствования.

– Одним из слабых мест композитных материалов является их огнестойкость. Как влияет появление новых технологий пожаротушения, огнезащитных материалов, средств обнаружения пожара на перспективы использования композитных судов?

– Новые технологии в области пожаротушения могут уменьшить риски, но не могут полностью исключить их. Кроме того, об эффективности новых технологий можно будет судить только по прошествии определенного времени, накопления данных об опыте эксплуатации судов из ПКМ, включая данные об авариях, к которым относятся и пожары на судах. Поэтому все построенные в последнее время в России суда из ПКМ пока можно условно назвать только опытно-экспериментальными судами.

– Недавняя история на "Северной верфи" как-то повлияет на позицию РС по использованию композитов?

– Эта история укрепила нашу позицию в том, что к таким материалам с точки зрения противопожарной безопасности нужно относится крайне внимательно. 

– Какую задачу решала ИМО, выпустив Временное руководство по использованию в судостроении FRP-материалов?

– Документ разработан только в отношении элементов из ПКМ, не являющихся корпусом судна, таких как платформы, балконы, мачты, порталы и пр., акцентирует внимание на альтернативных методах оценки противопожарной безопасности.

Суда с корпусами из ПКМ до сих пор на уровне международных конвенций никак не регулируются.

– Скептики считают, что заявления о том, что композиты позволяют снизить вес судов, сократить расходы на топливо – это лукавство. Если учитывать износ композитных судов, пожарную опасность, расходы на утилизацию, то никакого экономического выигрыша композиты не дают. Вы разделяете эту точку зрения?

– По состоянию на сегодняшний день композиты уже заняли определенную нишу в судостроении, и в этой нише, определенно, выигрыши имеются. Однако следует учитывать, что вес конструкции существенно снижается только в случае, если не применять для защиты конструкций из ПКМ противопожарную изоляцию. Требование об установке противопожарной изоляции автоматически приводит к росту веса конструкции из полимерно-композиционных материалов. 

Говоря об утилизации, производители ПКМ уверяют, что возможна полная переработка ПКМ, однако оценка экономических показателей в этой области выходит за сферу деятельности Регистра.

В отношении новых сфер применения композитных материалов (изготовление корпусов судов, либо конструкций больших размеров) определенный скепсис в настоящее время имеется, но с учетом того, что российскими и зарубежными компаниями проводятся исследования в области создания малогорючих и нетоксичных при горении композитов есть вероятность, что ситуация в будущем изменится и область применения ПКМ расширится.
Автор: Олег Гненной
Поделиться новостью


Комментарии   10.

Чтобы принять участие в обсуждении, пожалуйста Авторизуйтесь или Зарегистрируйтесь или
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 28.03.2022, 07:35С учетом последних событий, особенно умиляют отсылки к зарубежным лабораториям и документам МАКО... ;)
-0+
#Гненной Олег, 28.03.2022, 09:52Альберт Георгиевич, текст готовился до известных событий.
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 28.03.2022, 10:07Хорошее интервью. Известно, что РМРС в предыдущие годы был очень сильно заточен на воспроизведение во многих вопросах тех подходов, которые ему "спускались" из международных организаций. Хочется надеяться, что теперь РМРС будет в своей работе больше напоминать Регистр СССР времен расцвета морского судостроения и судоходства. Главное, на мой взгляд, в интервью это фраза: "В текущий момент в «Правилах классификации и постройки морских судов» (Правила РС) имеются ограничения только по размерам корпуса таких судов – их длина должна составлять не более 70 м". То есть, проектируйте, стройте, пользуйтесь любыми методиками, которые могут быть полезными. Собственно говоря, в области композитов аналогичная позиция и у РРР. Я всегда говорил и писал, что в отечественных Правилах РРР и РМРС заложено достаточное количество механизмов для проектирования и постройки подавляющего большинства судов различных типов из композитов. Именно это и подтвержено в интервью. С пожарной опаснос далее...
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 28.03.2022, 10:28Насчет "спускались из международных организаций", то это лишь вопрос желания развивать свой рынок. Вот, ABS вообще вывело высокоскоростные суда длиной менее 50м из-под требований HSC Code к конструктивной противопожарной защите. Поэтому "у них" такие суда строят массово, в России - один "Грифон" как икона технологических достижений.
 
Еще раз: не нужно применять все конвенции к судам, не совершающим международных рейсов. В том числе, по противопожарной защите. И тогда все получится.
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 28.03.2022, 10:40По поводу экономии веса конструкций из композиционных материалов по отношению к легким сплавам, если мы говорим о композитах на основе стекловолокна, при эквивалентной прочности - то это легенды. Легкие сплавы выигрывают в большинстве случаев для свариваемых сплавов. При соединении конструкций из легких сплавов клепкой - они вне конкуренции. По отношению к конструкциям из композитов на основе углеродного волокна легкие плавы в ряде случаев проигрывают, включая клепанные конструкции. Но до настоящего времени нет общеупотребительных методик проектирования судовых корпусных конструкций из углепластика, а также неизвестно его эксплуатационное поведение и характеристики долговечности. В авиации конструкции из углепластика проектируются как из "черного алюминия". Имеется информация, что центроплан самолета МС-21, созданный из углепластика на основе отечественных материалов, проигрывает в весе клепанному центроплану из легких сплавов. А центроплан самолета МС-21, созданный из углепл далее...
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 28.03.2022, 10:47Мы делали анализ по ряду реализованных проектов длиной до 24м, экономия в массе корпусных конструкций для однокорпусных судов до 15%, для катамаранов - почти 30%, для композитов из Е-стекла/сэндвича. При больших размерах судна преимущество постепенно утрачивается.
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 28.03.2022, 10:57Значит плохо проектировали суда из легких сплавов. Или Правила - левые, не адекватные. Для корпусов скоростных судов длиной до 6 м преимущество легких сплавов - любых: сварных, клепаных - вне конкуренции. Про клепанные конструкции я уже написал. Именно поэтому все корпуса нормальных АСВП - только из легких сплавов. Из композитов могут быть надстройки АСВП, если желательны пластичные формы. Если нет требований к формам - клепанные надстройки АСВП из легких сплавов - вне конкуренции. Для СПК клеено-клепанные надстройки из легких сплавов - вне конкуренции. Сварные надстройки СПК из легких сплавов примерно эквивалентны по весу надстройкам из композитов при условии применения пенопластов DIAB. На отечественных материалах - ловить нечего.
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 28.03.2022, 11:04Нет, это скорее вы не умеете проектировать суда из композитов ;)
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 28.03.2022, 11:11Я описываю результаты своих исследований по нескольким тысячам построенных судов. Это общеизвестная техническая информация, которая мной просто проанализирована. Я не думаю, что конструкторы в Европе, США и других регионах проектируют суда из композитов хуже Альберта Назарова. Впрочем, я не сообщил ничего, чтобы было неизвестно подавляющему большинству лодочных конструкторов.
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 28.03.2022, 11:18Ваши исследования - это обзор маркетинговой информации, не более того. Доступа к технической документации по большинству судов у вас нет. Если мы берем судно спроектированное на одни и те же нагрузки и условия эксплуатации из аллюмния и композитов, то выигрыш композитов по массе налицо. Попробуйте выполнить упражнение для студентов - расчет пластины обшивки из разных материалов на одну и ту же нагрузку, и сравните массу, можно с набором.

Предыдущая новость