Суда большого водоизмещения из композитов – это реально? Часть 2

Технология композитного судостроения использована при строительстве тральщиков проекта 12700 / Корабел.ру

– Из композитов сегодня делают крышки люков для судов, судовые винты, надстройки, из них предлагают производить различные резервуары, арматуру, трубопроводы, транспортные контейнеры. А где еще вы видите поле применения композитов?
 

Ласкорунский И. П., руководитель направления продаж в судостроении, АО «Препрег – Современные Композиционные материалы», UMATEX, Росатом

Игорь Ласкорунский, UMATEX

– В дополнение к этому списку, мы видим для себя применение композитов на рынке судовых дверей, люков, так называемых дельных вещей. С учетом возможной унификации продукции, переход на композиты позволил бы значительно снизить вес судна и увеличить полезную нагрузку. Баллоны ВВД, мачты, валы, кран-балки, спасательные шлюпки…

Роман Васильев, "Балтико-ЛВМ-Политехник"

– Все перечисленное имеет свой потенциал и смысл, если только цель снижения веса превалирует над стоимостью изготовления. Изделия судового машиностроения давно являются привлекательным сегментом для применения композитных материалов.

– Какие типы судов могут стать главными бенефициарами от использования композитов в их конструкции?

Роман Васильев, "Балтико-ЛВМ-Политехник"

– Высокоскоростные пассажирские суда, катамараны, экранопланы. Военные корабли.
 

Назаров А. Г., к.т.н., инженер-кораблестроитель, директор КБ Albatross Marine Design, FRINA, CEng, MSNAME / Корабел.ру

Альберт Назаров, Albatross Marine Design

–  Давайте посмотрим на область применения стандартов безопасности SOLAS (точнее – на область неприменения), и сразу будут видны потенциальные ниши для композитов. Где их можно использовать уже сейчас или завтра после некоторой корректировки национальной нормативной базы?

В первую очередь, это суда до 24 м, рекреационные, коммерческие, промысловые, специальные. В России нужно наконец-то синхронизировать "маломерную" нишу 20 м с принятой в международной практике 24 м, и стимулировать постройку таких судов из композитов. Без этого необходимого опыта, "развитие компетенций" и планы постройки крупных судов – пустое сотрясание воздуха. Далее, следует обратить внимание на суда, не попадающие под большинство разделов SOLAS уже сейчас. Это "яхты, не занятые коммерческой деятельностью" длиной более 24 м. Мы в этой нише работаем.

"Грузовые" суда вместимостью до 500 т также не попадают под большинство "композитоненавистнических" разделов SOLAS. Уже сейчас возможно широкое применение композитов в этой нише – вопрос адекватности российских КО и ничего более.
 

Яхта пр. А110 длиной 33 м на платформе Wavepiercer из композитных материалов. На судах такого типа применение композитов позволяет существенно снизить массу конструкции и повысить обитаемость. Судно строится под требования REG LY Code / Albatross Marine Design

Суда, не совершающие международных рейсов – также вопрос исключительно адекватности администрации флага, эти суда тоже "неконвенционные". Хотел бы обратить внимание на австралийские правила для коммерческих судов NSCV. Это достойный пример градации требований в зависимости от размера судна и района плаваний. Суда из композитов занимают в NSCV достойное место и в пассажирских перевозках, и для других целей, причем, без абсурдных требований к противопожарной защите. Тут тоже есть над чем поработать российским КО, в первую очередь – РРР.

Промысловые суда уже сегодня можно строить из композитов. Военные корабли... тут без комментариев, они уже строятся в России. Для конвенционных судов видимо, придется подождать изменений нормативной базы и появления технических решений. Пока действительно можно будет начать с элементов оборудования.

Сергей Чижиумов, Политех Петра Великого

– Традиционно это тральщики, промысловые суда, маломерный флот, некоторые виды высокоскоростных судов. Большие перспективы видятся для подводного судостроения.

– Опыт "Грифона" показал, что использование композитов само по себе не дает оптимального решения, требуется соответствующий опыт проектирования, глубокое понимание технологических процессов. Кто сегодня готовит конструкторов и технологов для работы с композиционными материалами?
 

Васильев Р. В., к.т.н., ведущий инженер Международного научно-образовательного центра композитных технологий "Балтико-ЛВМ-Политехник"

Роман Васильев, "Балтико-ЛВМ-Политехник"

– Без соответствующего опыта проектирования и изготовления, конечно, не обойтись. Это серьезная проблема. Конструкторов по композитам для судостроения начала готовить Корабелка. Это большой шаг в развитии отрасли, потому что раньше опыт можно было получать только в таких проектах, как "Грифон". Технологов по композитам учат в Институте технологии и дизайна, однако без привязки к конкретной отрасли, от этого возникают сложности при адаптации таких специалистов на производстве.

Доведения проекта катамарана "Грифон" до опытной эксплуатации, учитывая отсутствие требований к таким судам и то, что проект был реализован в условиях оборонного предприятия, можно считать большим успехом.

– Европейский проект RAMSESS по разработке судов из композитов должен послужить отправной точкой "создания нового сектора в судостроительной промышленности ЕС". Как вы оцениваете шансы композитных материалов занять серьезную нишу в сегменте конструкционных материалов для крупнотоннажного судостроения?

Сергей Чижиумов, Политех Петра Великого
 

Чижиумов С. Д. , инженер-кораблестроитель, к.т.н., доцент СПбПУ (Политех Петра Великого)

– ПКМ естественным образом постепенно занимают все большее место в судостроении, в том числе и в крупнотоннажном. Но это не значит, что их применение вытеснит сталь из основных конструкций корпуса судов среднего и большого водоизмещения.

Роман Васильев, "Балтико-ЛВМ-Политехник"

– Точечное применение композитов, на мой взгляд, даст преимущества. Используемые в проекте RAMSESS конструкторские и технологические решения нетипичны для традиционного композитного судостроения. Тем интереснее будет наблюдать за ним.

– С одной стороны использование композитов обещает явные преимущества, с другой – таит риски. Кто должен взять на себя ответственность стать пионером в российском крупнотоннажном композитном судостроении?

Сергей Чижиумов, Политех Петра Великого

– Никто не должен, по крайней мере, в ближайшие годы, заниматься подобной авантюрой, так как для этого пока нет предпосылок и необходимости. Сначала в российском судостроении должны быть отработаны элементарные технологии и навыки проектирования, постройки и эксплуатации традиционных малых судов из ПКМ, а также отдельных конструкций (надстроек, фундаментов, судового оборудования, устройств и пр.). Должна быть сформирована культура производства, система подготовки специалистов, обеспечена охрана здоровья рабочих.

Роман Васильев, "Балтико-ЛВМ-Политехник"

– Никто никому ничего не должен. В наших реалиях такой проект возможно осуществить только за государственные деньги с участием лидеров композитной отрасли специалистами, имеющими определенный опыт.

Альберт Назаров, Albatross Marine Design

– Мне видится, что крупные госкомпании очень инертны и часто не работают на результат; по крайней мере, не на экономически разумный результат. Дело за небольшими компаниями, укомплектованными специалистами с практическим опытом. Но дадут ли им зеленый свет в продвижении проектов – большой вопрос... Мы это делаем на своем уровне, и размеры проектируемых нами судов растут. В 2020-ом мы разрабатываем проекты композитных судов – промыслового судна длиной 35 м и яхты 33 м.

– Какие плюсы и минусы новой системы формования корпусов кораблей методом вакуумной инфузии, использованной СНСЗ при строительстве тральщиков проекта 12700? Какие существуют способы борьбы с зонами непроклея, возникающими при этой технологии?

Роман Васильев, "Балтико-ЛВМ-Политехник"

– На мой взгляд, те, кто распространяет миф об уникальности и универсальности технологии вакуумной инфузии, оказывает вред развитию отрасли. Мы и так серьезно отстаем от европейских стран, и если еще будем считать себя уникальными в простых вещах, то никогда никого не догоним. Технология инфузии существует десятки лет, и в ней нет ничего уникального. Действительно уникальным является опыт, полученный специалистами СНСЗ при работе с очень сложной частной задачей, требующей специальных решений – пропитка монолитного 60-ти метрового корпуса с большими толщинами. Такой уникальный опыт, безусловно, позволяет решать очень сложные технологические задачи и свидетельствует о возможностях предприятия.

Что касается зон непропитки, то это неизбежная плата за масштаб технологического процесса. Мы получаем монолитный корпус с соответствующими преимуществами и зонами непропитки, которые потом точечно допропитываем. Можно пропитывать по секциям, тогда возникали бы стыки между секциями. Минимизировать вероятность таких зон, и, благодарю этому, повысить качество корпуса, можно, на мой взгляд, численным моделированием технологического процесса инфузии. Это требует настроек расчетных моделей и некоторого количества времени, но, насколько известно, такая работа на СНСЗ была начата.

Альберт Назаров, Albatross Marine Design

– Этому "новому" методу уже как минимум два десятка лет активного применения... В 1990-м технология была запатентована в США, а вообще ее истоки уходят в 1940-е. В чем плюсы и в чем минусы инфузии? Давайте разберемся, во-первых, преимуществом является прочность – при инфузии получаются более прочные ламинаты за счет высокого содержания арматуры, во-вторых, контроль качества – гарантированные свойства ламината по прочности и массе. Метод повышает производительность процесса постройки за счет снижения человеко-часов при формовке, и дает возможность использовать более толстые комбинированные ткани. Также к плюсам можно отнести защиту производственного персонала от вредных воздействий химических компонентов и меньший объем отходов.

К недостаткам и потенциальным проблемам вакуумной инфузии относится необходимость специализированной подготовка персонала, также требуется более сложный контроль производственного процесса (вязкость связующего, уровень вакуума, температура в том числе при полимеризации и т.д.). Технология имеет более высокую стоимость за счет применения специальных смол, арматуры и расходных материалов, необходимой подготовки оснастки. Также отмечу более высокий риск процесса инфузии по сравнению с ручным (контактным) формованием и более высокую цену ошибки.

Зоны непроклея – это сухие зоны, куда "не дошла" смола при вакуумной инфузии. Решается расчетом/подбором схемы подачи связующего, подбором самого связующего и армирующих материалов. По поводу тральщика СНСЗ я уже высказывался: его конструкция из композитов на головном судне внешне выглядит как стальная, по конструктивным решениям – это не лучший пример для подражания.

– Какие композитные материалы сегодня считаются наиболее перспективными в судостроении?

Сергей Чижиумов, Политех Петра Великого

– Гибридные конструкции. Углепластики со временем становятся более дешевыми и экономически эффективными. Однако их применение бывает "не к месту". В каждом конкретном случае требуется анализ.

Роман Васильев, "Балтико-ЛВМ-Политехник"

– Наиболее перспективным является не какой-то один тип, а рациональное сочетание технологий и типов, учитывающее особенности эксплуатации каждого элемента судовой конструкции. То, что предполагается, к примеру, в проекте RAMSESS.

Игорь Ласкорунский, UMATEX

– Как производители материалов, мы, конечно же, считаем наиболее перспективным для применения в судостроении углеродное волокно и ткани на его основе. С нами согласны и наши потребители в Италии, Германии, Великобритании и Китае. Это подтверждается мировым опытом применения композитов в судостроении. В отечественном судостроении, думаю, недооценены гибридные материалы (углерод-стекло), хотя на экспорт мы их поставляем. Еще более перспективными материалами, на наш взгляд, являются пришедшие из авиации препреги.

На сегодня внедрение материалов на углеродной основе сдерживается не только относительно высокой ценой, но и определенным недостатком знаний, специалистов по проектированию. Цена, в свою очередь, зависит от объема производства. В общем – замкнутый круг. Но мы из него выходим.

В ОЭЗ "Алабуга", г. Елабуга, Татарстан завершается строительство современного завода по выработке сырья для производства углеродного волокна. У штурвала – наша управляющая компания АО "НПК "Химпроминжиниринг" (бренд UMATEX). С запуском завода, уже в следующем году мы будем готовы обеспечить потребителей полностью отечественным сырьем по конкурентоспособным ценам.
 

Не самый крупный, но, пожалуй, один из самых перспективных проектов Госкорпорации "Росатом" – строительство завода по выпуску ПАН-прекурсора – сырья для производства углеродного волокна. Реализует проект – АО "НПК "Химпроминжиниринг" (UMATEX) / UMATEX

Наряду с углеволокном марки UMT, углеродными лентами и тканями, мы разрабатываем мультиаксиальные ткани с предварительно нанесенным адгезионным слоем. Их применение позволит снизить трудоемкость выкладки в первую очередь крупных, в том числе характерных для судостроения криволинейных поверхностей, отказаться от применения импортных аэрозольных клеевых составов.

Кроме того, перспективным является внедрение роботизированных технологий для изготовления изделий и оснастки. Здесь АО "Препрег-СКМ" уже сейчас может предложить ленточные препреги для автоматической выкладки.

Следующие шаги, на наш взгляд, это создание интеллектуальных композитных материалов с системой встроенного контроля деформации и температуры, внедрение метода RFI формования, создание современных связующих, в том числе полимеризующихся с применение УФ-излучения, новых модификаторов для них, картриджей для промышленных 3D-принтеров.

– До недавних пор самым большим кораблем, построенным из композита, был корвет Visby длиной 73 м. Для корпусов такого большого габарита характерны большие изгибающие моменты, какие конструкционные решения это предполагает?

Роман Васильев, "Балтико-ЛВМ-Политехник"

– В первую очередь, применение трехслойных композиционных материалов (сэндвич-панелей) для увеличения момента инерции.

Сергей Чижиумов, Политех Петра Великого

– Стальные, гибридные конструкции. Однако для военного корабля не менее важны другие критерии.

Альберт Назаров, Albatross Marine Design

– В отличие от металлических судов, материал композитного судна создается непосредственно в процессе проектирования и постройки судна. То есть, конструктор имеет возможность варьировать тип арматуры и направление армирования в зависимости от действующих нагрузок. Таким образом, можно оптимизировать конструкцию под действующие нагрузки, и изгибающие моменты здесь не исключение. Наш опыт в основном связан с общей прочностью катамаранов, которые в дополнение к продольным нагрузкам испытывают также поперечный изгиб, поперечный сдвиг и кручение – подобные задачи мы решаем с использованием методов численного моделирования.
 

Пример МКЭ-анализа моста катамарана длиной 18 м из композитных материалов, при скручивании относительно продольной оси. Показаны запасы прочности RF по критерию Цая-Ву; для композитных судов необходимо одновременно проверять ряд критериев, например, напряжений, межслойного сдвига в ламинате, касательных напряжений в заполнителе, деформаций и т.д. / Albatross Marine Design

– Сегодня часто речь заходит об использовании в судостроении гибридных конструкций (композит/сталь). Какие методы соединения этих материалов наиболее перспективны?

Роман Васильев, "Балтико-ЛВМ-Политехник"

– Сталь имеет плохую адгезию к композиту. На сегодня наиболее популярным сочетанием этих материалов является болтовое соединение. На мой взгляд, перспективна и обмотка стальных элементов непрерывными жгутами.

Сергей Чижиумов, Политех Петра Великого

– В этой области полезно использовать опыт авиастроения, где широко применяются гибридные (интегральные) конструкции. Методы соединений также достаточно разработаны. Они зависят от конкретных материалов, конструкций и узлов. Например, в нагруженных элементах от общего изгиба судна представляются перспективными внутренние силовые металлические вставки в виде продольных гофров в заполнителе трехслойных панелей (рис. a). В соединениях надстроек из ПКМ со стальным корпусом эффективны болтовые соединения с проклейкой (рис. b). Развиваются различные полимерные покрытия металлической обшивки (настилов) (противокоррозионные, демпфирующие и др.) с высокой адгезией. Если ввести в них армирующие материалы, то они будут обеспечивать и функции повышения прочности. В некоторых источниках имеются предложения по приданию тонкостенной стальной обшивке (настилу) небольшой гофрировки с ориентацией гофров вдоль сжимающих напряжений и выравниванием поверхности полимерным композиционным материалом. В результате значительно повышаются прочностные и вибрационные качества конструкции.

Что касается обеспечения чистоты и микроклимата при работах с ПКМ, то это "больная" тема, полагаю (хорошо, если ошибаюсь) на многих предприятиях. Бывают случаи, когда на стапеле одновременно ведутся работы по резке панелей ПКМ и по склеиванию соединений. При этом повсюду стеклянная пыль, сборщики работают без респираторов, контроль микроклимата не ведется. Другими словами, требования техпроцессов и сами техпроцессы существуют "параллельно".
 
– Одной из задач проекта RAMSESS (в число участников которого входит Бюро Веритас) станет создание нормативной базы для строительства судов из композиционных материалов длиной до 85 м, действующие ныне регламенты охватывают суда водоизмещением до 500 т (24 м). Российская ОСТ5 по композитному судостроению разрабатывалась более полувека назад, какие параметры заложены в сегодняшние правила проектирования РД5?

Роман Васильев, "Балтико-ЛВМ-Политехник"

– С нормативной базой по композитам в судостроении дела обстоят плохо. Новые правила Морского регистра по композитам закрыли большой пробел, но по сравнению с другими классификационными обществами есть куда стремиться в части, например, высокоскоростных судов. Речной регистр ничего не предлагает, несмотря на то что в речном транспорте композит имеет много возможностей. ОСТ5 из прошлого ни в какие ворота не лезет. К сожалению, ничего не слышал о РД5.

Альберт Назаров, Albatross Marine Design

– Нормативная база для проектирования конструкций судов из композитов давно существует; у DNVGL и LR правила не ограничивают длину судна из композитов 24 м, да и у BV, IRS и других тоже. Для судов до 24 м длиной мы используем стандарт ISO12215-5 и -6, который, кстати, был переиздан и сейчас включает и суда для профессионального использования. Российскими ОСТ мы не пользуемся, в настоящее время этот документ имеет исключительно антикварную ценность – настолько поменялись материалы и технологии.

Роман Васильев, "Балтико-ЛВМ-Политехник"

– Новые правила Российского морского регистра (2019 г.) к судам из ПКМ гораздо более полные и конкретные по сравнению с более ранними требованиями. Они применимы к корпусам судов из ПКМ длиной до 70 м и содержат требования к материалам, их испытаниям, к конструкциям и их размерам, указания к расчетам и нормы прочности. Отраслевой стандарт на корпуса из стеклопластика действует с 1991 г. Он содержит также правила проектирования и указания по расчетам прочности. Таким образом, в настоящее время имеется отечественная нормативная база. Остается только вопрос, насколько безопасно применять эти правила для постройки крупных судов, если отсутствует опыт их эксплуатации. Что касается указаний по расчетам прочности, то они основаны на применении аналитических методов (расчет общей прочности методом эквивалентного бруса, расчет отдельных пластин и балок). Назрела необходимость разработки нормативных указаний по прямому конечно-элементному анализу прочности композитных конструкций.

– IMO выпустила временное руководство по использованию в судостроении композитных материалов FRP, рассчитанное на 4 года. Что оно предполагает?

Альберт Назаров, Albatross Marine Design

– Руководство содержит перечисление проблем композитного судостроения, сосредоточено на альтернативных методах оценки противопожарной безопасности для судов, попадающих под нормы SOLAS. Никаких проблем оно не решает, т.к. там, где композитные суда уже строят, их и будут продолжать строить. Там, где их по каким-то причинам запрещают строить, вряд ли альтернативные методы смогут кого-то убедить.

Суда большого водоизмещения из композитов – это реально? Часть 1

Композиты в российском судостроении: каковы перспективы?