Композиты в российском судостроении: каковы перспективы?

Изображение: НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей"

– Внедрение полимерных и композиционных материалов является одним из приоритетов инновационного развития судостроения. Для изготовления корпусных конструкций (обшивок корпусов, надстроек, палуб, переборок, конструктивных связей, крыши и т.д.)

Лишевич И. В., к.т.н., заместитель генерального директора НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей"

внедрены и широко применяются полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе армирующих материалов различной химической природы и полимерных матриц в виде реактопластов – полиэфирных и винилэфирных смол.

Опыт использования таких материалов подтвердил ряд их преимуществ перед сталью и алюминиевыми сплавами: низкий вес конструкций при высокой удельной прочности, коррозионная стойкость, низкая теплопроводность, возможность достижения в одном материале полифункциональных свойств (радиопоглощение, звукопрозрачность, вибродемпфирование). Но до сих пор актуален недостаток, свойственный полимерам, – их горючесть. Например, такой традиционный корпусный конструкционный материал, как стеклопластик на основе импортных или отечественных бромированных винилэфирных смол, допущенный к применению в судостроении Межведомственной комиссией по неметаллическим материалам и применяемый при строительстве судов, является горючим трудновоспламеняемым материалом с медленным распространением пламени по поверхности.

В соответствии с правилами части XVI Российского морского регистра судоходства (РМРС) ПКМ, применяемые в корпусных конструкциях, должны обладать такими свойствами, как негорючесть, а также не представлять опасность в отношении выделения токсичных или взрывоопасных продуктов при повышенных температурах. Требования к пожароопасным свойствам определяются в зависимости от типа судна и положений правил РМРС, на которые был одобрен проект судна.

– Опыт использования полимерных композиционных материалов в кораблестроении составляет уже не один год, зачастую при строительстве тральщиков применяются композиты, приобретенные на гражданском рынке. Накопилась ли информация об их эксплуатационном поведении и износе на кораблях большого водоизмещения?

– В отечественном судостроении внедрение композитов, а именно стеклопластика, началось более 40 лет тому назад с постройки в 1966 г. первого в мире тральщика "Изумруд" (пр. 1252) водоизмещением 320 т. В период с 60-х до 80-х годов прошлого века было построено из стеклопластика более 100 противоминных кораблей водоизмещением от 60 до 320 т. Сегодня из ПКМ в отечественном судостроении серийно изготавливаются надстройки и амортизированные фундаментные рамы под главные двигатели кораблей пр. 20380 и 20385, обтекатели ГАС надводных кораблей и подводных лодок, виброизолирующие соединительные муфты и другие изделия судового оборудования и систем. Строится с применением ПКМ значительное количество малых плавсредств – спасательных шлюпок, прогулочных и спортивных лодок, рыболовецких баркасов, катеров различного назначения и т.д. Идет серийное строительство противоминного корабля пр. 12700 водоизмещением 790 т с корпусом и надстройкой, полностью изготовленными из композитов.

Изображение: НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей"

Накоплен большой опыт в области создания материалов и технологий изготовления крупногабаритных судовых корпусных конструкций. Консорциумом, в который вошли НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей", ЦМКБ "Алмаз", ФГУП "КГНЦ", АО "СНСЗ", созданы корабли проектов 12700, надстройка корвета пр. 20380-20385 и пассажирского катамарана пр. 23290 "Грифон" с использованием значительного количества ПКМ. Получены следующие результаты:
­– разработаны новые материалы;
– разработаны новые технологии изготовления крупногабаритных корпусных конструкций методом вакуумной инфузии;
– разработаны методы расчетов прочности и моделирования стратегии инфузии;
– освоено новое программное обеспечение, позволяющие моделировать технологию изготовления изделий из ПКМ.
– разработаны методы проектирования корпусных конструкций и кораблей в целом с использованием ПКМ;
– внесены изменения в правила классификации и постройки судов под контролем ФАУ РМРС.

Изображение: НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей"

Созданный научно-технический задел необходимо использовать при создании новых объектов гражданской морской техники, например, рыболовецких, пассажирских судов и др.

Однако объемы применения ПКМ в отечественной промышленности не превышают 1,5% от мирового объема потребления этих материалов. Для сравнения доля Китая в производстве и потреблении ПКМ составляет более 28%, США – 22%, Европейского Союза – около 14%.

Практически все развитые в промышленном отношении страны строят корабли противоминной обороны из стеклопластика большими сериями (проекты Landsoft – Швеция, Tripartite – Бельгия, Нидерланды и Франция, Sandown, Hunt – Великобритания, Lerici – Италия, Osprey – США и т.д.). Корабли этого класса стали объектом активной международной торговли вооружением и, как правило, строятся и используются как многоцелевые. Известный пример – серия шведских корветов Visby, корпус и надстройка которых имеют трехслойную конструкцию и выполнены полностью из композитов.

Самые передовые позиции в области применения углепластиков для кораблестроения сейчас занимают США со своим новым эсминцем типа Zumwalt, DDG-1000 (водоизмещение 15 000 тонн). Масса конструкции надстройки этого корабля составляет 900 тонн. Материал надстройки – в основном углепластик, но применены также и другие ПКМ для обеспечения радиопрозрачности и бронезащищенности. Надстройка обеспечивает размещение антенн РЛС, впускных и выпускных отверстий систем главной энергетической установки, бронирование.

Помимо корпусных конструкций судов, ПКМ применяются в ограждении выдвижных устройств, стабилизаторах и перьях рулей подводных лодок, в прочных корпусах подводных аппаратов, в гребных валах и винтах, трубопроводах.

Изображение: НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей"

Изображение: НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей"

В России одной из важнейших проблем при изготовлении крупногабаритных корпусных конструкций из ПКМ является полное или частичное отсутствие отечественных исходных компонентов. Только в последние годы, благодаря широкой поддержке государства в лице департамента химико-технологического комплекса и биоинженерных технологий Минпромторга России наметилась тенденция по разработке и созданию российского производства. Ранее для строящихся на АО "СНСЗ" проектов композитных судов использовались только импортные компоненты – огнестойкая винилэфирная смола фирмы Reichhold марки DION FR 9300 и мультиаксиальные стеклоткани фирмы Alhstrom марок 9677, 62031, 64004, 64009, 42031. В качестве материала для средних слоев трехслойных ПКМ используется полихлорвиниловый пенопласт марок Airex и DivinycellH (Швейцария, Швеция). Благодаря слаженной работе НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей", ФГУП "КГНЦ" и АО ЦМКБ "Алмаз" с привлечением ряда предприятий химической промышленности разработаны отечественные стеклоткани, новые огнестойкие винилэфирные и полиэфирные смолы.

Отечественные аналоги материалов средних слоев (пенопласты) до сих пор не разработаны либо в той или иной мере основаны на зарубежных компонентах или технологиях. Принимая во внимание геополитическую обстановку, данная работа должна быть начата безотлагательно.

Среди возможных вариантов развития разработок может быть государственно-частное партнерство либо полностью частное финансирование, однако в этом случае предприятие должно иметь гарантированный заказ.

Важно отметить, что прогресс, достигнутый в зарубежном судостроении в направлении внедрения ПКМ, связан с активной государственной поддержкой этих работ. Так, в США в число критически важных для развития вооруженных сил технологий была включена разработка и внедрение композитов в военную технику и вооружение. Во Франции была разработана и действует национальная программа по применению ПКМ в морской технике, в реализации которой участвуют Bureau Veritas Research & Development Centre, Institut de Recherche de la Construction Navale (IRCN), Service Technique des Constructions et Armes Navales (DCA/DCN/STCAN), IFREMER, 5 университетов, 16 верфей и много других организаций. Аналогичные программы и работы выполняются в Великобритании и Швеции.

Среди основных сдерживающих факторов применения ПКМ в России можно выделить:
– низкий уровень заинтересованности государства и компаний во внедрении новых композитов и технологий их переработки в промышленность;
– отсутствие эффективного механизма государственно-частного партнерства, низкий уровень консолидации и интеграции финансовых ресурсов;
– крайне низкий объем строящихся заказов, в первую очередь в гражданском секторе;
– ограниченные возможности отечественной промышленности в производстве современной химической продукции (смолы, отвердители, волокна и т.д.) и технологического оборудования переработки ПКМ в конструкции и изделия;
– устаревшие и неэффективные стандарты по внедрению ПКМ в судостроительное производство;
– дефицит квалифицированных кадров на всех уровнях отрасли.

– Какие композиты являются наиболее перспективными?

– Сегодня перспективы развития судостроения и, в первую очередь, кораблестроения (корабли малого водоизмещения и корабли с динамическими принципами поддержания) связывают с широким применением конструкционных углепластиков. Для изготовления корпусных конструкций современных кораблей в НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей" разработана серия углепластиков различных марок и гибридные материалы на их основе. Эти материалы при меньшей, чем у стеклопластика и металлов плотности (порядка 1550 кг/м³) обладают аналогичными или повышенными механическим характеристиками (модуль упругости не менее 55 ГПа, прочность при сжатии не менее 460 МПа, прочность при межслойном сдвиге не менее 50 МПа).

Изображение: НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей"

Также перспективными и востребованными при проектировании современных объектов морской техники будут материалы с сочетанием противоречивых требований по массе, прочности, заметности по физическим полям, функциональным свойствам. Традиционные материалы близки к исчерпанию возможностей модифицировать их свойства. Решением является совмещение армирующих материалов с различными свойствами в одном пакете, что позволит получить гибридный материал, обладающий полифункциональным комплексом свойств. Такие материалы принято называть гибридными ПКМ.

Следующим шагом в развитии композитов следует ожидать создание интеллектуальных полимерных композиционных материалов, развитие которых будет проходить в три этапа:
– создание интеллектуальных полимерных композиционных материалов первого типа с системой встроенного контроля деформации, температуры, давления и акустической эмиссии с интегрированными волоконно-оптическими сенсорами на основе волоконных брегговских решеток (или иных методик);
– создание интеллектуальных ПКМ второго типа, способных оценивать свое состояние по поступающей от встроенных датчиков информации;
– создание интеллектуальных ПКМ третьего типа – самовосстанавливающихся, т. е. способных на основании оценки своего состояния (типа и формы дефекта) возвращаться к исходным параметрам.

НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей" уже начал работу в этом направлении. Получены первые обнадеживающие результаты.

Создание функциональных ПКМ основано на использовании возможности широкого варьирования конечных свойств поверхности и внутренней структуры за счет различных сочетаний наполнителей, армирующих и связующих материалов.

– 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?

– Для масштабной реализации имеющегося задела необходима государственная программа поддержки строительства судов из ПКМ либо расширение государственно-частного партнерства на взаимовыгодных условиях. Поскольку речь идет о высококонкурентной сфере, именно государство должно выступать инициатором эффективных протекционистских мер в интересах сохранения и развития отечественных компетенций в высокотехнологичных отраслях промышленности. Сиюминутный рыночный расчет тут чреват стратегическим проигрышем уже в среднесрочной перспективе. Скупой, как обычно, платит дважды…