CC BY
21Токменинов К.А.
к.т.н., доцент, Белорусско-Российский университет, г. Могилев
ПЕРПЕКТИВЫ ОСВОЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В РЕСПУБЛИКЕ БЕЛАРУСЬ
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, технико-экономическое обоснование, технология спиральной намотки, импортозамещение.
Keywords: polymer composite materials, feasibility study, spiral winding technology, import substitution.
Республика Беларусь ограничена в природных ресурсах. Отсутствуют собственные рудные ресурсы металлов, весьма ограничены ресурсы углеводородов. Традиционно в машиностроительной отрасли используется большой объем металлических сплавов и, прежде всего, различные марки сталей. Металлургические предприятия Республики Беларусь в качестве сырья используют металлолом. Наиболее крупным металлургическим предприятием Беларуси является ОАО «Белорусский металлургический завод», г. Жодино. Указанное предприятие выпускает металлопрокат и отливки, используя технологию переработки металлолома. Покрыть потребности республики в металлах за счет собственного металлолома невозможно. Поэтому металлопрокат для промышленного производства и частично металлолом закупаются за пределами Республики Беларусь. На это уходит часть валютной выручки от экспорта выпускаемой продукции.
Стоимость исходных материалов при производстве продукции за счет логистических затрат и закладываемой поставщиком прибыли выше, чем в большинстве стран на рынках продукции белорусского производства, что, безусловно, приводит к росту себестоимости продукции и снижает ее конкурентоспособность. В силу указанных факторов, для Республики Беларусь весьма эффективными являются производства, обеспечивающие импортозамещение.
Следует отметить, что исторически, со времен Советского Союза и производственной кооперации в рамках бывшей страны, Республика Беларусь получила развитую химическую промышленность. Этот фактор стимулирует замену традиционных металлических сплавов на новые высокопрочные полимерные материалы, составляющие компоненты которых производятся в Беларуси.
В настоящее время такими материалами являются новые полимерные композиционные материалы (КМ). Про-мышленно освоены в России и находят применение три вида этих материалов: стеклопластики, углепластики, органопластики и различные комбинации материалов на базе указанных, например, органоуглепластики, стеклоуглепласти-ки и т. д.
Полимерные композиционные материалы начали активно осваиваться взамен традиционных металлических сплавов в семидесятые годы прошлого столетия. Происходило это, прежде всего, в оборонно-промышленном комплексе, в ракетостроении. Корпуса верхних ступеней ракет взамен деформируемых алюминиевых сплавов стали изготавливать вначале из стеклопластиков, затем органопластиков или угле-органопластиков. Эти материалы стали использоваться также для производства корпусов ракетных двигателей твердого топлива. Причиной замены алюминиевых сплавов на КМ послужили их высокие прочностные характеристики при низкой плотности. Стоимость КМ в то время была достаточно высокой. Но по мере отработки технологий изготовления изделий и увеличения объемов производства стоимость КМ стала снижаться, К середине восьмидесятых годов стоимость, например, стеклопластиков сравнялась со стоимостью среднеуглеродистых сталей.
В силу указанных факторов КМ начали все шире применяться для изделий народно-хозяйственного назначения. В Российской Федерации был освоен выпуск станков с ЧПУ для широкой номенклатуры изделий из КМ, прежде всего, методом спиральной намотки.
Республика Беларусь не имела собственного производства ракетной техники, поэтому технологии производства изделий из КМ и оборудование для их изготовления не производились и не осваивались. В настоящее время ситуация существенным образом изменилась. Представляется весьма перспективным в рамках импортозамещения осваивать производство целого ряда промышленной продукции из КМ.
Учитывая опыт и развитое производство станков для изготовления изделий из КМ, представляется целесообразным коммерческое сотрудничество РБ и РФ в плане освоения и развертывания производства некоторых видов продукции из композитов на территории Республики Беларусь.
На настоящем этапе наиболее целесообразным представляется освоение изделий из стеклопластиков. Это обусловлено тем, что в Беларуси налажено производство в требуемых объемах составляющих компонентов этих материалов - стеклонитей на ОАО «Полоцк-стекловолокно» г. Полоцк и эпоксидного связующего в ОАО «Белхим». Предприятие «Полоцк-стекловолокно» выпускает большие объемы стеклонитей и тканей, поставляет продукцию на внутренний рынок и экспортирует в 50 стран.
Отметим некоторые достоинства и перспективность применения стеклопластиков. Прежде всего, эти материалы обладают низкой плотностью - 2 г/см3 при средней прочности на разрыв в конструкции около 300 Мпа1. При этом стоимость их не превышает стоимости среднеуглеродистых сталей. Технология изготовления из них изделий методом спиральной намотки является малозатратной и промышленно освоенной. Углепластики и органопластики имеют более высокие физико-механические характеристики. Плотность углепластиков составляет 1,5 г/смъ органопластиков 1,3 г/смъ средняя прочность около 1000 Мпа. Следует отметить, что основой КМ является высокопрочная армирующая основа - 70% объемных, матрица - 30%. Основу при технологии изготовления спиральной намоткой составляют высокопрочные волокна: для углепластиков - углеродные жгуты, для органопластиков - арамидные нити СВМ, для стеклопластиков - стекловолокно. Матрицей являются, как правило, эпоксидные связующие.
Для различных изделий важной характеристикой может являться ее жесткость, которая определяется модулем упругости. Наибольшую жесткость имеют углепластики, модуль упругости которых составляет 112-145 Гпа, что близко к жесткости стальных сплавов. Модуль упругости стеклопластиков существенно ниже и равен 20.. .40 Гпа. Для сравнения модуль упругости штампованных алюминиевых сплавов равен 75 Гпа. КМ обладают большой анизотропией свойств, высокие физико-механические характеристики вдоль направления армирования и на порядок меньше поперек армирования.
Существенным отличием КМ от традиционных сплавов является то, что в процессе производства формируется не только изделие, но одновременно и сам материал. Физико-механические характеристики изделия зависят от схемы армирования изделия.2 Следует учитывать тот факт, что для армирующей основы КМ может использоваться смесь волокон в различных соотношениях, например, углеволокна и арамидных волокон, стекловолокна и углеволокна. Это позволяет варьировать прочностью и жесткостью конечных изделий. Указанные особенности создания изделий из КМ позволяют оптимизировать их, в том числе, с учетом эксплуатационных характеристик. Вместе с тем указанные свойства существенно усложняют процесс проектирования и отработки изделий, требуют более высокой квалификации разработчиков.
Важной характеристикой КМ является также их стоимость. Углепластики и органопластики имеют достаточно высокую стоимость, поэтому используются в изделиях, к которым предъявляются повышенные требования к весовым и прочностным характеристикам. Это, прежде всего, ракетная и авиационная техника. В частности, современные авиалайнеры на 30% и более состоят из полимерных композиционных материалов.
Стеклопластики по прочности, жесткости уступают углепластикам и органопластикам, но являются достаточно дешевыми материалами. Это делает их привлекательными для широкого использования в изделиях общего машиностроения. Следует также учитывать, что эти материалы обладают хорошей технологичностью, это позволяет в большинстве случаев существенно снизить себестоимость продукции. Для Республики Беларусь, как указывалось выше, дополнительным преимуществом является то, что освоение этих материалов способствует импортозамещению продукции.
При использовании стеклоткани ИПС-Т-1000 белорусского производства один килограмм конструкции из стеклопластика получается приблизительно в 1,5-1,8 раза дешевле одного килограмма изделия из стального металло-
3
проката .
Анализ выпускаемой в РБ продукции показал, что промышленное внедрение стеклопластиков может быть начато, прежде всего, с освоения производства железнодорожных цистерн из стеклопластиков на двух белорусских вагоностроительных заводах: СЗАО «Могилевский вагоностроительный завод» и СЗАО «Осиповичский вагоностроительный завод». Оба эти предприятия можно назвать сравнительно новыми, срок ввода в эксплуатацию не превышает 15 лет. Имеется доля российского капитала. Вместе с тем СЗАО «Могилевский вагоностроительный завод» находится в предбанкротном состоянии, а СЗАО «Осиповичский вагоностроительный завод» находится в стадии банкротства. СЗАО «Могилевский вагоностроительный завод» выпускает товарные вагоны и вагоны хоппер. СЗАО «Осиповичский вагоностроительный завод» изначально ориентирован на выпуск вагонов цистерн и танк-цистерн. Оба вида указанной продукции в Республике Беларусь не выпускались и весьма востребованы. В Беларуси имеются два современных нефтеперерабатывающих предприятия: Мозырьский и Новополоцкий НПЗ. Нефть для этих предприятий поступает по нефтепроводу из Российской Федерации, а также танкерами и по железной дороге из Азербайджана и некоторых других стран. Для транспортировки нефти по железной дороге весьма эффективно использование танк-цистерн, которые не требуют перегрузки нефти из танкеров на железнодорожные платформы. Цистерны используются также для доставки жидких удобрений и других жидкостей. Несмотря на благоприятные макроэкономические условия предприятия находятся в тяжелом финансовом положении. Основной причиной сложившейся ситуации является слабый сбыт готовой продукции, обусловленный ее высокой стоимостью.
На себестоимость продукции негативно влияет высокая стоимость стального проката, закупаемого за пределами РБ, а также высокие энергетические затраты, связанные с кузнечно-прессовыми и сварочными работами. При изготовлении цилиндрической обечайки и полусферических днищ цистерн с последующей сваркой составляющих частей изделия из металлопроката формируются высокие производственные затраты.
1 Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие - 3-е испр. изд. / Под ред. А.А. Берлина. - Санкт-Петербург: ЦОП «Профессия», 2011. - С. 12.
2 Токменинов К.А. Эффективность освоения полимерных композиционных материалов в промышленности // Russian Economic Bulletin. 2018 - № 3. - С. 14.
3 Токменинов К.А. Перспективы освоения полимерных композиционных материалов в Республике Беларусь // Вест. Бело-рус.-Рос. ун-та. - Могилев, 2018. - № 2. - С. 70.
Выходом из сложившейся ситуации может быть использование полимерного композиционного материала стеклопластика с использованием технологии спиральной намотки на оправку на специальных намоточных станках, производимых в Российской Федерации.
Железнодорожная цистерна представляет собой осесимметричное изделие типа «кокон», что является оптимальным для спиральной намотки. Технология и производство изделий такой конфигурации, как указывалось выше, хорошо освоены в Российской Федерации в оборонно-промышленном комплексе. В настоящее время производство стеклопластиковых цистерн налажено в РФ на заводе «Уралкриомаш». Поэтому можно утверждать, что целесообразность производства такой продукции в Республике Беларусь подтверждается практическим опытом предприятий Российской Федерации.
Для обоснования экономической эффективности производства новой продукции из КМ был проведен технико-экономический анализ.
Для организации производства цистерн из стеклопластиков предприятию необходимо приобрести оборудование: станки намоточные с ЧПУ, оснастку для изготовления одноразовых водополимерных оправок, тепловые камеры для полимеризации изделий.
В результате маркетинговых исследований в качестве базового оборудования для производства железнодорожных цистерн из стеклопластиков были выбраны станки намоточные, представленные в табл. 1. В качестве нового оборудования для спиральной намотки цистерн из стеклопластика был выбран один из станков, приведенных в табл. 1.
Таблица 1
Станки спиральной намотки
Название станка Установка ЦИга-шМег ИТШ - 2 ЕШШБ - 4000
Стана производитель Россия Китай Китай
Стоимость, $ США 30 000 25 000 24 000
Скорость вращения вала, об/мин 35 33 34
Производственные мощности, кг/ч 1300 1200 1240
Общая установленная мощность, кВт/ч 13 12 12,5
Оценка технического уровня выбранного оборудования с помощью комплексного показателя, показала, что технический уровень оборудования производства Российской Федерации и Китайской народной республики приблизительно равный. Отличие технического уровня находятся в пределах 3%, что лежит в пределах погрешности расчетов.
При определении срока окупаемости оборудования в состав капитальных затрат были включены единовременные затраты на закупку оборудования, капиталовложения в транспортные средства и капиталовложения в инструмент и технологическую оснастку, включенные в состав основных
С учетом стоимости оборудования, исходя из данных табл. 1, и указанных дополнительных затрат, суммарные затраты при освоении оборудования производства РФ, составят 36 000 $ США
При расчете затрат на вспомогательное оборудование и оснастку были учтены затраты, связанные с приобретением оборудования для тепловой полимеризации намотанных цистерн, а также затраты на приобретение форм для изготовления одноразовых оправок, обеспечивающих намотку цистерн. Предполагается изготавливать песчано-полимерные водорастворимые оправки, которые в настоящее время являются наиболее перспективными
В технико-экономическое обоснование эффективности инвестиционного проекта по производству стеклопла-стиковых цистерн не закладывались затраты на строительно-монтажные работы по строительства специального цеха. Предполагалось, что участок по производству цистерн из КМ будет размещаться на существующих производственных площадях.
Исходя из расчетов по обоснованию производства цистерн из стеклопластика на Могилевском вагоностроительном заводе был определен планируемый годовой экономический эффект в размере 17 200 $ США. При планируемых капитальных затратах в размере 36 000 $ США и годовом экономическом эффекте 17 200 $ США, срок окупаемости проекта не превысит двух лет, что является подтверждением высокой целесообразности организации рассматриваемого производства.
