CC BY-NC
12
Б01: 10.24937/2542-2324-2022-1-8-1-28-32 УДК: 629.5.011:061.1
С.М. Кордонец, М.А. Кутейников, д.т.н., А.В. Кучапов, М.Е. Юрков
ФАУ «Российский морской регистр судоходства», Санкт-Петербург, Россия
РАСШИРЕНИЕ КОМПЕТЕНЦИЙ РОССИЙСКОГО МОРСКОГО РЕГИСТРА СУДОХОДСТВА. ВВЕДЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ИННОВАЦИОННЫМ МАТЕРИАЛАМ И ТЕХНОЛОГИЯМ
В статье рассматриваются инновационные материалы и технологии для судостроения и внедрение их в нормативную базу Российского морского регистра судоходства (далее-Регистр, РС) в 2020-2021 гг. К таким технологиям относятся: сварка трением с перемешиванием, аддитивные технологии, полимерные композиционные материалы. При этом с практическим применением аддитивных технологий и сварки трением с перемешиванием Регистр сталкивается впервые. Опыт применения и нормирования технологий изготовления полимерных композиционные материалов в Регистре уже имелся, в данной статье рассматривается развитие применения данной технологии. В статье также, на примерах с указанными инновациями показан подход РС к их внедрению и совершенствованию Правил.
Ключевые слова: Сварка трением с перемешиванием, аддитивные технологии, полимерные композиционные материалы, ПКМ, полимеры, дейдвудный подшипник, гребной вал, контейнер-цистерна, 1АС8, Российский морской регистр судоходства, Регистр, РС.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
Сварка трением с перемешиванием
Сварка трением с перемешиванием (СТП) (friction stir welding (FSW)) - СТП (friction stir welding; FSW): Процесс соединения, в результате которого выполняется сварной шов путем нагрева трением и перемешивания материала в пластифицированном состоянии, вызванном вращением инструмента, который движется вдоль свариваемых деталей рис. 1 (определение согласно ГОСТ ISO 25239-1-2020).
К достоинствам СТП можно отнести высокую производительность процесса и минимальные зна-
чения деформаций конструкций после сварки. Данный процесс сварки не требует применения сварочных материалов. Из недостатков можно отметить, что на сегодняшний день, данная технология отработана и целесообразна в применении лишь для прямолинейных швов, выполняемых на поточных линиях.
В 2020-2021гг. в Российский морской регистр судоходства (РС) поступали запросы от производителей контейнеров-цистерн о планах изготовления емкостей из алюминиевых сплавов с обязательным применением для их изготовления СТП.
В марте 2021 РС совместно с заводом-производителем контейнеров-цистерн АО «Сеспель» и при участии ФГУП НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей» были подготовлены предложения к Правилам РС и представлены на заседании секции НТС «Материалы и сварка». Секция НТС в целом одобрила предложения к Правилам РС.
Несмотря на то, что нормативные документы, регламентирующие СТП уже существуют (стандарт ISO 25239:2011, а также наличие аналогичных требований у иностранных классификационных обществ), они поверхностные и не отвечают на ряд практических вопросов. При внедрении требований
Рис. 1. Схема процесса сварки трением с перемешиванием
Для цитирования: Кордонец С.М., Кутейников М.А., д.т.н., Кучапов А.В., Юрков М.Е. Расширение компетенций российского морского регистра судоходства. Введение требований к инновационным материалам и технологиям. Труды Крыловского государственного научного центра. 2022; Специальный выпуск 1: 28-32.
в Правила РС возникла необходимость дополнительной проработки следующего:
1. Неразрушающий контроль сварных соединений. Определены применимые к сварке СТП методы неразрушающего контроля сварных соединений (визуальный и измерительный контроль, радиографический и ультразвуковой контроль и их усовершенствованные методы) и объем неразрушающего контроля.
2. Допуск операторов оборудования для СТП. Изложена процедура допуска операторов оборудования для СТП с учетом требований ГОСТ ISO 25239-3-2020, в которой указаны технологические требования к сварке проб из алюминиевых сплавов, их неразрушающему контролю и механическим испытаниям сварочных образцов, порядок работы аттестационной комиссии в процессе аттестации операторов СТП.
3. Одобрение технологических процессов сварки. Определен порядок одобрения технологических процессов СТП алюминиевых сплавов, с учетом требований ГОСТ ISO 25239-4-2020, включающий требования к сварке проб из алюминиевых сплавов, их неразрушающему контролю и механическим испытаниям сварочных образцов, соответствующей разрабатываемой и отчетной документации, области одобрения технологического процесса сварки. Изменения к Правилам РС были внесены в 2021
посредством выпуска циркулярного письма. Необходимо отметить, что данные изменения дают возможность применения технологии СТП только для изготовления сосудов для контейнеров-цистерн.
Одновременно в 2021г. Регистром была заказана научно-исследовательская работа по внесению изменений в Правила для возможности применения СТП не только для отдельных изделий, но и для судостроения в целом. Работу выполняет ФГУП НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей». Результаты работы планируется внести в Правила РС в 2022г.
Наличие требований к СТП в Правилах РС позволяют заводам-производителям применять данный процесс сварки при изготовлении конструкций из алюминиевых сплавов, объектов наблюдения РС, а инспекторам Регистра выполнять освидетельствование таких конструкций.
Аддитивные технологии
Описывая сложившийся технологический уклад, фундаментально можно разделить на формативный, субтрактивный и аддитивное типы производства
изделий: первые два типа считаются традиционными, их суть заключается в формировании конечной поверхности изделия путем придания формы (литье, ковка, прокатка и т.д.) и отсечения (фрезерование, сверление и т.д.) соответственно; аддитивный же метод предполагает добавление к уже полученной форме полупродукта дополнительных объемных элементов путем приварки, приклеивания, припаивания.
В наше время в судостроении находит применение способ получения металлических полуфабрикатов методом аддитивной технологии, заключающийся в послойном выращивании изделия на основе цифровой модели. Из процессов можно выделить следующие процессы аддитивного синтеза:
PBF, SLM, СЛП - Powder Bed Fusion, Selective Laser Melting, Селективное Лазерное Плавление. Для создания изделия этим методом на поверхность подложки наносится равномерный по толщине слой металлического порошка, поступающий из емкости подачи. Включается лазер, луч которого, направляемый подвижными зеркалами или роботизированной оснасткой и фокусирующей линзой, по сгенерированным виртуальным моделям сканирует поверхность нанесенного слоя порошка и формирует первичный слой изготавливаемого объекта методом расплавления сырья. Таким образом оказываются сплавленными те области, которые соответствуют текущему срезу изделия. После завершения сканирования подвижное дно рабочей камеры опускается на толщину наносимого слоя порошка, тем самым переходя к следующему срезу изделия, а на поверхность сканирования добавляется порошок, так как в процессе работы он расходуется. Дойдя до верхней точки модели, процесс останавливается, платформа с готовым изделием поднимается для очистки от неиспользованного порошка.
DED - Directed Energy Deposition, Прямой подвод энергии и материала. Как и в случае с SLM, предварительно подготовленная виртуальная модель будущего полуфабриката условно разделяется на слои, соответствующие толщиной наплавляемому слою. На подложку подается порошок посредством сфокусированной струи. При этом в точку нанесения порошка также сфокусирован лазер луч, расплавляющий порошок в точке нанесения и приводящий к формированию области изделия. Точка фокуса при этом движется за счет перемещения форсунки с головкой лазера, таким образом сканируя сечение модели. После завершения нанесения слоя головка поднимается на высоту одного слоя, и операция повторяется в отношении следующего
к. ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
29
Группа 1. Секции А, Е
слоя виртуальной модели изделия. Также этот метод может применять электрическую дугу вместо луча и проволоку вместо порошка.
Оба процесса получили распространение в индустрии и имеют свои преимущества и недостатки. В целом, выращивание полуфабрикатов дает возможность производить изделия принципиально более сложных форм, чем при применении традиционных методов синтеза. Необходимость в конфигурации разветвленных сокрытых каналов внутри будущей детали, сложная трехмерная форма поверхности, сочетание различных металлов в разных областях одного изделия - эти технические задачи могут быть решены при помощи аддитивного синтеза за значительно меньшее время и при меньшем разделении труда. Недостатки существующих методов также существенны: низкая производительность (сравнительная невыгодность выхода на уровень серийного и массового производства), низкий предел выносливости выращенного металла и анизотропия механических свойств, дефекты структуры и необходимость приобретения недешевого сырья. Также стоит отметить низкий КПД установок и необходимость в применении больших объемов химически нейтральных газов, создающих атмосферу вокруг зоны плавления. Все эти достоинства и недостатки учитываются индустрией в должной мере.
Также стоит отметить возможности ремонта поверхности изношенных изделий методом наплавки, который по своей сути также является аддитивным. Таким образом можно восстанавливать поверхности валов, гребных винтов и иных изделий, существенно снижая эксплуатационные затраты на полную их замену.
В конце 2020 года XIII часть Правил классификации и постройки морских судов Регистра пополнились новым разделом 11 «Продукты аддитивного производства».
В разделе вводятся основные определения, требования к сырью и входному контролю. Сформулированы требования к производству и к контролю качества продукции, определен объем испытаний в зависимости от вида материала. Особо уделено внимание специфики отбора проб для испытаний продуктов данного типа производства, где пробы могут быть как добавлены к телу продукта, так и изготавливается параллельно - образцы свидетели. Так же учтены другие особенности для данного вида продуктов: нормы поверхностных дефектов и нормы ремонта готовой продукции.
В будущем раздел пополнится регламентирующими требованиями к аддитивному ремонту
и выращиванию отдельных компонентов изделий на подложке иного происхождения. В данном дополнении планируется учесть влияние технологических операций по наращиванию на свойства металла подложи, а также совместимость наращиваемого материала и подложки.
Полимерные композиционные материалы (ПКМ)
Номенклатура изделий в судостроении, которые могут быть изготовлены из ПКМ взамен традиционным материалам продолжает расширятся. Так, на основании проведенной НИР в Правила РС 2022г. вводится возможность применения гребных валов (центральные секции) и муфты из ПКМ рис. 2. Валы из ПКМ имеют преимущества по отношению к валам из традиционных материалов, заключающиеся в более высоких характеристиках удельной прочности, жесткости, демпфирования, а также в выигрыше в весе от 25 до 80 %.
Сформулированы требования как к исходным материалам (матрице-смолам, наполнителям -стекловолокно, углеродное волокно), так и к самим ПКМ для гребных валов. Выбраны оптимальные технологии изготовления подобных валов, заключающие в технологиях намотки филамента (наполнителя) с определенным усилием и под разными углами (схемы намотки). Определены возможные дефекты в материале и методы их обнаружения. Дефекты матрицы: поры, пустоты, пузыри, дефекты наполнителя: складки, разрывы, расслоения.
Также на основании НИР в Правила РС 2022г вводятся новые, пересмотренные требования к антифрикционным полимерным материалам и ПКМ для изготовления судовых дейдвудных подшипников. Ранее Правилами применялись общие требования к материалу без учета специфики требуемых свойств. Новыми требованиями к материалу дейд-вудных подшипников вводятся определение таких специфических параметров как коэффициент трения, твердость, ползучесть, набухание. Пересмотр требований вызван появлением новых материалов, обеспечивающим по своим характеристикам более высокие показатели изнашивания.
Наиболее перспективным направлением в области совершенствование подобных подшипников является создание бинарных поверхностей трения, в которых поверхность одного материала выполняет силовую функцию, а другого твердосмазочную рис 3.
Стоит отметить, что в настоящее время в Международной ассоциации классификационных об-
Рис. 2. Элемент валопровода из ПКМ
ществ (1ЛС8) также ведутся работы по созданию унифицированных требований (общих для всех классификационных обществ ассоциации) к подобным материалам. РС принимает участие в данной работе
В 2021-2022г. в Подкомитете по перевозке опасных грузов (ТБ059) при Экономическом и социальном совете ООН (ЭКОСОС) по инициативе РФ и при участии РС создана международная рабочая группа для разработки требований к арматуре из ПКМ для контейнеров-цистерн. В настоящее время международными документами такая арматура не допускается к применению для контейнерных перевозок. Результатом работы рабочей группы будет новый раздел «Оранжевой книги» (Рекомендации по перевозке опасных грузов, Типовые правила ООН) - «Требования к проектированию, изготовлению, проверке и испытаниям запорных клапанов, предохранительных устройств и люков для переносных цистерн из ПКМ». Даная работа является продолжением уже выполненной в 2021 г. работы по внесению в «Оранжевую книгу» новой главы с требованиями к контейнерам-цистернам для перевозки опасных грузов с сосудом из ПКМ. Данная работа была также инициирована РФ при участии РС. Замена материала арматуры из ПКМ вызвана прежде всего стойкостью материала к агрессивной среде и более низкой стоимостью по сравнению с традиционно применяемыми материалами (нержавеющей сталью).
В разрабатываемом документе для целей проектирования арматуры из ПКМ применяются коэффициенты безопасности, характеризующие деградацию материала в зависимости от внешних факторов, возникающих при эксплуатации (воздействие химических веществ, соляного тумана, ультрафиолета, температуры, факторы старения, усталости).
Рис. 3. Примеры
дейдвудных
подшипников
с бинарными
поверхностями
трения
Список использованной литературы
1. Правила классификации и постройки морских судов, 2021г., ФАУ «Российский морской регистр судоходства»;
2. Правила технического наблюдения за постройкой судов и изготовлением материалов и изделий для судов, 2021, ФАУ «Российский морской регистр судоходства»;
3. ГОСТ ISO 25239 Сварка трением с перемешиванием. Алюминий, части 1-5, 2020;
4. Recommendations on the TRANSPORT OF DANGEROUS GOODS, 2021, UNITED NATIONS, New York and Geneva.
Сведения об авторах
Кордонец Сергей Михайлович, инженер ФАУ «Российский морской регистр судоходства». Адрес: 191186, Россия, г. Санкт-Петербург, Дворцовая наб., 8. Тел.: +7 (812) 314-07-34. E-mail: kordonets.sm@rs-class.org. Кутейников Михаил Анатольевич, д.т.н., начальник отдела ФАУ «Российский морской регистр судоходства». Адрес: 191186, Россия, г. Санкт-Петербург, Дворцовая наб., 8. Тел.: +7 (812) 312-85-72. E-mail: kuteynikov.ma@rs-class.org.
Кучапов Андрей Владимирович, инженер ФАУ «Российский морской регистр судоходства». Адрес: 191186, Россия, г. Санкт-Петербург, Дворцовая наб., 8. Тел.: +7 (812) 314-07-34. E-mail: kuchapov.av@rs-class.org.
Юрков Максим Евгеньевич, инженер ФАУ «Российский морской регистр судоходства». Адрес: 191186, Россия, г. Санкт-Петербург, Дворцовая наб., 8. Тел.: +7 (812) 31407-34. E-mail: yurkov.me@rs-class.org.
Поступила / Received: 29.12.21 Принята в печать / Accepted: 28.02.22 © Коллектив авторов, 2022
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
31
