CC BY
54
УДК 669.295
ТИТАН ДЛЯ ГРАЖДАНСКОГО СУДОСТРОЕНИЯ
А.С. Кудрявцев, Э.А. Карасёв, Н.Ф. Молчанова (ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»,
191015, г. Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, 49)
Показана техническая и экономическая целесообразность широкого применения титана и его сплавов в гражданском судостроении, в том числе взамен сплавов на медно-никелевой основе для различных систем трубопроводов забортной воды. С применением титана повышается надежность и увеличивается ресурс судов различного класса и назначения.
Ключевые слова: титановые сплавы, гражданское судостроение, коррозионная стойкость, ресурс изделий, надежность, экономическая целесообразность.
Titanium for the Civil Shipbuilding Industry. A.S. Kudryavtsev, E.A. Karasiov, N.F. Molchanova.
Technical and economic expediency of a wide use of titanium and its alloys in the civil shipbuilding industry is shown. In particular these materials can be used instead of Cu-Ni-based alloys for production of various sea-water piping systems. The use of titanium results in an improvement in the reliability and service life of ships belonged to various classes and designed for various purposes.
Key words: titanium alloys, civil shipbuilding, corrosion resistance, service life, reliability, economic expediency.
Развитие ведущих отраслей промышленности в значительной степени определяется успехами в создании и объемами применения новых материалов с особыми свойствами. От этого фактически зависит научно-технический уровень и промышленный потенциал отрасли.
Вторая половина двадцатого века ознаменовалась разработкой и освоением в технике большого количества новых прогрессивных материалов, среди которых титан и сплавы на его основе заняли одно из ведущих мест.
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» впервые в мировой практике инициировал применение титановых сплавов, обладающих уникальным комплексом свойств - высокой удельной прочностью, немагнитностью, высокой коррозионной стойкостью в морской воде, повышенной радиационной стойкостью при нейтронном облучении, в качестве материалов для морской техники.
Разработка титановых сплавов и их применение
Разработки по созданию морских титановых сплавов стали одним из направлений научных исследований ФГУП ЦНИИ КМ «Проме-
тей», в результате которых предложена специальная теория легирования и термопластической обработки на основе физического взаимодействия легирующих элементов в пределах а- и псевдо-а-сплавов титана.
Определена и научно обоснована область морских титановых сплавов по алюминиевому и молибденовому эквивалентам, при которой достигаются высокие свойства сплавов, в том числе и свариваемость, не требующая дополнительной термообработки (рис. 1) [1].
0 12 3 4 Моэкв, % Рис. 1. Область создания морских титановых сплавов
На основе этой теории создана серия специализированных титановых сплавов:
- корпусных - ПТ-3В, 17, 5В, 37 с высоким уровнем прочности;
- машиностроительных - ПТ-3М, ПТ-3В, 19;
- для атомной энергетики - ПТ-1М, ПТ-7М, ПТ-3В, 27;
- литейных сплавов - ТЛ3, ТЛ5, 5ВЛ, 37Л;
- для сварочной проволоки - 2В, ПТ-7Мсв.
Химический состав разработанных титановых сплавов приведен в ГОСТ 19807, ОСТ 1 92077, ОСТ 5Р.9071, ГОСТ 27265.
Применение разработанных высокопрочных, хорошо свариваемых титановых сплавов решило проблемы надежности и ресурса глубоководной морской техники и транспортной атомной энергетики, позволивших создать образцы новой техники, обеспечивших прогресс в указанных областях [2-4].
Были созданы конструкции глубоководных аппаратов для эксплуатации на глубинах до 6 км и морских инженерных сооружений для добычи полезных ископаемых из недр океана (рис. 2).
Рис. 2. Глубоководный аппарат «Русь»
Большое значение во всем мире придается использованию титана при строительстве нефте- и газодобывающих платформ на морском шельфе (рис. 3).
Кроме высокой прочности и коррозионной стойкости, огромное значение приобретает невысокая плотность титана, что очень важно при монтаже платформ и для обеспечения
безремонтной эксплуатации всех систем и оборудования.
Рис. 3. Платформа для добычи углеводородов на шельфе
Сплавы титана находят применение при создании наиболее нагруженных узлов, работающих в контакте с продуктами добычи, с технологическими растворами и морской водой, таких как:
- бурильные и добывающие райзеры для глубин свыше 300 м;
- гибкие коллекторные трубопроводы и трубопроводы сбора продуктов добычи;
- корпуса насосов для бурильных растворов;
- теплообменное оборудование морских платформ;
- системы морской, пресной и оборотных вод и т.д.
Наглядным примером эффективного использования является опыт применения титана в ледокольном флоте России, где он применяется для изготовления парогенераторов транспортных АЭУ на действующих судах этого типа [5].
Применение титановых сплавов в парогенераторах увеличило их ресурс в десятки раз. В табл. 1 приведены данные о ледоколах России, эксплуатирующихся с 1970 г.
Как видно из представленных данных, ресурс парогенераторов АЭУ сопоставим со сроком эксплуатации ледоколов.
В настоящее время, кроме указанных ледоколов, эксплуатируются «Севморпуть», «Вай-
гач», «Ямал» и «50 лет Победы», а ледоколы «Ленин» и «Арктика» завершили плавание.
Стоимость конструкций из титана обычно выше стоимости конструкций из стали. Применять титан в конструкциях выгоднее, когда требуется высокий ресурс при высокой удельной прочности и сложных условиях эксплуатации (агрессивные среды, повышенные температуры и т.д.). В табл. 2 приведены сравнительные данные по эффективности применения титанового сплава ПТ7М для парогенераторов атомных ледоколов.
Из представленных данных следует, что первоначальная стоимость титановых паро-
генераторов в 5 раз выше, чем из нержавеющей стали аустенитного класса, но увеличение на порядок и выше ресурса работы парогенераторов из титана обеспечивает в 2,5-3,4 раза более низкую стоимость за весь период эксплуатации.
Применение титана для трубных систем забортной воды
Использование титана показало надежность его применения для различных систем трубопроводов забортной морской воды для теплосъема при охлаждении основных агрегатов, трюмных, балластных, бытового водоснабжения, пожаротушения, отопления и различного оборудования (парогенераторы,конденсаторы, задвижки, фильтры, поршневые и центробежные насосы, валы, погружные электродвигатели, гидравлические приводы и многое другое).
Эти конструкции показали высокую надежность, ресурс и экологическую безопасность. Большинство единиц оборудования при эксплуатации в течение длительного времени (10, 15, 25 лет) не выработало своего естественного физического ресурса, что важно также для систем гражданского судостроения.
Для постоянно действующих систем забортной воды гражданских судов традиционно в зависимости от скорости течения применяют трубы из меди М3С, сплава МНЖ5-1, арматуру, насосы, теплообменники - из сплавов на медной основе. Трубы и оборудование из медных сплавов в условиях эксплуатации судов не обеспечивают требуемого унифицированного ресурса и срока службы 100000 ч в течение срока службы корпуса судна 25 лет. Срок службы труб из медных сплавов до появления массовых поражений составляет не более 3-5 лет по причине недостаточной стойкости против контактной и струевой коррозии [6].
Опыт эксплуатации трубопроводов из сплавов на медной основе показывает, что скорость коррозии для труб увеличивается при усложнении их конструкции, увеличении скорости потока среды и появлении его турбулентности. Так, например, скорость коррозии тройников из сплава МНЖ5-1 в 3-4 раза
Таблица 2
Сравнительные данные по эффективности применения титана для парогенераторов ледоколов
Парогенератор
Характеристики из нержавеющей стали из титана
Стоимость материалов и изготовления, условные единицы 1 5
Ресурс парогенератора, тыс. ч 12 120-170
Число замен парогенераторов за срок службы судна 9 -
Относительная эксплуатационная стоимость парогенератора (с учетом замен в течение срока службы судна), условные единицы 2,5-3,4 1
Таблица 1
Эксплуатация титановых парогенераторов
на атомных ледоколах России
Наименование Год начала Наработка на
ледокола эксплуатации 31.12.2007 г., ч
«Ленин» 1970 107000
«Арктика» 1974 170000
«Россия» 1985 102000
«Советский Союз» 1989 95400
«Таймыр» 1989 120000
«Сибирь» 1977 95400
больше скорости коррозии прямых труб из этого же сплава и составляет 0,2 и 0,06 мм/год соответственно.
Основными коррозионными поражениями трубопроводов из медных сплавов являются износ и сквозные свищи от струевой коррозии. Это вызывает необходимость в процессе эксплуатации неоднократно проводить ремонт и их замену. Затраты на устранение коррозионных повреждений труб составляют 1/3 всех затрат на ремонт механизмов, а затраты на замену труб в 6-8 раз больше первоначальных затрат на материалы [7]. Отсюда видно, как велико значение выбора материала. Эффективное решение этой проблемы возможно при использовании материалов, обладающих более высокой коррозионной стойкостью, чем применяемые. Одним из таких материалов является титан. Предварительные расчеты показали, что применение титана позволит исключить замену и ремонт труб на весь период эксплуатации судна, что в конечном счете обеспечит экономию.
Несмотря на ограничения среднерасход-ных скоростей потока, местные увеличения скорости потока и его турбулизация являются основной причиной отказов в судовых трубопроводах забортной воды. В табл. 3 приведена коррозионная стойкость титана в морской воде и некоторых применяемых сплавов в условиях струевой коррозии - наиболее существенного фактора, воздействующего на износ внутренней поверхности стенок трубопровода.
Из табл. 3 следует, что даже при критической скорости струевой коррозии, которая для титана составляет 8,9 м/с, потеря массы за
год составляет всего 0,022 мг/см2. Это свидетельствует о том, что стойкость титана в морской воде в условиях струевой коррозии в десятки раз превосходит стойкость медно-никелевых сплавов и хромоникелевых сталей.
Влияние указанных факторов на ресурс различных систем забортной воды представлено на рис. 4.
Рис. 4. Фактический срок эксплуатации различных систем морских судов из традиционных материалов в сравнении с титановыми сплавами:
1 - система забортной воды; 2 - охлаждение энергоустановок; 3 - система пожаротушения; 4 - сточно-фановая система; 5 - балластно-осушительная система; 6 - система пресной воды
ОСТ 5.5104 регламентирует максимальные скорости течения морской воды для «слабых» элементов трубопроводов (тройни-
Таблица 3
Коррозионная стойкость титана и коррозионно-стойких сплавов в морской воде
в условиях струевой коррозии
Скорость потока воды, Потеря массы за год, Отношение стойкости
Материал м/с мг/см2 к стойкости титана, %
Титан >8,9 0,022 100,0
70 % Си+30 % N1+0,5 % Ре 5,5 30,7 0,007
70 % Си+30 % N1 (монель) 4,3 9,5 0,23
Коррозионно-стойкая сталь 18-8 - 1,92 1,13
ков, поворотов и т.п.), в которых в основном происходит струевая коррозия. Как следует из рис. 4, срок службы всех систем значительно ниже требований ОСТа, особенно для систем охлаждения энергоустановок и балла-стно-осушительной. Это указывает на необходимость применения титана как более коррозионно-стойкого материала.
На базе исследований и опыта эксплуатации изделий из титановых сплавов в кораблестроении установлено, что коррозионный ресурс этих изделий (труб, арматуры, насосов, теплообменников и т.п.) составляет более 120 тыс. ч. Это значительно выше требований ОСТ 5.5104 и, кроме того, обеспечивает ресурс систем трубопроводов без ремонта и замены на срок службы судна не менее 40 лет.
Как следует из изложенного, существенное повышение ресурса и надежности судовых систем забортной воды может быть достигнуто при их изготовлении полностью в титановом исполнении.
В настоящее время из-за отсутствия в полном объеме комплектующего оборудования из титановых сплавов в гражданском судостроении целесообразно применять титановые трубы совместно с арматурой и насосами из сплавов на медной основе.
Оборудование для глубоководной техники (насосы и арматура) из титановых сплавов рассчитаны и изготавливаются на более высокие рабочие параметры систем, чем требуется для судов гражданского флота.
Внедрение титана в гражданском судостроении в данной ситуации целесообразно осуществлять в тех устройствах и системах, изготовление которых выгодно заводу-строителю, и может быть практически реализовано на первой стадии применения. К числу таких систем относятся, прежде всего, трубопроводы различного назначения. Комплектующие систем трубопроводов (арматура и насосы), изготавливаемые другими заводами, рекомендуется применять в традиционном морском исполнении из сплавов на медной основе или в комбинированном исполнении.
Однако при совместном применении титановых труб с арматурой и другим оборудованием из сплавов на медной основе, возникает проблема контактной коррозии. Контакт-
ная (электрохимическая) коррозия возникает при контакте металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в электролите. При контакте с другими металлами титан является катодом, что приводит к разрушению металла-анода. Титан не подвержен действию контактной коррозии, но детали трубопроводов из других материалов, вступающих в контакт с титаном, требуют защиты. Поэтому для совместимости разнородных металлов необходима их защита от контактной коррозии.
Помимо традиционных способов защиты от контактной коррозии (гидро- и электроизоляция катода и анода, протекторная защита) в трубопроводах из титановых сплавов возможно применение поверхностного оксидирования титановых труб как способа снижения активной поверхности. В результате чего значительно падает его катодная эффективность. Это достигается в результате образования на поверхности титана искусственной окисной пленки ТЮ2, обладающей электрохимически изолирующими свойствами. ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» разработал способ термического оксидирования титанового сплава, позволяющий получать относительно толстую поверхностную защитную пленку ТЮ2 до 40 мкм с высокими электроизолирующими свойствами, за счет которой удается снизить катодную активность, например, на сплаве ВТ1-0 на 90 % [6].
Развитие морских транспортных судов на протяжении всей истории определялось стремлением получить максимальную эффективность от их эксплуатации. Обычно это достигалось использованием технологий, снижающих построечную стоимость судов. При этом не учитывались затраты, связанные с ликвидацией повреждений, полученных в процессе эксплуатации, 60 % из которых составляют коррозионные повреждения. Известно, что затраты, связанные с ремонтом и заменой судовых трубопроводов в 6-8 раз превышают первоначальную стоимость труб [7].
Проблема повышения ресурса и надежности судов является особенно острой в настоящее время, так как ресурс судов торгового флота полностью исчерпан, а его восстановление или проведение капитального ремонта технически и экономически затруднено.
Для гражданских судов в первую очередь перспективны сплавы с низкой и средней прочностью, поэтому для систем трубопроводов целесообразно применять сварные титановые трубы, которые по стоимости на 2030 % ниже бесшовных холоднодеформиро-ванных труб. Технологические испытания сварных труб из сплава ВТ1-0, поставляемых по ГОСТ 24890, показали их несомненную технологичность применительно к стандартному оборудованию Балтийского судостроительного завода. Это обеспечивает выполнение необходимых при изготовлении трубопроводов операций (раздача, отбортовка, развальцовка) без подогрева и последующей термообработки в пределах деформаций, допустимых для бесшовных титановых труб, поставляемых по ОСТ 5.95057 [6].
30-летний опыт эксплуатации титана в морской технике свидетельствует, что в техническом плане применение титановых изделий полностью себя оправдало. Вдвое меньшая плотность титана, меньшая толщина стенок применяемых труб, отсутствие необходимых замен в процессе эксплуатации обеспечивают снижение металлоемкости более чем в 4-5 раз, что приводит к оптимизации эксплуатационных расходов и достижению технико-экономического эффекта [6].
Заслуживает внимания применение сплава марки ВТ1-0 для систем пресной воды, в частности для цистерн питьевой воды. Применение титановых сплавов позволит не только увеличить срок сохранности питьевой воды, но благодаря бактерицидным свойствам титана сохранить показатели питьевой воды в соответствии с требованиями ГОСТ 2874 в течение 30 суток, что подтверждено результатами исследований работы [8] и Санитарно-эпидемиологическим заключением Госсанэ-пидслужбы РФ.
В настоящее время производство титана и его полуфабрикатов позволяет более широко применять его в системах трубопроводов судов в гражданском судостроении. Это особенно актуально для ряда новых судов различного класса (универсальные ледоколы, газовозы, плавучие платформы АЭС), что обеспечит срок их службы не менее 40 лет без
ремонта с соблюдением требований экологической безопасности.
В целях повышения конкурентоспособности отечественного судостроения разработана, одобрена Правительством РФ и утверждена стратегия развития на период до 2020 г.
В обеспечение создания конкурентоспособной техники утверждена ФЦП «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 годы». Поэтому в перспективе титан и его сплавы могут найти более широкое применение в гражданском судостроении, что потребует создания новых титановых сплавов, развитие которых было начато во второй половине XX века.
В становлении и развитии отечественной металлургии титана и его сплавов стояли такие видные ученые, как С.Г. Глазунов, В.И. Добаткин, И.В. Полин, В.А. Ливанов, Е.И. Морозов, Н.Ф. Аношкин, В.В. Тетюхин и другие.
Значительный вклад внес выдающийся ученый в области металловедения и технологии легких сплавов докт. техн. наук, член-корресподент РАН Владимир Иванович До-баткин, которому в 2010 г. отмечается 95-летие со дня рождения.
Его теоретические работы по процессам кристаллизации алюминиевых и титановых сплавов нашли практическое применение. Под общей редакцией В.И. Добаткина в ВИЛСе издавали сборник «Вакуумная дуговая плавка», который пользовался постоянным спросом специалистов и сыграл большую роль в развитии титанового производства, когда ощущался острый дефицит научно-технической информации в области изучения составов, структуры и свойств слитков и полуфабрикатов из титановых сплавов. В.И. Добаткин был постоянным членом Редакционного совета по выпуску серии «Титановые сплавы». Его труды актуальны и сегодня и пользуются постоянным спросом специалистов широкого круга.
Заключение
Приведенные в настоящей статье данные подтверждают техническую и экономическую целесообразность более широкого примене-
ния титана в гражданском судостроении, в том числе взамен сплавов на медно-никеле-вой основе для различных систем трубопроводов забортной воды. Применение титана обеспечивает повышение надежности и увеличивает ресурс судов различного класса и назначения.
В настоящее время созданная титановая промышленность страны входит в XXI век, подготовленной для решения самых сложных проблем в таких направлениях, как авиакосмическая отрасль, судовое машиностроение, атомная энергетика, химическая промышленность, и в других отраслях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горынин И.В., Ушков С.С., Хесин Ю.Д. Научные основы создания свариваемых титановых сплавов морского назначения//Вопросы материаловедения. - СПб.: ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей». 1999. С. 115-125.
2. Ушков С.С., Чечулин Б.Б. Опыт и проблемы применения титана в судостроении и морских сооружениях//Титан. 1995. № 3-4 (7-8). С. 38-40.
3. Ушков С.С., Чечулин Б.Б. Основные проблемы и этапы применения титана в судовой энергетике и машиностроении//Титан. 1995. № 3-4 (7-8). С. 44-47.
4. Крылов В.В. О проектировании корпусов многоцелевых подводных лодок из высокопрочных сталей и титановых сплавов//Судостроение. 2006. № 1(764). С. 47-50.
5. Ушков С .С., Кудрявцев А.С., Карасев Э.И. Титановые сплавы в судостроении и морских
сооружениях//Титан. 2002. №1 (11). С. 4449.
6. Ушков С.С., Кудрявцев А.С., Кириллин Э.Ф., Карасев Э.И. Технико-экономические аспекты применения титановых сплавов в судовых системах морской воды//Вопросы материаловедения. - СПб.: ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей».
1999. № 3 (20).
7. Ушков С.С., Хесин Ю.Д., Молчанова Н.Ф. Технико-экономическое обоснование применения титановых сплавов для трубопроводов судовых систем в гражданском судостроении//Энерго-технологические процессы. Проблемы и перспективы. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана,
2000. С. 92-98.
8. Иголкин А.И., Иголкина Т.Н. Исследование бактериостатических свойств титана в отношении микрофлоры пресной воды//Титан. 2009. № 3 (25). С. 50-53.
