Марки и сортамент

В соответствии с ГОСТ 5521-93 в России стальной прокат для судостроения изготавливают из сталей нормальной прочности и повышенной прочности.

Стали нормальной прочности по классификации Регистра и Международной ассоциации классификационных обществ (МАКО) обозначаются марками А, В, D и Е и имеют минимальный предел текучести 235 МПа. Стали повышенной прочности выпускаются следующих марок: А275, D275, Е275 (а₀,2 > 265 МПа); А32, D32, Е32 (со.; > 315 МПа); А36, D36, Е36 (ст₀,2 > 355 МПа); А40, D40, Е40 (оо.г > 390 МПа).

Область применения сталей нормальной и повышенной проч­ности - корпуса судов всех типов и назначений, а также корпус­ные конструкции плавающих буровых установок и других мор­ских сооружений, постоянно эксплуатируемых в нормальных кли­матических условиях. Не рекомендуется применять эти стали для изготовления наиболее нагруженных (специальных) сварных кон­струкций (III категория по правилам Регистра), арктических су­дов и буровых платформ, когда расчетная температура ниже -30 —40 °С. Под расчетной температурой понимают минимальную сред­несуточную температуру воздуха за 5 лет эксплуатации.

Для наиболее ответственных конструкций, используемых в арк­тических условиях, применяют специальные хладостойкие ста­ли (повышенной прочности) ЮГНБ-СШ (10ГНБ-Ш), 10ХНДМ-СШ (10ХНДМ-Ш) с минимальным пределом текучести 355-390 МПа. Эти стали отвечают требованиям правил Регистра для категорий

F36, E40S, F40Z, E40SZ. Для специальных и основных несущих конструкций плавающих буровых установок и морских сооруже­ний арктическою назначения, а также ледового пояса атомных ле­доколов применяют высокопрочные хладостойкие стали 12ХН2МД и 12ХНМД-Ш с (т₀,2 = 490 МПа, 12ХНЗМДФ-Ш с o_0l2 = 590 МПа и 12ХН4МДБ-Ш с сто,г = 690 МПа.

Сварные конструкции из этих хладостойких сталей эксплуа­тируют при температуре до -30 -f -40 °С (стали открытых методов выплавки) и при температурах до -50+ -60 °С (стали электро­шлакового переплава). Они пригодны для резервуаров хранения и транспортировки сжиженных газов класса LPG (пропан-бутан). Для резервуаров хранения и транспортировки сжиженных при­родных газов класса LNG (минус 150 °С) применяют хладостойкие стали 0Н9-СШ и 0Н9-Ш.

Недостатком никелевых сталей является низкий предел теку­чести металла сварного шва, вследствие чего расчетное сопротив­ление для сварного соединения принимается в 1,5-2 раза ниже, чем для основного металла.

Основным документом являются "Правила Морского Регистра" и "Правила Речного Регистра". Помимо стального проката они включают еще стальные поковки, трубы, литье черных и цветных металлов, стали для тросов и цепей, пластмассы, клеящие вещест­ва. Правила Регистров регламентируют порядок, объемы и способы испытаний судостроительных материалов. Правила по классифи­кации и строительству сведены в следующие зарубежные докумен­ты: Lloyd's Register of Shipping (LR) - Великобритания; Germa- nischer Lloyd (GL) - Германия; Register Italiana Novile (RINA) - Италия; Norske Veritas (DNV) - Норвегия; American Bureau of Shipping (ABS) - CIIIA.

Следует отметить, что правила классификации и постройки морских судов, регламентируемые Регистром России, достаточно близки тем, что включены в правила LR, GL, ABS.

По назначению различают следующие судостроительные ста­ли: корпусные; для гребных винтов; для судовых валов и балле- ров рулей; для изготовления якорей, якорных цепей и арматуры.

Основные технические требования к судостроительным сталям

Свариваемость. Если раньше в судостроении применялась клеп­ка, то в связи с повсеместным переходом к сварке корпусных де­талей основным требованием к судостроительным сталям является свариваемость. Для судокорпусных работ (правка, гибка, штам­повка) стали должны обладать достаточной пластичностью. Судо­строительная сталь при сварке не должна давать различного рода сварочных дефектов - пор, шлаковых включений, горячих и хо­лодных трещин, а свойства сварного соединения (металла шва и зоны термического влияния) не должны существенно отличаться от свойств основного металла. Поэтому корпусные стали, используе­мые в судостроении, не должны содержать более 0,2 % углерода.

Применяются различные способы сварки: электродуговая свар­ка покрытыми электродами, полуавтоматическая и автоматиче­ская сварка в среде защитных газов и под флюсом. В ряде случаев используют электроннолучевую сварку судостроительных сталей.

Углерод и все основные легирующие элементы отрицательно влияют на свариваемость. Влияние легирующих элементов на сва­риваемость может быть различным в низколегированных и высоко­легированных сталях. Особый интерес для судостроительных кор­пусных конструкций имеют низкоуглеродистые легированные стали.

Согласно ГОСТ 27772-88 углеродный эквивалент определяют по формуле:

^ „ Mn Si Cr Мо Ni Си V Р

СЕ = С + + — + к -I 4 ь — + —

6. 24 5 4 40 13 14 2

Свариваемость корпусных сталей считается удовлетворитель­ной, если СЕ < 0,3-0,5.

Судостроительные стали производятся в виде тонколистового (0,9-3,9 мм) и толстолистового проката толщиной 4-130 мм, ши­рокополосного, полосового и фасонного проката, поковок и от­ливок.

Хладостойкость и сопротивляемость хрупким разрушениям корпусных сталей. Эти вопросы более подробно рассмотрены в специальных разделах настоящей книги.

Сопротивляемость хрупким разрушениям обычно оценива­ется уровнем работы удара или ударной вязкости, а также видом излома образцов или специально взятых проб натурной толщины с определением соотношения вязкой и хрупкой составляющих. Также обязательно производится определение критической тем­пературы хрупкости Т_хр, т. е. температуры перехода из вязкого в хрупкое состояние.

Кроме того, при оценке корпусных сталей определяют темпе­ратуру остановки трещины по методу Робертсона и NDT - темпе­ратуру нулевой пластичности падающим грузом по методу Пел- лини.

Важным фактором надежности корпусных конструкций судов и морских сооружений является сопротивление усталости.

Циклическая прочность стали и сварных соединений на базе

2. • 10⁷ циклов ветро-волновых нагружений должна находиться на уровне напряжений, составляющих (0,15-0,3)оо,2-

Остаточные сварочные напряжения способны ускорять ско­рость роста усталостной трещины до 5 раз.

Агрессивное влияние морской воды способствует снижению усталостной прочности в 1,5-2 раза.

Необходимым условием надежности толстолистовых судострои­тельных сталей является предотвращение слоистых ("ламелляр­ных") разрушений в листах и сварных соединениях. При таком разрушении трещина распространяется параллельно плоскости лис­та вдоль скоплений неметаллических включений. Образуется пло­ский излом с уступами при переходе с одного уровня на другой.

Технология производства судостроительных сталей

Судостроительные стали относят к категории высококачест­венных .

Технология производства судостроительных сталей включает сложный комплекс современных методов выплавки стали и регу­лирования мелкозернистой структуры.

Для производства высококачественной стали используют про­дувку аргоном, вакуумирование, обработку жидкой стали силико- кальцием, редкоземельными металлами. Для уменьшения опас­ности слоистых разрушений в узлах сварных конструкций сталь дополнительно обрабатывают синтетическими шлаками.

Особо высокое качество стали достигается применением элек­трошлакового переплава.

Формированию мелкозернистой структуры способствует мик­ролегирование карбонитридообразующими элементами V, Nb, Ti.

Наряду с содержанием специально вводимых легирующих, большое влияние на вязкость оказывает чистота стали по вред­ным примесям. Уменьшение содержания серы приводит к росту значений ударной вязкости, а каждые 0,01 % Р смещают порог хладноломкости в среднем на 10 °С.

Вследствие ярко выраженной зависимости вязкости от разме­ра зерна условия прокатки также оказывают воздействие на порог хладноломкости.

С уменьшением конечной температуры прокатки и увеличе­нием степени обжатия в нижней температурной области при рек­ристаллизации возникают меньшие по величине зерна аустенита. Следствием этого является более мелкое ферритное зерно при фазо­вом превращении во время охлаждения. Путем прокатки при по­ниженных температурах можно изготавливать листы с высоки­ми вязкими свойствами в горячекатаном состоянии (рис. 14.2). Мелкозернистая структура прокатки положительно сказывается на последующей термообработке и улучшает вязкость в нормали­зованном состоянии. Дальнейшее улучшение свойств достигается

800 900

1000 1100 1200

Г, "С

Рис. 14.2. Влияние копечной температуры прокатки Т_Е на размер зерна и меха­нические свойства листа толщиной 15 мм из конструкционной стали HMnNi53, вязкой при низких температурах (черные кружочки — катаное состояние; белые — нормализованное состояние):

А - балл зерна но ASTM; ст_в - временное сопротивление; а_г - предел текучести; Т_к - порог хладноломкости

благодаря ускоренному охлаждению (закалке) после аустенитиза- ции с последующим опуском. Это улучшение особенно эффектив­но, когда сталь, содержащая достаточно легирующих, претерпе­вает превращение при охлаждении в области мартенсита или нижнего бейнита и затем подвергается отпуску для получения требуемой вязкости.

Состав и свойства сталей для судостроения

Стали нормальной и повышенной прочности. Технические ус­ловия на стальной прокат для судостроения приведены в ГОСТ 5521-93. Стандарт распространяется на толстолистовой, широко­полосный, универсальный, полосовой и фасонный прокат из ста­ли нормальной и повышенной прочности для судостроения.

Химический состав, виды обработки листового проката и ме­ханические свойства судостроительных сталей, предназначенных для постройки судов, изготовляемых согласно требованиям Реги­стра, приведены в табл. 14.7, 14.8, 14.9.

В судостроении широко применяются литейные высокопроч­ные конструкционные стали для изготовления отливок сложной конфигурации. Для крупных корпусных литых деталей типа крон­штейнов, гребных винтов, рулей и др. используются стали марок

	Массовая доля, %
Марка стали	С, не	Мп	Si	Р	S	Сг	№	Си	Мо	А1, растворимый в кислотах	Nb	у
	более			не более
А	0,22	0,4-1,0	0,15-0,37	0,04	0,04	-	-	-	-	<0,06	-	-
В	0,21	О 1 О	0,15-0,37	0,04	0,04	-	-	-	-	-	-	-
D	0,21	0,6-1,4	0,15-0,37	0,04	0,04	-	-	-	-	-	-	-
Е	0,18	0,6-1,4	0,15-0,37	0,04	0,04
А32, D32	0,18	0,9-1,6	0,15-0,5	0,035	0,035	<0,20	<0,40	<0,35	<0,08	<0,06	-	-
Е32										0,015-0,06
А36										<0,06	0,02-0,05 0,05-0,1
D36, Е36										0,015-0,06
А40	0,12	0,5-0,8	0,8-1,1	0,035	0,035 0,6-0,9 0,5-0,8 0,4-0,6					<0,06
D40, Е40	0,12	0,5-0,8	0,8-1,1	0,035	0,035 0,6-0,9 0,5-0,8 0,4-0,6				-	0,015-0,06	-	-
Примечание. Допускается частичная замена					алюминия титаном; необходимо, чтобы ^(Al + Ti) > 0,015, Ti < 0,03, А1 < 0,005.

331

Химический состав судостроительных сталей

Состояние проката	Марка стали	Толщина проката, мм
Горячекатаный без	А, В, СтЗкп2, СтЗпс2, СтЗпсЗ,	0,9-130
термической обработ­	СтЗпс4, СтЗсп2, ОгЗГпсЗ, СтЗГпс4,
ки, температура про­	СтЗспЗ, СтЗГпс2	5-12
катки 1200-770°С	D	5-20
	D32	4-20
	А32, 09Г2	4-15
	А40, 10ХСНД D40	5-9,5
Нормализация, начи­	D	> 12
ная с 900-930 °С	А32, D32, 09Г2	>20
	Е, Б32, А36, D36, Е36	0,9-130
Закалка, начиная с	А40, 10ХСНД	> 15
870-930 °С в воде с от­	D40	10-32
пуском при 650-690 "С	Е40,09Г2С	0,9-130
Примечание. Допускается прокат из стали всех марок изготовлять терми­чески обработанным.

Таблица 14.9

Механические свойства и углеродный эквивалент судостроительных сталей согласно требованиям Регистра

Марка стали	ав, МПа	Я0.2, МПа	б, %	Т, °С	Работа удара KV, Дж, не менее, при толщине проката, мм			СЕ
					>10	7,5-9,5	5,0-7,0
А	400-490	235	22	_	—
В				0	27	24	19	-
D				-20				-
Е				-40				-
АЗ 2	470-590	315	22	0	31	26	22	0,31-0,52
D32				-20
Е32				-40
А36	490-620	355	21	0	34	28	24	0,34-0,55
D36				-20
Е36				-40
А40	530-690	390	19	0	41	34	29	0,33-0,52
D40				-20
Е40				-40

Таблица 14.10 Механические свойства сталей для отливок

Марка стали	Mfla	°в, МПа	6„ %	Ч', %	KU 40, Дж	KV-*0, Дж	KV 40, Дж	тк, ‘С
	Не менее
08ГДНФЛ	350	450	20	45	35	-	-	-20-40
08Г2ДНФЛ	380	480	20	45	50	-	-	-20-40
АВ-1Л	600	-	17	50	-	70	-	-100--80
АБ-ЗЛ	600	-	15	50	-	70	40	-100--80

08ГДНФЛ и 08Г2ДНФЛ, а для высоконагруженных соединитель­ных элементов опорных колонн морских буровых установок, де­талей механизма поворота плавучих кранов и литых крупнотон­нажных крюков (грузоподъемностью свыше 800 т) - высокопроч­ные хладостойкие сваривающиеся стали марок АБ-1Л и АБ-ЗЛ (табл. 14.10).

Все стали обладают хорошей технологичностью при литье и сварке. Учитывая, что корпусные детали имеют сложную конфи­гурацию, значительные массу и размеры, их зачастую изготавли­вают в литосварном исполнении, применяя ручную и полуавтома­тическую сварку без последующей термообработки или электро- шлаковую сварку с последующей местной термообработкой района шва. Уровень механических свойств сварных соединений для всех сталей аналогичен уровню механических свойств основного металла.

Для тяжелонагруженных гребных винтов ледоколов и ледо­кольно-транспортных судов ЦНИИ "Прометей" созданы высоко­прочные коррозионностойкие стали: мартенситного класса марки 08X14НДЛ и переходного аустенитно-мартенситного класса мар­ки 08Х15Н4ДМЛ, механические свойства которых приведены в табл. 14.11.

Разработанная технология позволяет изготавливать лопасти и ступицы сборных гребных винтов диаметром до 605 мм с толщи­ной корневых сечений лопасти до 400 мм и массой до 30-50 т.

Таблица 14.11 Механические свойства сталей для гребных винтов

Марка стали	а0 2, МПа	<т„, МПа	8„ %	V[J, %	KV 10, Дж
	Не менее

08Х14НДЛ 500 650 15 40 21

08Х15Н4ДМЛ 600 750 17 45 40