Эксперт Эксперт - Эксперт № 24 (2013)

Отчего погиб «Титаник»

Роль ЦНИИ КМ «Прометей» в создании материалов и технологий для освоения Арктики переоценить трудно. С конца 1940-х Броневой институт, как тогда назывался «Прометей», участвовал во всех судостроительных проектах, связанных с холодными морями и ледовой защитой. «Создание специальных сталей, их сварка, увеличение конструктивной прочности — это всегда было за нами», — говорит заместитель генерального директора по научной работе института Виктор Малышевский. Казалось бы, что для сталей с температурой плавления около полутора тысяч градусов какой-то перепад в 20–30 градусов? Но, оказывается, понижение даже на десяток градусов может стать критическим для обычного, не хладостойкого металла. Дело в том, объясняет Малышевский, что с понижением температуры происходит уменьшение параметров кристаллической решетки металла, в результате чего перекрываются внешние электронные оболочки ионов, связи между атомами становятся более жесткими, и материал охрупчивается. Сейчас установлено, что «Титаник» погиб потому, что его корпус был из обычной стали: во время плавания в холодной Атлантике ее хладостойкость резко снизилась, и из-за хрупкости корпус не только легко проломило айсбергом, но и по всей его поверхности пошли трещины. Известен случай, когда при резком понижении температуры судно разломилось пополам прямо у пирса даже в Финском заливе.

Если говорить о материалах для судостроения, то «Прометей» начал заниматься ими сразу после Второй мировой войны. Интересно, что именно потребность в хладостойких материалах привела СССР в 1950-х годах к лидерству в разработке сварных корпусных сталей, позволив в свое время обогнать американцев, пионеров в этом деле. Они пытались использовать для таких корпусов высокоуглеродистые стали, которые плохо сваривались, поэтому первые сварные корабли типа «Либерти» легко разрушались. Использование таких материалов в наших более суровых климатических условиях, особенно на Крайнем Севере, пагубно сказалось бы на кораблях еще и из-за охрупчивания, поэтому наши материаловеды учли этот опыт и разработали технологичную низкоуглеродистую сталь с микролегированием.

Этот проект Крыловского центра уже ждет своего заказчика

Следующий этап в разработке хладостойких материалов в «Прометее» связан с развитием атомного проекта — созданием в 1950-х годах первой отечественной атомной подводной лодки «Ленинский комсомол». Молодой тогда инженер Игорь Горынин(сейчас он академик РАН, президент и научный руководитель ЦНИИ КМ «Прометей») с командой таких же молодых коллег всего за несколько месяцев создал новую сталь АК-25, из которой построены все АПЛ первого поколения. Эта сталь использовалась и для сварных конструкций тяжелонагруженных экскаваторов для работы в Заполярье, спиральных камер сибирских ГЭС. Из ее модификации были изготовлены корпуса и первого атомного ледокола «Ленин», и всех последующих атомных судов.

В 1970 году, когда севастопольский ЦКБ «Коралл» разрабатывал первую в нашей стране самоподъемную буровую плавучую установку, для изготовления ее опорных колонн использовалась именно эта сталь. Тогда же «Прометей» начал разработку материалов для плавучих буровых установок, которые предназначались для Баренцева и Охотского морей. Ученые института создали серии конструкционных сталей типа АБ, а также сварочные технологии и оборудование, системы антикоррозийной защиты, то есть тот набор материалов и технологий, который стал основой для создания на российском полярном шельфе ледостойких платформ, способных работать при температурах –40–50°С.

Тогда же, в 1970-х, рассказывает Виктор Малышевский, была создана теория фрагментации, практическое использование идей которой привело к созданию нового класса хладостойких сталей (в 2000–2003 годах в рамках выполнения проектов «Металл» и «Магистраль»). Любопытно, что когда в 2003 году министр промышленности и науки Андрей Фурсенкоинициировал запуск «Металла» в серии других важнейших инновационных проектов, предвидя скорую востребованность его результатов, многим заявленная тема казалась неким технологическим анахронизмом, пролоббированным металлургами. Но «Металл», как и последовавшая за ним в 2007 году «Магистраль» оказались очень перспективными и в части материаловедения очень тонкими прорывными работами мирового значения. «Прометей», объединив усилия с несколькими научными металловедческими школами и металлургическими заводами, разработал целую гамму материалов (в том числе необходимые сварочные материалы и технологии) с пределом текучести от 270 до 690 мегапаскалей, с удвоенными по сравнению с существующими отечественными и зарубежными аналогами характеристиками по хладостойкости, качеству и технологичности при сварке. Эти материалы имеют большой запас коррозионной стойкости, сопротивление усталостным разрушениям, динамическим воздействиям.

Партнером «Прометея» в проекте «Металл» выступили компании «Северсталь» (принадлежащий ей Череповецкий металлургический завод после развала СССР и ухода украинских заводов специализируется на производстве как раз хладостойких сталей) и ОМЗ «Спецсталь». После реконструкции на Ижорском заводе прокатного стана-5000 «Северсталь» приступила к производству широкоформатного листа, необходимого для строительства крупных корпусов судов, самоподъемных буровых и стационарных платформ. С пуском стана-5000 на Магнитогорском металлургическом комбинате (ММК) производственная база изготовления хладостойкой стали расширилась.

Платформа «Приразломная» металлоемкостью 75 тыс. тонн полностью изготовлена из материалов, разработанных «Прометеем», причем часть конструкций выполнена с применением новых сталей. Из этих же материалов построена платформа «Арктическая». Чтобы избежать износа платформ от соприкосновения с льдом и чтобы ледоколы могли ходить в тяжелых льдах без частых ремонтов корпусов, в «Прометее» разработали технологию так называемой плакированной двухслойной стали. Ее опробовали на самом современном атомном ледоколе «50 лет Победы», принятом в эксплуатацию в 2007 году, и на той же «Приразломной», создав на ней ледовый пояс, обеспечивающий сорокалетний срок службы. Разработки петербургских ученых получили признание и у мировых лидеров строительства платформ: Норвегия создает три многофункциональные платформы Moos Maritime для работы в арктических условиях из материалов и на основе технологий «Прометея».

Разработав технологию термомеханической обработки с использованием интенсивной пластической деформации, в «Прометее» научились получать очень высокие значения прочности и в то же время пластичности, вязкости и хладостойкости, которые при традиционном легировании при повышении прочности, наоборот, снижаются. Происходит это потому, что при особых условиях пластической деформации структура материала измельчается до наноразмеров (200–300 нм), что и определяет такие высокие характеристики.