2.2. Судостроительные конструкционные материалы

2.2.1. Общие положения

Для постройки корпусов судов используют сталь, легкие сплавы, пластмассы, железобетон, дерево и т.д.

При выборе материала учитывают следующие основные характеристики: прочность, вязкость, долговечность, плотность, стоимость. В качестве основного показателя прочности металла в судостроении рассматривается его предел текучести.

Вязкость материала препятствует образованию в нем трещин при нагружении конструкции. Вязкий и пластичный материал поддается гибке и штамповке; в таком материале в меньшей мере происходит концентрация напряжений в отдельных зонах.

Долговечность характеризует стойкость материала по отношению к воздействию внешней среды и его способность сохранять свои свойства с течением времени.

Плотность материала влияет на массу корпуса и, как следствие, на провозную способность судна.

2.2.2. Судостроительные стали

Характеристики корпусной стали для судостроения определены ГОСТ 5521 [13]; он распространяется на листовой, полосовой, фасонный (профильный) прокат из стали нормальной прочности (обыкновенного качества) и стали повышенной прочности.

В Правилах Регистра [9] для сталей применено понятие категория стали; иначе говоря, используется отраслевая шкала сталей. Каждая из категорий соответствует определенной совокупности требований к механическим свойствам и химическому составу стали.

Категории объединены в три группы:

1. стали нормальной прочности (категории – "А", "В", "Д", "Е"); предел текучести σ_т для сталей этой группы равен 235 МПа;

2. стали повышенной прочности (категории "А27S", "А32", "А36", "А40" и другие); σ_т в зависимости от категории для сталей этой группы лежит в пределах 265…390 МПа;

3. стали высокой прочности (категории "Д420", "Е420" и др.); σ_т – от 420 до 690 МПа

Для изготовления корпусов судов внутреннего и смешанного плавания в основном используются стали нормальной прочности. При этом стали категорий "Д" и "Е" применяются без ограничений, а стали категории "А" и "В" – с ограничениями.

Стали повышенной прочности используются для изготовления лишь некоторых связей корпуса, выполненного в основном из стали нормальной прочности. К таким связям относятся: продольные балки палубы и днища, палубные стрингеры, продольные комингсы и некоторые другие, испытывающие наибольшие напряжения при общем продольном и местном изгибе.

Стали высокой прочности на транспортных судах используются в исключительных случаях.

Нержавеющие стали, обладающие высокой коррозионной стойкостью, в основном используются для изготовления крыльевых устройств судов на подводных крыльях.

Применение тех или иных категорий сталей регламентируется Правилами Регистра в зависимости от класса и длины судна, характера нагрузок и толщины листов.

Корпусная сталь поставляется в виде листов, полос и катаных профилей (см. рис. 2.7)

Сортамент листового проката включает листы, толщина которых лежит в пределах 4…50 мм, ширина – 1,4…3,2 м, длина – 6…16 м. Для изготовления настила в машинном помещении, трапов, площадок у механизмов применяется рифленая листовая сталь.

Размеры профилей из стали ограничены существующим сортаментом; их прочность может оказаться недостаточной при повышенных нагрузках. В таких случаях балки требуемой прочности сваривают из полосового материала, например, балки в виде тавра.

Рис. 2.7. Профили из стали, применяемые в судостроении:

1 – угольник равнополочный; 2 – угольник неравнополочный; 3 – швеллер;

4 – несимметричный полособульб; 5 – полоса; 6 – труба; 7 – двутавр;

8 – симметричный полособульб

Сталь сравнительно легко обрабатывается: штампуется, гнется, режется. Она хорошо сваривается. Прочность качественно выполненного сварного шва равна прочности целого металла. При нагревании свыше 200°С механические характеристики стали ухудшаются. При низких температурах сталь становится хрупкой. Стали присущи такие качества, как магнитность и искрообразование при ударах.

Плотность всех видов сталей составляет 7,8 т/м³.

2.2.3. Алюминиевые сплавы

Такие сплавы находят широкое применение при строительстве скоростных судов (на подводных крыльях, на воздушной подушке и др.). Из них изготавливают надстройки на отдельных пассажирских судах, корпуса немагнитных судов, катера, яхты, шлюпки, а также рубки крупных морских транспортных судов.

Плотность сплавов равна 2,7 т/м³, то есть примерно в 3 раза меньше, чем сталей. Уменьшение массы конструкции за счет замены стали алюминиевыми сплавами может достигать 50%.

В судостроении применяются термически упрочняемые сплавы, в основном дюралюминий марок Д16Т и Д16АТ^, и термически не упрочняемые алюминиево-магниевые сплавы марок АМг5 и АМг61.

Дюралюминий обладает относительно высокой прочностью (листы из сплава марки Д16АТ имеют σ_т=274 МПа); однако при сварке прочность сплава значительно снижается. В связи с этим конструкционные элементы из дюралюминия соединяются с помощью клепки или точечной сварки на клею.

Для сварных конструкций в основном используется сплав АМг61 и реже АМг5. Полуфабрикаты (листы толщиной более 3,5 мм и профили) из сплава АМг61 имеют предел текучести σ_т не менее 176 МПа.

Модуль упругости алюминиевых сплавов равен 0,7·10⁵ МПа, то есть в 3 раза меньше, чем у стали и, следовательно, обеспечить устойчивость сжатых связей из сплавов труднее.

В конструкциях из сплавов в большей мере, чем в стальных, возникают концентрации напряжений, поскольку пластичность и вязкость алюминиевых сплавов относительно меньше.

Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов значительно выше, чем сталей; вместе с тем, сплавы в большей мере истираются, так как твердость их незначительна. Сплавы легко режутся; гнутся хуже чем сталь.

При нагреве прочность алюминиевых сплавов уменьшается начиная с температуры 100 °С; плавление сплавов происходит при 660 °С.

Сварка сплавов (не упрочняемых термически) освоена достаточно хорошо; прочность в районе сварки при статическом нагружении составляет 80 – 90% прочности исходного материала (полуфабриката). Коэффициент линейного расширения сплавов в 2 раза больше чем сталей, поэтому сварочные деформации и соответствующие напряжения в сплавах также больше.

Алюминиевые сплавы, используемые в судостроении, поставляются в виде прессованных профильных балок (см. рис. 2.8), листов и панелей [14, 15]. Специально для судостроения производится несколько видов прессованных панелей (см. рис. 2.9). Применение панелей позволяет упростить технологию строительных работ, уменьшить объем сварки.

Рис. 2.8. Профили из алюминиевых сплавов, применяемые в судостроении:

1 – угольник равнополочный; 2 – угольник неравнополочный; 3 – угольник разностенный; 4 – симметричный полособульб; 5 – несимметричный полособульб; 6 – зетовый профиль; 7 – бульбоугольник; 8 – бульбоугольник с круглой головкой; 9 – швеллер; 10 – двутавр разнополочный; 11 – двутавр; 12 – специальный профиль; 13 – тавр

Рис. 2.9. Прессованная панель из алюминиевого сплава

2.2.4. Титановые сплавы

Они применяются только в военном судостроении. Эти сплавы легче, чем сталь, но тяжелее чем алюминиевые сплавы; их плотность составляет около 4,5 т/м³. Титановые сплавы обладают хорошей антикоррозионной стойкостью и относительно высокой прочностью. Модуль упругости сплавов Е=1,1·10⁵МПа, что превышает значение этого показателя для алюминиевых сплавов и является более низким, чем у сталей.

Сдерживает применение титановых сплавов в качестве конструкционного материала в судостроении сложность технологических процессов, связанных с их механической обработкой, а также сваркой. Кроме того, стоимость титановых сплавов примерно на порядок выше, чем стали и алюминиевых сплавов.

2.2.5. Пластмассы

Этот материал, а также железобетон (см. ниже), относится к композитным материалам. Пластмасса образуется в процессе постройки судна и включает следующие компоненты: связующее, наполнитель (армирующий материал) и добавки.

Пластмассы получили применение в судостроении благодаря, главным образом, высокой относительной прочности (отношение прочности материала к его плотности), которая у них примерно в 5 раз больше, чем у металла. По этой причине масса пластмассового корпуса судна получается примерно на 50% меньше, чем стального и на 30% меньше, чем из алюминиевых сплавов. Корпус пластмассового судна хорошо сохраняется в воде без специального покрытия.

К недостаткам пластмассы как конструкционного материала, относятся: высокий уровень ручного труда при формовке узлов соединения, токсичность ее компонентов, влияние технологии изготовления материала на его прочность. Механические свойства пластмассы изменяются со временем – по мере ее старения.

Наибольшее распространение в судостроении получила разновидность пластмассы – стеклопластик. Наполнителем стеклопластика является высокопрочное тонкое стекловолокно (отдельные волокна имеют диаметр от 5 до 15 мкм) в виде холстов, тканей или ровнищ (с расположением нитей в одном направлении). В качестве связующего материала используются полиэфирные смолы, полимеризация (твердение) которых происходит при комнатной температуре и атмосферном давлении. С целью обеспечения надежности связи между смолой и стекловолокном, последнее обрабатывается гидрофобно-адгезионным составом.

Стеклопластики изготавливают путем прижатия друг к другу слоев стекловолокна, пропитанных смолой. После затвердевания смолы образуется прочный композитный материал.

Существенной особенностью стеклопластика является его малая жесткость. Это приводит к быстрой потере устойчивости связей корпуса при их сжатии и изгибе. Такая особенность вынуждает при использовании стеклопластика формировать объемные связи (трехслойную обшивку, П-образные балки и т.п.).

В некоторых современных пластмассах для достижения повышенной прочности и жесткости в качестве наполнителя применяют волокна бора, графита, а также угольные волокна.

2.2.6. Железобетон

Судостроительный железобетон является композитным материалом; он включает бетон и стальную арматуру. Бетон, в свою очередь, представляет собой смесь цемента, воды и заполнителя (крупного и мелкого). В качестве заполнителя тяжелого бетона используется гравий или щебень с крупностью элемента 5…20 мм; для легкого бетона используется керамзитовый гравий такой же крупности. Мелкий заполнитель (песок) имеет крупность 0,15…5 мм.

Цемент и вода образуют вяжущее вещество. Для бетона судов, эксплуатирующихся в пресной воде, используется портландцемент марки не ниже 400^*), а в морской воде – сульфатостойкий портландцемент марки не ниже 500.

В качестве арматуры применяются стальные стержни диаметром 8…25 мм с гладкой или, чаще, профилированной (с выступами) поверхностью. Благодаря профилированной поверхности сцепление арматуры с бетоном повышается примерно в 2 раза.

Судостроительный бетон имеет высокую сопротивляемость сжатию (25…60 МПа) и в 10…15 раз меньшую сопротивляемость растяжению (2,3…3,6 МПа). В связи с этим бетон дополняют стальной арматурой. Бетон, в составе железобетона, воспринимает в основном сжимающие усилия, а арматура – растягивающие. Бетон также обеспечивает водонепроницаемость конструкции и защищает арматуру от коррозии (см. рис.2.10).

Коэффициенты линейного расширения при нагреве бетона и стальной арматуры близки по значениям, что обеспечивает хорошую их совместную работу при изменении температуры.

Для придания бетону повышенной морозостойкости или нефтенепроницаемости в его состав водятся специальные добавки.

Прочность бетона во влажной среде возрастает со временем и составляет, по сравнению с марочной (100%), примерно следующую величину: через 6 месяцев – 150%; через один год – 175%; через шесть лет – 225%.

Рис. 2.10. Железобетонная балка в разрезе:

1 – мелкий заполнитель; 2 – арматура; 3 – крупный заполнитель

Использование железобетона, вместо стали, для постройки корпуса судна дает следующие преимущества: расход стали в 2…4 раза меньше (с учетом расхода на замену изношенных коррозией связей в период службы стального судна); в 6…10 раз меньше расходы на содержание судна в эксплуатации; в 1,5…2,0 раза больше срок службы судна (для судов из железобетона он составляет не менее 50…70 лет).

К недостаткам железобетонного корпуса относятся: масса превышает массу аналогичного стального корпуса в 1,5…3,0 раза; сложнее выполнить переделку (модернизацию) корпуса, а также утилизировать металл (арматуру) отслужившего корпуса.