Условия размещения и площадки для размещения статей смотрите здесь
Глава 1 Типы малых судов. Материал корпуса
1.3 Судостроительная сталь
Корпусная сталь по своему химическому составу и физико-механическим
свойствам должна обеспечивать достаточную прочность и работоспособность
корпусных конструкций, их надежность и -долговечность в эксплуатации,
малую массу корпуса, технологичность и малую стоимость постройки и
ремонта судов
В клепаном судостроении механические качества материала стали
характеризоваться пределом прочности и относительным удлинением. За
характеристику прочности принимался предел текучести, который для
применявшейся в то время мягкой стали был связан с пределом прочности
определенной зависимостью. Эти характеристики не утратили своего
значения и для сварных конструкций- Предел текучести по-прежнему
считается основной характеристикой прочности стали, принимаемой за
опасное напряжение для конструкций, работающих под нагрузкой. При
действии на корпус переменных и динамически приложенных на грузок его
прочность зависит от ряда факторов, требующих проверки по нескольким
критериям. Однако, необходимый запас прочности принято обеспечивать
ограничением напряжений, величина которых меньше предела текучести, т.
е. и при такого рода нагрузках прочность рассчитывается в предположении,
что основным компонентом критериев прочности является предел текучести.
Предел текучести стали существенно влияет на массу, трудоемкость
постройки и стоимость конструкции.
Если не учитывать некоторые дополнительные факторы, влияющие на выбор
марки стали, такие как коррозионный износ, необходимость обеспечения
устойчивости связей, технологические требования и другие, то моменты
сопротивления сечений балок будут изменяться обратно пропорционально
пределу текучести, а толщины листов - обратно пропорционально корню
квадратному из предела текучести.
Относительным удлинением или относительным сужением, определяемым при
испытании стандартных образцов на растяжение, оценивают одну из
важнейших прочностных характеристик стали - ее деформационную
способность или пластичность.
Пластичность стали способствует выравниванию напряжений в конструкциях,
позволяет избежать трещин в местах их концентрации и в районах действия
больших местных нагрузок.
При сварке корпусных конструкций в районе сварных швов возникают большие
усадочные напряжении. Благодаря пластичности стали в процессе действия
на конструкцию эксплуатационных нагрузок эти напряжения частично или
полностью снимаются. Кроме того, достаточная пластичность стали является
важным технологическим качеством. Она необходима при гибке листов и
профилей, загибке фланцев, штамповке, резке металла, проколке отверстий
и других технологических операциях.
При выборе стали нельзя не учитывать и предельной пластической прочности
(временного сопротивления), которая определяет величину наибольших
нормальных напряжений, выдерживаемых сталью до разрушения. Отношением
предела прочности к пределу текучести можно характеризовать способность
сталей к перенапряжениям. Для судокорпусных сталей это отношение
находится в пределах 1,35-2,16, причем с повышением прочности стали оно
уменьшается.
В результате изучения причин повреждений и разрушений сварных корпусных
конструкций установлено, что их прочность и работоспособность зависят от
других характеристик стали, к которым можно отнести предел усталости
(выносливости) и ударную вязкость. Предел усталости в значительной
степени зависит от предела прочности, а также от цикла переменной
нагрузки и частоты нагружения. В связи с этим он .может характеризовать
статическую выносливость при низкой частоте нагружения и усталостную
(вибрационную) прочность при частоте, превышающей 100 циклов в одну
минуту. Естественно, что сталь хуже выносит нагрузку большой
(вибрационной) частоты, т. е. разрушается при меньших экстремальных
напряжениях или при меньшем числе циклов, чем при действии переменных
нагрузок низкой частоты. В районах резкого изменения сечения связей
корпуса неизбежно появление концентрации напряжений, и если эти
напряжения при действии переменных нагрузок будут пре восходить предел
усталости, то появятся усталостные трещины. Однако эти трещины в
благоприятных условиях распространяются очень медленно.
Опыт показывает, что наиболее опасным разрушением корпусных конструкций
является хрупкость, причем усталостные трещины при неблагоприятных
условиях становятся началом хрупких разрушений. Вероятность хрупких
разрушений зависит от марки и ударной вязкости стали, температуры,
характера напряженного состояния конструкции, конструктивного оформления
узлов корпуса и его жесткости, коррозионного износа и других факторов.
Появлению и распространению хрупких трещин способствуют динамически
приложенные нагрузки, при которых скорость нарастания напряжений в
конструкции значительно превосходит скорость развития пластических
деформаций.
На основе опытов с образцами листовой стали установлено, что при
уменьшении их толщины .они приобретают способность тормозить
распространенна трещин при более пизких температурах. Следовательно,
опасность хрупкого разрушения у малых судов, корпуса которых формируются
из тонких листов и профилей, меньше, чем у больших судов. Этот вывод
подтверждается статистикой повреждений корпусов малых судов.
На основе научных исследований Регистром СССР [36] установлены категории
сталей для различных связей корпуса, которые определяются с учетом
химического состава, ударной вязкости и степени свариваемости стали
Поскольку па малых судах не применяют листы и профили толщиной более
12,5 мм, согласно Правилам Регистра СССР нет необходимости использовать
стали повышенной категории, т. с, допускается все связи, в том числе
ширстрек и палубный стрингер, изготовлять из стали категории Л.
Использование стали категории В может потребоваться лишь для
ответственных конструктивных связей малых судов, предназначенных для
плавания в ледовых условиях.
По химическому составу судyjкорпусная сталь
подразделяется на углеродистую горячекатаную сталь обыкновенного
качества и низколегированную. Последняя содержит до 2 % легирующих
добавок, повышающих прочностные характеристики стали.
По способу выплавки сталь подразделяется на мартеновскую и конверторную,
а по степени раскисления - на кипящую, полуспокойную и спокойную.
Кипящая сталь ненадежна при сварке, она плохо сваривается при низких
температурах, более чувствительная к концентрации напряжений, чем
спокойная или полуспокойиая сталь, поэтому применяется лишь для
изготовления второстепенных малонагруженных конструкций. Для судового
корпуса используется, главным образом, спокойная сталь, получаемая при
более полном раскислении.
В табл. 6 приведены механические свойства судостроительных сталей,
используемых в малом судостроении. Можно применять и другие марки
углеродистых и низколегированных сталей, если по своим механическим
качествам и химическому составу они удовлетворяют прочностным и
технологическим требованиям.
При внедрении сварки в судостроение к сталям прибавилось еще одно важное
технологическое требование - свариваемость. Удовлетворительно
свариваемыми считаются стали, при сварке которых нет необходимости
прибегать к подогреву, если сварка не вызывает появления трещин, сварные
швы и конструкции удовлетворяют требованиям прочности. При сварке
плохосвариваемых сталей, содержащих более 0,22 - 0,24 % углерода,
появляются локализованная закалка и большие остаточные напряжения в зоне
сварного шва, что способствует возникновению в ней или в околошовной
зоне внутренних дефектов в виде трещин. С увеличением содержания
марганца прочностные характеристики стали улучшаются, но при сварке
несколько возрастает размер зерен, поэтому общее содержание углерода и
марганца.
Таблица 6 Механические свойства судостроительных сталей
Методика выбора сталей для сварных конструкций, эксплуатирующихся при
низких температурах, предложенная институтом электросварки АН УССР,
приведена в [13].
Пригодность сталей для механической обработки проверяется путем изгиба
широких образцов в холодцом или горячем состоянии в условиях, близких к
производственным. В месте изгиба не должны появляться трещины и другие
повреждения металла.
Свариваемость сталей, качество электродов и принятый режим сварки
предварительно определяют сваркой образцов с последующей проверкой
качества сварного соединения. Выполняют и другие виды технологических
испытаний сталей.
Одним из главных требований к стали является ее коррозионная стойкость,
обусловливающая продолжительность межремонтных периодов, характерной
является электролитическая коррозия в морской или пресной воде и во
влажной атмосфере. Химическая коррозия корпусных конструкций наблюдается
только при перевозке химически активных грузов.
Коррозионную стойкость стали принято оценивать средней скоростью
коррозии, т. е. средней глубиной разрушения металла в год. На основе
этого коррозия сухогрузных судов составляет 0,10-0,12 мы, а танкеров -
0,20 - 0,25 мм в год. Однако эти показатели неустойчивы, представляет
интерес- и максимальная скорость коррозии, т. е. глубина разрушения
металла в районе язвенных поражений в год, которая может привести к
сквозным коррозионным повреждениям и водотечности корпуса.
Установлено, что первые признаки коррозии появляются на шестом году
службы катера, а к 12-15 годам возникают отдельные сквозные язвенные
поражения. На 18-20 году службы катера наружная обшивка и обшивка
переборок приходят в плохое состояние, и требуется большой ремонт (около
I м2 поверхности обшивок). А к 20-25 годам ржавеет бортовой набор, что
влечет смену целых листов в обшивке. К 30-ЗБ годам вся обшивка (толщиной
до 4 мм), палубный настил, а также значительные участки набора приходят
в негодное состояние. Долговечность отдельных катеров с обшивкой
толщиной 4-7 мм в зависимости от условий эксплуатации и строительной
толщины обшивки достигает 40-G0 лет [22].
Средняя скорость износа обшивки катеров по Астраханскому (мелководному)
району составляет 0,107 мм в год, а по Ленинградскому (глубоководному)
райопу- 0,06 мм в год. На основ.е данных, приведенных в [22],
предлагается за среднюю норму годового износа от коррозии принять 0,06
мм в год, от истирания- 0,05 мм (для судов, плавающих но мелководью), а
от совместного действия этих факторов - 0,11 мм в год. Например, по
данным работы [22], средняя скорость коррозии основных корпусных связей
катеров почти в два раза меньше официально принятой средней скорости
коррозии основных корпусных связей сухогрузных судов. Это можно
объяснить тем, что наружные поверхности катеров чаще подвергаются
очистке и окраске, чем наружные поверхности крупнотоннажных судов.
Однако следует учитывать, что статистика износа от коррозии в работе
[22] взята по пресноводным районам - Киевскому, Астраханскому и
Ленинградскому. В морской воде скорость коррозии была бы выше.
Коррозионная стойкость стали зависит от ее структуры, химического
состава, способов выплавки, электрического потенциала и потенциала
металлических конструкций, с которыми данная сталь контактирует, наличия
и качества защитных покрытий, протекторов н т. п. Скорость коррозии
повышается, если на поверхности стальных конструкций имеются окалина или
наклеп, вызванный механической обработкой, а также образующийся при
обрастании подводной части корпуса водорослями или ракушками.
Использование на изготовление корпусных конструкций листов и профилей с
гладкой поверхностью обеспечивает уменьшение скорости коррозии в
начальный период эксплуатации судна.
В результате проведенных лабораторных испытаний установлено, что
судокорпусные стали различных марок в морской воде корродируют почти
одинаково. Например, средняя скорость коррозии стали 09Г2 примерно на 5
% выше, чем скорость коррозии обыкновенной углеродистой стали.
Низколегированные стали других марок корродируют несколько медленнее,
особенно сталь 10ХСНД, средняя скорость коррозии которой на 10-20 %
меньше, чем углеродистой [28]. Стали, содержащие хром и никель (типа
10ХСНД), на воздухе корродируют примерно вдвое медленнее, чем
обыкновенная углеродистая сталь.
Особенно интенсивно корродируют обшивка в районё ватерлинии, а также
элементы стального корпуса, подвергающиеся омыванию попеременно водой и
воздухом. Несколько интенсивнее корродирует сталь в кормовой оконечности
по сравнению с другими районами вследствие воздействия возмущенной
винтами воды, а также вследствие разных потенциалов основного металла,
отливок (деталей ахтерштевня, мортир) и гребных винтов, которые обычно
выполняют из цветных металлов Интенсивно корродируют труднодоступные для
очистки н окраски стальные участки внутри корпуса, в которых
скапливается вода и нефтепродукты.
Повысить стойкость корпусных конструкций к коррозии можно путем
использования специальных сортов нержавеющей стали. Для обеспечения
стойкости стальных корпусных конструкций в морской воде эта сталь должна
содержать не менее 18 % хрома, а в речной воде не менее 12-14%,
Для морских судов рекомендуется хромопикелевая аустенитная сталь,
содержащая не менее 18 % хрома и 9 % никеля. Эта сталь обладает хорошими
механическими качествами, легко сваривается и обрабатывается
Долговечность корпуса может быть увеличена и путем использования
плакированных сталей (биметалла), в которых в качестве основного слоя
используются углеродистые или низколегированные стали, а плакирующий
слой выполняют из коррозионно-стойкой стали, например марки Х18Н10Т, или
из никеля, титана и других металлов.
Применение таких сталей повышает надежность судов и эксплуатации как
благодаря гарантированной сохранности оболочки при длительном контакте с
агрессивной средой, так и благодаря высокой пластичности, что важно при
значительных сосредоточенных нагрузках.
При использовании коррозионно-стойких и плакированных сталей в малом
судостроении можно отказаться от запасов на коррозионный износ,
относительная величина которых у малых судов больше, чем у судов больших
размеров.
Однако при пассивации стали во время постройки и надлежащей окраске
перед сдачей судна в эксплуатацию и во время эксплуатации а также при
соблюдении других мер по защите от коррозии продолжительность службы
судна, построенного из ОУС или СПП не меньше, чем судна, построенного из
нержавеющей стали. Следует также учитывать, что не все нержавеющие стали
обладают надежной коррозионной стойкостью в морской воде [39].
Если материал сварного шва имеет меньшую коррозионную стойкость (более
отрицательный потенциал), чем свариваемый металл, то сварной шов
корродирует быстрее основного металла, а если большую, то быстрее
корродирует основной металл в околошовной зоне. Добиться равномерной
коррозии можно правильным подбором электродов.
Для заклепок используют малоуглеродистые и низколегированные стали,
обладающие высокой пластичностью и пониженным содержанием серы и
фосфора. Опыт показывает, что скорость коррозии заклепок обычно выше
скорости коррозии основного металла, что обусловливается неизбежным
наклепом, а также часто встречающейся в заклепочных прутках центральной
сегрегационной зоны, значительно ускоряющей коррозию особенно в морской
воде, В связи с этим необходимо не только подвергать механическим и
технологическим испытаниям образцы используемой для заклепок стали, но и
делать отпечатки в поперечном сечении заклепочных прутков на сернистые
включения.
Многие детали малых судов, например форштевни, ахтерштевни, баллеры
рулей, румпели, детали судовых устройств, могут изготовляться с
применением свободной ковки или прессовой штамповки. Для поковок в
зависимости от требований к их прочности и коррозионной стойкости
применяется сталь либо обыкновенного качества, либо легированная. Для
обеспечения свариваемости поковки должны изготовляться из свариваемой
стали с содержанием углерода не более 0,20 %.
Мортиры гребных валов, дейдвудные трубы, якорные клюзы и другие детали
могут быть литыми из низколегированных хорошо свариваемых сталей
специальных марок,
В малом судостроении в основном применяются обыкновенные углеродистые
стали. Они дешевле низколегированных, хорошо поддаются механической
обработке и легко свариваются. Из сталей марки ВСтЗсп или ВСтЗпс
выпускается широкий ассортимент листового и профильного проката малых
толщин, используемого в малом судостроении. Эта сталь не содержит
дефицитных легирующих присадок, ее стоимость примерно на 60 °/о ниже
стоимости низколегированной стали марки № ХСНД.
Существенного снижения массы корпуса в результате использования
низколегированных сталей не удается получить по ряду причин Во-первых,
размеры многих связей (штевней, брускового киля, днищевого набора,
пиллерсов) не зависят от предела текучести стали и принимаются
одинаковыми для связей, выполненных как из углеродистой, так и из
низколегированной стали. Во-вторых, уменьшение размеров связей,
зависящих от предела текучести стали, может ограничиваться требованиями
к их устойчивости, жесткости конструкции и коррозионному износу.
В результате анализа по пяти малым судам установлено, что снижение массы
металлического корпуса в результате замены обыкновенной углеродистой
стали с от = 240 МПа на низколегированную с От = 400 МПа составляет
10-15%. В частности, для яхты <Муссон> снижение массы корпуса составляет
15%, для служсбпо-разъездного катера типа <Ярославна> проекта 1436-14%.
При разработке конструкции из стали с от = 400 МПа система набора,
шпация и схема набора сохранялись такими же, как и при исходном
варианте. Указанное снижение массы корпуса стало возможным лишь после
того, как в 1975 г. Бюллетенем дополнений и изменений № 2 к Правилам
Регистра СССР разрешено уменьшать минимальные толщины в соотношении,
обратно пропорциональном корню квадратному из предела текучести стали.
Стоимость стали марки 10ХСНД для постройки корпусов малых судов с учетом
указанного снижения массы металлического корпуса примерно на 40 % больше
стоимости обыкновенной углеродистой стали.
Было также установлено, что в результате использования сталей повышенной
прочности при уменьшении шпации происходит снижение массы корпуса
примерно на 20 %.
Очевидно, оптимизацией конструкции корпуса при использовании сталей
повышенной прочности (выбор оптимальных шпаций, профилей, балок,
использование гофрированных конструкций и другие меры) можно добиться
несколько большего снижения массы металлического корпуса.
Можно рекомендовать для наиболее напряженных связей сталь марки 09Г2,
стоимость которой близка к стоимости обыкновенной углеродистой стали.
При постройке корпусов малых судов используется листовой и профильный
прокат, сортамент которого, технические требования и марки сталей
определяются различными ГОСТами. Число типоразмеров листового и
профильного проката ограничивается отраслевыми стандартами. Ограничение
типоразмеров упрощает заказ стали для судостроительного предприятия,
позволяет иметь на складе необходимый запас используемых листов и
профилей, а также заказывать прокат некоторых типоразмеров повагонно
(для углеродистых сталей повагонная норма составляет 62 т), так как
заказ меньшими партиями производится с 15 %-ной надбавкой к оптовой
цене. Марки сталей приведены по ГОСТ 5521-76. Сталь ВСтЗсп4 при толщине
листа 4 мм в малом судостроении не применяется. Для некоторых
конструкций допускается применение обыкновенной углеродистой стали марки
ВСтЗпс (полуспоконной по степени раскисления) о марки ВСтЗкп (кипящей).
Для балок пабора используются полособульбовыс, угловые профили (рис. 7),
полосы и сварные тавры. Несимметричные полособульбы изготовляют
специально для судостроения.
Рис. 7. Профили для балок набора; а -
несимметричный полособульб; 6 - неравнобокии угольник; в - рашюбокий
угольник; г - симметричный полособульб.
Плоская часть стенки этого профиля позволяет укладывать его на
плоский стенд при сборке узлов, рам и других конструкций, а также
выполнять сварное нахлесточное соединение книц и бра-кет. Несимметричный
полособульб легко приваривать к обшивке, так как ширина его бульба
меньше ширины свободной полки угольника, особенно равнобокого . Удобнее
также выполнять очистку и окраску в районе полесобульбоного профиля, чем
при использовании угольников или сварных тавров. Недостатком профиля
является его косой изгиб в случае, когда стенка профиля расположена
нормально к обшивке, так как главные центральные оси инерции профиля с
присоединенным пояском будут расположены под углом к плоскости стенки.
При установке профиля под углом к оболочке (чтобы со стороны бульба был
тупой угол) изгиб приближается к прямому. Косой изгиб в еще большей
степени проявляется у угольников, особенно у равнобоких. Использование
для балок набора угловых профилей по сравнению с полособульбовым
позволяет уменьшить высоту балок при некотором увеличении их массы. При
меньшей высоте профилей увеличивается деформационная способность
перекрытий, т. е. увеличивается максимально допустимая стрелка прогиба
при упругой деформации, вследствие чего повышается энергоемкость
перекрытий, а это является положительным качеством для малых судов,
швартующихся в море к другим судам.
Полосовой прокат используется для изготовления поясков и
прямолинейных стенок тавровых балок, различных ребер жесткости (рис. 8),
поясков книц, брускового киля, для окантовки вырезов и т. п. Широкие
полосы применяются для изготовления балок днищевого набора, фундаментов,
фальшбортов, поясьев обшивки и других элементов корпуса. За рубежом
использование полос в качестве балок продольного набора практикуется не
только на малых судах, но и на крупнотоннажных. В малом судостроении
преимущество полос перед другими профилями заключается в простоте сборки
и сварки, простоте пересечения балок с другими конструкциями,- меньшей
стоимости проекта.
Рамный набор малых судов обычно выполняют из сварных тавров. Их главное
преимущество перед прокатными профилями заключается в возможности выбора
оптимальных толщин, высоты стенки и ширины пояска с учетом всех
требований, предъявляемых к конструкции.
Симметричный полособульбовый профиль лучше работает па изгиб, чем
несимметричный, но он менее технологичен, поэтому в малом судостроении
применяется редко.
В табл. 8-12 приведены характеристики полособульбовых, угловых профилей
и полосового проката небольших размеров. Данные по профилям больших
размеров, редко используемые в малом судостроении, следует выбирать по
соответствующим государственным или ведомственным стандартам. Для
облегчения подбора профилей в таблицах приведены характеристики профилей
с присоединенными поясками. При промежуточных значениях площади
присоединенного пояска моменты инерции и моменты сопротивления
определяются интерполяцией.
Перечисленная профильная сталь поставляется как из обыкновенной
углеродистой стали, так и из низколегированных сталей.
