Крупногабаритные сварные конструкции северного применения изготавливают главным образом из низколегированных марок стали ОЦК (с объёмно-центрированной кристаллической решёткой).
Особенности применения материалов в таких конструкциях:
- температура эксплуатации может доходить до -60°С в устьях северных рек;
- конструкции испытывают переменное и динамическое нагружение;
- высокие проектные требования к эксплуатационным параметрам требуют использовать сталь высокой прочности;
- стали ОЦК склонны к хрупкому разрушению при нагружении при низких климатических температурах;
- длина сварных соединений в одной конструкции достигает порядка километров, эти соединения являются источником неизбежных дефектов и остаточных сварочных напряжений, поскольку их термообработка после сварки невозможна.
Ключевым фактором безопасной эксплуатации объектов техники и инфраструктуры является принятая система контроля качества конструкционных материалов, поскольку ремонтопригодность рассматриваемых конструкций ограничена, а срочный ремонт часто невозможен из-за больших расстояний и климатических условий.
До последнего времени на верфях России вместе с отечественными корпусными сталями и сварочными материалами широко применялись импортные сварочные материалы, обладавшие высокой технологичностью, стабильным качеством и умеренной стоимостью при больших объёмах поставки. Чтобы оценить возможность полного перехода на отечественные материалы, рассмотрим актуальные данные об основных характеристиках прочности, пластичности и хладостойкости металла шва, таблица 1 (импортные материалы выделены жёлтым цветом, российские – зелёным). Данные представлены для «оптимальных» режимов сварки.
Что касается других видов сварки, отечественные электроды, в том числе марок 48ХН, разработанные НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей», обладают высокими эксплуатационными и технологическими характеристиками. Хорошие результаты также показывает электрогазовая сварка отечественными проволоками вертикальных швов большой толщины.
Специалисты НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей» вынуждены отметить, что сертификатные данные по работе удара при отрицательных температурах, как правило, не достигаются даже в лабораторных условиях, в том числе для импортных материалов, однако из таблицы 1 можно сделать вывод, что сварка ответственных крупногабаритных конструкций северного исполнения из сталей высокой прочности может быть выполнена отечественными материалами. При этом необходимо обратить внимание на процедуру их аттестации.
Российским морским регистром судоходства (РМРС) по аналогии с зарубежными требованиями принята процедура первичной аттестации стального проката по свариваемости, при которой сварку проб следует выполнять в том числе при экстремально высоком уровне погонной энергии 50 кДж/см и более (для сталей с индексом W). Такие пробы сваривают в нижнем положении автоматической сваркой под флюсом, при этом хладостойкость металла шва не обеспечивается даже при использовании двухдугового автомата. По нашим данным, уровень работы удара металла шва таких проб при -40°С падает до 13-25 Дж вне зависимости от того, какие материалы использованы, отечественные или импортные. Это затрудняет аттестацию новых сталей для получения свидетельства о признании изготовителя и не соответствует основной идее обеспечения соответствия параметров сварки при аттестации и в производстве.
Погонная энергия сварки свыше 35 кДж/см применяется на верфях при электрогазовой сварке вертикальных швов больших толщин, а также при электродуговой сварке под флюсом малоответственных элементов конструкций, например, при приварке рёбер жёсткости угловым швом. Таким образом, программы испытаний по свариваемости, одобряемые РМРС для признания изготовителей сталей, не обеспечивают должный паритет между условиями сварки при аттестации стали и при производстве из неё сварных конструкций ответственного назначения. Например, требование проводить аттестационную автоматическую сварку под флюсом листового проката толщиной 12 мм при погонной энергии 50 кДж/см однозначно приводит к отрицательным результатам испытаний.
Принципы аттестации сталей по хладостойкости в России и за рубежом схожи: рассматриваются два уровня безопасности. Считают, что разрушение при низких температурах начинается от границ или дефектов сварных швов, условия старта трещины по хрупкому механизму контролируются параметрами статической трещиностойкости (критической величиной деформационного параметра CTOD – раскрытия в вершине трещины, либо энергетического параметра — J-интеграла). Стартовавшая трещина выходит в основной металл, способность которого тормозить трещину оценивается величинами CAT (crack arrest temperature, температура торможения трещины) и KIa — критическим значением коэффициента интенсивности напряжений (КИН) при торможении трещины в условиях плоской деформации.
Однако существуют значительные отличия отечественного и зарубежного подходов в обосновании критериев применимости стали, программах и методиках испытаний. По поводу первого уровня безопасности и статической трещиностойкости металла следует учитывать три существенных момента:
1) зарубежные требования обычно не дифференцированы по категории прочности и толщине стали,
2) в стандартах ISO 12135, ISO 15653 приняты новые стандартные формулы для расчёта нормируемой характеристики CTOD при изгибе, предложенные японскими исследователями [1], которые в «пограничных» случаях примерного соответствия трещиностойкости требованиям дают значения примерно на четверть выше, чем рассчитанные по ныне отменённому стандарту BS 7448, а также по ГОСТ 25.506 (рис. 1). Не рассматривая физическую достоверность стандартных формул, отметим, что теперь могут быть приняты материалы, которые считались негодными,
3) за рубежом разрешается проводить испытания на статическую трещиностойкость при растяжении (стандарт BS 8751), когда в образцах достигается значительно меньшая жёсткость напряжённого состояния, чем при испытании изгибом. Отдельные требования по CTOD для таких образцов не разработаны, и известны случаи использования в зарубежной практике требований РМРС, которые были разработаны нами для образцов, испытываемых на изгиб. Согласно выполненным в НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей» экспериментам и расчётам, результаты, полученные при растяжении, могут давать ошибку в опасную сторону, завышая свойства материала
Второй уровень безопасности – обеспечение торможения трещины. Температура торможения трещины может быть в принципе определена прямым испытанием больших образцов в полной толщине. В России это, например, методика Крыловского ГНЦ, однако испытательные возможности ограничены. За рубежом испытания проводят по обновлённой методике ESSO, стандарт ISO 20064. Испытание состоит в зарождении трещины ударом по охлаждённой стороне растянутого образца, рисунок 2. Распространяющаяся трещина выходит в более тёплую зону образца, где его трещиностойкость выше, и останавливается. Градиент температуры образца контролируется рядом наклеенных термопар.
При испытании определяется температура торможения трещины, а также соответствующий КИН Kсa, пропорциональный s(pa)0.5, где s – приложенные напряжения, a – длина трещины. Данные испытания изначально предназначены для стали больших толщин порядка 100 мм и являются уникальными по сложности и стоимости, к тому же не решён ряд методических проблем. Очевидно, что траектория трещины отнюдь не прямая (рис. 2,в), а её форма имеет вид «языка» (рис. 2,г), поэтому выбрать конкретное значение длины трещины a затруднительно. Также важно учесть, что длина нагружающей системы составляет более 6 метров, и она обладает значительной податливостью. В результате, напряжения s на момент остановки трещины неизвестны не соответствуют исходным. Получаемое значение Kсa не полностью соответствует KIa, так как условия плоской деформации не соблюдаются.
Зарубежные требования к величине Kсa составляют 190...240 МПа×м0.5 (например, в программе Норвежского Веритаса по одобрению изготовителей DNVGL-CP-0348). Эти величины были разработаны для стали с минимальным пределом текучести 470 МПа толщиной 80-100 мм, используемой для ширстреков контейнеровозов, а далее произошла та же история, что и с требованиями к статической трещиностойкости: данный уровень требований распространяется на стали иных категорий прочности. В действующих судовых Правилах Норвежского Веритаса DNVGL-RU-SHIP-Pt2Ch2 сказано: стали, обеспечивающие торможение трещины (BCA), производимые по ТУ изготовителей, должны аттестоваться по программе DNVGL-CP-0348.
Удовлетворение таких требований привело к появлению на рынке нового предложения – стали торговой марки ARRESTEX от JFE Steel Corporation, Япония. «Улучшенное» торможение трещины, рис. 3, как утверждается, достигается за счёт управляемого разворота зёрен металла в центральной по толщине зоне проката при его производстве (плоскости хрупкого разрушения зёрен развёрнуты под 45° к направлению разрушения). Однако из теории дефектов известно, что ОЦК решётка имеет большое количество систем скольжения дислокаций, поэтому не ясно, как и, главное, зачем изготавливать такие стали: только для того, чтобы успешно выполнять испытания по методике ESSO?
Очевидно, что методику ESSO невозможно использовать при аттестации серийной продукции. Поэтому ведутся научные исследования с целью обоснования применения различных видов не столь дорогостоящих испытаний образцов меньших размеров по определению температур вязко-хрупкого перехода для косвенного нахождения температуры торможения трещины. Температур вязко-хрупкого перехода и соответствующих им видов испытаний известно множество. В принципе, можно придумать и новые, чем занимаются японские исследователи [2, 3]. Например, в [2] предложены образцы, варианты которых показаны на рисунке 4.
Образцы на рис.4,а тонкие и не представляют натурную толщину металла, при испытании возможна потеря устойчивости. В рабочем сечении образцов, показанных на рис. 4,б, превалирует неконтролируемое сжатие, величина которого зависит от трения в опорах. Для сталей с пределом текучести свыше 700 МПа прессование надреза оказывается практически невозможным, острая грань оснастки затупляется либо откалывается.
Применение косвенных испытаний с определением температур вязко-хрупкого перехода может быть обосновано установлением надёжных корреляций получаемых результатов с данными испытаний по ESSO, однако последние доступны для очень ограниченного интервала толщин (80-100 мм), где зависимость Kсa от толщины минимальна. Что в этой ситуации может предложить российский опыт разработки и испытания хладостойких сталей? В Правила РМРС специалистами НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей» внесены следующие методики специальных испытаний:
– ТКБ, температура критическая на больших образцах, испытание на излом при трёхточечном изгибе с построением температурной кривой процента волокнистой составляющей (ТКБ соответствует 70% волокнистой составляющей), рис. 5,
– NDT, температура нулевой пластичности, испытание на ударный изгиб падающим грузом образцов с хрупкой наплавкой по ASTM E208,
– ИПГ по ГОСТ 30456 (DWTT – испытание на ударный изгиб падающим грузом) с построением температурной кривой процента волокнистой составляющей (TDWTT соответствует 70% волокнистой составляющей для судокорпусных сталей, 85% для газопроводов).
Для перечисленных видов испытаний расчётно-экспериментальными методами с использованием механики разрушения определены корреляции с минимальной температурой применимости стали, обеспечивающей торможение трещины в корпусных конструкциях (CAT) [4], «температурные запасы» для каждого вида испытаний в табличном виде внесены в Правила РМРС. Перечисленные виды испытаний проводятся в условиях массового производства стального проката в заводских условиях. Комплекс нескольких видов испытаний необходим потому, что они по-разному оценивают сочетание деформационной способности и хладостойкости металла.
Особо следует отметить роль испытаний падающим грузом по методике ИПГ. В актуальной версии ГОСТ 30456-2021 предусмотрен переход от качественной характеристики (процента волокнистой составляющей) к количественной – поглощённой энергии при разрушении образцов, что стало возможным из-за большей доступности инструментированных копров. Поэтому для НИЦ «Курчатовский институт» - ЦНИИ КМ «Прометей» актуальной задачей является моделирование методом конечных элементов для разработки требований к поглощённой энергии при ИПГ, рис. 6. Разработана методика калибровки измерительных систем инструментированных копров ИПГ. Другой проблемой является стабильность и повторяемость результатов, для чего организуются круговые межлабораторные инструментированные испытания ИПГ, к участию в которых приглашаются все заинтересованные предприятия.
Опираясь на обширный опыт и учитывая приоритет отечественных разработок для дальнейшего освоения Арктики, специалисты НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей» рекомендуют следующий алгоритм аттестации материалов.
Этап ноль – анализ ключевых параметров технологии производства материала, влияющих на его эксплуатационные свойства. Результат – выбор технологического маршрута и его ключевых параметров.
Этап один – обеспечение стандартных механических свойств основного металла: прочность и пластичность, микроструктура, чистота по неметаллическим включениям, температурная кривая работы удара.
Этап два – обеспечение торможения трещины основным металлом: ТКБ, NDT, ИПГ(DWTT), ТКДС.
Этап три – определение стандартных и коррозионных свойств сварных соединений: прочность и пластичность, микроструктура, оценка разнородности по твёрдости, работе удара по зонам сварных соединений. Испытания на КРН для материалов, эксплуатируемых в коррозионной среде.
Этап четыре – статическая трещиностойкость металла сварных соединений.
Уменьшить стоимость испытаний можно за счёт:
– использования образцов квадратного сечения на трёхточечный изгиб,
– предварительного проведения испытаний образцов с надрезом по металлу шва,
– пошагового проведения испытаний с выполнением металлографического анализа после испытания,
– выбора в качестве целевой структуры крупнозернистой ЗТВ у линии сплавления и испытания только нескольких образцов по ЗТВ, удалённой от линии сплавления.
Сохраняет актуальность и ждет аргументированных ответов целый ряд вопросов относительно аттестации и переаттестации материалов, адресуемых, прежде всего, Российскому морскому регистру судоходства:
1. Существующая система составления программ испытаний «на свариваемость» требует корректировки. Сталь не виновата в том, что её не удаётся качественно сварить при высоких погонных энергиях, когда процедура сварки не соответствует применяемой в производственных условиях. Неудовлетворительные результаты получены исключительно при испытаниях на ударный изгиб по линии сплавления, где в зону надреза попадает металл шва.
2. При переаттестации материалов (подтверждении свидетельств о признании изготовителя и т.п.) инспекторы Регистра на местах также требуют проводить испытания «на свариваемость» при высокой погонной энергии, и круг замыкается.
3. В Правила Регистра введены зарубежные марки стали высокой прочности и большой толщины, для которых указана система легирования, которая в действительности не позволяет достичь заявленных характеристик.
4. Для новых судостроительных сталей предусмотрено требование проведения испытаний по ESSO, что в принципе не позволяет их аттестовать в России (в Правилах РМРС такое требование назначено только для стали с пределом текучести 470 МПа, волнует его распространение за рубежом на другие категории стали).
В условиях массированных санкций против российской науки и промышленности, напомним об основных направлениях деятельности НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей», как головной материаловедческой организации:
- Разработка новых конструкционных материалов.
- Технологическое сопровождение изготовления основных и сварочных конструкционных материалов.
- Разработка и реализация программ аттестации конструкционных материалов с учётом отечественных испытательных возможностей.
- Аудит испытательных лабораторий специальных механических испытаний.
- Научное обоснование требований, предъявляемых к результатам специальных механических испытаний.
- Аттестация отечественных сварочных материалов, разработка и аттестация технологий сварки.
- Техническое сопровождение проектирования конструкций.
- Авторский надзор за соблюдением требований к технологическим процессам изготовления конструкционных материалов.
- Экспертиза проектов, контроль выбора материалов.
- Техническое сопровождение строительства конструкций.
Российские компетенции в материаловедении представляются вполне достаточными для внедрения отечественной системы сертификации материалов, предназначенных для эксплуатации в арктических условиях и в пределах границ и территориальных вод Российской Федерации.
