Судостроительные материалы

При постройке и ремонте судов применяют различные материалы: металлы, дерево, пластмассы и др., обладающие определенными химическими, физико-механическими и технологическими свойствами, которые учитывают «при постройке и ремонте судовые конструкций.

Каждая поставляемая на судостроительный и судоремонтный заводы партия материала обязательно сопровождается документом — сертификатом, в котором указаны все его качества; в лабораториях заводов материал проходит химические, механические и технологические испытания.

При назначении марок материала для изготовления какого-либо судового изделия (деталей корпусов, механизмов, оборудования) руководствуются действующими правилами Регистра, Государственными стандартами (ГОСТ), отраслевыми нормалями (ОСТ), в которых изложены основные требования, предъявляемые к изделиям в условиях эксплуатации судов.

Сталь. Основным материалом для постройки и ремонта судов служит углеродистая сталь, а для ряда морских и смешанного плавания («река — море») судов — низколегированные стали, обладающие повышенной прочностью и облегчающие массу корпуса. При изготовлении и ремонте корпусных конструкций судов используют только стали по ГОСТ 5521—67.

Судостроительные стали в зависимости от их основных характеристик и назначения изготовляют следующих марок:
углеродистая — С, ВМСт3сн (по ГОСТ 380—71);
низколегированная — 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1Д, 10ХСНД (по ГОСТ 5521—67).

Помимо стали ВМСт3сп, металлургические заводы поставляют стали марок: ВМСт3пс, ВМСт3кп, ВКСт3сп, ВКСт3пс, ВКСт3ки (ГОСТ 380—71).

Углеродистую сталь С применяют для постройки и ремонта морских судов; углеродистую сталь ВМСт3сп обыкновенного качества— судов внутреннего и смешанного («река — море») плавания.

Судостроительная сталь должна:
обладать некоторой устойчивостью против коррозии (в воде и на воздухе);
выдерживать обработку в горячем и холодном состояниях;
хорошо свариваться дуговой сваркой;
выдерживать загиб на 180° в холодном состоянии по оправке.

Углеродистые стали отличаются малым содержанием углерода (0,14—0,22%), серы и фосфора (не более 0,05% каждого). Сера придает металлу красноломкость, а фосфор — хладноломкость. При красноломкости металл трескается и ломается в нагретом состоянии; хладноломкость — способность металла снижать вязкость при пониженных температурах.

Низколегированные стали (вышеперечисленных марок) отличаются низким содержанием углерода (не более 0,12%); в стали добавляют легирующие элементы: кремний, марганец, хром, никель, медь.

Сталь (в соответствии с ГОСТ 5521—67) поставляют в виде листового и профильного проката; различают:
толстолистовую сталь (толщина листов 4—56 мм); тонколистовую сталь (толщина листов 0,9—3,9 мм);, фасонную (или профильную) сталь (рис. 4): равнобокий угольник, неравнобокий угольник, швеллер (корытный профиль), двутавр, углобульб, полособульб, симметричный полособульб, люковый сегментный (полукруглый), круглые профили.

В судостроении применяют и другие стали с особыми физическими или физико-механическими свойствами: ковкие стали — для изготовления мелких деталей, углеродистые и легированные — для судовых поковок, нержавеющие стали. Последние обладают высокой коррозионной устойчивостью, хорошо свариваются; из них изготовляют крылья для судов на подводных крыльях, облицовки гребных валов, лопатки турбин и др.; однако имеют повышенную стоимость, поэтому применение их ограниченное.

Алюминий. Он обладает высокой пластичностью, более высокой коррозионной стойкостью по сравнению со сплавами, созданными на его основе, но имеет низкие механические и литейные свойства, поэтому в судостроении его применяют в виде тонкой фольги, используемой в качестве теплоизоляционного материала.

Алюминиевые сплавы (в них входит 80—90% алюминия) делятся на две группы: обрабатываемые давлением и литейные.

Рис. 4. Профильный прокат:
1 — равнобокий угольник, 2 — неравнобокий угольник, 3 — швеллер, 4 — двутавр, 5 — углобульб, 6 — полособульб, 7 — симметричный полособульб, 8 — люковый профиль, 9— сегментный профиль, 10 — прутковая сталь

Алюминиевые сплавы, обрабатываемые давлением (деформируемые). Рассматриваемые сплавы бывают термически неупрочняемые и упрочняемые.

Термически неупрочняемые сплавы (по сравнению с упрочняемыми) обладают меньшей прочностью, но гораздо более высокой антикоррозионной стойкостью, повышенной пластичностью, хорошей свариваемостью.

К термическим неупрочняемым сплавам относятся: алюминиево-марганцевый и алюминиево-магниевый сплавы.

Алюминиево-марганцевый сплав АМц обладает низкой прочностью, имеет высокую антикоррозионную стойкость и большую пластичность в отожженном состоянии; хорошо сваривается; применяют для изготовления легких выгородок, баков для жидкостей (кроме щелочей и кислот), вентиляционных труб и др.

Алюминиево-магниевые сплавы АМг, АМг5, АМг5В, АМгб, АМг61 обладают высокими антикоррозионными свойствами; при содержании магния меньше 3% прочность их незначительна, при большем содержании магния (свыше 5,5%) прочность сплава увеличивается, но понижается сопротивление коррозии.

Сплавы АМг и АМг5 применяют для изготовления малонагруженных конструкций: легких переборок, трубопроводов, арматуры, бачков, а также для внутренней отделки судов; хорошо свариваются контактной и аргонно-дуговой сваркой, несколько хуже газовой. Из сплава АМг5 изготовляют заклепки.

Сплав АМг5В (средней прочности) наиболее коррозионноустойчив. Сплавы АМг5В, АМгб, АМг61 применяют для изготовления нагруженных прочностных конструкций корпусов судов; хорошо свариваются контактной и аргонно-дуговой сваркой.

К термически упрочняемым сплавам относятся алюминиево-медные сплавы и алюминиевые сплавы для ковки и штамповки.

Алюминиево-медные сплавы (дуралюмины) до изготовления корпусов судов обрабатывают, а затем закаляют в особых масляных ваннах с быстрым охлаждением; имеют прочность, равную прочности некоторых малоуглеродистых сталей. В состав дуралюминов, кроме меди, магния и кремния, упрочняющих сплавы, входит марганец, способствующий измельчению структуры металла. Серьезным недостатком этих сплавов является низкая их антикоррозионная стойкость.

Дуралюмин Д1 применяют для изготовления малонагруженных конструкций корпуса: настилов в корпусе, внутренней обшивки, трапов, дверей, стоек, судовой мебели, а сплав Д6 — для изготовления нагруженных конструкций: переборок, кронштейнов, раскосов. Из сплава Д16, обладающего высокой прочностью, изготовляют заклепки, обшивку и набор корпусов и конструкций.

Алюминиевые сплавы для ковки и штамповки в качестве основы имеют алюминиево-медные сплавы с добавкой легирующих элементов: магния, никеля, железа и кремния. В судостроении применяют сплав АК4, обладающий относительно высокой прочностью, используемый для изготовления несложных штамповок и поковок.

Алюминиевые литейные сплавы сохраняют свойства чистого алюминия с присадками (кремний, магний, медь и цинк), которые улучшают литейные свойства сплава, повышают прочность и твердость, но одновременно уменьшают его пластичность, антикоррозионную стойкость, тепло- и электропроводность.

Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) применяют при фасонном литье. Из сплава АЛ2 изготовляют арматуру, коробки, маховики, барашки, кронштейны и др.

Алюминиево-магниевые сплавы обладают по сравнению с силуминами более высокой антикоррозионной стойкостью и лучшими механическими свойствами.

Наибольшее применение получили сплавы АЛ8 (в закаленном состоянии), АЛ 13 и 45Мг2; из АЛ8 и АЛ 13 изготовляют детали арматуры масляных и топливных систем, вентиляции и дельных вещей; из сплава 45Мг2 —детали и изделия (трубопроводы пресной воды, масляные и топливные системы, судовые механизмы и оборудование, дельные вещи), работающие при высокой температуре, но не выше 100° С.

Основным преимуществом всех алюминиевых сплавов является их малая плотность (2,6—2,8 г/см³), что в три раза меньше плотности судостроительной стали (7,85 г/см³). Поэтому алюминиевые сплавы широко применяют для постройки судов облегченного типа (СПК, СВП, полуглиссеров), а также для изготовления надстроек крупных пассажирских судов.

Лесоматериалы. Все древесные породы делят на хвойные и лиственные. Из хвойных пород в судостроении применяют: сосну, ель, лиственницу, пихту и кедр. Из лиственных — березу, дуб, ясень и красное дерево.

Лесоматериалы применяют в виде бревен, брусьев, брусков, досок, фанеры, столярных и древеснослоистых плит.

Бревна и брусья используют для изготовления деталей, поддерживающих корпусные конструкции при сборке на стапеле и на сборочных площадках.

Из брусков изготовляют обрешетники, подножные решетки и другие судовые конструкции; из досок — переборки, настилы и др.

Фанеру используют для изоляции и декоративной отделки помещений; выпускают различных марок и типоразмеров толщиной от 0,8 до 16 мм; изготовляют из шпона (тонкий слой древесины толщиной 0,4—0,7 мм) различных пород дерева — березы, ореха, дуба и др.

Столярные плиты — это клееные щиты, основа (внутренняя часть) которых состоит из брусков дерева хвойных пород, соединенных между собой клеем или вшпунт, а рубашки (наружная часть) — из шпона или фанеры, наклеенных на основу. Из плит изготовляют крышки столов, боковые стенки и полки шкафов, панели и переборки судовых помещений.

Древеснослоистыё пластики (ДСП) изготовляют в виде плит из листов березового шпона, пропитанных фенолформальдегидными смолами и клеенных при высокой температуре (до 150° С) под давлением (до 300 кГс/см²).

Для защиты древесины от загнивания и придания ей огнестойкости ее пропитывают специальными растворами — антисептиками и антипиренами.

В судостроении применяют материалы, получаемые на химических заводах при помощи синтеза различных органических веществ. В основном используют эластики и пластики (пластмассы).

Эластики обладают высокой эластичностью и сохраняют свою первоначальную форму после снятия усилий.

Пластмассы применяют для изготовления крупногабаритных конструкций, устанавливаемых на металлических корпусах: надстроек, рубок, капов и др., а также переборок и выгородок внутри корпуса. Применение синтетических материалов для изготовления судовых конструкций стало возможным в результате создания специальной группы пластмассовых материалов — стеклопластиков. Этот материал по сравнению с металлом и деревом обладает большой относительной прочностью, не магнитен, не корродирует, стоек против гниения, красится в процессе полимеризации и др.

Стеклопластик — материал сложной композиции, основными составляющими которого является связующее (смола с различными добавками), и армирующий материал. В качестве связующего для стеклопластиков используют ненасыщенные полиэфирные смолы холодного отверждения; армирующий материал — стекловолокнистые наполнители: стеклохолсты, стекложгут, стеклоткани разнообразного плетения. Тканевые материалы подразделяют на ткани из крученых и некрученых нитей (жгутовые ткани или стеклорогожки).

Плотность стеклопластиков зависит от материала и объема армирования и составляет 1,6—1,8 г/см³; стеклопластики в 5 раз легче стали и в среднем примерно в 2 раза легче алюминиевых сплавов.

Чем больше в пластике содержится стекловолокна, тем он прочнее; содержание стекловолокна по массе; изменяется от 30 до 60%, а иногда до 70%, что соответствует 15—40% по объему. Разместить в пластике большее количество стекловолокна и тем самым повысить прочность материала не удается, так как при этом смола не будет надежно закрывать со всех сторон наполнитель.

Стеклопластик подвержен старению, и «прочностные показатели его снижаются как при продолжительном действии нагрузки, так и без нее. Снижение предела прочности только в результате старения составляет 10—20% за 10 лет.

При погружении стеклопластиков в морскую или речную воду прочность его снижается (особенно в первые 10 суток) примерно на 25—35%, а затем незначительно. Для уменьшения величины снижения предела прочности стеклопластика армирующий материал (стеклоткань) обрабатывают гидрофобноадгезионными составами, отталкивающими воду. Например, состав ГВС-9 снижает потери прочности до 10—12%, зависящие от марки смолы и стекловолокнистых наполнителей.

Стеклохолст — армирующий материал, обеспечивает наиболее равномерные (одинаковые по всем направлениям) прочностные свойства стеклопластика. Химически связанный стеклохолст представляет собой хаотически расположенное рубленое волокно, соединенное специальными эмульсиями; легко пропитывается смолой; значительно дешевле стеклотканей. Прочность стеклопластиков, полученных на основе стеклохолста, относительно невелика, поэтому их применяют для изготовления малонагруженных судовых конструкций (надстроек, выгородок и др.) и корпусов мелких судов (катеров, лодок).

Стекложгут используют для подкрепления конструкций в строго определенном направлении (например, для армирования свободных поясков балок набора); применяют для производства балок таврового или полособульбового профиля способом непрерывной протяжки на специальных машинах. В таких балках жгуты во всех элементах ориентированы параллельно направлению подкрепления. Стекложгут применяют также для получения рубленого волокна при изготовлении стеклопластика методом напыления; этот материал (рубленое волокно) близок по свойствам к стеклопластику, армированному стеклохолстом.

Стеклоткани сатинового переплетения и кордные ткани, используемые в качестве армирующего материала, обеспечивают относительно высокую прочность стеклопластика.

У тканей сатинового переплетения каждая нить основы (нити, идущие вдоль направления рулона) проходит над определенным количеством нитей утка, а затем — над группой таких нитей. В этих тканях нет крупных перегибов нитей, как в тканях полотняного переплетения. Поэтому стеклопластики на их основе обладают большей прочностью и жесткостью; эластичны, хорошо укладываются по обводам формы и легко пропитываются смолой. Эти свойства обусловили их широкое применение в судостроении.

Кордные ткани изготовляют как из крученых, так и некрученых нитей. Нити основы кордных тканей связаны относительно слабыми нитями утка и не имеют перегибов. Стеклопластик, армированный кордными тканями, применяют для усиления связей в определенном направлении (например, для палубного стрингера, ширстрека, горизонтального киля, поясков балок и др.).

Изоляционные материалы применяют на судах для тепловой, противопожарной и противошумной изоляции; не должны поддерживать горения, быть стойкими к воздействию влаги, для чего изоляцию покрывают сверху шпаклевкой и окрашивают.

Покрасочные материалы служат для покрытий всех судовых поверхностей. К ним относятся: масляные, смоляные и силикатные краски, свинцовый и железный сурик, белила, лаки, синтетические краски, эмали (на основе пентафталевых смол), этинолевые краски, кузбасский лак и др.

Для лучшей защиты судовых конструкций и обеспечения более длительного срока их службы лакокрасочные покрытия наносят на тщательно зачищенные и загрунтованные поверхности.

Подводные поверхности корпусов морских судов покрывают специальными красками, более стойкими против обрастания корпуса ракушками и водорослями.

Клеи применяются для соединения различных деталей судового оборудования и корпусных конструкций; должны обладать хорошей адгезией (способностью прилипать к поверхности), достаточной прочностью, огнестойкостью, температуроустойчивостью, нетоксичностью и технологичностью.

Бетон получают смешивая судостроительный цемент с водой и наполнителями (песок, щебень и гравий) в определенных пропорциях. Конструктивное соединение бетона и стальной арматуры — железобетон отличается не только хорошей твердостью, но и способностью частично работать на растяжение; применяют для изготовления корпусов железобетонных судов, покрытия палуб, ремонта отдельных корпусных конструкций стальных судов.

Мастики применяют для защиты палуб от воздействия влаги и придания им большей стойкости против механических воздействий и искрообразования (на танкерах). В судостроении и судоремонте применяют специальные мастики (типа «Нева» и др.); ими покрывают палубы после окончания сварочных работ и испытаний их на водонепроницаемость.

К прочим неметаллическим судостроительным материалам относятся: резина, применяемая для прокладок, уплотнения горловин, иллюминаторов, люков, дверей и др.; кожа — для различных прокладок, манжет и отделки мебели (широко используется искусственная кожа); стекло — для изготовления иллюминаторов, зеркал, водоуказательных стекол и др. В качестве отделочных материалов находят применение линкруст, повинол, различные ткани и др.