Научный вызов — это не фигура речи, его, как правило, диктует сама жизнь. Для обеспечения круглогодичной навигации по Северному морскому пути и освоения шельфовых месторождений в России строится самый мощный в мире атомный ледокол «Лидер». Для него требовались материалы с уникальными, подчас взаимоисключающими свойствами. Высокая прочность, пластичность, стойкость к коррозии, сопротивляемость динамическим воздействиям ледовых полей и ветроволновым нагрузкам — вот качества сталей, способных работать в Арктике при температурах до -60°С. Кто должен был взяться за их создание, если не лидер отечественного материаловедения НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей»?
— Нам удалось воплотить давнюю мечту материаловедов, совместив несовместимые характеристики — высокую пластичность и прочность, и регулировать их в зависимости от условий эксплуатации. По хладостойким сталям мы точно впереди планеты всей, — сказал мне директор ЦНИИ КМ «Прометей» член-корреспондент РАН Алексей ОРЫЩЕНКО. Причем подчеркнул, что у истоков этих разработок стоял его учитель и предшественник на посту директора академик Игорь Горынин, чье имя носит «Прометей», отмечающий в эти дни 85-летие.
«Наш принцип — все институтские разработки идут в дело, а не остаются на полках», — написал Игорь Горынин в своей книге «Размышления с оптимизмом». «Прометей» верен этому принципу. Решая любую проблему, здесь параллельно разрабатывают и теоретическую, и экспериментально-технологическую ее части. Только так можно получить прорывные результаты, обсудить которые профессор Орыщенко предложил мне сразу после III Международной конференции «Материалы и технологии для Арктики». В отличие от аналогичных профильных конференций, где идет обмен информацией между «своими», она собрала материаловедов, конструкторов, металлургов, сотрудников Российского морского регистра судоходства, Ростехнадзора. И подтвердила, что «Прометей» — по-прежнему законодатель моды в материаловедении.
— На предыдущей конференции мы представили новые хладостойкие Arc-стали для единственного в мире ледокольного флота России, — начал разговор Алексей Сергеевич. — Конкретно — для суперледоколов проекта 22220 «Арктика», «Сибирь» и «Урал» и сварных конструкций, отвечающих суровым условиям Севера. Впервые в мире нами были разработаны прецизионные технологии, обеспечивающие создание однородной по всей толщине проката дисперсной структуры. Свершилось это благодаря появлению на ПАО «Северсталь» и Магнитогорском металлургическом комбинате (ММК) прокатных станов, на которых можно производить термомеханическую обработку листов толщиной от 40 до 150 мм.
— Как насчет традиционного применения легирующих добавок?
— В том-то и дело, что в основном удалось обойтись без них, прежде всего без дорогостоящих никеля и молибдена. Хотя обычно для создания спецсталей с заданными физико-механическими свойствами приходится подбирать химический состав, охватывающий значительную часть таблицы Менделеева.
Наша технология позволяет при низком легировании (до 1%) получить высокопрочные коррозионностойкие стали. При этом мы предложили изготавливать ледовый пояс (усиленную нижнюю часть для противостояния льдам) судов из стали, покрытой, в свою очередь, нержавеющей сталью (получается так называемая плакированная сталь) с максимальной прочностью на истирание и активной катодной защитой для снятия блуждающих токов, что и было реализовано на самом мощном атомном ледоколе «50 лет Победы».
— Но теперь достраивается «Лидер». И уже он будет самым мощным в мире!
— Мы этого с нетерпением ждали, поскольку разработали для него не только рецептуру хладостойких сталей, но и технологию их изготовления. Готовим документацию, описывающую весь технологический ряд материалов для строительства арктических судов как гражданского, так и военного назначения. Мы уже на практике проверили, что скорости сварки наших сталей достигают порядка 100 м швов за час, что дает возможность ускорить почти на 25% строительство кораблей. И уменьшить цену примерно настолько же, потому что эти стали более дешевые, они не легированные. Мы четко осознаем, какую сталь сделать, какие технологии применить, чтобы добиться оптимального сочетания высокой прочности и пластичности. Задача решена на 100%. Чтобы убедиться в этом, провели ряд плавок как на своей производственной базе, так и совместно с партнерами на их мощностях. Зарубежные конкуренты отстали от нас на десятилетия.
— Каковы ориентиры для дальнейшего движения вперед?
— Ориентиры задает Арктика, она не спрашивает наши пожелания, а предъявляет требования. Исходим из того, что надо и дальше поэтапно повышать прочность хладостойких сталей. Уже уверенно освоили предел текучести 620 мегапаскалей — это оптимум по сочетанию прочности и хладостойкости, можем двинуться и дальше, до 690, 720 МПа. Об этом на конференции говорил мой заместитель по научной работе Алексей Ильин. Суть в том, что при повышении прочности можно уменьшить вес судна, а значит, увеличить полезную нагрузку. Кроме того, чем тоньше металл, тем сильнее он препятствует распространению трещин, которые охотно развиваются в больших толщинах. Поэтому использование тонкого проката более высокой прочности — плюс к безопасности.
Конечно, не всегда высокопрочные стали востребованы, скажем, для танкеров, подверженных многоцикловым волновым нагрузкам, их применение нецелесообразно. В каждом отдельном случае надо разбираться.
Есть и более общая проблема супербольших толщин металла, возникающая на таких объектах, как Каменномысское месторождение в акватории Обской губы, уникальное по запасам природного газа. Там мелководье, и требуемая толщина листового проката для свайных оснований буровых платформ превышает 100 мм. (Представьте, на каждую платформу — 50 свай с безумным суммарным весом.) Обеспечить хладостойкость проката при таких толщинах даже на лучшем металлургическом заводе типа Магнитогорского непросто — нужна очень хорошая проработка металла. Для нас это — новый вызов, до сих пор никому это не требовалось.
— Ваша сталь предназначена исключительно для корпусов ледоколов?
— Не только. Ледовый пояс первой в мире ледостойкой стационарной платформы «Приразломная» в Печорском море мы также построили из плакированной стали и установили катоды для активной защиты от коррозии. На этой установке были применены и наши новые трубные стали. Общий вес платформы составляет 106 тысяч тонн (настоящий монстр!), из них 76 тысяч тонн — конструкций из созданных нами абсолютно новых материалов. Даже норвежцы для строительства платформ Moss Maritime заказали на ПО «Севмаш» нашу сталь, что подтвердило ее высокую конкурентоспособность на мировом рынке.
— Где-то еще нашли применение упомянутые трубные стали?
— Нашими фирменными способами обеспечения качества судостроительных сталей мы воспользовались и при создании материалов для магистральных трубопроводов. Прочностные характеристики труб, изготовленных по технологии «Прометея» Ижорским трубным заводом ПАО «Северсталь», оказались наилучшими.
Разработанная нами сталь продолжает успешно применяться при строительстве газопровода «Бованенково — Ухта», рассчитанного на экстремальные условия эксплуатации. Наша труба на 10-15% дороже изготовленной из импортных слябов, зато мы даем гарантию газовикам на 25 лет ее безаварийной службы (а по результатам испытаний она и 50 лет способна прослужить). Не знаю, может быть, кому-то и выгодно менять трубы каждые пять лет, но в этом случае они из стальных превращаются в золотые.
— Путь к созданию материалов, которым не страшны холод, воздействие агрессивной среды и избыточная нагрузка, лежит через постижение их структуры. Помню, когда на «Прометее» открылся наноцентр, ваши специалисты шутили, что работали в нанодиапазоне всегда, теперь осталось лишь терминологию освоить…
— В институте понимали значение дисперсности структуры даже в годы Великой Отечественной, когда занимались созданием брони для Т-34. В дальнейшем мы тоже исходили из того, что дисперсность колоссально влияет на свойства материала. Но отсутствие высокоточной аналитической техники заставляло действовать на ощупь. В одной из своих статей академик Горынин дал четкую классификацию способов получения умных конструкционных наноматериалов. Все эти способы мы у себя в наноцентре осваиваем. А с вводом в эксплуатацию новых автоматизированных станов на ПАО «Северсталь» и ММК воплощаем наши разработки в жизнь совместно с предприятиями, создаем принципиально новые конструкционные стали с измельчением 20-30% их структуры до наноуровня.
— Проектировщики судов и подводных конструкций для Арктики выступают за более широкое применение титановых сплавов. Идете навстречу их пожеланиям?
— Наш опыт весьма поучителен. В 1958 году перед институтом была поставлена задача впервые в мире создать производство крупногабаритных листов и штамповок из прочных коррозионностойких титановых сплавов для высокоскоростного глубоководного Военно-морского флота. Титан бывает вязким, как пластилин, и хрупким, как стекло: лист при ударе рассыпался на части, и получить нечто среднее — пластичный и прочный материал — казалось нереальным. Тему хотели закрыть, но на ее защиту встал тогдашний директор Курчатовского института, президент АН СССР Анатолий Петрович Александров. Из разработанных нами высокопрочных свариваемых сплавов была построена серия подводных кораблей ВМФ, в том числе первая в мире цельнотитановая подводная лодка с рекордной скоростью хода.
С точки зрения требований ВМФ, главная ценность титана в том, что он немагнитный и обладает абсолютной коррозионной стойкостью, чего о стали пока не скажешь. При этом он еще и почти вдвое легче стали. Мы научились варить титановые конструкции в стапельных условиях, в атмосфере аргона, а не только в вакууме.
Важнейшая сфера применения титана — автономные, надежные и долговечные ядерные установки средней и малой мощности, жизненно необходимые для освоения Арктики. Выплавлять титан на порядок сложнее, чем сталь, которую для равномерного распределения легирующих элементов можно перемешивать с помощью магнитного поля. Но мы все-таки разработали технологию выплавки больших титановых слитков, из которых можно соорудить корпус реактора.
Сегодня сделан следующий шаг: наши специалисты создали титановые сплавы, способные выдерживать огромное давление, что позволяет построить аппарат для погружения в морские глубины. Ориентируемся на 11 км, то есть на дно Марианской впадины. Материалы уже прошли масштабную проверку, практически налажено их промышленное производство. И это дает основания надеяться, что проектируемый гражданский аппарат «Восход» сможет через два года совершить первое погружение.
— Трудно переоценить вклад материаловедческой науки в атомную энергетику — как в стационарную, так и в корабельную. Расскажите о новейших достижениях «Прометея» в этой области.
— Все самые продвинутые разработки профильных КБ были реализованы из материалов «Прометея», в т. ч. реакторы с жидкометаллическими теплоносителями для атомных подводных лодок. Сейчас, после пертурбаций 1990-х годов, эта технология восстанавливается, и самые перспективные реакторы изготавливаются из нашей стали, она так и называется — «перспективная». О ней на конференции рассказывал мой первый заместитель по научной работе Александр Каштанов.
В этих реакторах используется в качестве теплоносителя жидкий металл вместо воды, что обеспечивает их высокую безопасность. К запроектной аварии приводит кризис теплообмена; вода вскипает в корпусе реактора, разделяется на ТВЭЛах на кислород и водород, образуется гремучая смесь — следует тепловой взрыв. Температура применяемого в модернизированных реакторах свинца — 1900 градусов, т. е. активная зона расплавляется раньше, чем могло бы произойти закипание теплоносителя. Мы для таких реакторов разработали материалы, совместимые со свинцом.
Новую радиационно стойкую сталь мы передали на Курскую АЭС в качестве нейтронной выгородки. Смысл в том, что в нейтронном потоке металл распухает и теряет свойства, становится хрупким. Возникает необходимость замены выгородки, что (даже с учетом использования манипуляторов) небезопасно для персонала. Нам удалось существенно снизить коэффициент распухания.
Пытаемся добиться того, чтобы ресурс выгородки, изготовленной из новой стали, был сопоставим с ресурсом корпуса реактора, который пока что вдвое дольше. Этой же цели можно достичь, применяя для изготовления нейтронной выгородки аддитивные технологии селективного лазерного сплавления. Выгородка, изготовленная из нашей стали, позволяет довести ресурс работы всего реактора до 60 лет, с возможностью продления до 100 лет.
— Оправдывает ли ожидания лаборатория радиационного материаловедения, созданная на «Прометее» еще в 1968 году?
— Судите сами. Это была первая в мире «горячая» лаборатория в составе не ядерно-физического, а чисто материаловедческого центра. Технологическая цепь из 17 «горячих» камер стала полигоном для исследования влияния нейтронного облучения на физико-механические свойства конструкционных материалов. В лаборатории был испытан созданный нами новый класс сталей, обеспечивающих проектный ресурс наиболее ответственного и несменяемого элемента АЭС — корпуса реактора. Из этих сталей по институтском технологиям построены практически все транспортные атомные установки и стационарные АЭС в СССР и других странах. Ныне 60 реакторов АЭС надежно эксплуатируются в России и за рубежом, еще 41 строится.
— Подводя итог нашей беседы…
— Скажу, что в 2023 году мы успешно завершили проект по созданию нового поколения конструкционных судостроительных сталей с унифицированными химическими составами и улучшенным комплексом механических свойств. Разработали промышленные технологии производства листового проката толщиной до 100 мм различных категорий прочности на базе 5 химических композиций вместо применяемых ныне в металлургии 20. Что дает унификация сталей? Возможность снизить их стоимость, сократить длительность цикла металлургического производства, использовать более эффективные методы сварки. В основе этих результатов — выполненные на «Прометее» теоретические и экспериментальные исследования структуры металла, термодеформационных циклов его изготовления и фазовых превращений на нано- и микроуровне.
Незримое соревнование с зарубежными странами в области познания структуры и свойств материалов, их проектирования и конструирования, в которое мы вступили еще в советское время, нами выиграно.
Аркадий СОСНОВ
Фотографии предоставлены НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей»
Нет комментариев