Композиты - пропуск в будущее

Используя современные композитные материалы, можно улучшить свойства промышленных изделий и получить новые потребительские свойства. Качественный рывок динамично растущей отрасли произойдет, когда будут найдены решения удешевления производства композитов, адаптирована международная нормативная база для их использования. Россия наряду с ведущими мировыми экономиками участвует в этом инновационном походе и намерена конкурировать за пропуск в будущее.

Новые технологии позволяют создать материалы, в том числе композиционные, которые благодаря своим уникальным свойствам оказываются востребованными при производстве различной продукции.

Например, современные композитные материалы, в частности углекомпозиты, легче стали в пять раз, втрое прочнее, обладают высокой стойкостью к коррозии и агрессивным средам, работают до 100 лет и более. Эти качества открывают огромные перспективы для их масштабного внедрения в авиастроение, строительство, судостроение, энергетику и другие отрасли.

В итоге уже сформировалась целая отрасль по производству и внедрению композиционных материалов, которая стала одной из самых динамично растущих в мире. «Глобальный рынок новых материалов, углеводородных композитных материалов за последние 10 лет имел устойчивый рост примерно в 20–25% в год», — отметил генеральный директор «КарбКонсалт» Дэн Пихлер в ходе VIII форума «Композиты без границ», организованного UMATEX (Росатом) на площадке «Иннопром Онлайн».

Впрочем, по его словам, в 2020-м из-за пандемии коронавируса в отрасли впервые за много лет не зарегистрирован рост. Но уже в 2022 году ожидается, что он снова превысит 10%.

«Российский сегмент мирового рынка композитных материалов занимает 1%. Выглядит пока не очень оптимистично, но в то же время показателен средний годовой темп роста в части полимерных композитов, — отметил в ходе форума заместитель министра промышленности и торговли Российской Федерации Виктор Евтухов. — С 2013 года в денежном выражении мы растем более чем на 9% в год, что выше мировых лидеров, в числе которых Германия, США, Япония, Китай, занимающие гораздо большую долю мирового рынка.

На сегодняшний день государством разработаны и успешно реализуются как финансовые, так и нефинансовые меры поддержки отрасли, а с учетом активности, которую проявляет ряд предприятий в стране, мы способны достаточно широкими шагами догонять лидеров и составлять им конкуренцию».

По информации Виктора Евтухова, в качестве финансовых мер поддержки отрасли применяются несколько механизмов: субсидирование части затрат на НИОКР, заключение специальных инвестиционных контрактов СПИК и СПИК 2.0, КППК, предоставление льготных займов из Фонда развития промышленности. Минпромторгом России поддержано уже более 45 инновационных проектов на сумму свыше 6,5 млрд руб. Например, при финансовой поддержке государства компания «Препрег-СКМ» организовала производство систем внешнего армирования. Компания выпускает технические ткани и препреги (армирующий материал, предварительно пропитанный связующим) на основе углеродных, стеклянных, арамидных волокон для использования в судостроении, авиастроении, строительстве и других индустриях. Также на площадке компании «ДПО «Пластик» впервые в России создано производство полимерно-композитных баллонов высокого давления.

Государство оказывает и нефинансовую поддержку для внедрения композитов. Речь о разработке нормативно-правовой базы. За 2019 год утверждено 475 нормативных документов, регламентирующих разработку, производство и широкое внедрение композитов в ключевых секторах экономики.

Чиновники пытаются стимулировать спрос на композитную продукцию на федеральном и региональном уровнях. Разрабатываются отраслевые программы внедрения композиционных материалов, конструкций и изделий. Многие из них уже утверждены Минпромторгом, Минтрансом, Минэнерго и Минспортом.

Между тем есть объективные факторы, тормозящие внедрение композитов: их стоимость высока, а объемы производства небольшие. Как отметил в ходе VIII форума «Композиты без границ» генеральный директор компании «АэроКомпозит» Анатолий Гайданский: «Мы не можем с нынешними объемами рынка потреблять тысячами тонн (композитных материалов. — Прим. ред.). А чтобы снизить себестоимость материалов, объем потребления должен быть высок. Основной недостаток композитного материала сейчас — это его цена. За последние 10 лет мы не смогли добиться снижения стоимости материала. И это не только российский тренд, но и мировой».

Аналогичного мнения придерживается и генеральный директор Объединенной судостроительной корпорации (ОСК) Алексей Рахманов: «Стоимость композитных материалов для нас сегодня является ключевым тормозящим фактором». По его словам, например, алюминиевый корпус научно-исследовательского судна «Пионер-М» проекта 25700, строящийся на Средне-Невском судостроительном заводе (СНСЗ) обошелся бы в 2–2,5 раза дешевле, чем корпус из углепластика. В настоящее время ОСК продолжает исследования по сокращению стоимости материала за счет использования стекловолокна, базальта и т. д.

По мнению главы судостроительной корпорации, необходимо проводить более глубокую локализацию, прежде всего это касается «базовых химических элементов, которые
необходимо производить в стране для того, чтобы мы могли увеличить объем использования композитных материалов».

ВОДНЫЕ ПРОЦЕДУРЫ ДЛЯ КОМПОЗИТОВ

Полимерные композиты используются в военном и гражданском судостроении достаточно давно. Первый в мире тральщик из стеклопластика «Изумруд» был построен в СССР еще в 1966 году. До 1980 года было создано более сотни противоминных кораблей небольшого водоизмещения — от 60 до 320 тонн. В конструкции российских фрегатов проекта 22350, а также корветов проектов 20380 и 20385 используются новейшие композиты, которые позволят им оставаться фактически незаметными. Сегодня полимерные композиты применяются не только для обшивки корпуса судна. Например, из полимеров создаются целые надстройки кораблей.

В частности, на американском эсминце типа Zumwalt была создана надстройка корабля — самая крупная конструкция из углеводородного волокна массой 900 тонн.

По доле использования полимерных композитов в судостроении наша страна пока отстает от ведущих судостроительных стран: в России этот показатель не превышает 1,5%, в Германии — 14%, в США — 22%, в Китае — 29%. «Судостроение будущего невозможно без композитов, новые материалы должны использоваться масштабнее. Для этого требуется более смелое их применение и выработка новых подходов — уже с учетом полученного опыта», — уверен Алексей Рахманов. Предприятия корпорации работают в этом направлении.

Так, на СНСЗ построен пассажирский катамаран «Грифон» проекта 23290. Его корпус изготовлен из композитных материалов с применением отечественных углеродных тканей.

Применение композитных материалов в данном проекте позволило улучшить прочность корпуса. При этом вес такого судна гораздо меньше судов с металлическим корпусом, в результате чего расход топлива и ГСМ гораздо ниже. Кроме того, композитный корпус не подвержен коррозии, что существенно увеличивает срок его эксплуатации.

Подобная технология применяется и при строительстве НИС «Пионер-М» проекта 25700, который планируется сдать в 2021 году. При реализации этого проекта судостро ители столкнулись с проблемами в сфере проектирования. «Без новой философии проектирования, подготовки конструкторов нам здесь существенного успеха не добить ся», — обозначил еще одну задачу, требующую решения, Алексей Рахманов.

ПОД ПРИСМОТРОМ

По мере развития рынка полимерных композитных материалов формируются требования и правила их безопасного использования, в том числе и в морской индустрии. Международная морская организация (IMO) начала регулировать применение полимерных композитных материалов (ПКМ) на судах только с 2017 года, выпустив «Временную инструкцию по использованию элементов из ПКМ в судовых конструкциях» — Циркуляр MSC.1/Circ. 1574 от 09.06.2017, в котором оговариваются сферы применения таких материалов в неответственных конструкциях с точки зрения противопожарной безопасности. Российский морской регистр судоходства (РС, Регистр), как и другие классификационные общества, предъявляет требования к неметаллическим материалам.

Накапливая опыт наблюдения за строительством судов с применением ПКМ и научно-технические разработки, Регистр актуализирует требования к полимерным композитным материалам.

Как рассказали в РС, в частности, при обновлении требований к корпусам судов и шлюпок из ПКМ в «Правилах классификации и постройки морских судов, 2020» учтено появление новых армирующих, связующих материалов и ПКМ с более высокими прочностными характеристиками. Учитываются новые подходы к проектированию, позволяющи применять современные вычислительные методы. Также Регистр одобрил применение новых технологий формования конструкции, в частности методы закрытого формования, к которым относятся метод инфузии и RTM-методы (Resin Transfer Molding) и методы формования на основе препрегов, эластичных матриц.

За последние три года Регистр расширил диапазон применения ПКМ. Новые правила теперь распространятся на суда с корпусом и надстройкой из ПКМ длиной от 15 до 70 м (в предыдущей редакции: от 12 м до 30 м); на надстройки из ПКМ судов с металлическим корпусом (отсутствовали в предыдущей версии); на шлюпки и катера из ПКМ длиной от 4,5 до 15 м (в предыдущей редакции: от 4,5 м до 12 м).

В настоящее время под наблюдением Регистра находятся следующие неметаллические материалы и изделия из них: корпуса судов и шлюпок из ПКМ; трубы и фасонные части судовых трубопроводов из полимерных материалов; сосуды из ПКМ контейнеров-цистерн (требования введены в Правила Регистра в 2017 году); полимерные подкладки (chockfast) для установки главных и вспомогательных механизмов, судового оборудования; ПКМ для изготовления дейдвудных подшипников и подшипников баллера руля; переходные мостики из ПКМ для нефтеналивных судов; канаты из синтетического волокна; защитные покрытия.

ПРОПУСК В МОРЕ
Дополняется и развивается международное нормативное регулирование, что позволяет расширять границы применения ПКМ. Одно из таких дополнений инициировала Россия. Российский морской регистр судоходства еще в 2016 году провел научно-исследовательские работы для создания правил проектирования, изготовления, испытаний и эксплуатации контейнеров-цистерн из ПКМ для перевозки опасных грузов.

На их основании была подготовлена Нота РФ, которая была представлена в Подкомитет экспертов ООН по перевозке опасных грузов. Подкомитет экспертов ООН поддержал инициативу и принял решение о формировании рабочей группы для проработки деталей и выработки конкретных предложений по дополнению Типовых правил ООН. На 57-й сессии подкомитета экспертов ООН по перевозке опасных грузов, прошедшей в конце 2020 года, принято решение о внесении в Типовые правила ООН (Оранжевая книга) новой главы с требованиями к съемным цистернам с сосудами из полимерных композиционных материалов (ПКМ).

Как пояснил «ПортНьюс» начальник отдела по техническому наблюдению за контейнерами, опасным грузам и таре Александр Фетисов, ожидается, что в сентябре 2021 года при переиздании Оранжевой книги будет дополнена новая глава. Далее на ближайшей сессии подкомитета IMO по контейнерам и грузам (IMO CCC 7) в сентябре 2021 года появится возможность включения требований к контейнерам-цистернам с сосудами из ПКМ в МК МПОГ с дальнейшим одобрением на КБМ (Комитет IMO по безопасности на море) в ноябре 2021 года. «Таким образом, скорее всего, к концу 2021 года будут сняты ограничения для перевозки контейнеров-цистерн с сосудами из ПКМ морем для доставки химически агрессивных веществ», — отметил Александр Фетисов.

Пока, ввиду отсутствия соответствующих требований в МК МПОГ, контейнеры-цистерны с сосудами из ПКМ, пусть и в ограниченном количестве, используются для доставки жидких, химических и нефтехимических грузов автомобильным, речным и железнодорожным транспортом. Использование такого оборудования в международных морских перевозках ограничено из-за отсутствия необходимых международных требований.

Между тем такое оборудование может стать востребованным на рынке мультимодальных перевозок опасных грузов, считает Дмитрий Самаркин, директор технического департамента АО «Инфотек-Балтик М» — компании, которая с 2016 года ведет опытную эксплуатацию контейнеров-цистерн с сосудами из ПКМ. По его словам, при транспортировке соляной кислоты оборудование продемонстрировало положительные эксплуатационные качества: контейнер-цистерна из ПКМ прост в обслуживании, не требует дополнительных затрат, ремонтопригоден. Физико-механические свойства сосудов из ПКМ при перевозке и хранении агрессивных сред, по сравнению сосудами из металлических материалов, обеспечивают ряд ощутимых преимуществ. Такие сосуды имеют более высокий уровень коррозионной стойкости и, соответственно, увеличенный срок службы, более низкую массу тары контейнера.

За счет этого повышается и коммерческая привлекательность КЦ ПКМ, т. к. появляется возможность увеличить массу перевозимого груза, упрощается процесс очистки, повышается долговечность и т. д.

«Благодаря активной позиции Российского морского регистра судоходства в отношении международного нормативного регулирования инновационный контейнер вскоре станет и морским. Дело за проектантами и производителями такого транспортного оборудования», — отметил Дмитрий Самаркин.

Отметим, что в рамках госпрограммы «Развитие отрасли производства композитных материалов» концерн «Уралвагонзавод» в сотрудничестве с научно-исследовательскими организациями при участии Регистра создал первые отечественные образцы таких контейнеров. Непосредственно в России есть не менее пяти потенциальных производителей контейнеров-цистерн с сосудами ПКМ, однако пока изготовление такого оборудования серийно не налажено. §

Татьяна Вильде