Stal

Stal kadłubową dzieli się według sposobu jej produkcji na stal walcowaną, kutą i odlewaną (staliwo). Blachy i kształtowniki, z których buduje się kadłub, wykonane są ze stali walcowanej. Staliwo i stal kuta używane bywają na nieliczne elementy kadłuba, jak dziobnice, tylnice, wsporniki wałów.

Stali przeznaczonej na kadłuby okrętowe stawia się wymagania wynikające zarówno ze stosowanych w budowie kadłuba metod technologicznych, jak i warunków pracy konstrukcji. Wymagania te dotyczą własności mechanicznych stali, składu chemicznego i sposobu jej wytwarzania.

Metody technologiczne, a zwłaszcza spawanie, wymagają stosowania stali walcowanych, drobnoziarnistych, o niskiej zawartości węgla, odtlenionych manganem i krzemem i uspokojonych aluminium. Z warunków obciążenia i pracy konstrukcji wynikają wymagania wytrzymałości określonej granicą plastyczności i wytrzymałością na rozciąganie a także udarnością stali (w niskich temperaturach). Wymagania które muszą być spełnione przez stal morską:

- gwarantowane własności wytrzymałościowe, charakteryzujące się granicą plastyczności Re(235-390MPa), a w szczególnych przypadkach nawet 690 MPa,

Gwarantowana odporność na kruche pękanie przy pracy w temperaturach 0°C, a dla niektórych gatunków stali nawet w temperaturach ujemnych,

- dobra spawalność w każdych warunkach,

- zdolność do przeróbki plastycznej na zimno (zginanie) bez pogorszenia własności eksploatacyjnych (pękanie) po odkształceniu,

- wytrzymałość na zmęczenie w korozyjnym środowisku wody morskiej,

- określony poziom odporności na korozję.

Wytrzymałość stali:

Re - granica plastyczności - naprężenie odpowiadające działaniu siły, przy której występuje wzrost wydłużenia rozciąganej próbki.

Rm - naprężenie maksymalne przy którym próbka ulega rozciągnięciu.

Uspokajanie stali (ograniczenia występowania CO₂ w procesie stygnięcia) - dla ograniczenia ilości gazów dodaje się uspokajacze Si lub Al. W budowie kadłubów wykorzystuje się stal półuspokojoną (0.07-0.12% Si ) i całkowicie uspokojoną (0.15-0.30% Si)

Kruche pękanie - rozwija się w materiale praktycznie bez odkształceń plastycznych z dużymi prędkościami (1800 m/s). Przejście materiału plastycznego w stan kruchy może być spowodowane wieloma czynnikami np.:

• konstrukcja statku, wieloosiowy stan naprężeń, koncentracja naprężeń,

• warunki pracy i sposób obciążenia, temperatura pracy

• stan metalurgiczny materiału - skład chemiczny, wielkość ziaren, sposób uspokojenia, starzenie, zgięcia.

Odporność na kruche pękanie sprawdza się próbą udarności (Charpy'ego V).

Nie odpowiada to rzeczywistej odporności konstrukcji stalowych na kruche pękanie.

Stale okrętowe dzieli się na trzy grupy:

- stale o zwykłej wytrzymałości (Re = 235 MPa), Rm = 41 kG/mm² (400-490 MPa)). Stale te odznaczają się bardzo dobrą spawalnością, łatwo jest je giąć i prostować. Stale kadłubowe o zwykłej wytrzymałości dzielą się na cztery kategorie A,B,D i E różniące się między sobą składem chemicznym, sposobem odtlenienia, stanem dostawy i kryterium odporności na kruche pękanie (na podstawie temperatury próby udarności)

- stale o podwyższonej wytrzymałości (Re =315-390 MPa), różnią się od stali zwykłych składem chemicznym. Zawierają więcej manganu i krzemu oraz niob, wanad, nikiel, chrom. Podlegają również ulepszaniu cieplnemu. Zawartość tych pierwiastków zwiększa wytrzymałość stali jednakże zmniejsza odporność na przegrzewanie przez co spawanie jest spowalniane.

Istnieją trzy grupy wytrzymałościowe, które z kolei dzielą się na trzy kategorie A, D i E, różniące się między sobą stanem dostawy oraz odpornością na kruche pękanie.

- stale o wysokiej wytrzymałości - powstają poprzez obróbkę cieplną (hartowanie i odpuszczanie). Re =420-690 MPa, Rm = 530-940 Mpa. Zawierają niewielką ilość węgla oraz dodatki uszlachetniające typu chrom, nikiel molibden. Stale te dziela się na trzy grupy D, E ,F

Kategoria stali	Re [MPa]	Rm [MPa]	A5 [%] wydłużenie	Próba udarności (zginania)
								Temp. badania [°C]	Średnia energia min. [J]
										Próbki wzdłużne	Próbki poprzeczne
Własności mechaniczne stali kadłubowych o zwykłej wytrzymałości
A B D E	235	400-490	22	- 0 -20 -40	- 27 27 27	- 20 20 20
Własności mechaniczne stali kadłubowych o podwyższonej wytrzymałości
A32 D32 E32 A36 D36 E36	315 355	440-590 490-620	22 21	0 -20 -40 0 -20 -40	31 31 31 34 34 34	22 22 22 24 24 24
Własności mechaniczne stali kadłubowych o wysokiej wytrzymałości
D E F	420-690	530-940	18-14	-20 -40 -60	41	27

Rys. 1. Własności mechaniczne stali kadłubowych

Stale o gwarantowanych własnościach w kierunku grubości materiału (stale Z15, Z25, Z35)

Stale walcowane mają z reguły dużo gorsze właściwości wytrzymałościowe w kierunku grubości

(prostopadle do powierzchni) niż w kierunku równoległym i prostopadłym do kierunku walcowania

(pęknięcia lamenarne).

Aby poprawić ich własności należy: przeprowadzić dokładne odsiarczanie stali (<0.01% S), kontrolować ilość tlenu i wodoru w stali, dodanie pierwiastków ziem rzadkich.

Opracowane stale kategorii Z stanowią stale kadłubowe o zwykłej i podwyższonej wytrzymałości, które

oprócz Re, Rm, A, KV, mają dodatkowo kontrolowaną ciągliwość w kierunku grubości materiału.

Stale o wysokiej odporności na rozprzestrzenianie się pęknięć

Odporność na rozprzestrzenianie się pęknięć uzyskuje się poprzez odpowiednią obróbkę plastyczną warstwy przypowierzchniowej (ok. 4mm), przez co uzyskuje się drobnoziarnistość i tym samym stal ma wysoką odporność na kruche pękanie nawet w temperaturach kriogenicznych.

Stale niskotemperaturowe

Są to stale, które wykazują odporność na kruche pękania w temperaturach poniżej -40°C. Są to stale węglowo manganowe o dużej czystości z dodatkiem niklu. Mają praktyczne zastosowanie w odpowiedzialnych elementach konstrukcyjnych statków przebywających długie okresy w rejonach arktycznych, w ładowniach chłodzonych do temp. poniżej -30°C, w odpowiedzialnych elementach konstrukcyjnych jednostek wiertniczych pracujących w Arktyce, w zbiornikowcach przewożących gazy skroplone.

Stale kwasoodporne (do budowy chemikaliowców)

Mają zwiększone zdolności antykorozyjne, zawierają dużą ilość chromu i niklu.

Stale austenityczne

Są to stale odporne na korozję. Zawierają mniej niż 0.1% węgla oraz 18% chromu i 8 % niklu

Stosuje się je do budowy jednostek o małej przenikalności magnetycznej, gazowców, elementów siłowni okrętowych (łopatki wirników turbin gazowych i parowych)

Stale kute

Ilość węgla w stali powinna być mniejsza od 0.6-0.45%. Re=420-590 MPa, Rm=600-900 MPa.

Stosuje się na wały, tylnice i dziobnice.

Stale okrętowe zawierają około 0.22% węgla, jednak dla blach grubych nie przekracza ona 0.18%. Zawartość manganu w stalach o podwyższonej wytrzymałości sięga 1.6%. Stale okrętowe powinny zawierać jak najmniej siarki i fosforu.

Instytucje klasyfikacyjne formułują bardzo ścisłe przepisy określające warunki jakim stal kadłubowa musi odpowiadać. Określają:

- skład chemiczny stali,

- granicę plastyczności,

- wytrzymałości na rozciąganie,

- wydłużenia,

- prób zginania,

- obróbki cieplnej

- metody wytwarzania.

Stale okrętowe podlegają odbiorowi w hucie i otrzymują odpowiednie certyfikaty. Instytucje

klasyfikacyjne dzielą stale okrętowe na serie grup różniących się wytrzymałością. W zależności od rodzaju wiązania przepisy wymagają stosowania określonej kategorii stali. Na wiązania bardziej obciążone stosuje się wyższe kategorie stali, charakteryzujące się wyższą udarnością oraz odpornością na kruche pękanie.

Wyroby walcowane są otrzymywane z huty w określonych wymiarach i kształtach. Grubość blachy jest stopniowana co 0.5 mm dla blach cienkich (do 10 mm), co 1 mm dla blach 10 - 20 mm i co 2 mm dla blach 22 - 32, grubsze blachy stopniuje się co 4 mm. Arkusze blach mają szerokości od 1000 mm do 3500 mm (stopniowanie co 250 mm). długość arkuszy sięga 18 m (24 m). Profile walcowane są otrzymywane w typoszeregach.

Zalety stali o podwyższonej wytrzymałości

- zmniejszenie masy kadłuba przy stałej wytrzymałości przez co:

- zwiększa się nośność statku,

- mniejsze zużycie materiału do budowy statku,

- polepszenie charakterystyk napędowych,

- obniżają się koszty budowy kadłuba

Przykłady:

- Zbiornikowiec o nośności 550 000 t “Batillus” (1976). Wszystkie wiązania wzdłużne dna i pokładu ze stali o Re = 36 kG/mm2 (355 MPa). grubości wiązań: 27.5 mm - poszycie, 32 mm wiązania wzdłużne.

- Gazowce LNG ze zbiornikami kulistymi. Ze stali PW są wykonywane wiązania wzdłużne pokładu wytrzymałościowego, burt i grodzi wzdłużnych (355 MPa) co umożliwia zmniejszenie grubości wiązań przy otwarciu pokładu 87% do max 40 mm.

Na statkach używa się stali PW w ilości ok 25% na zbiornikowcach i 10% na OBO.

Stal WW (ulepszona cieplnie)

Zastosowanie w odpowiednich konstrukcjach spawanych:

- statki nawodne o dużym otwarciu pokładu (mocnice i pokład),

- statki LPG (zbiorniki ładunkowe),

- jednostki specjalne - wiertnicze, poszukiwawcze,

- obiekty podwodne - na kadłub wytrzymałościowy.

Staliwa

Jest to stop żelaza z węglem odlewany i termicznie obrabiany.

Używa się do wykonania odlewów:

- tylnic,

- dziobnic,

- wsporników wałów,

- trzonów i ram sterowych.

Staliwa są poddawane obróbce cieplnej. Zawierają większą ilość węgla w stosunku do stali (od 0.2% do 2.1%). Jeżeli mają być spawane to muszą zawierać małą ilość węgla. Wytrzymałość Re od 20 do 34 kG/mm² (im więcej węgla tym większa wytrzymałość). Staliwo wysokostopowe jest stosunkowo odporne na korozję.

Podobnie jak stal walcowana są one objęte przepisami instytucji klasyfikacyjnych.

Typy staliw

• staliwa węglowe ogólnego przeznaczenia - stosowane na części maszyn, kotwice, śruby napędowe, trzony sterowe, wsporniki linii wałów

• staliwa przeznaczone do pracy w niskich temperaturach - przeznaczone są na armaturę urządzeń pracujących pod ciśnieniem,

• staliwa przeznaczone do pracy w wysokich temperaturach - przeznaczone na korpusy silników (może pracować do 550°C)

• staliwa odporne na korozję - śruby napędowe, łopatki turbin,

• staliwa żaroodporne - mogą pracować w temperaturach do 1200°C - łopatki turbin,

• staliwa o małej przenikalności magnetycznej - stosowane są na statkach o małej przenikalności magnetycznej

Żeliwa

Stopy żelaza zawierające od 2,2 do 4.5% węgla. Spotyka się żeliwa białe - z wydzielonym węglem w formie międzymetalicznej lub żeliwa szare z wolnym węglem. Mają dużą twardość i jednocześnie dużą kruchość. Żeliwa stosuje się do odlewów korpusów silników, skrzyń przekładniowych, korpusów łożysk.

Stopy miedzi

Stosowane są na śruby okrętowe

- stopy z cynkiem - mosiądze,

- stopy z cyną, aluminium - brązy

- stopy z niklem - miedzionikle

Stopy aluminium

Stosuje się ze względu na małą masę (Qal = 2,7 t/m³ w stosunku do stali 7.8 t/m³)

Stopy:

AlMn - aluman - duża odporność na korozję i dobrze się spawa. Nie umacnia się poprzez obróbkę cieplną, nie stosuje się do budowy kadłubów morskich ze względu na małą wytrzymałość, buduje się z tych stopów zbiorniki oleju, wody i kanały wentylacyjne.

AlMg - hydronalia - duża odporność na korozję w wodzie morskiej. Stosowane w stanie utwardzonym odkształceniowo lub w stanie rekrystalizowanym (wyżarzanie zmiękczające)

AlMgSi - anticorodal - po obróbce cieplnej charakteryzują się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi, są również odporne na korozję. Przy spawania spada wytrzymałość o 40%-60%.

AlZnMg - konstruktale - mogą być spawane, małą lepszą wytrzymałość niż hydronalia lecz mniejszą odporność na korozję.

AlCuMg - durale - duża wytrzymałość, niespawalne, nie odporne na korozję. Nie stosuje się do budowy kadłubów, ca najwyżej do samolotów lub poduszkowców.

Zalety stosowania:

- znaczne zmniejszenie masy konstrukcji do 50%,

- zwiększenie nośności statku przy zachowaniu tych samych wymiarów,

- utrzymanie założonej stateczności przy jednoczesnym zmniejszeniu szerokości kadłuba,

- zmniejszenie mocy maszyn lub zwiększenie prędkości statku,

- zwiększenie wysokości kadłuba przy utrzymaniu wyporności obliczeniowej (bez utraty stateczności),

- znaczna odporność na korozję w wodzie morskiej,

- znaczne zmniejszenie porastania kadłuba przez co nie trzeba stosować farb antyporostowych,

- zmniejszenie ryzyka wystąpienia pożaru (brak iskier),

- dobre właściwości wytrzymałościowe i plastyczne przy niskich temperaturach (nie wykazuje kruchych pękań)

Wady:

- wysoka cena stopów- 6-8 razy wyższa niż stali, przez co cena kadłuba ze stopów lekkich jest 3-4 krotnie wyższa niż kadłuba stalowego,

- 3 razy mniejsza wartość modułu sprężystości,

- niska temperatura topliwości,

- bardziej skomplikowana technologia wykonywania konstrukcji (spawanie w osłonie gazów obojętnych - argon, hel),

- duże deformacje spawalnicze.

Przykłady zastosowania:

- Nadbudówki (masa mniejsza o około 50% w stosunku do stali) - “United States” (D=50000 t) m = 1000t (4 kondygnacje), “France” 1600 t przy wyporności ok 60000 t. Główną zaletą jest zmniejszenie masy znajdującej się powyżej środka wyporu statku przez co poprawiona jest stateczność statku. Nadbudówki łączy się z pokładem stalowym poprzez łączniki lub odpowiednimi stopami.

- Jachty żaglowe - brak korozji i duża wytrzymałość konstrukcji.

- Statki rybackie - przynoszą około 30% więcej dochodu poprzez prawie 2 krotne zwiększenie nośności.

- HSC (ang. High Speed Craft) - szybkie jednostki pasażerskie, jedno i wielokadłubowe, do około 100 m. Prędkości w granicach 40 kn, zabierają do 1000 pasażerów i kilkuset samochodów osobowych.

- Małe zbiornikowce i statki handlowe - zwiększona nośność, zastosowanie kadłuba ze stopów lekkich zwraca się po 4-5 latach, do 1000 t nośności.

- Jednostki niewypornościowe - ślizgacze, poduszkowce, wodoloty, ekranoloty.

- Części kadłuba - pokłady i wstawiane zbiorniki kadłubowe.

Tworzywa polimerowe

Żywice:

- poliestrowe - elastyczne, zwiększają odporność na udary - utwardzane reakcją kopolimeryzacji (tak samo jak żwir i cement) chemicznie (wprowadzenie H₂O₂ lub związków wanadu) lub fizycznie (promieniowanie UV, elektromagnetycznie, laserem lub szybkimi elektronami),

- epoksydowe - stosowane w konstrukcjach narażonych na duże obciążenia mechaniczne i działanie czynników chemicznych, zbrojone grafitem. Utwardzane przez proces polimeryzacji z utwardzaczem. Zmniejsza swoją objętość.

- winyloestrowe - stosowane do konstrukcji narażonych na działanie chemikaliów oraz w szybkich jednostkach, utwardzane chemicznie.

Zbrojenia żywic (stosuje się włókna szklane, grafit, bor, tlenki metali):

- luźne, bezpostaciowe - włókna, płytki - nie stosuje się w okrętownictwie,

- liniowo pasmowe - pasma ciągłe skręcane, sznury,

- wstęgowe - maty, taśmy i tkaniny

- przestrzenne - powłoki tkane na wymiar, preformy, struktury komórkowe .

Zastosowanie:

- kadłuby pojazdów wodnych - trałowce (amagnetyczne) 40-60 m, D = 700 t,

(zawsze zbrojone) - patrolowce - v = 40-50 kn, L = 25-50 m,

- barki do barkowców LASH,

- poduszkowce i ekranopłaty,

- jednostki pilotowe, rybackie do 35 m,

- jachty L < 47 m.

- elementy konstrukcyjne w kadłubach metalowych

- pokładówki,

- kopuły anten,

- maszty,

- zejściówki, nadburcia,

- dysze pędników, płetwy sterowe,

- płaty nośne,

- niektóre rurociągi

- elementy konstrukcyjne w urządzeniach stosowanych na statkach.

Zalety:

- mała masa kadłuba,

- stosunkowo duża wytrzymałość przy niewielkich kadłubach,

- odporne na wpływ wody morskiej oraz porastanie,

- łatwość profilowania kształtów.

Wady:

- wrażliwość na uderzenia,

- palność,

- reagują na promienie UV.

5

---