Испытание арктическим морозом: в чём особенность криогенных сплавов

19 июля мы отмечаем День металлурга. В этом году праздник особенно значим для отрасли: компания «Северсталь» открыла в Череповце лабораторию криогенных испытаний. Это позволит тестировать продукцию внутри страны, избегая затрат и времени на зарубежные испытания.

Мы обсудили с Александром Анатольевичем Хлыбовым, профессором Нижегородского технического университета имени Р.Е. Алексеева и доктором технических наук, вопросы поведения металлов при экстремально низких температурах. Также мы поговорили о сложностях импортозамещения в энергетике.

- Как вы оцениваете вклад открытия лаборатории криогенных испытаний «Северстали» в повышение безопасности инфраструктуры для хранения и транспортировки сжиженного природного газа? Какую роль в этом играет техническая диагностика?

- Криогенные испытания и криогенная техника — интересная тема. Что касается технической диагностики: конструкции, работающие при криогенных температурах, требуют постоянного контроля. Есть ряд причин, которые приводят к выходу из строя оборудования, причём с катастрофическими последствиями. Возникает вопрос: как это контролировать? Эту задачу решает техническая диагностика, основанная на использовании средств физического контроля, которые позволяют оценивать состояние материала без его разрушения.

Техническая диагностика позволяет оценить возможность дальнейшей эксплуатации оборудования. Создаётся лаборатория криогенных испытаний, и в ней исследуется поведение материалов при низких температурах. Параллельно проводится работа, связанная с технической диагностикой. Какие методы используются? Их много, поэтому в каждом случае надо смотреть, какое средство можно применить.

Проводя диагностику без нарушения работоспособности всей конструкции, вы получите оценку состояния материала: как изменилось состояние конструкции, которое может привести к возможным катастрофическим последствиям. Диагностика, не нарушая эксплуатационные режимы, проводится в рамках планового технического обслуживания и позволяет повысить надёжность эксплуатации оборудования.

- То есть открытие этой лаборатории упростит специалистам прогнозирование срока службы оборудования?

- Да, конечно. Мы можем контролировать ресурс. Для любого изделия на основе оценок определяют ресурс — сколько лет оно может служить: 10, 20, 30 лет или больше — в зависимости от условий. Мы можем контролировать состояние материала, оценить, насколько выработан его ресурс и какова вероятность разрушения при дальнейшей эксплуатации изделия.

- Как создание собственной инфраструктуры влияет на цепочку поставок в нефтегазовом секторе? Становится ли проще использовать отечественные материалы вместо импортных аналогов?

- Это достаточно сложный вопрос. С чем связана сложность? Производство необходимых материалов, в частности для изделий перерабатывающей промышленности (труб, машин, конструкций), — очень сложный процесс. Казалось бы, в наше время измерили, определили химический состав, и всё — можем заменить. Но здесь всё гораздо сложнее, поэтому нельзя сказать: «Я определяю химический состав и сразу решаю всю проблему».

В металловедении есть аббревиатура СССР: состав, структура, свойства и работоспособность. Если эту цепочку последовательно выдержать, то мы можем сделать импортозамещение. Но это очень сложная работа. Состав — та самая химия: определяем, из каких элементов состоит материал. Дальше — структура. Эти элементы не просто разбросаны, они соединяются между собой, образуя структуру, которая сильно зависит от внешних воздействий. Затем — механические свойства (прочность, усталостные характеристики, ударная вязкость), которые требуются от изделия. В конечном итоге — работоспособность. Если строго, последовательно проанализировать требования и условия эксплуатации, то импортозамещение вполне возможно. 

Мы недавно проводили работу у нефтяников — там другие условия были: высокие температуры под 1000 °C при производстве водорода. Требовалось замещение импортной стали, но проблему решили. Если рассматривать криогенные температуры, то есть свои законы и закономерности. Лаборатория вполне может такие проблемы решать, но на каждом этапе цепочки должен быть определённый анализ. Здесь диагностика тоже отрабатывается.

- В чём заключается специфика создания конструкций для эксплуатации в условиях Крайнего Севера и Арктики?

- Для каждого материала и изделия свои требования. Здесь очень сильное влияние окажут условия эксплуатации: температура, переменные или постоянные нагрузки. Всё это решается совместно. Что касается Арктики или криогенных температур, то надо учитывать много факторов.

Один из факторов — хладостойкость: то, как материал ведёт себя при отрицательных температурах. Бывают случаи разрушения конструкций на холоде из-за неправильного выбора материалов. Поэтому важна температура хрупкости: переход материала из классических свойств при нормальных температурах в хрупкое состояние. Небольшие удары и нагрузки приводят к тому, что материал уже разрушается.

Необходимо учитывать и стабильность структуры, насколько правильно легирован материал. 

Легирование металлов — это технологический процесс введения в состав металла или сплава специальных добавок, чтобы изменить свойства материала.

Химические элементы по-разному влияют на работоспособность материалов: никель — один из главных «защитников» холода. Он стабилизирует структуру при отрицательных температурах. Большое влияние оказывает чистота материала, то есть отсутствие вредных примесей. Это обычно фосфор, сера. Они   служат источниками наиболее вероятного разрушения.

У нас пару лет назад был грант Российского научного фонда по оценке повреждённости материала, точнее, работоспособности материала при арктических температурах. Исследовали, как материалы ведут себя при отрицательных температурах и какими методами можно оценить их работоспособность. В любом случае необходимо учитывать и условия эксплуатации, и температуру.

- Какое оборудование необходимо для проведения криогенных испытаний материалов?

- Если мы создадим только камеру холода, это ещё не значит, что решим всю проблему. Кроме отрицательных температур, нужны нагружающие устройства. Конструкция может работать и при статических, и при переменных нагрузках, соответственно, камера должна быть оснащена таким оборудованием. Зависит от каждого конкретного случая.

Прежде чем создавать новую лабораторию, нужно проанализировать, где и в каких условиях будет эксплуатироваться изделие, а дальше уже моделировать, подстраиваться под них. Поэтому сразу ответить: «Нужна камера с отрицательной температурой и ещё что-то» — сложно. Кроме этого, требуется дополнительное внимание к анализу внешних условий.

-  Какие внешние условия влияют на результат?

- В первую очередь — низкая температура. Чаще всего мы имеем дело со сталями. Важны температура хрупкости, а также стабильность структуры. Даже если мы создали конструкцию, её структура должна быть стабильной. В некоторых сталях есть аустенит.

Аустенит   — это особая кристаллическая структура в железе и его сплавах (сталях, чугунах). Он служит промежуточным звеном в технологиях обработки и определяет свойства конечного изделия.

При деформациях: нагрузка или удар — может происходить изменение структуры материала, которое способствует хрупкому разрушению. И здесь нужно обращаться к химическому составу, потому что он обеспечивает стабильность структуры — кристаллической решётки, которая получается в результате предварительных технологических процессов.

Алюминиевые и медные сплавы имеют стабильную структуру. Они работают при более отрицательных температурах, но по прочности они, как правило, уступают сталям.

Здесь можно выделить группу аустенитных сталей: в них достаточно большое содержание никеля и хрома.

Группа аустенитных сталей — это класс нержавеющих сталей, главная особенность которых — преобладание в структуре аустенита. Хром, создавая прочную оксидную плёнку, защищает материал от коррозии, а никель стабилизирует решётку и повышает прочность сплава.

Важно легирование элементами, чистота от вредных примесей, прочностные характеристики. Следует обратить внимание на технологические свойства. Выплавить пруток стали или получить лист — это одно, но ведь изделия либо сваривают, либо гнут, либо деформируют. Много факторов необходимо учитывать при обосновании выбора материалов.

-Как вы оцениваете перспективы использования криогенных сталей в ближайшие 50 лет?

- 50 лет — это очень много. Криогенные стали — это не только нефтегазовая промышленность. Это и конструкции, которые используются в арктических условиях. Арктика у нас ещё впереди. Как было сказано, что богатство России будет прирастать северными территориями. Поэтому Арктика ещё много будет требовать специальных сталей.

«Российское могущество прирастать будет Сибирью и Северным океаном», — писал М. В. Ломоносов.

Дальше — космонавтика. Это тоже отрицательные температуры. Медицина, судостроение — везде необходимы стали, работающие при криогенных температурах. Поэтому эта тематика очень актуальна и перспективна. Здесь нужна наука: выбор или создание новых материалов, которые будут лучше сталей.

- Какая сегодня есть замена криогенным сталям?

-  Сейчас — это возможность использования цветных металлов.   Пластичность   у них достаточно высокая, за счёт чего мы и обеспечиваем высокую хладостойкость. Но в какой-то мере они уступают по прочности.