Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения и высокоточной обработки наноструктурных керамических композиционных материалов с инварным эффектом для нового класса запорных элементов оборудования нефтегазового комплекса

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
нанокристаллическая структура, керамические композита, размерная инвариантность, износостойкость, прочность

Цель проекта:
Одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений современного материаловедения является создание новых материалов с уникальным комплексом свойств. Научный и практический интерес вызывают материалы с аномальными тепловыми свойствами, а именно отрицательным коэффициентом теплового расширения (КТР). Среди данного класса материалов вольфрамат циркония является наиболее перспективным благодаря изотропному отрицательному коэффициенту теплового расширения, сохраняющемуся в широком температурном диапазоне от -273 до 770 оС. Поэтому основная проблема, на решение которой направлен проект - разработка нового класса керамических материалов с с размерной инвариантностью на основе создания ZTE-керамических композитов (zero thermal expansion), в которых размерная инвариантность при нагреве достигается за счёт создания композитных керамик с аномальными тепловыми свойствами. Цели проекта: Исследование механизмов структурообразования в нанокристаллических высокомодульных керамиках с размерной инвариантностью. Разработка научных и технологических подходов получения и высокоточной обработки запорных элементов для оборудования нефтегазового комплекса из наноструктурной керамики с размерной инвариантностью. Разработка состава, технологии получения и высокоточной обработки нового класса запорных элементов оборудования нефтегазового комплекса из наноструктурных керамических композитов с размерной инвариантностью.

Основные планируемые результаты проекта:
В соответствии с техническим заданием должны быть получены следующие результаты:
- обзор и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ;
- аналитические данные в области создания и исследования физических свойств керамических материалов с размерной инвариантностью, достигаемой в результате компенсации теплового расширения компонента с положительным коэффициентом термического линейного расширения и сжатия компонента с отрицательным КТЛР, в области методов синтеза и управления структурно-фазовым состоянием ZrW2O8;
- технические требования к структурно-фазовому состоянию, технологическим условиям получения керамических композитов (Al2O3, ZrO2) – (ZrW2O8), обеспечивающим размерную инвариантность;
- экспериментальные образцы керамических композитов (Al2O3, ZrO2) – (ZrW2O8) с разным соотношением компонентов; экспериментальные образцы запорного элемента из керамики с размерной инвариантностью для нефтегазового комплекса;
- должны быть разработаны проекты технологических регламентов получения керамических композитов и формования керамических элементов запорной арматуры нефтегазового комплекса, обеспечивающий высокую точность размеров и формы керамических элементов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Одним из путей обеспечения сочетания в элементах запорной арматуры прецизионности и износостойкости является использование для их изготовления высокомодульных наноструктурных керамик с размерной инвариантностью. Керамики, в частности, на основе Al2O3 и ZrO2 характеризуются высокой износостойкостью, в том числе стойкостью к кавитационному, абразивному и эрозионному изнашиванию, стойкостью к воздействию химически-агрессивных сред. Кроме того, эти материалы имеют высокие прочностные характеристики. Однако керамикам присущи объёмные изменения при нагреве и охлаждении, а увеличение линейных размеров керамических элементов запорной арматуры с повышением температуры является причиной выхода узлов из строя.
Разработка керамических материалов, сохраняющих постоянство размера при температурных изменениях, с равным нулю коэффициентом линейного термического расширения ZTE (zero thermal expansion), позволит решить многие технические проблемы, связанные с размерной вариантностью не только в нефтегазовой отрасли, но и во многих других отраслях, в том числе, в ракетостроении, электронной, высокотемпературной, измерительной и прецизионной технике, в системах самонаведения летательных объектов и т.п.

Разработка керамических материалов, сохраняющих постоянство размера при температурных изменениях, с равным нулю коэффициентом линейного термического расширения, позволит решить многие технические проблемы не только в нефтегазовой отрасли, но и во многих других отраслях, в том числе, в ракетостроении, электронной, высокотемпературной, измерительной и прецизионной технике, в системах самонаведения летательных объектов и т.п.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В сравнении с широко используемой в настоящее время стальной запорной арматурой запорная арматура с элементами из керамики с размерной инвариантностью будет обладать: наработкой на отказ не менее 2500 тысяч циклов (для стальной запорной арматуры – 350 циклов), диапазоном рабочих температур от -20 до 800 оС (для стальной запорной арматуры от -40 до 200 оС), износостойкостью в режиме «открыто-закрыто» не менее 50 000 циклов (для стальной запорной арматуры до 2000 циклов.).
По предварительной оценке (данные индустриального партнёра ООО «Сенсор») экономический эффект при замене стальной запорной арматуры на керамическую с размерной инвариантностью только на Тюменском месторождении составит более 200 млн. руб.
В числе потенциальных потребителей результатов проекта предприятия промышленного комплекса, ориентированные на выпуск наукоёмкой продукции для нефтегазового комплекса, в том числе индустриальный партнёр исполнителя проекта ООО «Сенсор»; Азнакаевский завод “Нефтемаш”, ОАО; Нефтекамский автозавод (НЕФАЗ), ОАО; Редуктор, ОАО (Барыш, Ульяновская обл.); Уралнефтемаш, ООО и др.

Текущие результаты проекта:
В соответствии с техническим заданием получены следующие результаты.
Получены экспериментальные образцы керамических композитов (Al2O3, ZrO2) – (ZrW2O8) с разным соотношением компонентов.
Изучено влияние технологических параметров получения композитов, структуры, фазового состава и морфологии частиц исходных дисперсных систем на структурно-фазовое состояние керамических композитов (Al2O3, ZrO2) – (ZrW2O8).
Проведены дилатометрические исследования керамических композитов (Al2O3, ZrO2) – (ZrW2O8) с разным соотношением компонентов.
Определена взаимосвязь структурно-фазового состояния и технологических условий синтеза композитов (Al2O3, ZrO2) – (ZrW2O8), обеспечивающим размерную инвариантность.
Разработан проект технологического регламента получения керамических композитов (Al2O3, ZrO2) – (ZrW2O8) с размерной инвариантностью. Проведены механические испытания (сжатие, изгиб) полученных керамических композитов.
Изучено влияние объёмной доли и морфологии частиц ZrW2O8, структурных параметров матрицы, состояния межфазных границ на механические свойства керамических композитов. Проведено численное моделирование влияния структурно-фазового состояния фрикционной пары на триботехнические характеристики при разных условиях и режимах изнашивания керамических композитов.
Проведены триботехнические испытания керамических композитов в условиях, близких к условиям эксплуатации элементов запорной арматуры нефтегазового комплекса.
Изготовлен экспериментальный образец технологической оснастки для формования керамического элемента запорной арматуры.