Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка сталей нового типа, в том числе легированных азотом, применительно к условиям Арктики для использования при добыче, хранении и транспортировке газа и нефти .

Номер контракта: 14.575.21.0071

Руководитель: Капуткина Людмила Михайловна

Должность: главный научный сотрудник

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
хладостойкие и криогенные стали, легирование азотом, высокая прочность, свариваемость, физические и механические свойства, коррозионная стойкость.

Цель проекта:
Поиск и разработка новых материалов применительно к сложным климатическим условиям необходимы для более эффективного решения проблемы освоения арктического шельфа. Повышение надежности конструкций и работоспособности оборудования, применяемых при добыче и транспортировке нефти и газа в северных и сейсмически активных восточных регионах, связаны в первую очередь с решением задач по созданию хорошо свариваемых конструкционных материалов с повышенной прочностью, хладостойкостью, сопротивлением хрупким и вязким разрушениям, высокой коррозионной стойкостью. Актуальность и новизна темы ПНИ обусловлена необходимостью создания сталей нового типа с более широким набором гарантированных повышенных потребительских свойств, экономичных и по возможности доступных к освоению в ближайшей или среднесрочной перспективе. Конкретная цель проекта – разработка легированных азотом сталей, отличающихся уникальным комплексом свойств: высокой прочностью и пластичностью (σв= 800–1000 МПа, δ>25%, KCU-100 > 1,5 МДж/м2 и устойчивой микроструктурой в интервале температур от минус 100 до плюс 100 оС, высокой стойкостью к различным видам коррозии в морской воде и в биоактивных средах, высокой устойчивостью к термоциклированию и свариваемостью.

Основные планируемые результаты проекта:
Теоретическое обоснование требований к химическому, фазовому составам и структурному состоянию, режимов термической и термомеханической обработок азотистых сталей, обеспечивающих заданный высокий и стабильный комплекс технологических, служебных свойств разрабатываемых сталей. Фазовые диаграммы и температурные области существования фаз в перспективных составах азотистых сталей нового типа. Методы получения нового поколения сталей, легированных азотом.
Физические и механические свойства экспериментальных образцов новых сталей в широком диапазоне температур и условий нагружения, соответствующие структурное и фазовое состояние сплавов и их взаимосвязь со свойствами. Оценки стойкости к различным видам коррозии в морской воде и в биоактивных средах, устойчивости к циклическим нагружениям и свариваемости новых азотистых сталей.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Проект направлен на разработку новых немагнитных высокопрочных пластичных экономичных сталей систем Fe-Cr-Mn-Ni-Cu-Al-N-C с устойчивой микроструктурой в интервале температур от -100 до +100 оС, коррозионно-стойких в морской воде и биоактивных средах, устойчивых к длительным циклическим нагружениям, свариваемых и технологичных.
Разрабатываемые новые стали благодаря их многофункциональности и уникальному сочетанию различных свойств не только повысят эксплуатационную надежность и эффективность арктических машин и сооружений, но могут использоваться во многих отраслях промышленности и существенно поднять уровень качества отечественной техники. Перечисленные характеристики новых сталей обладают патентоспособностью.
Данное исследование входит в научно-технологические и мировые приоритеты. Проект соответствует современным тенденциям развития данной области науки и техники.
Полученные результаты потребуют опытно-промышленной проверки, разработки технологий производства новых сталей в условиях производства различного масштаба в соответствии с возможными областями их эффективного использования.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Целью проекта является разработка легированных азотом сталей, отличающихся уникальным комплексом свойств: высокой прочностью и пластичностью (σв= 800–1000 МПа, δ>25%, KCU-100 > 1,5 МДж/м2 и устойчивой микроструктурой в интервале температур от минус 100 до плюс 100 оС, высокой стойкостью к различным видам коррозии в морской воде и в биоактивных средах.
Эти стали предназначены для работы в условиях низких температур и в коррозионно активных средах. Они найдут применение в сооружениях по добыче, хранению и транспортировке газа и нефти на арктическом шельфе.
Применение создаваемых сталей позволит увеличить срок службы и надежность эксплуатации сооружений и конструкций, уменьшить их материалоемкость, повысить экономичность.
Новые стали расширят возможности техники отечественного производства. Рост объемов их производства будет определяться не только темпом освоения арктического шельфа и развитием морской нефтегазодобычи, но и темпами совершенствования и создания новой отечественной техники в других отраслях промышленности.


Текущие результаты проекта:
Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены основные предложенные принципы выбора базового легирования, включая азот, структурного состояния, режимов термической и термомеханической обработок азотистых сталей, обеспечивающих получение плотного слитка и заданного комплекса специальных и механических свойств.
На основании термодинамических расчетов построены уточненные фазовые диаграммы сплавов систем Fe-Cr-Mn-Ni-Cu-Al-N-C. Определены температурные области существования возможных фаз в сплавах конкретных представительных составов экспериментальных сталей.
Для выплавленных образцов экспериментальных сталей разработаны режимы термической и деформационных обработок, включая ВТМО, и проведены предварительная ковка, последующая горячая прокатка и закалка из аустенитной области.
Проведены экспериментальные исследования физических и механических свойств экспериментальных образцов новых сталей в широком диапазоне температур и условий нагружения, а также изучено структурное и фазовое состояние этих сплавов после различных обработок, их взаимосвязь со свойствами.
Экспериментально доказано, что выбранные для исследования составы экспериментальных сталей достаточно полно отражают область перспективных составов разрабатываемых азотистых сталей, отличающихся сбалансированностью состава по основным легирующим элементам, включая азот. Это обеспечивает возможность получения плотного слитка, проведения горячей обработки в однофазной аустенитной области и предотвращение процессов старения (распада) аустенита при не слишком высоких скоростях охлаждения (более 1–200 К/с).
Разработанные новые экономнолегированные сплавы трех составов после горячей прокатки и закалки показали требуемые уровни прочности и пластичности при растяжении при 20 оС и 100 оС, ударной вязкости при минус 100 оС и подтвердили стабильность аустенита при холодной деформации вплоть до δ=25 %. Уровень легированности аустенита этих сплавов гарантирует термическую стабильность аустенита по отношению к мартенситному превращению при охлаждении.
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований уточнены условия достижения всего комплекса заданных свойств, разрабатываются скорректированные химический состав и технологические приемы реализации требуемых структурного и фазового состояний.
Проведены экспериментальные плавки, опробованы различные режимы обработки расплава и режимы термодеформационной обработки новых экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом.
Разработанные новые экспериментальные сплавы не подвержены образованию питтингов в морской воде и в растворе хлорида железа (III) и более стойки к общей коррозии в морской воде, в том числе при кавитационном воздействии на поверхность, чем стали типа Х18Н9. Скорость общей коррозии в морской воде новых экспериментальных сплавов менее 0,01 мм/год.
Подана заявка на изобретение «Конструкционная криогенная аустенитная высокопрочная коррозионностойкая, в том числе биоактивных средах, свариваемая сталь и способ ее обработки», уведомление ФИПС № 2015121315 от 04.06.2015.