2 октября 2015

М.В. Костина. Инновации и импортозамещение в арматуростроении

Распространенными коррозионностойкими материалами в трубопроводном арматуростроении являются стали 10Х18Н9ТЛ и 10Х18Н12МЗТЛ. Однако стали подобного химического состава имеют низкий предел текучести (200-240 МПа), не стойки к износу при трении, к образованию мартенсита деформации даже при степенях деформации 10–20% что приводит к коррозии. Кроме того, стали без молибдена не стойки к локальным видам коррозии, их эквивалент питтингостойкости ЭСП не выше 18.

В технические решения современных конструкций (в том числе, в арматуростроении) с использованием коррозионностойких сталей сейчас закладывается предел текучести не ниже 400–650 МПа в сочетании с коррозионно-эрозионной стойкостью, хорошей пластичностью, трещиностойкостью, технологичностью, износостойкостью при ударном, абразивном износе. В материалах аналитического обзора [1] отмечается: «Для повышения надежности нефтегазового оборудования в условиях воздействия коррозионно-агрессивных сред, в первую очередь, необходимо подобрать высокоэффективные конструкционные материалы, методы их технологической обработки и формирования поверхности. Для этого необходима замена ряда традиционных конструкционных сталей новыми».

Как показывает мониторинг запросов, поступающих в ИМЕТ РАН из различных арматуро- и машиностроительных КБ, спрос на высококачественные стали нового поколения удовлетворяется в основном за счет закупок дорогостоящих импортных, легированных азотом, сталей. Такие зарубежные стали не имеют аналогов среди отечественных, производящихся в РФ, входящих в отечественные стандарты, в нормативно-техническую конструкторскую документацию и производимых в РФ марок коррозионностойких сталей. В качестве российских аналогов таких сталей указывают стали, близкие по формальному признаку «содержание основных химических элементов».

Таблица 1. Химический состав коррозионностойких аустенитно-ферритных и аустенитных сталей (мас.%; Fe – ост.)

* - стали, содержащие 0,1-0,2% азота. Для этих сталей указаны ЭСП =PREN = %Cr + 3,3 (% Mo) + 16 (%N) при мини-
мальном и максимальном содержаниях азота и при среднем содержании молибдена

Типичный пример подбора и поиска коррозионностойких зарубежных и российских сталей-аналогов, деформируемых и литейных, отвечающих критериям высокой прочности (предел текучести ≥ 400 МПа) и коррозионной стойкости (ЭСП ≥ 30) иллюстрируется данными в таблицах 1 и 2 (химический состав сталей, их механические свойства и величина ЭСП) [2, 3, 4, 5, 6]. Из этих таблиц хорошо видно, что для зарубежных аустенитно-ферритных сталей характерно комплексное легирование молибденом и азотом. Оба этих элемента способствуют повышению коррозионной стойкости. Кроме того, молибден упрочняет твердые растворы на основе железа как элемент замещения в кристаллической решетке, а азот упрочняет еще более эффективно, поскольку является элементом внедрения. Он содержится в составе коррозионностойких сталей взамен углерода, либо действует совместно с ним, и играет ключевую роль в формировании всего комплекса свойств, в том числе и за счет образования в сталях при их обработке упрочняющих наноразмерных элементов структуры. Азот в составе сталей не только повышает их прочность, но и препятствует превращению немагнитной фазы (аустенита) при охлаждении и пластической деформации в менее коррозионностойкую и магнитную фазу ― мартенсит; повышает стойкость против питтинговой, щелевой и межкристаллитной коррозии, износостойкость. Итог хорошо виден: стали российских марок, как деформируемые, так и литейные, примерно с тем же содержанием хрома, никеля и молибдена проигрывают своим азотсодержащим аналогам по механическим свойствам и эквиваленту питтингостойкости. Лишь две российские марки сталей ― 12Х19Н7Г2САЛ и 12Х21Н5Г2САЛ легированы азотом до 0,2% [4]. Но молибдена в своем составе они не содержат, а он является вторым после хрома элементом, способствующим растворению азота в твердых растворах на основе железа. Соответственно, содержание азота в них невысокое, и механические свойства этих сталей и коррозионная стойкость также невысоки.

Таблица 2. Механические свойства коррозионностойких аустенитно-ферритных и аустенитных сталей

Попытки найти в российских марочниках более прочные и более коррозионностойкие стали показывают, что эта проблема решается в настоящее время за счет повышения содержания в сталях легирующих элементов, что существенно удорожает проектируемые изделия арматуры, делая их неконкурентоспособными.

Фактически, в линейке отечественных коррозионностойких материалов (в том числе, для трубопроводной арматуры) отсутствуют современные коррозионностойкие стали, которые обладали бы одновременно и высокой прочностью, и высокой коррозионной стойкостью, будучи при этом относительно приемлемыми по стоимости.

ВАС очень широко применяются за рубежом: как износостойкие, коррозионностойкие, кислотостойкие, кавитационностойкие, релаксационностойкие, высокопрочные жаростойкие, коррозионностойкие немагнитные материалы отвественного назначения.

Рис. 1 Влияние азота на прочность коррозионностойких сталей [7, 8]

Количество исследуемых, а также уже разработанных и применяемых за рубежом марок ВАС таково, что это дало возможность проф. Маркусу Шпейделю (M. Speidel) выявить приведенные на рис. 1–3 закономерности влияния азота на свойства ВАС [7, 8]. (При этом следует отметить, что при оценке закономерностей влияния легирования азотом на характеристики прочности было учтено и позитивное влияние другого элемента внедрения ― углерода. Однако, поскольку он образует при тепловой обработке сталей крупные карбиды хрома типа Cr23C6 на границах аустенитных зерен, что приводит к межкристаллитной коррозии в агрессивных средах, концентрацию углерода в азотистых сталях ограничивают пределами 0,03–0,08% С по массе.) При рассмотрении данных по коррозионной стойкости на рис. 3 можно видеть, что взамен параметра ЭСП (см. сноску выше) предложен другой эмпирический параметр ― MARC (Measure of Alloying for Resistance to Corrosion). Он был установлен по итогам исследований М. Шпейделя и Габриэллы Саллер (G. Saller). Этот параметр учитывает положительное влияние на коррозионную стойкость сталей не только хрома, молибдена и азота, но и углерода (для углерода ― только для обработанных на твердый раствор сталей). Кроме того, в этот параметр впервые включены индексы, учитывающие влияние марганца и никеля. На данный момент этот параметр еще не является общепризнанным в научном сообществе, продолжается накопление данных. Согласно данным на рис. 3 влияние концентрации основных легирующих элементов (Cr, Ni, Mn, Mo, N, C) в сталях на критические температуры, при которых они становятся подверженными щелевой коррозии, можно выразить через параметр MARC формулой:

T_ccc = 3,5*MARC-112.

Приведенные данные (табл. 1 и 2, рис. 1, 2, 3) наглядно показывают достоинства азотсодержащих сталей, особенно ― высокоазотистых, с содержанием этого элемента от 0,4%.

Рис.2. Влияние содержания азота, а также совместного влияния элементов внедрения азота и углерода в аустенитных Fe-Cr-Ni-N сталях, отожжённых на твердый раствор, на их: а) твердость HV10 и износостойкость (оцененную по потере объема металла)

Рис.2. Влияние содержания азота, а также совместного влияния элементов внедрения азота и углерода в аустенитных Fe-Cr-Ni-N сталях, отожжённых на твердый раствор, на их:б) усталостную прочность σ-1 на воздухе при t окр. ср. (R=-1, f = 50 Гц, N= 107)

Среди преимуществ, получаемых при использовании высокоазотистых сталей (ВАС) можно назвать такие, как:

• экономия дорогостоящих легирующих элементов;

• снижение металлоемкости конструкций (за счет повышения удельной прочности без снижения пластичности и вязкости);

• повышение их эксплуатационной надежности и долговечности (за счет повышения коррозионно- и износостойкости, ударной вязкости, циклической прочности);

• снижение расходов на мероприятия антикоррозийной защиты и защиты от износа;

• снижение затрат на диагностику, ремонт и замену изделий.

В РФ широкому кругу промышленных предприятий ВАС практически не известны, количество известных, «гостированных» в РФ марок азотсодержащих сталей очень ограниченно. (Например, среди литейных сталей в РФ имеется только три марки азотсодержащих сталей, см. [4], причем среди них нет ни одной аустенитной литейной ВАС (см. табл.1, 2). В отличие от РФ, за рубежом есть не менее 20 марок азотистых литейных сталей, из них не менее шести ― аустенитные марки.

В арматуростроении ВАС могли бы использоваться, например, для изготовления корпусных и внутренних деталей арматуры для предприятий нефтеперерабатывающей отрасли. Потребность в ВАС в РФ очень высока (механизмы, конструкции, устройства при нефте- и газодобыче и переработке, в обрабатывающей промышленности; трубопроводная запорно-регулирующая арматура в самых различных отраслях промышленности и многие другие применения). Особенно эта потребность выявилась в условиях реализации концепции импортозамещения.

Данная проблема может быть решена в том случае, если будет «дан зеленый свет» разработчикам отечественных марок высококачественных современных азотсодержащих сталей. Имеется в виду необходимость поддержать эти работы на стадии промышленного внедрения (отработки заводских технологий производства), разработки КТД, сертификации и внесения в отраслевые нормативные документы применительно к конкретным отраслям использования.

Рис.3 Влияние концентрации осн. легирующих элементов (через параметр MARC =%Cr + 3,3%Mo + 20%C + 20%N – 0,5%Mn – 0,25%Ni) на критич. темп. щелевой коррозии Tccc пром. и эксперим. Fe-Cr-Ni-Mo-Mn-N сталей при их исп. в 6% водном р-ре FFeCl3: а – аустенитных

Рис 3 б) аустенитно-ферритных, дуплексных (50% А+50% Ф)* [7]. ст.2707: 27Cr 7Ni 5Mo 0,4N; ст.3207: 32Cr 7Ni 3,5Mo 0,5N

В ИМЕТ РАН (школа акад. О. А. Банных, гл.н.с., проф. В. М. Блинова) создан ряд оригинальных марок азотсодержащих высокопрочных коррозионностойких сталей (аустенитные деформируемые стали, аустенитная литейная сталь, группа мартенситных сталей) с уникальными уровнями и сочетаниями эксплуатационных свойств, не уступающих зарубежным аналогам, а по ряду показателей ― превосходящих их. Статьи, посвященные таким разработкам, были опубликованы в [9, 10].
Известны также достойные разработки ВАС и технологий их производства и обработки, сделанные в ряде других российских научных организаций.

Эти стали, при условии их внедрения, могли бы уже сейчас в значительной мере удовлетворить потребность в импортозамещении, связанную с вышеописанной проблемой. Марки сталей из ИМЕТ РАН, например, достаточно хорошо опробованы не только на лабораторном, но и на опытно-промышленном уровне, в том числе ― во взаимодействии с ФГУП ВИАМ ГНЦ РФ, ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», ОАО «НПО ЦНИИТМАШ».

Для внедрения ВАС в отечественную промышленность (металлургическую и ― в широком смысле ― машиностроительную), с учетом принятой в настоящее время в РФ стратегии импортозамещения, была бы полезна государственная комплексная программа, разработанная с участием экспертов из числа ученых, экономистов, конструкторов, представителей промышленности. Такая целевая федеральная (или хотя бы отраслевая) программа позволила бы российской промышленности освоить производство полуфабрикатов и изделий из отечественных марок коррозионностойких ВАС с различным уровнем и сочетанием заданных свойств, подобных зарубежным, либо превосходящих зарубежные аналоги.

Программа по внедрению ВАС могла бы содержать такие позиции:

1. Разработка новых и внедрение уже разработанных на лабораторном и полупромышленном уровне:

1.1. ― деформируемых ВАС различных структурных классов с равновесной и «сверхравновесной» концентрацией азота;

1.2.― литейных ВАС с равновесной концентрацией азота.

2. Совершенствование и развитие промышленных технологий производства ВАС, в том числе:

2.1. ― технологии выплавки, переплава, обеспечивающие снижение вредных примесей в ВАС, обеспечение их чистоты по неметаллическим включениям;

2.2. ― создание участка(ов) промышленного производства ВАС со «сверхравновесной» концентрацией азота;

2.3.― отработка технологий производства полуфабрикатов и изделий из ВАС (лист, полоса, пруток, проволока), обеспечивающих высокое качество поверхности, однородную мелкозернистую структуру сталей; отработка литейных технологий.

3. Разработка смежных технологий, в том числе:

3.1. ― технологии обработки полуфабрикатов: гибка, штамповка

3.2. ― технологии получения сварных соединений ВАС с использованием различных видов сварки, включая лазерную, и различных сварочных материалов, включая проволоку из ВАС;

3.3. ― технологии обработки поверхности ― резка, точение, полировка (механическая, электролитическая), матирование; поверхностное упрочнение (дробеструйная обработка, обкатка).

4. Развитие отлаженной, со скоординированными межотраслевыми связями, системы испытаний, аттестации (паспортизации, сертификации) новых ВАС для применения в различных отраслях промышленности в ответственных высоконагруженных изделиях.

5. Работы по оформлению технической документации; стандартизации разработанных материалов, технологий, включению новых сталей в ТУ, ОСТы и ГОСТы на производство изделий, с тем, чтобы сделать ВАС максимально доступными для конструкторов и разработчиков новой техники.

Однако если судить, например, по тому, что не получают господдержки российские аграрии, желающие заполнить ниши, покинутые зарубежными импортерами, вряд ли прогнозы о финансировании такой программы могут быть оптимистичными. (Скорее такой вариант мог бы существовать в эпоху народного хозяйства и плановой советской экономики). Остается надеяться на заинтересованность в новых азотистых сталях частных российских инвесторов.

Каким может быть путь в производство новой марки стали после ее выхода из лабораторной стадии или стадии первых заводских образцов, и какова будет стоимость такого пути?

Она будет определяется стоимостью:

1) Отработки технологии промышленного производства деформируемых и литых полуфабрикатов на российских промышленных предприятиях и разработки ТУ на полуфабрикаты и изделия необходимого сортамента, либо внесения дополнений в уже существующие ТУ и ОСТы. Она включает в себя:

• выплавку заводских плавок развесом не менее 1 т (если речь идет о деформируемых сталях);

• производство деформируемых полуфабрикатов, литых изделий;

• оценку их качества, в т.ч. дефектоскопию, химический анализ, исследования структуры и свойств заводского металла;

• разработку нормативной технической документации (технологических инструкций, ТУ).

2) Изготовления образцов, в т.ч ― натурных, и проведения их аттестационных испытаний в соответствии с отраслевыми стандартами потребителей (например, для нефтегазовой отрасли).

3) Работ по включению разработанных материалов в металлургические и машиностроительные ТУ, ГОСТы и ОСТы.

Уточнение стоимости таких работ может быть проведено в зависимости от выбора конкретных индустриальных и заводских партнеров, оценки необходимости модернизации или дополнительной разработки оборудования, что может привести к удорожанию.

Один из вопросов, который задавали автору этой статьи на круглом столе арматуростроителей весной 2014 г. в Москве: «Вы приводите данные по коррозионной стойкости в растворах хлоридов. А будут ли ВАС, о которых шла речь (в т.ч. аустенитная высокопрочная 05Х22АГ15Н8М2Ф), стойки в средах, содержащих сероводород и углекислый газ?» Действительно, это принципиальный вопрос для тех, кто разрабатывает оборудование для нефтегазовой отрасли. Ответ может быть дан такой: «Исходя из химического состава, такая сталь должна быть стойкой к воздействию подобных сред. Конкретные цифры по стойкости могут быть получены после испытаний. Их стоимость в настоящее время составляет, в зависимости от вида испытаний (под напряжением или без) до миллиона рублей».

Российские разработчики азотистых сталей, исходя из имеющихся собственных данных и мирового опыта применения азотистых и высокоазотистых сталей, рекомендуют их для применения в арматуростроении. Эта статья ― еще один довод, в дополнение к нашим публикациям [9, 10], в пользу таких сталей. Ученые готовы к сотрудничеству с промышленностью. Осталось пройти всего несколько шагов к заводским технологиям...

Литература:

1. Обзор «Методы защиты нефтегазового оборудования от коррозии. «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТА, кафедра «Транспорт углеводородных ресурсов», Тюмень, 2012, http://www.allbest.ru/)
2. Справочные данные сайта MatWeb's ― searchable database of material properties, (http://www.matweb.com), см.: http://www.matweb.com/Search/ MaterialGroupSearch.aspx?GroupID=239
3. Публикация, размещенная на интернет-сайте журнала Stainless Steel World (ISSN 1383 7184): http://www.stainless-steel-world.net/pdf/11022.pdf
4. ГОСТ 977-88. Отливки стальные. Общие технические условия.
5. ASM International, Metals Handbook, Tenth Edition, Volume 1, Metals Park, Ohio, 1990
6. http://www.metal-inox.ro/compozitiechimica.pdf
7. M. O. Speidel. Nitrogen Containing Austenitic Stainless Steels. Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2006, 37, No. 10
8. Данные M. Speidel в трудах 10-th International Conference on High Nitrogen Steels, HNS-2009, М., МИСиС, 2009 и материалах семинара в ИМЕТ РАН, 2010 г.
9. М.В. Костина, О.А. Банных, В.М. Блинов, Е.В. Блинов, С.О. Мурадян. Высокоазотистые коррозионностойкие аустенитные и мартенситные стали ― конструкционные материалы 21 века // «Вестник арматурщика», 2014, выпуск №16, стр. 63‒66.
10. О.А. Банных, В.М. Блинов, М.В. Костина, Е.В. Блинов, С.О. Мурадян. О возможности применения в российском арматуростроении аустенитных азотистых сталей // «Арматурострение», 2 /89/2014, с.67-76.

Опубликовано в "Вестнике арматурщика" № 7 (20) 2014

Размещено в номере: "Вестник арматурщика" № 7 (20) 2014