Разработка наукоемкой технологии производства новых импортозамещающих материалов повышенной прочности и хладостойкости

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-19-20018

Название: Разработка наукоемкой технологии производства новых импортозамещающих материалов повышенной прочности и хладостойкости

Руководитель: Полецков Павел Петрович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова", Челябинская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г.

Конкурс №77 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова: металлургия, новые материалы, металлопрокат, наукоемкая технология, импортозамещение, Арктика, Крайнай Север, хладостойкость, прочность

Код ГРНТИ: 53.43.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация

В настоящее время значительная доля стратегических объектов нефтегазового и машиностроительного комплексов России, а также транспорта и мостостроения эксплуатируются в экстремальных условиях: одновременное воздействие низких температур, статических и динамических нагрузок, а также интенсивный износ. Вместе с тем одной из приоритетных задач федерального значения является обеспечение условий для освоения и устойчивого развития Арктики - объекта территориальных, ресурсных и стратегических интересов ряда государств, влияющих на развитие мировой экономики и энергетики ближайших десятилетий. Материалы, применяемые в рассматриваемых условиях должны обладать комбинацией трудно сочетаемых характеристик: высокой прочностью, пластичностью, вязкостью и свариваемостью при низких температурах, а также характеризоваться низкой чувствительностью к концентраторам напряжений и отсутствием склонности к хрупкому разрушению. Одним из материалов, предназначенных для использования в таких условиях, являются высокопрочные хладостойкие стали. Однако характеристики сталей, представленных на мировом рынке, удовлетворяют повышенным требованиям преимущественно по одному из ключевых показателей - либо износостойкость, либо хладостойкость, либо высокая прочность и т.д. В связи с этим одной из актуальных научных проблем является обеспечение качественно новой комбинации свойств высокопрочных хладостойких материалов, в том числе: -Временное сопротивление разрыву: не менее 1200 МПа; -Условный предел текучести: не менее 950 МПа; -Относительное удлинение А5: не менее 10 %; -Твердость HBW: не менее 350; -Ударная вязкость KСV: не менее 30 Дж/см2 при температуре минус 70 ºС. Это принципиально новый результат мирового уровня, не представленный ранее на мировом рынке. Комбинация основных характеристик разрабатываемого материала превосходит существующие мировые аналоги и представляет собой уникальное сочетание высокой прочности, пластичности, а также износо- и хладостойкости при температуре до минус 70 ºС. Достижение поставленной цели требует решения ряда задач: 1. Разработка и научное обоснование химического состава разрабатываемых материалов; 2. Исследование кинетики распада переохлажденного аустенита при непрерывном охлаждении разрабатываемых материалов.. Построение термокинетических диаграмм; 3. Исследование влияния режимов обработки на протекание структурно-фазовых превращений и формирование свойств разрабатываемых материалов на основе физического моделирования и имитации процессов изготовления образцов проката в условиях лабораторного комплекса Инжинирингового центра на базе ФГБОУ ВО "МГТУ им. Г.И. Носова; 4. Разработка наукоемкой технологии производства листового проката из новых импортозамещающих материалов повышенной прочности и хладостойкости. 5. Разработка рекомендаций по внедрению научно- практических результатов проекта в условиях ведущих металлургических предприятий Челябинской области с учетом технических параметров производства. Научная новизна результатов проекта заключается в: 1. Установлении качественных и количественных закономерностей влияния химического состава и режимов термомеханической обработки на протекание структурно-фазовых превращений, положение критических точек, количественные параметры микроструктуры и формирование комплекса свойств разрабатываемых материалов; 2. Получении новых термокинетических диаграмм (ССТ – диаграммы) разрабатываемых материалов. 3. Разработке научно обоснованного химического состава и технологических режимов изготовления листового проката из новых импортозамещающих материалов повышенной прочности и хладостойкости. Развитие предлагаемого направления и коммерциализация результатов проекта в условиях металлургических предприятий Челябинской области обеспечит условия для решения проблемы импортозамещения материалов специального назначения, в том числе используемых в условиях Крайнего Севера и Арктической зоны Российской Федерации.

Ожидаемые результаты

В результате выполнения проекта впервые будут получены следующие научно-практические результаты: 1. Отчет о патентных исследованиях в рассматриваемой области. 2. Научно обоснованный химический состав нового импортозамещающего материала, обеспечивающего надежность и эффективность работы конструкций и оборудования в сложных климатических условиях, в том числе Арктики и Крайнего Севера; 3. Новые термокинетические диаграммы (ССТ – диаграммы) разрабатываемых материалов. 4. Качественные и количественные закономерности влияния химического состава и режимов термомеханической обработки на протекание структурно-фазовых превращений, положение критических точек, количественные параметры микроструктуры и формирование комплекса свойств разрабатываемого материала. 5. Технологические режимы изготовления высокопрочного хладостойкого проката обладающего уникальным сочетанием высокой прочности, пластичности, а также износо- и хладостойкости при температуре до минус 70 ºС, в том числе: -Временное сопротивление разрыву: не менее 1200 МПа; -Условный предел текучести: не менее 950 МПа; -Относительное удлинение А5: не менее 10 %; -Твердость HBW: не менее 350; -Ударная вязкость KСV: не менее 30 Дж/см2 при температуре минус 70 ºС. 6. Рекомендации по внедрению научно-практических результатов проекта в условиях ведущих металлургических предприятий Челябинской области с учетом технических параметров производства . 7. Лабораторные образцы высокопрочного хладостойкого проката с требуемым уровнем свойств. Следует подчеркнуть, что комбинация основных характеристик разрабатываемых материалов превосходит существующие мировые аналоги и представляет собой уникальное сочетание высокой прочности, пластичности, а также износо- и хладостойкости. Поэтому результаты проекта будут обладать высокой научной ценностью и новизной.

Публикации

1. Study of phase and structural transformations in overcooled austenite for high-strength cold resistant steel during continuous cooling / Efimova Yu., Emaleeva D., Gulin A., Adishchev P. // CIS Iron and Steel Review, 2023. Vol. 26. pp. 81–85 [https://doi.org/10.17580/cisisr.2023.02.13]

2. Investigation of new steel with increased strength for low temperature applications / Poletskov P., Koptseva N., Efimova Yu. et. al. // Journal of Physics: Conference Series, 2024. Vol. 2845. № 1. article № 012033 [https://doi.org/10.1088/1742-6596/2845/1/012033]

3. Development and research of forming the properties in cold resistant steels with strength class not less than 950 MPa for the components of heavy carrying and lifting machines// Poletskov P., Koptseva N., Efimova Yu. et. al. // CIS Iron and Steel Review, 2024. Vol. 28. pp. 63-68 [https://doi.org/10.17580/cisisr.2024.02.11]

4. Создание экономнолегированных хладостойких сталей с уровнем прочности не менее 950 МПа для тяжелонагруженной техники / Полецков П.П., Копцева Н.В., Кузнецова А.С. и др. // Металловедение и термическая обработка металлов, 2024. № 12 (834). С. 17-24. [https://doi.org/10.30906/mitom.2024.12.17-24]

5. Разработка и исследование формирования свойств хладостойких сталей с уровнем прочности не менее 950 МПа / Кузнецова А.С., Полецков П.П., Копцева Н.В. и др. // Материалы VIII Международной молодежной научно-технической конференции «Magnitogorsk Rolling Practice 2024». Магнитогорск, 2024. С. 47

6. Создание новых импортозамещающих материалов повышенной прочности и хладостойкости / Полецков П.П., Копцева Н.В., Ефимова Ю.Ю. и др. // Тезисы докладов 82 международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования». Магнитогорск, 2024. С. 230

Разработка и фундаментальные исследования новых импортозамещающих материалов для нефтегазового комплекса России

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер: 25-29-20085

Название: Разработка и фундаментальные исследования новых импортозамещающих материалов для нефтегазового комплекса России

Руководитель: Кузнецова Алла Сергеевна, кандидат технических наук

Организация финансирования, регион: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова", Челябинская обл.

Период выполнения при поддержке РНФ: 2025 г. - 2026 г.

Конкурс: №100 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора: 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова: нефтегазовый комплекс России, металлургия, импортозамещение, гибкие насосно-компрессорные трубы (колтюбинг), наукоемкая технология, материалы со специальными свойствами, структурно-фазовые превращения, хладостойкость

Код ГРНТИ: 53.21.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация

Нефтегазовый комплекс России – один из базовых элементов экономики, обеспечивающий энергетическую безопасность страны и высокую эффективность функционирования стратегически значимых отраслей экономики. В настоящее время передовым решением, широко применяемым в мировой практике добычи нефти, является замена сборных конструкций на гибкие насосно-компрессорные трубы (ГНКТ) или колтюбинг (Coiled Tubing – колонна гибких труб). В России колтюбинговое бурение обладает значительным потенциалом роста и особенно актуально для добычи трудноизвлекаемых запасов, проведения ремонтных работ, вывода скважин из консервации, уплотняющего бурения, бурения вблизи водоносных пластов, карбонатных пластов и т.д.

Однако при производстве ГНКТ и российские (ООО «ESTM», Тульская область), и зарубежные производители (Quality Tubing, Global Tubing, Tenaris Coiled Tubes) используют импортное сырье - преимущественно прокат из низколегированной стали производства компании «ArcelorMittal» (Франция). В современной геополитической ситуации это ставит под угрозу развитие российского нефтегазового сектора в части применения колтюбинговых технологий и добычи трудноизвлекаемых запасов.

Кроме того, отдельного внимания заслуживает проблема освоения месторождений, расположенных на все более высоких широтах со сложной горногеологической структурой, в том числе в труднодоступных районах Крайнего Севера и Арктики.

Особенности эксплуатации в северных регионах диктуют необходимость применения материалов для ГНКТ, соответствующих одновременно требованиям международного стандарта API Specification 5ST «Specification for Coiled Tubing» - сталей класса прочности СТ80, характеризующихся следующими свойствами:

• предел прочности: не менее 610 МПа;
• относительное удлинение: не менее 20 %;
• твердость по Роквеллу: не более 22 HRC,

а также отличающихся от импортных аналогов -  повышенной хладостойкостью при температурах до минус 60 град Цельсия.

Это принципиально новый результат мирового уровня, обеспечивающий возможность применения металлопродукции в условиях сверхнизких климатических температур, в том числе в условиях Крайнего Севера и Арктики.

Таким образом, целью проекта является разработка новых импортозамещающих материалов для ГНКТ, отличающихся повышенной хладостойкостью, на основе фундаментальных исследований влияния химического состава, термических и деформационных режимов обработки стали на структуру и свойства конечной продукции.

Для достижения поставленной цели будут решены следующие основные научно-практические задачи:

1. Выбор химического состава стали для ГНКТ, обеспечивающего достижение заданного уровня механических свойств.
2. Исследование особенностей фазово-структурных превращений и формирования свойств сталей оригинальных химических составов. Построение термокинетических диаграмм.
3. Исследование влияния режимов термодеформационной обработки на формирование свойств разрабатываемых материалов на основе физического моделирования и имитации процессов изготовления образцов в условиях лабораторного комплекса Инжинирингового центра на базе ФГБОУ ВО "МГТУ им. Г.И. Носова;
4. Разработка конечно-элементной модели расчета температурного поля по толщине рулонного проката в процессе термодеформационной обработки применительно к оборудованию широкополосного стана горячей прокатки.
5. Разработка рекомендаций для промышленного производства стали класса прочности СТ80 повышенной хладостойкости для ГНКТ применительно к условиям ведущих металлургических предприятий России.

Реализация проекта обеспечит формирование научно-технологического задела в области производства перспективных материалов специального назначения. Это откроет перспективы решения проблемы импортозависимости и обеспечения высокой конкурентоспособности металлургических предприятий России на длительный срок.

Ожидаемые результаты

Наиболее значимыми научно-техническими и технологическими результатами проекта являются:

1. Научно обоснованный химический состав стали класса прочности СТ80 повышенной хладостойкости для гибких насосно-компрессорных труб.
2. Новые термокинетические диаграммы разрабатываемых материалов.
3. Термодеформационные режимы обработки стального проката, обеспечивающие соответствующий установленным требованиям для гибких насосно-компрессорных труб группы прочности СТ80 комплекс механических свойств, в том числе:

• предел прочности: не менее 610 МПа;
• относительное удлинение: не менее 20 %;
• твердость по Роквеллу: не более 22 HRC,

а также отличающихся от импортных аналогов -  повышенной хладостойкостью при температурах до минус 60 град Цельсия.

4. Образцы из новой стали класса прочности СТ80, выплавленной и подвергнутой термодеформационной обработке в лабораторных условиях.
5. Конечно-элементная модель расчета температурного поля по толщине рулонного проката в процессе термодеформационной обработки.
6. Рекомендации для промышленного производства стали класса прочности СТ80 повышенной хладостойкости для ГНКТ в условиях ПАО "ММК".
7. Не менее 5 публикаций в ведущих рецензируемых научных изданиях.

Следует подчеркнуть, что в ходе исследований будет получен значительный объем новых научных знаний о закономерностях и механизмах формирования структуры и свойств новых сталей уникального химического состава в процессе термодеформационной обработки. При этом комбинация основных характеристик разрабатываемой стали класса прочности СТ80 в сочетании с хладостойкостью - это принципиально новый результат мирового уровня, обеспечивающий возможность применения металлопродукции в условиях сверхнизких климатических температур, в том числе в условиях Крайнего Севера и Арктики.

Таким образом, реализация проекта обеспечит формирование научно-технологического задела и будет способствовать развитию новых тематик в области производства перспективных материалов.

Публикации

1. Кузнецова А.С., Полецков П.П., Копцева Н.В., Ефимова Ю.Ю., Алексеев Д.Ю., Гулин А.Е., Емалеева Д.Г., Мишуков М.В. Features of the structure of rolled steel sheet of strength class CT80 after different thermomechanical treatment regimes Journal of Physics: Conference Series, Journal of Physics: Conference Series 3127 (2025) 012011 (год публикации - 2025) [https://doi.org/1088/1742-6596/3127/1/012011]
2. Кузнецова А.С., Полецков П.П., Копцева Н.В., Ефимова Ю.Ю. Features of forming the structural and phase state of low-alloy steel for flexible tubing pipes depending on thermokinetic transformation conditions CIS Iron and Steel Review, Vol. 30 pp. 41-45 (год публикации - 2025) [https://doi.org/17580/cisisr.2025.02.07]

Фундаментальные исследования и разработка высокотехнологичных импортозамещающих материалов с повышенными ударно-вязкостными свойствами для арктических объектов ТЭК

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер: 26-29-20094

Название: Фундаментальные исследования и разработка высокотехнологичных импортозамещающих материалов с повышенными ударно-вязкостными свойствами для арктических объектов ТЭК

Руководитель: Гулин Александр Евгеньевич, кандидат технических наук

Организация финансирования, регион: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова", Челябинская обл.

Период выполнения при поддержке РНФ: 2026 г. - 2027 г.

Конкурс: №120 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс))

Область знания, основной код классификатора: 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова: нефтегазовый комплекс, импортозамещение, электроды, химический состав, сварка, металл шва, хладноломкость, ударная вязкость, микроструктура, механические свойства.

Код ГРНТИ: 53.31.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация

Освоение арктических месторождений и обеспечение энергетической безопасности России требуют создания отечественных материалов для ответственных металлоконструкций, работающих при низких климатических температурах (до -40°C и  -60°C).

В РФ для сварки особо ответственных конструкций аналогичного назначения широкое распространение получили электроды с основным покрытием типа Э50А марки УОНИ-13/55 по ГОСТ 9467-75 с повышенными требованиями по пластичности и ударной вязкости. Однако существующие химические составы стержневой проволоки (марки Св-08, Св-08А) в составе этих электродов не обеспечивают стабильно высоких значений ударной вязкости (KCV ≥ 50 - 100 Дж/см²) при таких температурах. В итоге это приводит к тому, что даже при использовании качественного покрытия электрода металл шва может иметь повышенный порог хладноломкости, что недопустимо для арктических условий эксплуатации, так как создает риски хрупкого разрушения сварных соединений трубопроводов, резервуаров и других объектов нефтегазовой инфраструктуры.

Санкционное давление и ограничение доступа к передовым иностранным технологиям (Lincoln Electric, ESAB, Böhler) обострили потребность в создании полноценных отечественных аналогов, превосходящих по ключевым показателям стандартные требования ГОСТ.

Поиск решений проблемы, связанной с отсутствием научно обоснованных принципов целенаправленного формирования химического состава металлического стержня для электродов, позволяющих гарантированно обеспечить стабильно высокие значения ударной вязкости наплавленного металла при экстремально низких климатических температурах, является важной высоко актуальной научно-технической задачей, обусловленной несоответствием классических составов современным требованиям к надежности.

Таким образом, целью проекта является создание нового научно обоснованного химического состава сварочной проволоки для электродов с основным покрытием типа Э50А, обеспечивающего стабильно высокие значения ударной вязкости наплавленного металла при низких климатических температурах (до -40°C и -60°C), для ответственных арктических объектов нефтегазового комплекса.

Для достижения поставленной цели будут решены следующие задачи:

1. Научно обоснованный выбор химического состава стержневой проволоки для электродов типа Э50А, обеспечивающий стабильно высокие значения ударной вязкости металла шва за счет целенаправленного формирования мелкозернистой структуры и уменьшения количества неметаллических включений.
2. Исследование фазовых превращений аустенита и связанных с ними изменений микроструктуры с целью прогнозирования формирования мелкозернистой структуры в металле шва на основе имитации термических циклов сварки.
3. Физическое моделирование и имитация процессов изготовления образцов:

• проволоки из стали оригинального химического состава в лабораторных условиях;
• сварочных электродов с основным видом покрытия;
• сварных соединений с применением разработанных электродов улучшенного химического состава.

4. Исследование влияния химического состава проволоки на формирование структуры и свойств сварного соединения, в том числе:

• металлографические исследования наплавленного металла и зоны термического влияния методами оптической и растровой электронной микроскопии;
• механические испытания металла шва, в том числе испытания на ударный изгиб при температурах «минус 40°C» и «минус 60°C».

5. Разработка рекомендаций для промышленного внедрения применительно к условиям ведущих металлургических предприятий Челябинской области.

Реализация проекта позволит создать конкурентоспособный отечественный продукт, обеспечивающий:

• безопасность арктических объектов нефтегазового комплекса России;
• снижение зависимости от импортных технологий;
• повышение надежности сварных соединений критических конструкций,

а также сформировать научно-технический задел в области производства перспективных сварочных материалов.

Ожидаемые результаты

Наиболее значимыми научно-техническими и технологическими результатами проекта являются:

1. Новый научно обоснованный химический состав сварочной проволоки для электродов типа Э50А, обеспечивающий стабильно высокие значения ударной вязкости металла шва за счет целенаправленного формирования мелкозернистой структуры и минимального количества неметаллических включений.
2. Образцы проволоки из стали оригинального химического состава, выплавленной и подвергнутой прокатке и волочению в лабораторных условиях.
3. Лабораторные образцы сварочных электродов с основным покрытием.
4. Лабораторные образцы сварных соединений, изготовленных с применением новых сварочных материалов.
5. Результаты комплекса металлографических исследований наплавленного металла и зоны термического влияния методами оптической и растровой электронной микроскопии, в том числе:

• количественный анализ и определение химического состава неметаллических включений в металле шва;
• количественный анализ размера структурных элементов;
• распределение микротвердости в металле шва, ЗТВ и основном металле.

6. Экспериментально подтвержденные данные по механическим свойствам металла шва с гарантированными значениями характеристик:

• временное сопротивление разрыву, не менее 490 МПа
• предел текучести, не менее 400 МПа
• относительное удлинение, не менее 22 %
• ударная вязкость (KCV):
  • при -40°C не менее 70 Дж/см²;
  • при -60 °C не менее 50 Дж/см².

7. Установленные количественные зависимости между химическим составом проволоки, параметрами микроструктуры и механическими свойствами металла шва.
8. Рекомендации для промышленного внедрения по составу сварочной проволоки, обеспечивающей воспроизводимое получение высоких ударно-вязкостных свойств наплавленного металла при низких температурах.
9. Не менее 5 публикаций в ведущих рецензируемых научных изданиях.

Результаты исследований и предложенные решения послужат научной основой создания прогрессивных электродов с покрытием основного вида, обладающих высокими вязко-пластическими характеристиками наплавленного металла и предназначенных для сварки и ремонта ответственных металлоконструкций нефтегазовых объектов, эксплуатируемых в суровых климатических условиях.

Кроме того, реализация проекта, направленного на создание новых высокотехнологичных материалов, позволит не только обеспечить отсутствие зависимости от иностранных технических решений для социально-экономического развития России, но и сохранять в наиболее высокотехнологичных сферах развития промышленности технологическое лидерство.