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

Резюме проекта, выполняемого

в рамках ФЦП

«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса

России на 2014-2020 годы»

по этапу № 2

Номер Соглашения о предоставлении субсидии: № 14.575.21.0071.

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

Приоритетное направление: Индустрия наносистем.

Критическая технология: Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов.

Период выполнения: 01.08.2014 г. — 31.12.2016 г.

Плановое финансирование проекта:

Бюджетные средства 16,1 млн. руб.,

Внебюджетные средства 4,1 млн. руб.

Получатель: Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС».

Индустриальный партнер: Научно-технический центр «Технологии специальной металлургии».

Ключевые слова: хладостойкие и криогенные стали, легирование азотом, физические и механические свойства, коррозионная стойкость, термическая и термомеханическая стабильность, технологии.

1. 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 (σ_в= 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.

2. Основные 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 (> 1–200 К/с).

Разработанные новые экономнолегированные сплавы трех составов после горячей прокатки и закалки уже показали требуемые уровни прочности и пластичности при растяжении при 20 °С и 100 °С, ударной вязкости при минус 100 °С и подтвердили стабильность аустенита при холодной деформации вплоть до d=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.

Разработана лабораторная технологическая инструкция получения экспериментальных образцов сталей нового типа, легированных азотом.

Результаты этапа соответствуют требованиям проекта и уровню мировых разработок в данной области.

3. Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД).

Подана заявка на патент 04.06.2015, входящий № 033156, регистрационный № 2015121315, название изобретения «Конструкционная криогенная аустенитная высокопрочная коррозионностойкая, в том числе биоактивных средах, свариваемая сталь и способ ее обработки».

4. Назначение и область применения результатов проекта

Целью проекта является разработка легированных азотом сталей, отличающихся уникальным комплексом свойств: высокой прочностью и пластичностью (σ_в= 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.

5. Эффекты от внедрения результатов

Применение создаваемых сталей позволит увеличить срок службы и надежность эксплуатации сооружений и конструкций, уменьшить их материалоемкость, повысить экономичность.

6. Формы и объемы коммерциализации результатов

Результаты, полученные на данном этапе выполнения проекта, имеют теоретический характер. По результатам всего проекта запланировано 2 патентные заявки.

7. Наличие соисполнителей

Соисполнители по проекту отсутствуют.

Получатель Субсидии:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ «МИСиС»)

Проректор по науке и инновациям

М. Р. Филонов

Руководитель работ по проекту,

главный научный сотрудник

Л. М. Капуткина