Репортаж от Wedoany，Специалисты Новосибирского государственного технического университета (НГТУ НЭТИ) в сотрудничестве с экспертами Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) успешно вдвое повысили износостойкость хромоникелевой нержавеющей стали (в быту известной как «нержавейка»). Этот материал используется не только для изготовления привычных кастрюль, сковородок и столовых приборов, но и для различных деталей оборудования в нефтеперерабатывающей промышленности. Для нефтяников нержавеющая сталь ценится за высокую коррозионную стойкость, что особенно важно в условиях подземной эксплуатации. Если дополнительно повысить устойчивость нержавеющей стали к гидроабразивному износу (то есть к воздействию твердых частиц, движущихся с потоком жидкости), она станет еще более подходящей для этой отрасли.
Новосибирские ученые с использованием промышленного ускорителя ЭЛВ-8 Института ядерной физики применили технологию электронно-лучевой наплавки для нанесения на поверхность нержавеющей стали покрытия из борида, полученного смешиванием порошков бора и железа. Последующие испытания на гидроабразивный износ, проведенные в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (ИГиЛ СО РАН), показали, что износостойкость и коррозионная стойкость такой модифицированной стали вдвое превышают показатели обычной нержавеющей стали. Результаты исследования опубликованы в журнале «Металловедение» и являются частью крупного проекта, направленного на получение высокопроизводительной нержавеющей стали, пригодной для эксплуатации в экстремальных условиях.
Доцент кафедры материаловедения в машиностроении Новосибирского государственного технического университета, кандидат технических наук Евдокия Бушуева комментирует: «Специалисты нефтеперерабатывающей промышленности используют детали оборудования из хромоникелевой аустенитной нержавеющей стали, поскольку этот материал обладает несколькими важными свойствами. Во-первых, это коррозионная стойкость, что очень важно, так как подземное нефтеперерабатывающее оборудование находится в химически агрессивной среде, например, под воздействием грунтовых вод, растворов электролитов, попутных газов. Другое важное свойство нержавеющей стали — хорошая обрабатываемость. Детали такого оборудования часто имеют сложную форму, поэтому материал для их изготовления должен обладать пластичностью. В-третьих, что не менее важно, нержавеющая сталь относительно недорога».
Несмотря на множество преимуществ, у нержавеющей стали есть и недостаток: низкая износостойкость. Износостойкость — это способность материала сопротивляться разрушению и истиранию поверхности в условиях трения. Существуют различные виды износа, но для нефтеперерабатывающей промышленности наиболее характерен абразивный износ.
Бушуева добавляет: «Нержавеющая сталь обладает достаточной пластичностью, поэтому ей трудно противостоять воздействию водяной струи, содержащей твердые абразивные частицы. Абразив действует как множество ножей, вонзающихся в поверхность. Сначала появляются царапины, задиры и трещины, а учитывая, что материал одновременно подвергается воздействию коррозионной среды, коррозионная стойкость нержавеющей стали также значительно снижается. В итоге время работы такого оборудования сокращается с положенных тысяч часов до всего лишь сотен часов. Поэтому перед промышленностью, а следовательно, и перед наукой стоит задача продлить срок службы нефтедобывающего оборудования».
Один из способов сделать классическую нержавеющую сталь более износостойкой — упрочнить ее поверхностный слой. Специалисты НГТУ НЭТИ выбрали в качестве упрочняющего слоя материал на основе боридов хрома и железа, который был получен методом электронно-лучевой наплавки на промышленном электронном ускорителе ЭЛВ-8 Института ядерной физики. Этот ускоритель имеет статус уникальной научной установки (стенд ЭЛВ-6) и включен в реестр федерального государственного научно-исследовательского инфраструктурного комплекса России.
Старший научный сотрудник Института ядерной физики Михаил Горьковский поясняет: «Промышленный ускоритель генерирует мощный непрерывный электронный пучок, которым мы обрабатываем поверхность материала (в данном случае нержавеющей стали) вместе с модифицирующим порошком, нанесенным на нее. По сравнению с другими методами упрочнения, такими как плазменное напыление, лазерная наплавка, дуговая наплавка, наш метод имеет ряд преимуществ. Мы можем сформировать на материале более толстый поверхностный слой, чем при лазерной наплавке, причем этот слой не имеет пор и лишен слабой связи с основой, характерной для плазменного напыления. Лазерная наплавка дает толщину не более нескольких десятков микрометров, а мы можем получить покрытие толщиной в несколько миллиметров без пор. Не менее важно, что мы обеспечиваем металлургическую связь покрытия, то есть прочность сцепления наплавленного слоя с основой не ниже прочности самого основного металла. В суровых условиях эксплуатации, даже если само покрытие очень прочное, но оно легко отделяется от основы, это неприемлемо. Промышленный ускоритель обладает высокой производительностью: средняя скорость обработки материала составляет 2 квадратных метра в час, что является хорошим показателем. Также следует отметить, что мы работаем в атмосферных условиях, а не в вакууме. Методы, требующие обработки в вакуумной камере, технологически более сложны и требуют больше времени. Мощность нашего электронного источника на один-два порядка выше, чем у лазера. Кроме того, коэффициент поглощения электронного пучка нашим материалом составляет 90%, то есть почти вся энергия пучка преобразуется в тепло внутри материала, тогда как коэффициент поглощения лазера составляет всего 10%».
После получения образцов нержавеющей стали с упрочненным поверхностным слоем специалисты провели серию экспериментов, моделирующих экстремальные условия работы нефтедобывающего оборудования.
Бушуева комментирует: «Поскольку мы ориентируемся на нефтедобывающую отрасль, одним из испытаний был тест на гидроабразивный износ, который мы провели на оборудовании Института гидродинамики. Мы воздействовали на образцы мощной водяной струей (содержащей частицы оксида алюминия, то есть песок с воздухом), специально создавая максимально экстремальные условия. Результаты оказались весьма хорошими: гидроабразивный износ упрочненной нержавеющей стали вдвое ниже, чем у обычной нержавеющей стали. Другой результат касается коррозионной стойкости. Мы испытали покрытие в коррозионной среде, моделируя условия воздействия аварийных растворов. При заклинивании нефтедобывающего оборудования (например, когда в механизм попадает порода, препятствуя вращению) используются растворы, содержащие сильные кислоты, такие как плавиковая, серная, соляная, азотная. Эта мощная смесь быстро растворяет породу, но также может разъедать материал оборудования. В этом отношении коррозионная стойкость нашего образца также вдвое выше, чем у обычной нержавеющей стали».
Эксперты отмечают, что полученные результаты являются частью масштабной работы по разработке упрочняющих покрытий.
Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com
