СОЗДАНИЕ ХЛАДОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ —
УСЛОВИЕ РАЗВИТИЯ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В КРИОЛИТОЗОНЕ
Итоги II Евразийского симпозиума по проблемам прочности
материалов и машин для регионов холодного климата, посвященного
памяти академика Владимира Петровича Ларионова.
С. Яковлева, к.т.н.,
зав. отделом технологических процессов и материаловедения ИФТПС СО РАН
Для России ускоренное освоение Севера и Арктики, включая
побережье и шельф арктических морей, является важным условием
повышения экономического потенциала. Прежде всего, оно означает
развитие базовых отраслей промышленности (горнодобывающей,
нефтяной и газовой) с созданием соответствующей инфраструктуры,
транспорта, связи. В связи с этим задача обеспечения безопасности
технических объектов в регионах холодного климата получает новое
звучание.
Разработка безопасных машин и сооружений — это, в первую
очередь, разработка технологий новых поколений в
материаловедении, проектировании и изготовлении.
Прогресс в этой междисциплинарной области требует постоянного
сотрудничества ученых — и регионального, и международного.
В 2002 г. по инициативе академика В. Ларионова в Якутске
состоялся I Евразийский симпозиум по проблемам прочности
материалов и машин для регионов холодного климата. Было принято
решение о регулярном проведении этого форума ученых. В 2004 году
прошел «EURASTRENCOLD-2004», он был посвящен памяти
ак. В. Ларионова.
Инициаторы и организаторы симпозиума — Министерство образования
и науки РФ, Министерство промышленности и энергетики РФ,
Российская академия наук, Сибирское отделение РАН, Администрация
Президента и Правительства Республики Саха, Правительство
Республики Саха, Министерство науки и профессионального
образования РС, Якутский научный центр СО РАН, Объединенный
институт физико-технических проблем Севера СО РАН, Российский
фонд фундаментальных исследований, Институт промышленного
развития «ИНФОРМЭЛЕКТРО», Институт машиноведения РАН, Институт
металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, SLV
(Germany), Stuttgart University (Germany), LMPH EPFL
(Switzerland), Tampere University of Technology (Finland).
В работе симпозиума приняли участие более 270 ученых,
конструкторов, ведущих специалистов из научно-исследовательских,
проектных, опытно-конструкторских и производственных предприятий
и институтов Москвы, Нижнего Новгорода, Екатеринбурга,
Красноярска, Томска, Иркутска, Новосибирска, Хабаровска,
Владивостока, Улан-Удэ, Якутска, а также специалисты из Германии,
Финляндии, Украины, Белоруссии. Было представлено 189 докладов:
22 пленарных, 114 секционных и 53 стендовых.
Особое место на симпозиуме заняли вопросы повышения надежности
северных трубопроводов, обеспечения эффективности и безопасности
их функционирования.
 |
| Закрытие симпозиума, в президиуме — ак. В. Бузник
(директор Центра трансфера технологий СО РАН), чл.-к. РАН Э. Горкунов (заместитель председателя Уральского отделения РАН),
д.т.н. П. Одесский (ЦНИИСК им. Кучеренко), д.т.н. О. Слепцов
(директор ИФТПС СО РАН), Н. Рябикова («Информэлектро»), д.т.н.
А. Верхотуров (директор Института материаловедения Хабаровского
научного центра Дальневосточного отделения РАН).
|
Отмечено, что требуется расширение использования неметаллических
материалов, главным достоинством которых является малый удельный
вес. Так, на рынке промышленно развитых стран полимеры и
композиты составляют почти треть среди используемых материалов
(в России — менее 5-7%). В этой области в республике имеется
положительный опыт: впервые проведенные крупномасштабные
эксперименты по изучению механического взаимодействия
полиэтиленовых труб с многолетнемерзлыми грунтами показали
принципиальную возможность и перспективность применения этих труб
для сооружения газопроводов в условиях холодного климата.
Среди основных требований к материалам (металлическим,
полимерным, композиционным) — стабильность характеристик при
длительной эксплуатации в условиях естественно низких температур.
Прогрессивные материалы также должны удовлетворять условию
уменьшения материалоемкости (массы) машин и конструкций при
одновременном улучшении эксплуатационных показателей, а их
производство — условиям экономии сырьевых ресурсов, снижения
энергоемкости технологических процессов, экологичности.
В качестве примера можно рассмотреть один из основных аспектов
этой проблемы — разработку хладостойких сталей (наиболее
распространенными конструкционными материалами все же остаются
стали и сплавы). На симпозиуме были представлены хладостойкие
стали нового поколения, легированные ванадием, ниобием, а также
микролегированные редкоземельными элементами. Такие стали
обладают уникальным сочетанием прочности, сопротивления хрупким и
усталостным разрушениям. Среди перспективных методов
структурообразования — получение сверхмелкозернистых состояний
интенсивным пластическим деформированием, в частности,
равноканальным угловым прессованием. Большие возможности для
создания высокопрочных хладостойких и износостойких структур
предоставляют сильно неравновесные физические процессы
(ударно-волновые, плазменные, газотермические). Фундаментальные и
прикладные результаты в этих областях разработки материалов и
высокоэффективных технологий были достаточно широко освещены в
докладах по материаловедческим аспектам проблемы хладостойкости.
В работах этого плана подробно изучены структурные состояния
материалов, их пластическое деформирование и разрушение в широком
интервале температур и скоростей деформации. Были рассмотрены и
такие новые направления физики прочности твердых тел, как
физическая мезомеханика, синергетика деформируемого твердого
тела.
Использование в технических объектах передовых материалов
подразумевает и разработку передовых технологий изготовления.
Поскольку основной технологический процесс при изготовлении
техники и конструкций — сварка, то одной из важнейших проблем,
определяющих успех повышения их надежности и долговечности,
является разработка рациональных технологий сварки.
Действительно, из результатов анализа разрушений сварных изделий
при низких температурах следует, что наибольшая их часть
приходится на сварные соединения или начинается в них.
На симпозиуме были представлены высокоэффективные технологии
сварки, направленные на оптимизацию структуры и
напряженно-деформированного состояния сварных соединений:
адаптивная импульсно-дуговая сварка, методы дополнительной
обработки (термоциклирование, ударно-волновое нагружение и т.д.),
легирование материала шва через сварочные материалы, управление
уровнем остаточных напряжений через формирование твердых и мягких
прослоек. Было подчеркнуто, что особое значение приобретает
управление поведением водорода в сварных соединениях, как одним
из факторов, влияющих на разрушения сварных конструкций.
Важнейшим направлением повышения надежности техники и механизмов
является формирование специальных поверхностных свойств для
увеличения прочности и износостойкости деталей и узлов,
испытывающих контактные нагрузки. Сейчас формируется новый подход
к оценке роли поверхности в конструкционной прочности, согласно
которому эксплуатационные свойства изделий можно обеспечить
преимущественно за счет улучшения поверхностных свойств
материала.
Проблемы износостойкости связаны как с состоянием контактирующих
поверхностей деталей, так и с параметрами материала в
приповерхностном слое. Одними из наиболее перспективных методов
получения износостойких покрытий и восстановления изношенных
поверхностей являются методы плазменного и газотермического
напыления порошковых материалов. Возможности этих
высокоэнергетических методов воздействия на материалы связаны со
спецификой базовых процессов: высокой температурой, высокой
активностью частиц, концентрированностью энергии.
Сложность разработки теоретических основ перечисленных процессов
и технологий обусловлена существованием целого ряда
трудноучитываемых факторов. Так, наблюдается отставание в
разработке научных основ поверхностного упрочнения плазменным
напылением: при достаточно большом спектре разработанных составов
порошков, мало изучены механизмы взаимосвязи режимов напыления
(энергетических параметров, дистанций напыления) и
работоспособности обработанных поверхностей. Это же относится к
использованию энергии взрыва для получения материалов
инструментального назначения, прежде всего, алмазометаллических.
Такие материалы предназначены для рабочих элементов алмазных
инструментов, применение которых в металлообработке значительно
повышает качество поверхностей элементов изделий и,
соответственно, их эксплуатационные свойства. Использование в
алмазометаллических абразивах порошков натурального алмаза,
имеющего более низкий коэффициент трения с металлом, чем
синтетический, может повысить класс чистоты обрабатываемых
поверхностей. В связи с этим большой интерес вызвали доклады по
теоретико-прикладным вопросам применения высокоэнергетических
методов в целях получения износостойких покрытий и
алмазосодержащих материалов. Здесь же можно отметить, что в
сообщениях, относящихся к «алмазной» тематике, были рассмотрены
идентификационные характеристики, особенности синтетических и
природных алмазов, компьютерная разметка и
аппаратурно-технологическое обеспечение обработки алмазов.
Появление новых материалов, влияя на рабочие параметры
технической продукции, требует изменения норм ее проектирования.
Отсюда вытекает требование формирования новой системы критериев
прочности, ресурса, живучести и безопасности конструкций для
повышения их надежности через систему норм и правил
проектирования, изготовления и эксплуатации. Так, на сегодняшний
день при расчетах инженерных сооружений минимум температуры
принимают равным порядка минус 40 градусов Цельсия, а в
реальности возможны температуры до минус 55 градусов Цельсия и
ниже. Назначение запаса до минус 100 градусов Цельсия по принятым
мировым нормам требует расширения исследований свойств материалов
и изделий из них.
По итогам докладов и дискуссий симпозиум рекомендовал следующие
пути решения научно-технических проблем обеспечения нормальной
работоспособности техники и конструкций в условиях Севера и
Арктики:
— Необходимо развитие концепции системного подхода к обеспечению
и поддержанию надежности технических систем и их составных частей
на всех стадиях жизненного цикла, включающего проектирование,
изготовление, эксплуатацию. Применительно к совершенствованию
конструкционных материалов и технологических процессов это
означает установление связей режим-структура на этапе
технологического передела и связей структура-свойства в конечном
продукте.
— Требуется создание банка данных по физическим, химическим и
технологическим свойствам конкретных материалов, обработанных на
разные уровни прочности, при варьировании скоростей нагружения,
температур, напряженного состояния, атмосферных воздействий и
т.п. Это позволит гарантировать успешный выбор материала при
конструировании и производстве технических систем для различных
климатических зон.
— Развитие нового подхода к оценке роли поверхности в
конструкционной прочности, согласно которому эксплуатационные
свойства изделий можно обеспечить преимущественно за счет
улучшения поверхностных свойств материала, а не только объемных.
— Разработка и применение технологий новых поколений в области
получения материалов и при их обработке по различным
технологическим переделам, что является условием качественных
изменений в практике создания техники и конструкций для работы в
регионах с экстремальным климатом.
— Интенсификация работ по созданию и применению
многофункциональных материалов, полученных прогрессивными
высокоэнергетическими технологиями переработки многокомпонентного
минерального сырья и технических алмазов.
Вместе с тем, очевидно, что для проведения скоординированных
мероприятий, обеспечивающих создание и внедрение дорогостоящих
высокотехнологичных инноваций, нужны решения на государственном
уровне. Реализация отдельных разрозненных проектов по освоению в
промышленности новой техники и технологий не в состоянии
обеспечить качественный сдвиг и переход к инновационной модели
воспроизводства.
Комплексный характер и масштабность проблем, стоящих перед
Российской Федерацией, перед ее северными регионами требуют
реанимации, разработки и реализации федеральной целевой программы
«Техника Российского Севера». Такая постановка вопроса была
инициирована академиком В. Ларионовым некоторое время назад и
вошла в решения I Евразийского симпозиума, подтвердившего
необходимость возобновления и широкомасштабного развертывания
работ по прочности, безопасности и ресурсу машин и
металлоконструкций, эксплуатирующихся в условиях низких
температур.
Программа предусматривает разработку, испытания и освоение
серийного производства новых хладостойких материалов; новых
технологий производства, ремонта и восстановления конструкций и
машин в северном исполнении; новых современных образцов
горнодобывающей и транспортной техники, автономных систем
жизнеобеспечения; создание, экспериментальную апробацию и
практическое внедрение методик оценки остаточного ресурса и
систем мониторинга состояния опасных промышленных объектов в зоне
холодного климата, в том числе, таких как газо- и нефтепроводы,
емкости для хранения нефтепродуктов. Реализация программы будет
способствовать перестройке научно-технического потенциала с
позиций развития производительных сил, повышения уровня
ресурсного обеспечения, качества и условий жизни населения на
Севере.
Концепция программы достаточно широко обсуждалась научной
общественностью России и некоторых стран СНГ. В ноябре 2003 года
в Екатеринбурге на базе Государственного научного центра РФ ОАО
«Уральский институт металлов» было проведено рабочее совещание по
основным положениям программы. Ее содержание согласовано и
подписано на совместных заседаниях Сибирского отделения
Российской академии наук и Национальной академии Украины.
Инициативное предложение было поддержано Президентом РС В. Штыровым и Торгово-промышленной Палатой РФ.
В продолжение работы по этому направлению II Евразийский
Симпозиум решил:
— подготовить обоснование в Министерство науки и образования,
Российскую Академию наук о создании научно-технического совета
«Техника российского Севера» по проблемам развития техники,
технологий, использования нетрадиционных источников тепла для
регионов Севера;
— просить Президиум РАН организовать Совет по технике Севера в
рамках Отделения химии и наук о материалах РАН;
— просить Президиум РАН и Управление Федерального агентства по
науке утвердить ИФТПС СО РАН (г. Якутск) и институт промышленного
развития «Информэлектро» (г. Москва) в качестве головных
организаций в области исследования низкотемпературной прочности
материалов и машин, энергоресурсосберегающих технологий;
— с целью научного обеспечения создания техники для эксплуатации
в экстремальных условиях разработать Программу с привлечением
институтов РАН, СО РАН и Института электросварки им. Е. О. Патона
НАНУ.
Мы полагаем, что симпозиум стал важной вехой в решении проблем
обеспечения нормальной работоспособности техники и конструкций в
условиях Севера и Арктики, что явится достойной данью памяти
академика Владимира Петровича Ларионова. Дополнительная
информация о симпозиуме доступна по адресу
http://cool.ysn.ru/eurastrencold.
стр. 9
|
