Ученые Южно-Уральского государственного университета занимаются созданием новых методов упрочнения стали 15Х13Н2, которая найдет применение в нефтедобывающей промышленности на территориях с полярным климатом. Новая технология позволит получить сталь с высокой прочностью и ударной вязкостью, причем ее изготовление не будет требовать больших финансовых затрат.
Почему для добычи нефти нужна новая сталь?
В настоящее время производство высокопрочной стали, которая могла бы использоваться в нефтедобывающей промышленности Арктики, — одна из актуальных проблем, стоящих перед учеными. По данной теме научным коллективом ЮУрГУ опубликована научная статья в журнале Physics of Metals and Metallography.
«Постепенно добыча нефти смещается на север, и возможно, что скоро она будет добываться с шельфа или дна Северного Ледовитого океана. Это создает некоторые трудности, связанные, прежде всего, с явлением хладноломкости. У стали есть несколько важных характеристик: прежде всего, это прочность и ударная вязкость. При добыче нефть, идущая по трубам под большим давлением, часто расширяет их, и в трубах возникают продольные трещины, которые могут тянуться на десятки километров. Другая проблема заключается в том, что стальные трубы должны обладать высокой стойкостью к коррозии и механическому износу. На первоначальном этапе добычи нефти для увеличения давления используется вода, которая, выходя из скважины, содержит камни, песок и соли. Все это истирает поверхность трубы и создает механический и химический износ, в результате которого труба утончается и появляются трещины. Именно поэтому металл должен обладать высокой ударной вязкостью и прочностью», — рассказывает доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики наноразмерных систем Института естественных и точных наук ЮУрГУ Джалал Мирзаев.
.jpg)
Фото: Доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики наноразмерных систем Института естественных и точных наук ЮУрГУ Джалал Мирзаев
Сталь должна обладать высокими свойствами, которые бы задерживали повреждения стальных труб. В настоящее время при добыче нефти используется сталь, легированная хромом: в ее составе больше 13% хрома. При таком содержании сталь становится корозионностойкой, но недостаточно пластична. Таким образом, возникает задача в создании термообработки, которая бы позволяла получить как высокую прочность, так и пластичность. Кроме того, ее производство не должно требовать больших финансовых затрат.
Ученые Южно-Уральского государственного университета работают со сталью, в составе которой 0,13% углерода, 13% хрома и 2% никеля. Они занимаются созданием технологии, которая позволила бы без добавления дорогостоящих металлов получить необходимые механические характеристики. Кроме того, новая сталь будет применяться при низких температурах и должна выдерживать до ‒70°С — минимальной температуры в Арктике.
Особенности новой технологии получения стали
В зависимости от температуры, до которой нагревается железо, возможно получение нескольких типов структур стали. Это связано с тем, что в интервале от 0°С до 911°С железо кардинально меняет свои свойства. Так, существует низкотемпературная зона, при которой получают феррит, и высокотемпературная зона, при которой получают аустенит. При температуре ниже 911°С аустенит переходит в пластичную и мягкую фазу — феррит, возникающий при медленном охлаждении. Однако при резком охлаждении аустенита образуется еще одна, супертвердая фаза — мартенсит. Переход стали в мартенсит осуществляется в диапазоне между двумя температурными точками, при которых он начинается и заканчивается. Особенность предлагаемой технологии заключается в том, что необходимо выдержать материал при температуре, при которой уже происходит образование аустенита. Таким образом, получается стать, в основном состоящая из твердого мартенсита и, в меньшем количестве, из пластичного аустенита. Далее материал охлаждается, а затем нагревается до 650°С. Затем, этот процесс осуществляется повторно, в результате чего получается сталь с высокой прочностью и ударной вязкостью.
В настоящее время новая технология опробована только в лабораторных условиях. В рамках данного проекта научный коллектив сотрудничает с Челябинским трубопрокатным заводом — одним из крупнейших производителей труб в России.