Ключевые слова: инновационные материалы в нефтегазовом комплексе, композиционные материалы, аддитивные материалы, конструкционные материалы, полимерные материалы.
Современное оборудование нефтегазовой отрасли работает в условиях повышенных нагрузок, наличия вредных факторов, а также их комбинации. Рациональный и корректный выбор материала для изготовления конструкций и оборудования – это основной фактор обеспечения высокой надежности. Для формирования общего тренда развития материаловедения, а также освещения работ, проводимых в стенах Губкинского университета, авторами проведен анализ существующих технологий получения материалов и их применения в отрасли, а также описаны работы, проводимые на кафедре металловедения и неметаллических материалов и в Межкафедральном центре инженерных разработок.
Композиционные материалы
Данное направление можно разделить на два основных блока: изготовление деталей и оборудования из композиционных материалов и разработка покрытий для борьбы с коррозией.
В статье [1] рассмотрено использование многослойных композиционных покрытий для защиты металлоконструкций в строительстве от коррозии. Такие покрытия снижают вероятность коррозии на 85 % и за счет этого увеличивают срок службы на 30 %.
В работе [2] представлен новый композиционный материал для изоляции подземных сооружений. Состав композита включает портландцемент, мелкий заполнитель, комплексную и химические добавки. Разработанный материал обладает высокими физико-механическими характеристиками и может быть рекомендован для защиты подземных конструкций от воздействия грунтовых вод.
В композиционных материалах много внимания уделяется наполнителям или компаундам, которые позволяют управлять свойствами готового изделия.
В работе [3] представлен новый состав полимерных композиционных материалов с использованием полиэфируретанакрилатной смолы на основе 2,5-фурандикарбоновой кислоты, полученной из растительной биомассы, и ряда синтетических (угле-, стекло- и арамидное волокно) и минеральных (базальт) волокнистых наполнителей.
В работе [4] описано использование в качестве модификаторов полимерной матрицы волокнистых наполнителей, которые способствуют повышению грузонесущей способности. Рассматривается влияние базальтового и углеродного волокон на механические, трибологические свойства и на процессы структурообразования в сверхвысокомолекулярном полиэтилене (СВМПЭ). Добавление углеродного волокна порядка 20 % повышает модуль упругости на 66 % и снижает коэффициент трения на 65 % относительно исходного полимера.
В работе [5] описаны исследования по изменению свойств композитов при использовании двух видов армирующих волокон (угольной нити и стеклоровинга) в трубопроводах для перекачки морской воды. Комбинация позволяет сбалансировать прочность и модуль упругости при изгибе (367 МПа, 23 ГПа) и растяжении (440 МПа, 5,7 ГПа).
Свойства композиционных материалов сильно меняются при изменении температуры окружающей среды и наличия различных агрессивных сред.
В работах [6–7] проведен цикл испытаний по оценке сохраняемости прочностных свойств углепластика ВКУ-59 и стеклопластика ВПС-68 при растяжении, сжатии, изгибе, межслойном сдвиге при температурах -60 °С, +20 °С, +80 °С и +105 °С в исходном состоянии и после климатических воздействий в камере тропического климата и тепловлажностного старения. Также оценено влияние микологической среды и технологических жидкостей на предел прочности углепластика при изгибе и сжатии.
Особого внимания заслуживают трубы из композиционных материалов. Данное направление долгие годы является одним из перспективных, однако ограничивалось отсутствием нормативной базы в области проектирования, расчета и диагностики.
В работе [8] проведен анализ ограничений применения композиционных материалов и перспективные методы их решения.
В 2021 году введен ГОСТ Р 59411-2021 «Трубопроводы промысловые из стеклопластиковых труб. Правила проектирования и эксплуатации» и это стало толчком для новых работ в этой области.
В работе [9] рассмотрены основные эксплуатационные характеристики и дана оценка эффективности и перспективности использования композиционных материалов в области трубопроводного транспорта.
В работе [10] описаны ограничения использования базальтовой нити в производстве труб и оборудования для нефтегазовой отрасли из композиционных материалов.
Также много работ направлено на использование композиционных материалов в машиностроении.
В работах [11–15] описаны возможности применения композиционных материалов с разным наполнением для изготовления деталей редукторов, повышения износостойкости поверхности узлов трения и способов восстановления поверхности.
В Губкинском университете на базе кафедры металловедения и неметаллических материалов и Межкафедрального центра инженерных разработок проводится цикл работ по исследованию влияния угла поворота слоев армирования (углеволокна и стеклоровинга) в составе неметаллических композитов. Выявлено, что поворот волокон позволяет управлять свойствами готового изделия.
Поворот каждого слоя стеклоровинга на 90° приводит к росту предела прочности на 35 % при сравнении с углом поворота на 45°, для углеволокна максимальный предел прочности формируется при угле поворота слоя на 45°, минимальный – при повороте на 60°.
Помимо изменений механических свойств, проведена оценка распространения вибраций в различных композиционных материалах (рисунки 1, 2).
Рисунок 1. Изменение виброускорения при разном частотном нагружении
Рисунок 2. Изменение виброскорости при разном частотном нагружении
Частотные характеристики при использовании композиционных материалов практически во всем интервале частот выше, чем у стального образца.
Проведенные испытания показали возможность изменения характеристик композита путем поворота волокон в составе слоя-матрицы.
Аддитивные материалы
Аддитивные технологии активно применяются в различных областях, в том числе в нефтегазовой отрасли. Это обусловлено возможностью кастомизации изделий, созданием опытных образцов и снижением стоимости единичного производства изделия.
В работе [16] предложено внедрение аддитивных технологий в производство малогабаритных насосов, проведена адаптация их конструкции для производства методом FDM 3D-печати.
В работе [17] описаны методы моделирования и выбора материала при проектировании насоса и его изготовления при помощи аддитивных технологий.
В работе [18] представлен процесс печати металлами и способ управления свойствами готового изделия за счет изменения количества никеля или титана в сплаве.
Большой комплекс работ ведется по использованию аддитивных технологий в строительстве.
В работах [19, 20] описаны требования к печати сложных и малых форм, требования к составу и особенностям смеси для печати. В качестве основных составляющих бетонов используют портландцемент, гипс, песок, суперпластификатор, регулятор сроков схватывания и твердения, воду и специальные добавки.
Аддитивные технологии также активно развиваются в создании проводящих материалов. В работе [21] представлен способ получения наноразмерного порошка боросиликатного стекла с помощью сферодизации в плазме, на поверхность которого наносятся молекулы акрилата для создания распыляемого нанозоля. 3D-печать многослойных структур из нескольких материалов обеспечивает получение трехслойной структуры, состоящей из керамического слоя – проводящего слоя – керамического слоя, при этом керамический слой отверждается ультрафиолетовым излучением, а рисунок проводника сканируется и высушивается лазером для получения высокоточной части, что можно использовать при создании нестандартных плат и контроллеров.
В работе [22] проведено исследование вязкостных, диэлектрических, оптических и температурных свойств композитов на основе УФ-отверждаемой смолы для DLP 3D-печати, содержащих добавки 5 об. % порошков Al2O3 и ЦТС-19. Показано, что композиты, содержащие оксид алюминия, обладают потенциалом для применения в электронике.
В Губкинском университете на базе кафедры металловедения и неметаллических материалов и Межкафедрального центра инженерных разработок проводятся работы по формированию свойств готовых изделий, полученных методом 3D-печати из разных материалов.
Опыт проведения работ показал, что механические характеристики готового изделия из одного и того же материала сильно зависят от параметров печати, таких как: степень заполнения, профиль, толщина растра, скорость печати, тип расположения.
В качестве примера приведены свойства образцов из PLA (рисунок 3).
Рисунок 3. Предел прочности готового изделия в зависимости от степени заполнения
Конструкционные материалы
С развитием СПГ-отрасли связано развитие металлургических предприятий для получения сталей, стойких к криогенным температурам и негативному влиянию различных технологических факторов на их надежность.
В статье [23] представлены экспериментальные и численные исследования потери устойчивости холоднодеформированных балок-колонн из аустенитной стали при комбинированном сжатии и изгибе. Результаты показывают различие американской и европейской методик расчета надежности и прочности конструкций. Для их сопоставления нужно применять поправочные коэффициенты.
В работе [24] описаны исследования, посвященные совместному воздействию криогенной обработки и ударно-колебательной нагрузки на изменение механических свойств стали 12Х18Н10Т. Криогенная обработка и ударно-колебательное нагружение при комнатной температуре не способны изменить механические свойства стали. Предварительное нанесение ударно-колебательной нагрузки в среде жидкого азота с последующим статическим натяжением при комнатной температуре приводит к значительным изменениям механических свойств стали. Предел прочности стали достигает своего максимального значения, увеличиваясь на 32,2 % по сравнению с исходным уровнем, в то время как пластичность снижается на 26 %.
В работе [25] описан подход по получению аустенитной стали с пределом прочности при растяжении, превышающим 1,8 ГПа, и равномерным относительным удлинением более 40 % при криогенных температурах. Полученная нержавеющая сталь демонстрирует значительное повышение прочности и способности к деформационному упрочнению по сравнению с однородными аналогами за счет эффекта деформации в сочетании с мартенситным превращением.
В работе [26] исследована аустенитная сталь с высоким содержанием марганца для изготовления резервуаров СПГ. Использование такой стали позволяет значительно снизить затраты на изготовление, одновременно обеспечивая долгосрочную стабильность и безопасность резервуаров. Правильный выбор процентного соотношения марганца для контроля энергии разрушения при ударе может еще больше улучшить баланс между прочностью и пластичностью. В статье описаны механизмы деформации и принципы низкотемпературной хрупкости аустенитной стали с высоким содержанием марганца. Исходя из этого, раскрыто влияние всех легирующих элементов.
В статье [27] исследованы характеристики высокомарганцевой стали при высокотемпературной горячей деформации и динамической рекристаллизации. Кроме того, проведена оценка влияния ванадия на характеристики высокомарганцовистой стали в процессе горячей деформации, особенно для изготовления резервуаров для СПГ. Результаты показывают, что средние напряжения увеличиваются при снижении температуры деформации и увеличении скорости деформирования. Кроме того, более высокое содержание ванадия приводит к увеличению средних напряжений, тем самым подавляя возникновение рекристаллизации. Оптимальные температура и скорость деформации для горячей обработки стали с 0,1 % ванадия составляют 1035–1095 °С и 0,01–0,0451 с-1, а для стали с 0,2 % ванадия – 1065–1100 °C и скорость деформации 0,01–0,07 с-1.
Так как с понижением температуры снижается ударная вязкость, то разработка методов по повышению ударной вязкости является актуальным направлением.
В Губкинском университете на базе кафедры металловедения и неметаллических материалов и Межкафедрального центра инженерных разработок проводятся работы по применению технологии термомагнитной обработки для всех видов сталей, в том числе для криогенных.
В результате применения данного вида обработки изменяется ряд технологических свойств сталей (износо- и коррозионностойкость), а также ударная вязкость (рисунок 4).
Рисунок 4. Прирост ударной вязкости после термомагнитной обработки
Применение термомагнитной обработки позволило повысить ударную вязкость в диапазоне от 5 до 11,8 % для разных сталей.
Полимерные материалы
В основном полимерные материалы применяют для изготовления уплотнительных элементов, вставок и покрытий. В большинстве работ описаны изменения их основных барьерных, изоляционных свойств в зависимости от компаунда. Также ряд работ описывают специфические свойства полимеров: самовосстановление (самозалечивание), демпфирование и использование полимеров для создания высокотехнологического оборудования.
В работе [28] описаны самовосстанавливающиеся полимерные материалы. После повреждения полимеры могут самопроизвольно восстанавливать свою структуру и механические свойства за счет межмолекулярных химических и физических взаимодействий при воздействии извне, тем самым продлевая срок службы. Основываясь на уникальных свойствах самовосстанавливающихся полимерных материалов и в сочетании с требованиями нефтяной промышленности, описано их применение в разведке и разработке месторождений нефти и газа.
В статье [29] рассмотрены полимерные теплообменники как перспективное направление замены металлических теплообменников благодаря их стойкости к коррозии, противообрастающим свойствам и экономичности. Оценены пути улучшения теплопроводности полимерных материалов за счет выбора типа компаунда (металл, углерод и керамика), их характеристик (положительная загрузка, размеры) и технологии изготовления.
В статье [30] приведена информация о лакокрасочных материалах, применяемых для окрашивания конструкций и элементов оборудования систем подводной добычи. Отечественные разработки по направлениям создания перспективных фторполимерных лакокрасочных материалов для технологии подводной добычи отсутствуют полностью.
В Губкинском университете на базе кафедры металловедения и неметаллических материалов и Межкафедрального центра инженерных разработок проводятся работы по изменению стойкости лакокрасочных покрытий (ЛКП) к постоянному и переменному смачиванию. Разрабатываются составы ЛКП с различными компаундами (рисунки 5, 6).
Рисунок 5. Скорость коррозии при постоянном смачивании
Рисунок 6. Скорость коррозии при переменном смачивании
На основании исследований разрабатываются составы и технологии нанесения, которые показывают высокую стойкость к разрушению покрытия.
Анализируя все представленные выше исследования, можно сделать следующие выводы:
· Основными направлениями в материаловедении для создания нефтегазового оборудования являются композиционные, аддитивные, полимерные и конструкционные материалы.
· В области композиционных материалов авторы исследований меняют армирующие волокна и комбинируют их для достижения высоких показателей механических свойств.
· В области аддитивных материалов много работ посвящено бетонам и различным добавкам, формирующим стабильные смеси для печати. Много работ посвящено исследованию свойств готовых изделий.
· В области конструкционных материалов работы направлены на изучение свойств криогенных сталей и разработку новых составов и методов обработки сталей.
· В области полимерных материалов много работ посвящено покрытиям и управлению их свойствами в процессе производства и нанесения.
· Губкинский университет проводит весь спектр работ по исследованию свойств материалов, которые применяются или будут применяться в ближайшем будущем.
Литература
1. Хасилов, И.Н. Инновационные методы антикоррозионной защиты металлоконструкций в строительных материалах с применением органических композиционных покрытий / И.Н. Хасилов, Ф.К. к. Мамаражабова // Universum: технические науки. – 2025. – № 2–7 (131). – С. 8–10.
2. Ляпидевская, О.Б. Композиционный материал для защиты подземных конструкций от воздействия грунтовых вод / О.Б. Ляпидевская // Инженерный вестник Дона. – 2024. – № 12 (120). – С. 346–353.
3. Полимерные композиционные материалы на основе связующего из возобновляемого сырья: влияние наполнителя на физико-механические свойства / Д.С. Петренко, В.А. Клушин, А.А. Петренко [и др.] // Пластические массы. – 2024. – № 1. – С. 40–43.
4. Данилова, С.Н. Разработка композиционных материалов на основе СВМПЭ и углеродного и базальтового волокон / С.Н. Данилова, А.А. Охлопкова, А.В. Оконешникова // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. – 2024. – Т. 29, № 4. – С. 661–674.
5. Mechanical and absorption properties of carbon-basalt and glass fiber reinforced composites: A comprehensive study with implications for advanced manufacturing technology / Md. T. Rafat, T. Z. Shuchi, F. R. Evan, Md. A. Rahman // Results in Materials. – 2024. – Vol. 23. – P. 100615.
6. Старков, А.И. Комплексная оценка воздействия эксплуатационных и климатических испытаний на изменение прочностных свойств полимерных композиционных материалов на основе клеевых препрегов часть 1. Углепластик марки ВКУ-59 / А.И. Старков, А.Ю. Исаев, К.Е. Куцевич // Труды ВИАМ. – 2024. – № 3 (133). – С. 91–100.
7. Старков, А.И. Комплексная оценка воздействия эксплуатационных и климатических испытаний на изменение прочностных свойств полимерных композиционных материалов на основе клеевых препрегов*часть 2. Стеклопластик марки ВПС-68 / А.И. Старков, А.Ю. Исаев, К.Е. Куцевич // Труды ВИАМ. – 2024. – № 4 (134). – С. 98–107.
8. Мехманов, Ш.А. Перспективы применения композитных материалов для морских нефтегазовых сооружений / Ш.А. Мехманов, А.Г. Керимова // Вестник науки. – 2024. – Т. 4, № 2 (71). – С. 368–373.
9. Использование труб из композитных материалов при сооружении трубопроводов / Р.Е. Левитин, Р.Н. Кожин, Е.В. Трошкин [и др.] // Южно-Сибирский научный вестник. – 2024. – № 6 (58). – С. 369–376.
10. Abdulrahman, J. Biopolymer Composite Materials in Oil and Gas Sector / J. Abdulrahman, W. S. Ebhota, P. Y. Tabakov // International Journal of Polymer Science. – 2024. – Vol. 2024. – P. 8584879.
11. Разработка конструкционного слоистого композиционного материала для изготовления детали «Ведомое колесо» масляного насоса круглошлифовального станка «Ribon Ru-100» / В.Б. Масягин, С.Б. Скобелев, Д.А. Ерофеев, Е.А. Ерофеев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2025. – № 1. – С. 355–363.
12. Габитов, К.М. Редуктор с зубчатыми колесами из композитного материала для привода штангового глубинного насоса / К.М. Габитов // Вестник науки. – 2025. – Т. 4, № 5 (86). – С. 1872–1877.
13. Исмаилов, М.А. Влияние химического состава абразива и прочности межслойных границ на ударно-абразивную износостойкость слоистых композиционных материалов / М.А. Исмаилов // Безопасность техногенных и природных систем. – 2024. – Т. 8, № 3. – С. 88–96.
14. Опыт применения композитных материалов для восстановления и защиты поверхностей / В.С. Давыденко, К.В. Горбатов, И.С. Верещагин, С.В. Скиртаченко // Бурение и нефть. – 2024. – № 9. – С. 24–27.
15. Гаврилов, Д.А. Использование штанговых винтовых насосных установок в нефтяной промышленности / Д.А. Гаврилов // Вестник науки. – 2025. – Т. 1, № 6 (87). – С. 1876–1881.
16. Кимбор, Д.В. Снижение трудоемкости производства малогабаритных насосов с помощью аддитивных технологий / Д.В. Кимбор, А.В. Дроботов // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2025. – № 1 (296). – С. 72–74.
17. Conceptual design and development of a progressive cavity pump for extrusion-based additive manufacturing applications / Yu. F. Ugurluoglu, A. M. Ferreira, P. Gentile, Ja. Munguia // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2023. – Vol. 46. – P. 191–203.
18. Life cycle assessment of additively manufactured elastocaloric Ni-Ti heat pump/refrigeration components and the effect of design geometry on the environmental impact categories / A. Nyabadza, K. Tamil, L. A. Khan [et al.] // Results in Engineering. – 2024. – Vol. 24. – P. 102956.
19. Жегера, К.В. Разработка состава бетонной смеси с применением наноструктурирующей добавки для 3D-печати малых архитектурных форм / К.В. Жегера, Н.А. Дасаева // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. – 2025. – Т. 17, № 1. – С. 14–22.
20. Патент № 2817928 C1 Российская Федерация, МПК C04B 28/14, B33Y 70/00. Гипсоцементно-пуццолановая модифицированная бетонная смесь для экструзии на 3D-принтере: № 2023136049: заявл. 29.12.2023: опубл. 23.04.2024 / Р.Х. Мухаметрахимов, Л.В. Зиганшина, А.Р. Галаутдинов; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет».
21. Nano-borosilicate glass-silica ceramic material jetting technology for additive manufacturing of multilayer LTCC substrates / Ch. Liang, J. Huang, Yu. Pu [et al.] // Journal of Manufacturing Processes. – 2024. – Vol. 123. – P. 20–27.
22. Технологические и диэлектрические свойства смол для DLP 3D-печати с добавками порошков Al2O3 и ЦТС-19 / А.В. Юдин, Ю.И. Юрасов, О.А. Беляк [и др.] // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2024. – № 6 (242). – С. 280–291.
23. Structural behaviour and design of cold-formed austenitic stainless steel flat-oval hollow section beam-columns / Sh. Li, A. Su, M. T. Chen, Ou. Zhao // Engineering Structures. – 2024. – Vol. 316.
24. The effects of cryogenic treatment and impact-oscillatory loading on changes in the mechanical properties and structural condition of stainless steel 12Kh18N10T / M. Chausov, P. Maruschak, A. Pylypenko [et al.] // Materials Science and Engineering: A. – 2024. – Vol. 913.
25. Hierarchical Strategy Toward Strong and Ductile Austenitic Stainless Steel for Cryogenic Application / D. Zhang, J. Hu, S. Wang [et al.] // Procedia Structural Integrity. – 2025. – Vol. 49. – P. 73–80.
26. Xu, H. Solidification path and crack sensitivity of high‑manganese austenitic cryogenic steel / H. Xu, Ya. He // ISIJ International. – 2024. – P. ISIJINT-2024-226.
27. The influence of V microalloying on the hot deformation behavior and microstructure evolution of high-manganese steel for LNG storage tanks / Yu. Ch. Li, Ji. G. Li, Da. Zh. Zhang, Qi. H. Pang // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 33. – P. 7345–7361.
28. Recent progress in intrinsic self-healing polymer materials: Mechanisms, challenges and potential applications in oil and gas development / S. Zhou, N. Qi, Z. Zhang [et al.] // / Chemical Engineering Journal. – 2025. – Vol. 551.
29. Thermally conductive composites as polymer heat exchangers for water and energy recovery: From materials to products / G. Yi, L. C. Henderson, J. Li [et al.] // Applied Thermal Engineering. – 2025. – Vol. 268.
30. Коробчук, М.В. Фторполимерные покрытия в оборудовании подводной добычи углеводородов: состояние и вопросы, требующие решения / М.В. Коробчук // Journal of Advanced Research in Technical Science. – 2024. – № 40. – С. 86–90.
