А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

А.К. Андреев, Б.С. Ермаков

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ

ТЕХНИКИ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2016

УДК 620.22

ББК 31.392+30.3+34.43 А 65

Андреев А.К., Ермаков Б.С. Материалы для низкотемпературной техники: Учеб. пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2016. 355 с.

Рассмотрены вопросы, связанные с надежностью и безопасной эксплуатацией оборудования в условиях климатического холода и криогенных температур. Представлены систематизированные данные о свойствах и работоспособности материалов, предназначенных для эксплуатации при климатическом холоде до –60 °С; температура работы холодильных и специальных систем (– 80 … –100 °С), сжижения газов: кислорода, азота, водорода, гелия и др.

Предназначено для магистрантов направления 16.04.03 Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения, аспирантов очной и заочной форм обучения.

Рецензенты: Научно-исследовательский центр ООО «Территориальная компания "ОМЗ-Ижора"» (доктор техн. наук Т.И. Титова);

доктор техн. наук, проф. кафедры технологии и исследования материалов С.Ю. Кондратьев (Санкт-Петербургский политехнический университет)

Рекомендовано к печати Советом факультета холодильной, криогенной техники и кондиционирования, протокол № 1 от 10.09.2015 г.

Университет ИТМО – ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009 году статус национального исследовательского университета. С 2013 года Университет ИТМО – участник программы повышения конкурентоспособности российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров, известной как проект «5 – 100». Цель Университета ИТМО – становление исследовательского университета мирового уровня, предпринимательского по типу, ориентированного на интернационализацию всех направлений деятельности.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2016

Андреев А.К., Ермаков Б.С., 2016

2

ВВЕДЕНИЕ

Современный путь развития инновационных технологий направлен на повышение срока службы и единичной мощности оборудования, надежности и безопасности его эксплуатации, повышение автоматизации и роботизации производств, особо необходимых в условиях нехватки квалифицированной рабочей силы. К числу наиболее продвинутых в области внедрения новых разработок, технологических новаций и обеспечения максимальной безопасности эксплуатации относятся в том числе предприятия, использующие при переработке сырья, изготовлении и хранении готовой продукции технологии, основанные на применении низких и сверхнизких температур. Эта температурная область включает в себя как температуры климатического холода, которые в северных регионах страны достигают минус 60–65 С, так и температуры сжижения таких газов, как азот, водород, гелий, т. е. минус 196–269 С. Актуальность проблемы ресурса низкотемпературной техники объясняется тем, что с каждым днем низкотемпературные технологии все шире используются в различных отраслях промышленности, ежегодно внедряются новые процессы и аппараты, эксплуатация которых осуществляется в низкотемпературном диапазоне. Это высокотехнологичные оборонные производства, в частности ракетно-косми- ческое, физика высоких энергий, отрасли, связанные с переработкой, очисткой и сжижением различных газов, пищевая, медицинская промышленность и др.

Анализ развития добывающих и перерабатывающих отраслей промышленности в последние двадцать–тридцать лет также показывает, что отчетливо наметился перенос центра тяжести развития нефте- и газоперерабатывающих отраслей в Заполярную тундру, шельфовую зону Северного Ледовитого океана и Северного Сахалина. Ускоренное освоение этих регионов России привело к необходимости строительства и эксплуатации крупных добывающих и перерабатывающих предприятий, магистральных и промысловых трубопроводов.

Начало нового века охарактеризовалось кардинальными преобразованиями российского национального хозяйства, остро встали проблемы развития и функционирования социально-экономических комплексов северных территорий. При этом обострились общие

3

и специфические структурные изменения в региональной экономике и механизме взаимодействия федерального и территориальных уровней государственного управления.

Следует учитывать, что понятие «Крайний Север и северные регионы» в нашей стране имеет географический смысл и не привязано к конкретному экономическому району. Одной из методологических проблем внутренней типологии и классификации территорий Крайнего Севера и приравненных к ним местностям является несоответствие административно-территориальных границ субъектов Федерации и социально-экономического зонирования регионов Севера России. Отправными моментами исследования проблем, встающих перед промышленностью Севера России, являются теоретическое обобщение и детальная научная проработка методологических подходов и методических принципов к определению понятия «Север» и проблемам типологии, районирования и зонирования.

Вобщем случае «Север» определяется как территория, ограниченная физико-географическими параметрами. Правовая интерпретация районов Крайнего Севера и приравненных к ним местностей в экономике России традиционно регулировалось Постановлениями Правительства Российской Федерации путем установления перечня конкретных территорий. Отнесенные к районам Крайнего Севера территории России географически расположены в широтном диапазоне от 82-го (о. Рудольфа) до 44-го (Южно-Курильские острова) градуса, и понятие «экономика Севера России» не имеет жестко очерченных границ.

При определении «Севера» как области хозяйственной деятельности человека принципиальным моментом является качественная и количественная оценка совокупности социально-экономи- ческих, национально-этнических и природно-климатических факторов и условий.

Всоответствии с Федеральным законом «Об основах государственного регулирования социально-экономического развития Севера Российской Федерации» от 19 июня 1996 г. № 78-ФЗ понятие «Север» установлено как высокоширотная часть территории Российской Федерации, характеризующаяся суровыми природноклиматическими условиями и повышенными затратами на производство продукции и жизнеобеспечение населения. С принятием

4

Федерального закона установление границ территорий, относящихся к районам Крайнего Севера, а также районирование Севера регулируются федеральным законодательством.

К российскому Северу полностью или частично относятся 27 субъектов Российской Федерации. Территория Крайнего Севера и приравненных к ним местностей превышает 60 % площади России. На территориях Севера России проживают 11,9 млн человек, что составляет приблизительно 8 % от всего населения страны, из них 181 тыс. человек принадлежит к малочисленным народам Севера.

Север России относится к промышленно развитым регионам страны. На долю регионов Севера России приходится почти 2/5 совокупного производства ВВП, 17 % валового выпуска продукции промышленности, почти 1/3 инвестиций в основной капитал и почти 60 % экспорта природно-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов.

По оценкам Госкомсевера РФ, на Севере России сосредоточено до 80 % разведанных и прогнозных запасов минеральносырьевых ресурсов, свыше 60 % лесных ресурсов и 90 % запасов пресной воды. В северных регионах добывается 97 % газа, три четверти нефти, 90 % олова, основная часть золота, алмазов, меди, никеля, 15 % угля, вырабатывается до 20 % электроэнергии, производится весь апатитовый концентрат.

Регионы Севера являются основными территориями заготовки и переработки древесного сырья. Их доля достигает почти половины общероссийского выпуска лесной продукции. Более половины улова рыбы и добычи морепродуктов России и 40 % производства рыбных консервов приходятся на долю северных районов.

В общероссийских запасах минерально-сырьевых ресурсов Республика Саха (Якутия) занимает 3-е место среди регионов России. Мурманская область является монополистом по производству апатитового концентрата в России. Запасы золота, олова, вольфрама, ртути и других полезных ископаемых в Магаданской области определяют ее рейтинг среди 20 первых регионов России по суммарным запасам минерально-сырьевых ресурсов, а также характер специализации экономики. Высокий рейтинг Ямало-Ненецкого и Ханты-Мансийского автономных округов определяется колоссальными запасами горючего ископаемого топлива. На долю Рес-

5

публики Коми приходится до 1/2 запасов нефти и 1/3 запасов газа Севера Европейской части России.

Промышленное значение имеют запасы золота, олова, вольфрама, ртути Чукотского автономного округа. Вовлекаются в хозяйственный оборот месторождения горючих полезных ископаемых Ненецкого и Эвенкийского автономных округов.

При анализе природно-сырьевых ресурсов необходимо принимать во внимание огромные запасы древесного сырья и биологических ресурсов регионов Севера России.

ВРеспублике Коми площадь и запасы лесов составляют почти половину от запасов лесов Европейской части Севера России.

ВРеспублике Саха, в Эвенкийском автономном округе более 80 % территории занимает лиственничная тайга.

Уникальность природы Камчатки и сосредоточение у берегов полуострова крупных биологических ресурсов, нерестилищ тихоокеанских лососей оказывает определяющее влияние на характер формирования структуры хозяйства области. В частности, в Корякском автономном округе решающее значение имеют промысловые запасы камчатского краба.

При традиционной системе размещения производительных сил по территории России районы Крайнего Севера были ориентированы на вывоз продукции материально-технического назначения в промышленно развитые регионы европейской и азиатской частей страны, что и определило доминирующее положение отраслей добывающей промышленности. Потребительский рынок этих территорий практически полностью формировался за счет ввоза из других регионов России, поскольку производство предметов потребления было нерентабельно и не получило развития.

Северные производители поставлены в более сложные условия. Уровень издержек в промышленности Севера на 20–30 % выше среднеотраслевого показателя, что обусловливается более высокой долей инвестиционных, материальных и трудовых затрат.

Вусловиях реформы в целях преодоления сложившейся ситуации предприятия должны ориентироваться на повышение эффективности использования основных факторов производства, а также проведение активной политики реструктуризации и диверсификации своей деятельности. Однако крайне медленная адаптация хозяйствующих субъектов к изменениям экономической конъ-

6

юнктуры на рынках товаров, капитала и труда, отсутствие перспективной инвестиционной стратегии явились факторами, сдерживающими процессы восстановления экономического роста. Кроме того, в условиях реструктуризации российской экономики усилилась зависимость сырьевых отраслей Севера России от уровня

идинамики тарифов на электроэнергию и транспорт. Уровень транспортной составляющей в издержках производства и обращения являются одной из основных проблем завоза продукции в районы Крайнего Севера, развития межрегиональных отношений, внешнеторговой деятельности.

Впоследние годы доля отраслей добывающей промышленности повысилась практически во всех регионах Севера при резком свертывании производства в отраслях инвестиционного комплекса

ив социально-ориентированных отраслях. Это обусловливается, с одной стороны, сохранением высокой ресурсоемкости отечественного производства, а с другой – тенденцией интенсивного роста экспорта природного сырья, топливных ресурсов и продуктов их первичной переработки. В этой ситуации существенное повышение темпов внешнеторгового оборота явилось фактором, сдерживающим темпы спада в экономике Севера России.

Основу экспортного производства районов Севера России составляют отрасли топливно-энергетического, металлургического

илесного комплексов, а также рыбная промышленность. Динамика

иструктура экспорта существенно дифференцируются по отдельным регионам и зависят от изменения конъюнктуры на мировом рынке.

Доминирующая роль в экспортном потенциале Севера России устойчиво сохраняется за нефте- и газодобывающими регионами. Активизация внешнеэкономической деятельности и устойчивый рост положительного сальдо торгового баланса позволяют этим территориям комплексно решать производственные и социальные проблемы. На долю интенсивно развивающихся районов добычи углеводородного сырья в Ханты-Мансийском и ЯмалоНенецком автономных округах приходится более 1/10 инвестиций в основной капитал российской экономики. Высокой инвестиционной привлекательностью отличаются также нефте- и газоносные районы Севера Европейской части России.

7

Особое место в структуре экономики Севера России занимает Норильский промышленный район. РАО «Норильский никель» является одной из крупнейших в мире интегрированных добывающих и металлургических компаний. Компании принадлежит одно из крупнейших рудных месторождений, 35 % мировых запасов никеля. Она производит 20 % от мирового выпуска никеля и 42 % от выпуска металлов платиновой группы. На долю РАО «Норильский никель» в структуре российской цветной металлургии в запасах природных ископаемых приходится: по никелю – 90 %, кобальту – 77 %, меди – 66 %. При сохранении тенденции к сужению внутреннего платежеспособного спроса динамика производства определяется, прежде всего, ускоренным наращиванием объемов экспорта цветных металлов. РАО «Норильский никель» на внутреннем рынке реализует до 30 % произведенной продукции, а на внешнем – 70 %.

Экспорт продукции в Мурманской области достигает почти 57 % промышленного производства области и представлен, главным образом, продуктами химической промышленности и цветной металлургии.

Основной статьей экспорта Магаданской области являются рыба и морепродукты, а также продукция рыбной промышленности, составляющие 69,8 % в общем объеме экспорта области, а кроме того, черные и цветные металлы – 16,5 %. В географической структуре экспорта наибольший удельный вес приходится на Японию (43 %), Республику Корея (21 %), США (10 %).

Предприятия лесного комплекса Республик Карелии и Коми, а также Архангельской области сохраняют устойчивые позиции на внешнем рынке. Эти регионы являются основными поставщиками леса и лесной продукции на западно-европейский рынок. Активная политика по совершенствованию технологии производства, расширению номенклатуры и ассортимента конечной продукции, привлечение иностранных инвесторов позволяют отраслевому комплексу предприятий лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумаж- ной промышленности Севера России сохранять и расширять рынки сбыта.

Однако не только экономические и инвестиционные риски сдерживают развитие северных регионов страны. Не менее опасно явление хладноломкости, т. е. хрупкого разрушения, связанного

8

своздействием низких температур. Впервые явление хладноломкости стало предметом широкого обсуждения в связи с бурным строительством железных дорог в конце XIX в. После замены пудлингового способа производства на бессемеровский и мартеновский было отмечено, что рельсы, изготовленные из литого металла, внезапно разрушались при понижении температуры. Уже тогда были признаны актуальными проблема хладноломкости металлов, необходимость изучения ее природы и выработки мероприятий по ее устранению.

Сегодня данная проблема стала особенно важной в связи

синтенсивным освоением северных территорий. Эффективность работы оборудования и транспорта в зимнее время в этих районах резко падает. Анализ работы автохозяйств в зонах с суровым климатом показал, что срок службы автомобилей по сравнению с территориями умеренного климата сокращается в два раза, а аварии и поломки, связанные с климатическими условиями, выводят из строя до 25 % парка машин. Поток отказов буровых установок зимой возрастает по сравнению с летним периодом более чем в два раза.

Всвязи с проблемами развития науки в последние десятилетия к настоящему времени образовался разрыв между промышленным освоением технологий и оборудования, эксплуатируемого при низких и сверхнизких температурах, и научным прогнозированием условий безопасной эксплуатации этих систем. Все это привело к тому, что для большей части низкотемпературного оборудования, как оборудования, представляющего собой значительную производственную и экологическую опасность, гарантированный срок службы устанавливается методом аналогии, т. е. исходя из сроков службы аналогичных по технологическому принципу изготовления и эксплуатации систем, например сосудов давления, эксплуатируемых при более высоких температурах.

Ксожалению, такой подход не всегда решает проблему промышленной безопасности, охраны труда, снижения аварийности и травмоопасности производства, на котором используются низкотемпературные технологии. Эта проблема, особо остро вставшая в последнее десятилетие, потребовала разработки принципиально новых подходов к вопросам контроля металла, позволяющих повысить надежность низкотемпературного оборудования.

9

Особое внимание вопросам надежности, безопасной эксплуатации и долговечности низкотемпературных систем начали уделять во второй половине 90-х гг. ХХ в., что было вызвано принятием Федерального закона от 20.06.1997 г. «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», резко ужесточившего требования к эксплуатации оборудования опасных, в частности низкотемпературных, производств.

Приведенные в пособии результаты не ограничиваются только условиями эксплуатации конструкций, работающих при температурах умеренного холода. Они также затрагивают проблемы безопасной работы оборудования в условиях температур, близких к абсолютному нулю, освещают вопросы безопасной эксплуатации

криогенных энергетических установок, ракетной техники, оборудования по очистке и сжижению газов, касаются используемых конструкционных материалов и влияния технологических факторов на их работоспособность.

10