Труба как двигатель прогресса

R&D-центры (Research & Development), создаваемые высокотехнологичными российскими компаниями, не только помогают бизнесу оптимизировать производственные процессы, но и становятся местом концентрации инновационной научной мысли. Открытый Трубной металлургической компанией (ТМК) и Группой «Синара» Научно-технический центр (НТЦ) в «Сколково» — прекрасный тому пример.

К трубам можно прилагать давление до 2 тыс бар, осевую нагрузку до 3 тыс. тонн и нагревать образцы до 350°С

Фото: Предоставлено ТМК

В недавно открывшемся Научно-техническом центре Трубной металлургической компании в инновационном центре «Сколково» успешно введен в эксплуатацию комплекс исследовательского оборудования, который станет основой для разработки высокотехнологической продукции ТМК. Инвестиции в научно-техническую деятельность обусловлены во многом потребностями отечественного ТЭКа, который предъявляет повышенные требования к эксплуатационным характеристикам стальных труб.

Создание НТЦ позволило сконцентрировать научный потенциал компании и проводить весь спектр научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в одном месте. Здесь исследуют микроструктурное и фазовое состояния материалов, что позволяет оценить свойства продукции, провести их анализ и оптимизировать технологии производства. Отдельное преимущество НТЦ ТМК — уникальное испытательное оборудование, которое способно воссоздавать нагрузки на резьбовые соединения стальных труб нефтегазового сортамента (OCTG), полностью идентичные нагрузкам, прилагаемым к колонне труб в процессе добычи углеводородов.

Несомненный приоритет НТЦ, и ТМК в целом,— цифровая трансформация: создание цифровых двойников труб и математических моделей производственных процессов помогает в значительной мере повысить экономическую эффективность разработки и выпуска продукции. Формирование центра компетенции по цифровым технологиям также позволяет НТЦ стать основой для производства продуктов, превосходящих конкурентов и на внутреннем, и на зарубежном рынках.

Первый в стране

Лабораторно-исследовательский комплекс рассчитан на 400 сотрудников, ученых и инженеров

Фото: Предоставлено ТМК

В мире функционирует не более десяти трубных исследовательских центров подобного уровня. ТМК для определения эксплуатационных характеристик высокотехнологичной продукции для ТЭКа на протяжении долгого времени сотрудничала с научными центрами, расположенными в США и Великобритании. В этих центрах компания получала свидетельства, подтверждающее способность трубных соединений сохранять герметичность и целостность под действием заданного уровня нагрузок.

Но для зарубежных исследований нужна сложная логистика — это влечет за собой серьезную потерю времени, что значительно снижает конкурентный потенциал новой продукции. После официального открытия Научно-технического центра ТМК в «Сколково» все виды исследований резьбовых соединений труб OCTG перенесены с зарубежных площадок на отечественную.

В конце 2020 года в НТЦ прошла заключительная серия первых комплексных стендовых исследований. Всего они заняли несколько месяцев, а подготовка к ним — более года. Эти испытания были призваны подтвердить высочайшие эксплуатационные свойства быстросборного резьбового соединения, необходимого при добыче трудноизвлекаемых запасов — тяжелой, высоковязкой нефти.

Установка комбинированного нагружения позволяет воспроизвести возникающие в реальных условиях нагрузки, чтобы в лабораторных условиях оценить эксплуатационные характеристики тела трубы и резьбового соединения и определить пригодность технического решения для использования в условиях повышенных температур, а также предупредить возможные риски, связанные с аварийными ситуациями.

Основой для программы испытаний послужила методика, изложенная в международном нормативном документе ISO/PAS 12835:2013(Е) «Аттестация соединения обсадных труб для скважин, стимулируемых тепловыми методами». Основным элементом программы испытаний стало тепловое циклическое воздействие на образец с одновременным приложением внутреннего давления. Так в НТЦ имитируют нагрузки, которые испытывают резьбовые соединения обсадных труб в промежуточных и эксплуатационных обсадных колоннах скважин, стимулируемых тепловыми методами. При таком способе добычи с применением парогравитационного дренажа возникают температуры в диапазоне от 180°C до 350°С.

В лабораторных условиях Научно-технического центра ТМК полный цикл исследований резьбового соединения включал в себя:

изотермическую выдержку образца при температуре 290°С в течение 120 часов; такая температура способствует изменению консистенции резьбовой смазки в соединении и снятию напряжений в материале трубы;
термоциклические нагрузки при температуре от 40°С до 290°С и внутренним давлением свыше 70 бар;
дополнительную осевую сжимающую нагрузку как следствие термического расширения тела трубы при жесткой фиксации образца в испытательной установке.

Исследования подтвердили герметичность резьбового соединения на всех этапах испытаний, что позволило сделать вывод о пригодности соединения для столь сложных условий эксплуатации.

Инновационная продукция — замысел и воплощение

В течение 2021 года Трубная металлургическая компания планирует дополнить НТЦ технологической линией для формирования единого уникального экспериментального комплекса, целью которого является изготовление труб с премиальными резьбовыми соединениями, а также проведение исследований резьбовых соединений с определением их эксплуатационных характеристик.

Центр будет оснащен комплексом вспомогательного оборудования, позволяющего отрабатывать технологию изготовления новых видов резьбовых соединений и изготавливать образцы для натурных испытаний с прецизионной точностью.

В НТЦ также будет создан участок для свинчивания труб. Для моделирования процесса сборки резьбовых соединений в вертикальном положении будут использованы гидравлические трубные высокомоментные ключи — это даст возможность воссоздать свинчивание труб нефтегазового сортамента в лабораторных условиях. Это оборудование также позволит определять эксплуатационный ресурс резьбовых соединений еще до появления дефектов на поверхности резьбовых элементов путем многократного свинчивания и развинчивания соединений труб. Реализация плана по оснащению Научно-технического центра должна существенно снизить издержки при изготовлении опытных образцов и значительно ускорить исследовательский процесс.

Путь к совершенству через микроструктуру металла

Главный критерий — полная герметичность трубного соединения

Фото: Предоставлено ТМК

Освоение нетрадиционных запасов углеводородов на шельфе ставит перед НТЦ ТМК серьезные задачи по созданию стальной продукции с повышенными требованиями к самим материалам, покрытиям, эксплуатационным характеристикам и технологиям производства. В связи с этим НТЦ разрабатывает новые материалы повышенной прочности, надежности с уникальным комплексом свойств.

Для этого в центре созданы лаборатории, в которых с помощью специального оборудования проходит подготовка объектов исследования и изучение структурного состояния материалов. После тщательной подготовки образцы металла подвергают детальному исследованию на оптических микроскопах с увеличением до 1000 крат, чтобы оценить дисперсность структуры, определить размер структурных составляющих, обнаружить несовершенства: микропоры, трещины, неметаллические включения.

Отдельное внимание уделено исследованию твердости материалов до проведения натурных испытаний. Тонкие исследования по изучению структурного состояния материалов проводят методами специальной микроскопии при увеличениях до нескольких сотен тысяч крат с помощью сканирующего электронного микроскопа. Это позволяет детально определить химический состав материала и неметаллических включений, которые в значительной мере выступают концентраторами напряжений, причиной образования микротрещин, которые становятся очагом последующего разрушения материала.

Лаборатория НТЦ оснащена и просвечивающим электронным микроскопом, он может оценить состояние отдельных составляющих микроструктуры. Оборудование работает с образцами, представляющими собой тонкую «фольгу» толщиной порядка 100 нанометров. Это необходимо для того, чтобы электронный пучок смог насквозь просветить образец — и в результате получить изображение отдельных структурных элементов. Все данные, полученные при исследовании материалов в НТЦ, призваны способствовать оптимизации производства стали и корректировке технологии трубного передела, чтобы повысить качество выпускаемой продукции.

Важнейшей характеристикой трубной стали является способность материала сопротивляться тем или иным внешним воздействиям. Для определения механических свойств и ресурса эксплуатации труб в НТЦ функционирует комплекс оборудования, которое позволяет оценить способность материалов сопротивляться разрушению при отрицательных, комнатных и повышенных температурах. Основные механические характеристики материала определяются с помощью специальных разрывных машин — по итогам этих испытаний можно определить будущие условия эксплуатации труб, изготовленных из той или иной стали.

Важна для материала и ударная вязкость — по этой характеристике определяют склонность материала к хрупким разрушениям. В лаборатории НТЦ для исследования вязкости материала применяют маятниковый копер, с помощью которого определяют энергию разрушения исследовательского образца, чтобы установить условия эксплуатации материала.

Кадры для металлургии будущего

В здании НТЦ также расположена штаб-квартира корпоративного университета ТМК2U, который начал свою работу в ноябре 2017 года. ТМК2U представляет собой мощный инструмент для создания и развития кадрового резерва, обмена передовым опытом (в частности, со многими зарубежными научными центрами) и передачи знаний непосредственно специалистам, работающим на производстве. Поскольку с самого начала своей деятельности корпоративный университет был рассчитан на онлайн-обучение, пандемия COVID-19 никоим образом не сказалась на его эффективности и не создала для него больших сложностей. На сегодняшний день ТМК2U предлагает более 100 электронных курсов, по которым уже обучились более 100 тыс. человек. С помощью электронной образовательной платформы SOTA2U в университете повышают свою квалификацию не только менеджеры, инженеры и технологи, но и представители рабочих профессий.

ТМК принимает активное участие в государственной программе «2021: год науки и технологий», нацеленной на популяризацию достижений отечественной науки и инженерной мысли, а также научно-технической деятельности. Дмитрий Пумпянский, председатель совета директоров ТМК и президент Группы «Синара», был избран членом координационного совета программы. ТМК, рассказывает Пумпянский, готовит специальные просветительские мероприятия для юных обитателей «Сколково» (гимназистов, студентов Сколтеха): экскурсии, дни открытых дверей и прочее. Кроме того, продолжает он, компания много лет тесно сотрудничает с Уральским федеральным университетом в организации олимпиады «Я профессионал» по направлениям металловедения и строительства. «Мне, как металловеду по образованию, было чрезвычайно приятно обнаружить, насколько популярна эта специальность среди студентов,— говорит Пумпянский.— И мы стремимся помочь им по-новому взглянуть на свое будущее и воспользоваться возможностью выбрать для себя путь научных исследований».

Помимо самостоятельной разработки технологий и взаимодействия с научными центрами ТМК привлекает инновации через участие в акселерационных программах. Так, в марте компания стала партнером программы Агентства инноваций Москвы «Московский акселератор». В рамках нового трека акселерационной программы PipeIndustryTech ТМК отберет для реализации на своих предприятиях высокотехнологичные проекты по таким направлениям, как новые технологии и решения для трубной индустрии, цифровизация промышленности, включая внедрение цифровых двойников и организацию «умного производства», а также экология.