Композиты: инновационные материалы в инженерии

Композитные материалы (композиты) представляют собой комбинацию двух и более различных материалов, которые в совокупности образуют новый, обладающий уникальными свойствами. Композиты по праву могут быть названы инновационными и перспективными материалами благодаря следующим своим преимуществам: 

• Вариативность физико-механических свойств. 
  Свойства композитных материалов в значительной степени варьируются в зависимости от структуры, материалов матрицы и укрепления, а также от способа производства. Создание таких материалов может быть адаптировано под нужды заказчика для достижения желаемых характеристик.
• Лёгкость. 
  Несмотря на то, что свойства этих передовых материалов отличаются друг от друга, их всех объединяет малая плотность, которая и определяет лёгкость материала и позволяет снизить вес конструкции с сохранением прочностных характеристик.
• Устойчивость к коррозии и агрессивным средам 
  Одним из главных преимуществ композитных материалов является их высокая устойчивость к коррозии, особенно по сравнению с традиционными сплавами на основе железа и алюминия. В отличие от материалов на основе металлов, которые подвержены различным коррозионным процессам и разрушаются под воздействием влаги, солей, химикатов и других агрессивных веществ, композиты сохраняют свои свойства даже в самых сложных условиях эксплуатации.
• Низкая теплопроводность
  Большинство композитных материалов обладают низкой теплопроводностью, что делает их отличными теплоизоляторами. Это свойство особенно ценно в отраслях, где требуется защита от теплопотерь, например, в строительстве, авиации, энергетике и машиностроении. Композиты эффективно изолируют тепло, что позволяет сохранять стабильную температуру внутри конструкций или оборудования.

Композитные материалы в нефтегазовой промышленности

Композиты уже давно нашли своё место в нефтегазовой отрасли благодаря своим уникальным характеристикам. В условиях агрессивных сред, высоких нагрузок и экстремальных температур данные материалы становятся предпочтительными. Их использование регламентируется рядом стандартов, что гарантирует соблюдение безопасности и надёжности конструкций.
Ключевые области применения композитов в нефтегазовой промышленности:

• Трубопроводные системы и арматура
  Композиты широко применяются для производства труб, фитингов и элементов трубопроводной арматуры, которые обладают высокой коррозионной стойкостью и долговечностью в условиях агрессивных сред. 

Фото Rose Galloway Green на Unsplash

• Резервуары, цистерны и ёмкости
  Композитные материалы используются для изготовления резервуаров и цистерн, предназначенных для хранения и транспортировки нефти, газа и химических веществ. Они отличаются устойчивостью к химическим воздействиям и высокой прочностью, что позволяет им безопасно эксплуатироваться даже в экстремальных условиях.  

Фото Raymond Eichelberger на Unsplash

• Рабочие колеса насосов и прочие конструкционные части аппаратов
  Данные составляющие оборудования часто сталкиваются с экстремальными условиями эксплуатации, такими как: высокая скорость вращения, значительные нагрузки и воздействие агрессивных сред. Для таких элементов актуальной задачей является подбор оптимального материала, который сможет выдерживать комплексные эксплуатационные условия и обеспечить долговечность оборудования.

Численное моделирование: альтернативный подход к проведению испытаний

Определение упругих характеристик композита

Свойства композитов могут в значительной степени варьироваться от материала к материалу, и для точного определения характеристик конкретного образца традиционно проводятся лабораторные испытания. Однако современные технологии позволяют заменить часть программы испытаний по определению свойств композита на виртуальное моделирование, что ускоряет процесс разработки и снижает затраты.
Так, специалисты АО «ЦИФРА» могут провести виртуальные эксперименты для нахождения упругих характеристик композита по известным свойствам составляющих компонентов. Также методами численного моделирования возможно рассчитать оптимальную конфигурацию материала, подбирая матрицу и армирующие элементы таким образом, чтобы получить необходимые жёсткостные характеристики для конкретных условий эксплуатации объекта исследования.

Фото инженера компании ЦИФРА

Инженеры АО «ЦИФРА» имеют успешный опыт выполнения проектов, где ключевой задачей был подбор оптимального композитного материала, удовлетворяющего запросу заказчика и условиям дальнейшей эксплуатации:

• Научно-исследовательская работа (НИР) для ООО «НИИ Транснефть»
  Проведён анализ и выбор композитных материалов, возможных к применению при изготовлении деталей насосов, оценка их применимости по условиям прочности и жёсткости и разработка рекомендаций к изменению конструкций деталей насоса, выполненных из композитных материалов, с целью обеспечения их работоспособности.
• Анализ и выбор композиционного материала для производства вентиляторной лопасти 
  Инженерами АО «ЦИФРА» реализован проект по подбору и замене традиционного материала вентиляторной лопасти на композитный. Была решена задача минимизация массы детали при удовлетворении прочностных ограничений в рамках заданных условий эксплуатации. Этот вопрос актуален в отрасли проектирования лопаточных машин: турбин, компрессоров, вентиляторов, импеллеров и пропеллеров.

Проведение испытаний конструкций из композитов

Виртуальные испытания оборудования из композитных материалов являются второй областью снижения затрат с помощью численного моделирования.
Для введения в эксплуатацию каких-либо конструкций или изделий из композитных материалов возникает необходимость в проведении испытаний для проведения сертификации или получения паспорта оборудования. Проведение натурных испытаний конструкций и изделий является дорогостоящим и трудоёмким мероприятием для любого производства, к тому же некоторые испытания просто невозможно воссоздать вживую. Сократить финансовые и временные затраты при проектировании или эксплуатации конструкции может альтернативный подход к проведению испытания – виртуальные испытания с использованием численных методов.
Специалисты АО «ЦИФРА» имеют успешный опыт в компьютерном моделировании физических процессов и проведении виртуальных испытаний в соответствии нормативной документацией. В частности, инженерами АО «ЦИФРА» была решена задача по проведению виртуальных испытаний газовых баллонов автотранспорта согласно требованиям ЕЭК ООН №10. Указанные динамические испытания для оборудования, изготовленного из композитов, регламентируются в рамках ГОСТ Р 58160–2021 с целью проверки способности композитных контейнеров-цистерн выдерживать динамические нагрузки при железнодорожных операциях.

Заключение

Применение композитных материалов в нефтегазовой промышленности открывает новые возможности для повышения эффективности, долговечности и безопасности конструкций, работающих в экстремальных условиях. Их уникальные свойства, такие как высокая коррозионная стойкость, лёгкость, прочность и возможность адаптации под конкретные задачи, делают композиты предпочтительным выбором для множества критически важных элементов, от трубопроводов до резервуаров и насосных систем.
Внедрение математического моделирования и виртуальных экспериментов позволяет ускорить процесс разработки и оптимизации композитных материалов, снижая необходимость в дорогостоящих натурных испытаниях. Такие технологии помогают не только сократить время вывода решений на рынок, но и гарантируют высокую точность расчётов, что особенно важно в отраслях с высоким уровнем риска, таких как нефтегазовая отрасль.
АО «ЦИФРА» располагает всеми необходимыми компетенциями для проектирования и внедрения современных композитных решений с использованием передовых технологий моделирования.