Технологии изготовления трубопроводов и ремонта оборудования: от аддитивки до лазерной сварки

Прошедшую в рамках выставки «Нефтегаз-2026» панельную дискуссию «Наукоёмкие технологии и материалы для изготовления и ремонта оборудования и трубопроводов. Ответ науки на промышленный запрос», посвящённую развитию высокотехнологичных отраслей машиностроения, можно назвать знаковым событием, которое осветило сразу две важных тенденции отрасли.  

Во-первых, нефтегазовые предприятия России начали осознавать, что сегодня основным источником передовых технологий для них являются разработки, создаваемые на территории Российской Федерации. Во-вторых, для сектора промышленных высоких технологий открылся новый, крайне интересный рынок сбыта и применения своих решений. Таким образом, отметил модератор сессии Глеб Туричин, ректор Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (СПбГМТУ), в отрасли наблюдается «встречное движение», обещающее синергетический эффект.

В центре внимания экспертов оказались две взаимосвязанные, но при этом самостоятельные группы технологий: аддитивные технологии и промышленные лазерные технологии, применяемые для работы с металлом.

Цифровая трансформация и четвёртая промышленная революция

Начать стоит, пожалуй, с теории. 

Традиционное инженерное понимание аддитивных технологий зачастую сводится к процессу создания готовых изделий из порошков (пластмассовых или металлических), филаментов или металлической проволоки. Однако существует более широкое и глубокое толкование, предложенное, в частности, Клаусом Швабом — экономистом, автором книг «Четвёртая промышленная революция» (2016) и «Технологии четвёртой промышленной революции» (2018).

Шваб описывает Четвёртую промышленную революцию как процесс превращения мира в «компьютерную периферию». В этом контексте традиционное представление о базовых технологиях, независимых технологических машинах (станках для механической обработки, наплавки, резки, сварки) и принципах проектирования изделий под них становится «уходящим в прошлое». То, что раньше не совсем корректно называли «цифровизацией», теперь, по мнению Шваба, следует именовать «цифровой трансформацией». 

Среди девяти ключевых технологий Четвёртой промышленной революции, перечисленных Швабом, многие относятся к сфере информационных технологий (искусственный интеллект, цифровые двойники, проектирование на основе моделирования). 

Аддитивные технологии, обозначенные как «3D-процессы в различных вариантах производства», занимают в этом списке особое место. Шваб понимает их гораздо шире, чем просто 3D-печать. Для него это принцип создания изделий путём добавления стандартных элементов — по аналогии с конструктором Lego. Ярким примером может служить современное строительство, где строительные роботы собирают дома из крупногабаритных стандартизированных заводских панелей. 

Интересный факт: промышленная робототехника также входит в список «швабовских» технологий.

Комплексное использование этих технологий приводит к двум фундаментальным изменениям: кратному (не на проценты, а в разы) повышению производительности и аналогичному снижению себестоимости производства. Это и есть то самое конкурентное преимущество, которое обеспечивает цифровая трансформация. 

Мировой промышленный тренд, отметил г-н Туричин, направлен на создание безлюдных или почти безлюдных производств, управляемых напрямую компьютерами или центрами обработки данных. В такой парадигме технологические машины — станки, печи — превращаются в аналоги компьютерных принтеров. Хотя создать одну машину, способную в одиночку производить сложное изделие из нескольких материалов, пока затруднительно, совокупность таких машин, объединённых Интернетом вещей и перемещающих заготовки с помощью роботов без участия человека, вполне реализуема уже сейчас.

Примечательно, что Россия не отстала от этого мирового тренда. В области аддитивных технологий координацию развития, внедрения и даже подготовки кадров на государственном уровне осуществляет Государственная корпорация «Росатом».

Аддитивные технологии в России: рынок и применение 

Аддитивные технологии в их классическом понимании уникальны тем, что сочетают в себе научный подход, специальное проектирование и конструирование, демонстрируя преимущества на всех этапах жизненного цикла любого сложного технического изделия. Их внедрение уже приносит значительную выгоду:

• Сокращение сроков вывода изделия на рынок: до 75% сокращаются сроки — от разработки до внедрения в производство.
• Высокая производительность.
• Экономия материала: коэффициент использования превышает 90%.
• Сокращение складских запасов: возможность «выращивать» детали по нажатию кнопки за считанные часы или дни устраняет необходимость держать на складе большой объём запасных частей.
• Экономическая эффективность: несмотря на дороговизну оборудования, кратное сокращение сроков изготовления деталей позволяет значительно экономить средства на простоях и самом производстве.

Мировой рынок аддитивных технологий к 2034 году, считает Ольга Оспенникова, советник президента АО «ТВЭЛ» и исполнительный директор Ассоциации развития аддитивных технологий, достигнет 115 миллиардов долларов. Это один из самых быстроразвивающихся рынков, где около 50% занимают услуги 3D-печати. 

Российский рынок по инновационному сценарию к 2030 году оценивается в 58 миллиардов рублей. Его структура существенно отличается от мировой: более половины рынка приходится на оборудование. И это понятно: Россия отстаёт от мировых тенденций, и наш рынок пока попросту не насыщен оборудованием. Однако, отметила эксперт, уже наблюдается тенденция к переориентации рынка на услуги 3D-печати — производители оборудования активно открывают центры аддитивных технологий.

Что касается сегментов, то мировой рынок возглавляет автомобильная промышленность, в то время как в России лидерами являются авиация, двигателестроение, космос и, что важно, нефтегазовое машиностроение. Доля последнего составляет около 19% от общего объёма, что говорит о существенном потенциале внедрения аддитивных технологий в одной из ключевых отраслей страны.

Что касается оборудования, то здесь наблюдаются успехи в локализации: 59% аддитивного оборудования российского производства имеют подтверждённый статус российского в соответствии с постановлением № 719. На рынке материалов, объём которого в 2024 году составил 4,4 миллиарда рублей (из общего объёма в 22 миллиарда), примерно доли металлических порошков и полимерных материалов практически равны. При этом почти по всем материалам для аддитивных технологий в России есть несколько серийных производителей.

В качестве примеров использования аддитивных технологий в топливно-энергетическом комплексе можно привести технологии ремонта, такие как восстановление лопаток (уже запущено в серийное производство в Санкт-Петербургском политехническом университете) и изготовление компонентов газотурбинных двигателей и установок (ОДК для ГТУ-110).

Важнейшим аспектом развития, подчеркнула Ольга Оспенникова, является подготовка кадров. Аддитивные технологии требуют серьёзных компетенций, объединяющих знания технолога, материаловеда, конструктора и оператора установок. 

Промышленные лазерные технологии: вызовы и инновации в нефтегазовом секторе

Применение лазерных технологий в нефтегазовом секторе, особенно в сфере добычи и транспортировки, сопряжено как с серьёзными трудностями, так и с вполне обнадёживающими перспективами, отмечает Роман Сулягин, заместитель начальника Корпоративного научно-технического центра развития трубной продукции ООО «Газпром ВНИИГАЗ».

«Печальная» реальность, подчеркнул он, такова: в своё время отрасль упустила множество возможностей. Так, одной из важнейших задач была и остаётся защита стальных труб и внутренних элементов (крыльчаток, турбин, насосов) от коррозии в агрессивных средах, в том числе в морской воде. Ещё в 1980-х, по словам эксперта, была разработана технология производства плакированного листа для крупных труб. Однако после 2020 года, когда бывшие иностранные партнёры (такие как Schlumberger, FMC, Baker Hughes) ушли с российского рынка, у российских производителей появилась уникальная возможность наладить отечественное производство подводных и морских конструкций.

К сожалению, значительная часть этого рынка, включая плетёные изделия, перила и трубопроводы, «ушла в Китай». Иностранные поставщики ранее использовали дорогие материалы, такие как инконель (семейство аустенитных никель-хромовых суперсплавов — прим. ред.), для повышения цен, хотя отечественные решения с использованием лазерных и аддитивных покрытий могли бы обеспечить аналогичные характеристики. При этом традиционные методы плакирования (биметаллический лист, электрошлаковая наплавка, сварка взрывом) известны и применяются, но не в этой специфической отрасли.

Причина такого положения дел кроется не только в политических, но и в экономических факторах. Китайские производители часто демпингуют, предлагая более низкие цены, что препятствует развитию российского рынка. Однако качество их продукции не всегда соответствует требуемым стандартам — зачастую это то, «что они могут сделать, а не то, что вам нужно». Такой демпинг сдерживает инвестиции в отечественные научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки, поскольку для науки характерны непредсказуемый результат и длительные сроки окупаемости.

Разумеется, в России предпринимаются шаги по ограничению импорта. Например, ведутся работы по введению 5-процентной таможенной пошлины на аддитивное оборудование, поставляемое под определёнными кодами. Это лишь первый шаг, но он направлен на защиту внутреннего рынка и создание условий для развития собственного производства. 

Однако главная задача — создание качественной отечественной альтернативы. Необходим комплекс «собственных» технологий, особенно для таких простых, но критически важных вещей, как биметаллическая арматура. Например, подчеркнул г-н Сулягин, создание износостойких и коррозионностойких вставок из инконеля (или его аналога) методом наплавки на обычную сталь позволит значительно удешевить изделие по сравнению с полностью нержавеющей арматурой. Это возможно благодаря лазерным технологиям, и уже разрабатываются такие проекты, как биметаллические винты и валы.

Прогресс есть

Несмотря на вышеупомянутые проблемы, лазерные технологии всё-таки активно внедряются в производство. Яркий пример — внедрение на Челябинском трубопрокатном заводе (ТМК) лазерной сварки для продольных швов труб.

Преимущества лазерной сварки:

• Экономия материалов: отсутствие необходимости в дополнительных присадочных материалах для корневого шва.
• Узкая зона термического влияния (ЗТВ): минимизация дефектов и улучшение свойств материала вблизи шва.
• Высокая прочность и вязкость шва: лазерный шов получается прочным и при этом вязким.

Однако существуют и проблемы. Антон Гизатуллин, заместитель генерального директора по объектам газонефтепереработки ООО «ТМК-Премиум Сервис», рассказал, что требования международных стандартов (например, DNV) не допускают разрушения по зоне термического влияния при растяжении образцов, поскольку зона термического влияния часто является наиболее уязвимым местом. По его словам, в настоящее время ведутся работы по расчёту температурных полей, возникающих при лазерной сварке, чтобы снизить разупрочнение основного материала и сместить место разрушения за пределы зоны термического влияния.

Гибридная лазерно-дуговая сварка: опыт внедрения и перспективы в судостроении

Институт лазерных и сварочных технологий Санкт-Петербургского политехнического университета также активно развивает и внедряет гибридную лазерно-дуговую сварку (ГЛДС) в различных отраслях.

Об особенностях применения ГЛДС в судостроении участникам дискуссии рассказал Александр Ахметов, ведущий инженер ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет». Так, использование данной технологии позволяет: 

• Сократить количество проходов: благодаря высокой пробивной способности лазера 30-миллиметровую сталь можно сварить всего за два прохода с двух сторон, в отличие от многопроходной дуговой сварки.
• Минимизировать деформации: деформации конструкции значительно уменьшаются или полностью устраняются, что в два раза сокращает затраты на правку и время сварки.
• Ускорить сам процесс сварки.
• Открыть новые возможности конструирования, включая сэндвич-панели.

Лазерные технологии в ремонте: восстановление газотурбинного оборудования

Особую актуальность в свете последних лет приобрёл также ремонт газотурбинного оборудования (ГТО), широко используемого на компрессорных станциях в нефтегазовой отрасли. Значительная часть парка ГТО на сегодняшний день по-прежнему представлена зарубежными моделями, сервисное обслуживание которых стало затруднительным из-за геополитической ситуации.

Особую сложность, по словам Григория Задыкяна, ведущего инженера ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет», представляет ремонт лопаточной группы горячих частей ГТО. Эти компоненты работают в экстремальных условиях (при высоких температурах и нагрузках) и изготовлены из трудносвариваемых или несвариваемых жаропрочных никелевых и кобальтовых сплавов.

Традиционные методы ремонта ручной дуговой сваркой (МИГ/МАГ, наплавка в среде инертного газа) экономически выгодны благодаря относительно невысокой стоимости оборудования и присадочных материалов. Однако у них есть ряд ограничений:

• неточность и низкая повторяемость: ручные методы затрудняют высокоточную наплавку. Роботизация повышает повторяемость, но не решает всех проблем;
• высокая тепловая нагрузка: значительный нагрев приводит к нежелательным структурным изменениям в материале, что критично для тонкостенных деталей (0,5–2,5 мм) и жаропрочных сплавов (четвёртой и пятой групп), для которых дуговые методы наплавки неприменимы.

Лучевые технологии, в частности лазерная порошковая наплавка, позволяют решить эти проблемы. Так, к числу основных преимуществ лазерной наплавки можно отнести: 

• Локальность обработки: возможность воздействовать только на необходимый участок, сводя к минимуму нагрев остальной части детали.
• Работу с тонкостенными материалами: метод подходит для ремонта охлаждаемых лопаток первых ступеней ГТД.

Перспективы и дальнейшее развитие

Представленный в рамках панельной дискуссии разнообразный опыт наглядно демонстрирует, что российские высокотехнологичные предприятия и научные институты активно развивают и внедряют аддитивные и лазерные технологии, предлагая решения, критически важные для обеспечения технологического суверенитета и конкурентоспособности. 

От цифровой трансформации и многократного повышения производительности до точного ремонта сложнейшего оборудования и создания трубопроводов нового поколения — эти технологии открывают путь в будущее отечественной промышленности. Синергия науки, производства и государственной поддержки является залогом дальнейшего успешного развития российских высоких технологий в самых требовательных отраслях, включая нефтегазовый сектор.