Машиностроение России: техника Сибири, Севера и Арктики

 
Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления 
 
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
Институт вычислительных технологий СО РАН 
 
 
В.Е. Фортов, Н.А. Махутов, 
В.В. Москвичев, В.М. Фомин 
 
 
МАШИНОСТРОЕНИЕ РОССИИ: 
ТЕХНИКА СИБИРИ, СЕВЕРА И АРКТИКИ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2018 

УДК 621(47+57) 
ББК 
34.4 
М 382 
 
Фортов Владимир Евгеньевич – академик, академик-секретарь Отделения 
энергетики, машиностроения, механики и процессов управления, директор Объединенного института высоких температур Российской академии наук; 
Махутов Николай Андреевич – член-корреспондент Российской академии 
наук, председатель рабочей группы при президенте РАН по анализу риска и 
проблем безопасности; 
Москвичев Владимир Викторович – доктор технических наук, профессор,  
заслуженный деятель науки РФ, директор Специального конструкторскотехнологического бюро «Наука» ИВТ СО РАН, заведующий кафедрой «Диагностика и безопасность технических систем» Сибирского федерального университета; 
Фомин Василий Михайлович – академик, заместитель председателя Сибирского отделения РАН, научный руководитель Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
А.М. Лепихин, доктор технических наук, главный научный сотрудник Института вычислительных технологий СО РАН; 
П.Н. Сильченко, доктор технических наук, профессор кафедры «Прикладная 
механика» Политехнического института СФУ 
 
М 382  
Машиностроение России: техника Сибири, Севера и Арктики : 
монография / В.Е. Фортов, Н.А. Махутов, В.В. Москвичев, В.М. Фомин. – 
Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2018. – 178 с. 
ISBN 978-5-7638-3966-1 
 
Рассмотрены состояние, цели, задачи, перспективы развития техники и технологий 
важнейших для России регионов Сибири и Арктики. Изложены основные особенности 
ресурсного потенциала этих регионов и научно-методологические основы создания и эксплуатации техники северного исполнения, включая вопросы природно-техногенной безопасности, анализа отказов и разрушений, расчетно-экспериментальной оценки показателей прочности, ресурса и надежности. Дан обзор результатов решений прикладных 
задач низкотемпературной прочности, ресурса машин и конструкций различного 
назначения. Обозначены основные направления развития исследовательской и нормативной базы проектирования, производства и эксплуатации техники северного исполнения, отвечающие стратегии национальной безопасности.  
Входит в блок публикаций ОЭММПУ РАН по прогнозированию развития технических наук в России. Печатается по решению Ученого совета Политехнического института СФУ и Красноярского филиала Института вычислительных технологий СО РАН – 
Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука». 
Предназначена для специалистов, инженерно-технических работников машиностроительного комплекса, научных сотрудников, аспирантов и студентов, обучающихся по специальностям машиностроительного профиля. 
 
Электронный вариант издания см.:  
УДК 621(47+57) 
http://catalog.sfu-kras.ru  
ББК 34.4 
 
ISBN 978-5-7638-3966-1                       © Сибирский федеральный университет, 2018 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................. 5 

Глава 1. СТРАТЕГИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМ РАЗВИТИЯ 
СИБИРИ, СЕВЕРА И АРКТИКИ ...................................................................... 9 
1.1. Ресурсный и промышленный потенциал Сибири и Арктики .............. 9 
1.2. Государственная политика развития Сибири,  
Севера и арктической зоны ........................................................................... 12 
1.3. Научное обеспечение программ развития Сибири,  
Севера и Арктики ........................................................................................... 13 
1.4. Машиностроение и машиноведение в решении проблем развития 
Сибири, Севера и Арктики ............................................................................ 15 
 
Глава 2. ПРОБЛЕМЫ ПРОМЫШЛЕННОГО РАЗВИТИЯ 
И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИКИ ДЛЯ СИБИРСКИХ  
И АРКТИЧЕСКИХ РЕГИОНОВ ..................................................................... 21 
2.1. Развитие промышленного потенциала Сибири и Арктики ................ 21 
2.2. Структура технологий и техники сибирских  
и арктических регионов ................................................................................. 24 
2.3. Особенности функционирования объектов машиностроения  
в сибирских и арктических регионах ........................................................... 27 
 
Глава 3. НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БАЗА   
ДЛЯ РАЗВИТИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ СИБИРИ И СЕВЕРА ................ 30 
3.1. Программно-целевая постановка задач ................................................ 30 
3.2. Приоритеты научно-технологического развития промышленного 
комплекса ........................................................................................................ 32 
3.3. Критерии социально-экономического и научно-технологического 
развития ........................................................................................................... 35 
 
Глава 4. ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫЕ РИСКИ КОМПЛЕКСНОГО 
ОСВОЕНИЯ РЕСУРСОВ СИБИРИ И АРКТИКИ ......................................... 41 
4.1. Постановка проблемы ............................................................................. 41 
4.2. Социально-природно-техногенная безопасность  
территорий Сибири и Арктики ..................................................................... 44 
4.3. Анализ территориальных рисков регионов Сибири ........................... 50 

3 

Глава 5. ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС ОТКАЗОВ  
И РАЗРУШЕНИЙ ОБЪЕКТОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ  
И ТЕХНИКИ СИБИРИ И СЕВЕРА ................................................................. 70 
 
Глава 6. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 
ХЛАДОСТОЙКОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ  
И КОНСТРУКЦИЙ ........................................................................................... 88 
6.1. Ретроспектива исследований проблем хладостойкости ..................... 88 
6.2. Низкотемпературные исследования характеристик механических 
свойств конструкционных сталей и сплавов ............................................... 93 
6.3. Низкотемпературные исследования характеристик 
трещиностойкости ........................................................................................ 102 
 
Глава 7. МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ 
КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ, РЕСУРСА  
И БЕЗОПАСНОСТИ ....................................................................................... 110 
7.1. Расчетные характеристики конструкционной прочности,   
ресурса и живучести .................................................................................... 110 
7.2. Предельные состояния и системы коэффициентов запаса ............... 122 
7.3. Нормативно-техническая база исследований, проектирования, 
изготовления и эксплуатации техники северного исполнения ............... 134 
7.4. Проблемы конструкционного материаловедения техники  
северного исполнения .................................................................................. 136 
7.5. Результаты исследований и разработок техники  
северного исполнения .................................................................................. 137 
 
Глава 8. НАУЧНЫЕ, ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ  
И ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ СОЗДАНИЯ ТЕХНИКИ  
ДЛЯ РЕГИОНОВ СИБИРИ И АРКТИКИ .................................................... 150 
8.1. Направления перспективных исследований ...................................... 150 
8.2. Перспективы развития промышленного и машиностроительного 
комплексов Сибири и Арктики ................................................................... 155 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 162 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................... 167 
 
 

4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
 
Российская академия наук, Отделение энергетики, машиностроения, 
механики и процессов управления, Рабочая группа при президенте РАН по 
анализу риска и проблем безопасности в 2010 г. начали серию публикаций 
[1–3] «Машиностроение России», посвященных анализу его состояния 
(2010 г.), этапам и приоритетам развития (2016 г.), перспективам и рискам 
развития (2017 г.). В этих публикациях приведено обобщение данных  
о становлении, направлениях и перспективах развития отечественного  
машиностроения, являющегося материально-технической базой промышленного производства в гражданской и оборонной жизнедеятельности государства. В свою очередь, промышленное производство было и остается основой реальной экономики не только в нашей стране, но и в мире. 
В развитых странах объем промышленного производства составляет 
не менее 50 % от объема внутреннего валового продукта. Если Российская 
империя в начале XX в. имела сравнительно высокие темпы роста в промышленности, то и в наиболее успешном 1913 г. она оставалась аграрной 
державой с численностью деревенского населения 75 %. В годы Первой 
мировой войны (с 1914 г.) начался общий спад промышленной и сельскохозяйственной деятельности. После Октябрьской социалистической революции 1917 г. и Гражданской войны 1918–1922 гг. состояние промышленного и сельскохозяйственного производства сократилось до 32 и 57 %  
соответственно. 
Огромные государственные усилия мобилизационного характера  
в течение ряда предвоенных пятилеток позволили нашей стране с темпами 
роста промышленного производства до 12–18 % в год к 1940 г. существенно превзойти уровень 1913 г. по ключевым показателям производства машин и оборудования в энергетике, металлургии, транспорте и промышленном строительстве, оборонной технике. 
Великая Отечественная война 1941–1945 гг. сопровождалась двумя 
противоположными процессами: разрушением промышленного потенциала на 40–45 % на европейской оккупированной части страны и резким, 
беспрецедентным развитием по интенсивности и перемещением средств 
промышленного производства на Урал и в Сибирь с созданием уникальных новых промышленных площадок. К концу войны объем производства 
военной техники и вооружений в нашей стране был самым высоким в мире 
(по самолетам, танкам, артиллерийским снарядам). 
Восстановление разрушенного войной промышленного и машиностроительного комплекса было завершено уже в середине 50-х гг. XX в.; 

5 

оно вновь сопровождалось предельно высокими темпами роста  
(до 15–20 % в год). 
В 1960–1980-е гг. СССР стал второй супердержавой мира по экономической и военной мощи. Мирная атомная энергетика, реактивная гражданская авиация, космическая техника с первыми спутниками и человеком 
в космосе, атомные ледоколы и подводные лодки, с одной стороны, и производство чугуна, стали, станков, сельскохозяйственных машин, хлопчатобумажных тканей и обуви – с другой, существенные преимущества в плановой социалистической экономике, образовании, науке, медицинском обслуживании. Результатом напряженной деятельности государства стало 
образование биполярного мира и сохранение паритета двух мировых экономических систем – социалистической и капиталистической. 
Вместе с тем ряд негативных процессов развития нашей страны  
в 80-е гг. XX в. с началом перестройки с её научно-необоснованными установками и целями стало одной из причин замедления темпов (до 2–4 %) развития экономики, промышленности, машиностроения в гражданской  
и оборонной областях. Навязанная стране гонка вооружений, звездных 
войн, идеи демократизации и свободного рынка в 1989–1991 гг. завершились распадом СССР, Варшавского договора и Совета экономической 
взаимопомощи. Последовавшие в обвальные 1990-е гг. приватизация, 
разрыв экономических связей на межгосударственном и внутрироссийском уровне, снижение объёмов научно-технических разработок привели 
к началу XX в. к катастрофическому падению (до 20–25 %) уровня промышленного производства, практическому прекращению деятельности  
ряда машиностроительных производств (нефтегазохимических, автомобильных, строительно-дорожных, оборонных). Страна вступила в сферу 
деиндустриализации с общим глубоким падением промышленного производства (с 60–65 до 23–25 % ВВП) и превращением её экономики в сырьевую (с упавшей добычей и экспортом нефти, газа, металлов, леса  
и удобрений). 
Итоговые показатели развития страны и её промышленности приведены в табл. П.1 [3]. 
Осознание исторического опыта предшествующего периода (1900–
2000 гг.) и неприемлемости путей развития страны (с 1990 г.) стало всё более очевидным во втором десятилетии XXI в., особенно на фоне усилившихся террористических проявлений, локальных и региональных войн, 
санкций, коррупции. Сохранение предварительно необоснованного курса 
на либеральную, неплановую «бананово-олигархическую» экономику без 
учета исключительных потенциальных возможностей России в человеческом, научном, ресурсном, территориальном и оборонном потенциале  
может обернуться в ближайшей перспективе высокими стратегическими 

6 

рисками. В связи с этим, выдвинутые в 2015–2018 гг. два стратегических 
приоритета – устойчивое социально экономическое развитие и обеспечение национальной безопасности с введением стратегического планирования, государственных основ промышленного развития, стратегии научнотехнологического развития, оборонной доктрины дают основание к возрождению экономической и военной мощи, промышленного и машиностроительного производств. Прогнозные и плановые количественные показатели 
такого развития промышленности и машиностроения приведены в упомянутых трех публикациях «Машиностроение России» (2010–2017 гг.). 
 
 
Таблица П.1 

 
Характеристики развития промышленного производства 
 

№ 
Государственность,  
годы 

Объем  
промышленности 
от ВВП, % 

Темпы роста производства, %

темпы  
роста 

импорт 

промышленной 

продукции

экспорт 

промышленной 

продукции

1 Российская империя, 

1900–1914
5,3 
6,7 
70,0 
3,0 

2
СССР (РСФСР), 1917–1929
1,1
–1,1
2,5
0,05

3
СССР, 1929–1940
54,3
+13–18
4,5
2,3

4
СССР, 1941–1945
68,5
−4,5
12,3
3,1

5
СССР, 1946–1965
65,4
+23,5
7,2
7,6

6
СССР, 1965–1991
66,2
+8,8
8,4
8,9

7 Российская Федерация,

1991–2014
42,1 
−5,3 
40,3 
8,6 

 
 
Особую актуальность затронутые проблемы развития России приобретали в наиболее критические периоды: мировые войны (1914–1918  
и 1941–1945 гг.), революции (1905, 1917) и контрреволюции (1991), мировые и национальные кризисы (1973, 1997–1998, 2008–2009), экономические санкции (2014–2018 гг.). В эти периоды исключительно важным становилось обеспечение национальной безопасности, технологической  
и промышленной независимости страны. Преодоление возникающих опасностей и стратегических рисков России в эти периоды связывалось с Сибирью и Севером (по М.В. Ломоносову). В наши дни к такому подходу  
добавляется новый – арктический фактор. Северный морской путь, шельфовые разработки полезных ископаемых, арктическая группировка вооруженных сил и оборонных производств делают проблему возрождения  
и ускоренного развития промышленного и машиностроительного комплекса одной из наиболее важных. 

7 

На государственном уровне проблема техники северного исполнения 
(конструкционные материалы, технологии, инфраструктурные транспортные и энергетические проекты, строительная индустрия) была поставлена 
в 1970-е гг. XX в. в СССР. На рубеже XX–XXI вв. она трансформировалась 
в специальную программу СССР и РФ «Техника российского Севера».  
В 2005–2015 гг. Президентом, Советом безопасности и Правительством 
Российской Федерации принят ряд важнейших решений по развитию Арктической зоны России, в которых большое внимание уделено машиностроительному комплексу. 
В настоящем издании основное внимание уделено ресурсам, климатическим, технологическим аспектам создания и функционирования техники и объектов машиностроения и машиностроительного комплекса в условиях Сибири и Арктики. В ней отражены результаты фундаментальных 
научных исследований и прикладные разработки по комплексным проблемам Сибири, Севера, Арктики, выполненные в Российской академии наук 
(в первую очередь в Отделении энергетики, машиностроения, механики  
и процессов управления и Сибирском отделении РАН).  
С особой признательностью авторы отмечают значительные научные 
достижения и организационно-технический вклад в решение проблем при 
создании техники Российского Севера академиков Б.Е. Патона, С.В. Вансовского, Н.В. Черского, В.П. Ларионова, членов-корреспондентов РАН 
Ю.С. Уржумцева, М.Д. Новопашина, В.В. Филиппова, М.П. Лебедева, докторов и кандидатов наук О.И. Слепцова, П.Д. Одесского, Ю.П. Солнцева, 
А.В. Лыглаева, А.М. Большакова, А.П. Черняева, В.Р. Кузьмина. В значительной мере благодаря их усилиям проблематика техники северного исполнения сохранила свою научную значимость и имела соответствующую поддержку со стороны промышленных предприятий в период 1990–2000-х гг.  
В последующие годы были сохранены не только преемственность, научные традиции и исследовательский потенциал в академических организациях, но и производственный опыт в промышленности, включая тяжелое, 
энергетическое, космическое, дорожно-строительное, горнодобывающее 
машиностроение, призванные решать новые задачи промышленного, научно-технического и социально-экономического развития Арктики, Севера  
и Сибири России до 2025–2030 гг. 

8 

Глава 1 
СТРАТЕГИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМ 
РАЗВИТИЯ СИБИРИ, СЕВЕРА И АРКТИКИ 
 
 
 
1.1. РЕСУРСНЫЙ И ПРОМЫШЛЕННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ  
СИБИРИ И АРКТИКИ 
 
 
Интенсивное вовлечение в хозяйственный оборот богатейших 
топливно-энергетических и минерально-сырьевых ресурсов Сибири, 
Крайнего Севера, Дальнего Востока и Арктики, а также формирование  
на их основе крупнейших территориально-производственных комплексов 
и промышленных центров обусловливает привлечение значительных финансовых, материальных и трудовых ресурсов. Это требует проведения 
единой социально-экономической и технической стратегии, рассчитанной 
на длительную перспективу. 

Проблема интенсивного освоения богатств Сибири и Севера стала 

принципиально актуальной для России в связи с исчерпанием основных 
разведанных запасов природных ресурсов в ее Европейской части. Уже 
сейчас потребности России в минеральных ресурсах обеспечиваются в основном за счет добывающих отраслей этих регионов: в алмазах – 100 %, 
нефти, газе и угле – до 90 %, меди и стратегическом сырье – более 80 %,  
в золоте – более 70 %. 

Общая стоимость разведанных запасов энергетического и минерального сырья недр российской Арктики составляет около трех триллионов 
долларов, а на долю углеводородов приходится около двух третей [1–3].  
В материковой части Арктики располагаются уникальные запасы медноникелевых руд, олова, платиноидов, агрохимических руд, редких металлов 
и редкоземельных элементов, крупные – золота, алмазов, вольфрама, ртути, 
черных металлов, оптического сырья и поделочных камней. Основные минерально-сырьевые ресурсы находятся в северных частях Кольской, ТаймыроНорильской, Маймеча-Котуйской и Уджинской, Таймыро-Североземельской, 
Анабарской и Якутской, Верхоянской и Яно-Чукотской провинциях. 
В Арктической зоне РФ находится система крупных угольных бассейнов – Печорский, Сосьвинско-Салехардский, Таймырский, Тунгусский, 
Ленский, Беринговский. Основные балансовые запасы угля сосредоточены 
в Таймырском бассейне.  

9 

Континентальный шельф Российской Федерации является самым 
большим в мире по площади: его территория составляет 5,2–6,2 млн км2, 
из них 4 млн км2 являются перспективными на нефть и газ, в том числе  
2 млн км2 – в Западной Арктике на шельфе Баренцева и Карского морей, где 
потенциальные ресурсы углеводородного сырья примерно 50–60 млрд м3,  
и 1 млн км2 – на шельфе моря Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского морей в Восточной Арктике. Огромные прогнозные запасы нефти  
и газа содержат Тимано-Печорская, Енисейско-Лаптевская, БаренцевоКарская, Индигиро-Чукотская нефтегазоносные провинции, а также  
Южно-Ямальская, Лено-Анабарская и Анадырская нефтегазоносные области [2–4]. 
В арктических морях (Баренцевом, Печорском и Карском, включая 
заливы и губы) открыты 25 месторождений нефти и газа (наиболее значимые и уникальные месторождения – Штокмановское, Ленинградское,  
Русановское газоконденсатные, Юрхаровское нефтегазоконденсатное,  
Каменномысское – газовое, крупные Долгинское и Приразломное – нефтяные). Одно только Штокмановское месторождение, крупнейшее в мире, 
содержит около 4 000 млрд м3 газа. Свыше 180 месторождений насчитывается в Тимано-Печорском регионе [2; 4]. 
В российском секторе Арктики находится самый мощный промышленный потенциал, а масштабы хозяйственной деятельности значительно 
превосходят показатели других приарктических стран. В Арктической зоне 
РФ создается 12–15 % ВВП страны, обеспечивается около четверти экспорта России. Однако экономика Арктической зоны РФ имеет очаговый 
тип промышленно-хозяйственного освоения территорий, высокую ресурсоемкость и значительную зависимость хозяйственной деятельности  
и жизнеобеспечения населения от «северного завоза» (от поставок продовольствия, товаров народного потребления, продукции производственнотехнического назначения, топлива), а сложившаяся структура экономики 
большинства арктических регионов слабо диверсифицирована и носит  
моноотраслевой характер с превалированием горнодобывающей промышленности. Развитие Арктики России сдерживается неразвитостью производственной (в первую очередь транспортной) и социальной инфраструктур. 
Кроме того, отсутствие в Арктической зоне РФ единой энергетической  
системы, затратность и неэффективность структуры энергоисточников, обусловливают гипертрофированные тарифы и тормозят освоение ресурсов 
углеводородов на арктическом континентальном шельфе. В целом неразвитость инфраструктуры препятствует диверсификации экономики российской Арктики. 
В последнее время в мире наблюдается усиление внимания к северным и арктическим территориям. Заметно интенсифицировалась научно
10