Ресурс материалов низкотемпературных конструкций

Ю. П. Солнцев, Б. С. Ермаков 

РЕСУРС МАТЕРИАЛОВ 
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ 
КОНСТРУКЦИЙ 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 
ХИМИЗДАТ 

2024 

УДК 620.22 
Издано при финансовой поддержке 
Федерального агентства по печати  
и массовым коммуникациям в рамках 
Федеральной целевой программы  

«Культура России»

С 601 

Р е ц е н з е н т ы: 

Главный специалист Ракетно-космической корпорации «Энергия» 
им. С. П. Королева  А. В. Голландцев 

Заведующий кафедрой Военно-космической академии им. А. Ф. Можайского доктор технических наук, профессор  М. М. Пеньков 
Доктор технических наук, профессор кафедры «Исследование 
структуры и свойств материалов» Санкт-Петербургского государственного технического университета  Ю. В. Шахназаров 

Солнцев Ю. П., Ермаков Б. С. 

 С 601 
 Ресурс материалов низкотемпературных конструкций, 

изд. 3, стереот. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2024. – 512 с., ил. 
ISBN 978-5-93808-473-5 

Последние десятилетия характеризуются резким ростом стоимости 
основных средств производства, удорожанием монтажных и ремонтных 
работ. Это потребовало изменить подход к разработке новых типов оборудования, уделив особое внимание повышению надежности, работоспособности и долговечности выпускаемых агрегатов, их узлов и деталей, разработке новых материалов, совершенствованию методов и способов контроля 
как вновь выпускаемых систем, так и оборудования, уже отработавшего 
длительный срок. Принципиально меняется подход к понятию ресурса 
оборудования – на смену ранее используемому «среднепарковому» ресурсу, устанавливаемому для группы оборудования в целом на основании 
прочностных расчетов завода-изготовителя, приходит новый инжиниринговый метод индивидуального ресурса, который определяется с учетом 
особенностей эксплуатации и фактического состояния металла каждого 
конкретного узла, агрегата, установки.  
Монография посвящена анализу последних разработок в вопросах 
ресурса материалов низкотемпературных конструкций, работающих как в 
условиях климатического холода, так и при температурах близких к абсолютному нулю. 
Книга может быть полезна не только ученым и специалистам, занимающимся вопросами материаловедения, надежности и долговечности 
низкотемпературной техники, но и студентам технических вузов, а также 
молодым специалистам, только начинающим свой производственный путь. 

С
2703000000–008  Без объявл. 
050(01)–24 

 ISBN 978-5-93808-473-5

 Солнцев Ю. П., Ермаков Б. С., 2006 
 ХИМИЗДАТ, 2006, 2024

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
Введение
8

Г л а в а  1 

ХЛАДНОЛОМКОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ  

1.1. Работоспособность конструкций и изделий при низких температурах
11

1.2. Примеры использования криогенной техники
16

1.3. Механизм хрупкого и вязкого разрушения
21

1.4. Влияние низких температур на механические свойства сталей
27

1.4.1. Влияние охлаждения на прочность и пластичность сталей
27

1.4.2. Хладостойкость сталей
31

1.4.3. Связь вида концентратора с характеристиками хладостойкости
34

1.4.4. Хладостойкость сталей при наличии трещин
36

1.5. Факторы, определяющие характер разрушения
38

1.6. Вязко-хрупкий переход в сталях
42

1.7. Влияние скорости нагружения на разрушение сталей
46

1.7.1. Влияние скорости нагружения на прочность и пластичность 

сталей

46

1.7.2. Влияние скорости нагружения на вязкость и хладостойкость 

сталей

49

Г л а в а  2 

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ  

2.1. Характеристика существующих методов оценки хладноломкости 

и трещиностойкости

54

2.2. Особенности испытаний механических свойств при низких 

температурах

56

2.3. Влияние конструктивных факторов на сопротивление разрушению 

сталей

64

2.3.1. Влияние геометрии концентратора
64

2.3.2. Масштабный фактор
68

2.4. Напряженно-деформированное состояние в вершине 

концентратора 

71

2.4.1. Оценка концентрации напряжений и деформаций
71

2.4.2. Концентрация напряжений и деформаций у вершины 

трещины

75

2.5. Оценка трещиностойкости при кратковременном нагружении
78

2.5.1. Трещиностойкость в рамках упругого анализа
78

2.5.2. Методы определения трещиностойкости
81

2.6. Влияние температуры и скорости нагружения 

на трещиностойкость сталей

85

2.6.1. Влияние температуры
85

2.6.2. Влияние скорости нагружения
87

2.7. Циклическая трещиностойкость
89

Г л а в а  3 

ХЛАДОСТОЙКИЕ СТАЛИ КЛИМАТИЧЕСКОГО ХОЛОДА  

3.1. Хладостойкость сталей климатического холода
96

3.2. Механизм упрочнения ферритно-перлитных сталей
108

3.3. Микролегирование стали карбонитридообразующими 

элементами

112

3.4. Термодинамический анализ фазового равновесия в системе 

твердый раствор – легирующие элементы

121

3.5. Количественный анализ технических требований к материалам 

(примеры)

128

Г л а в а  4 

МАТЕРИАЛЫ КРИОГЕННОЙ ТЕХНИКИ  

4.1. Никелевые низкоуглеродистые стали
135

4.2. Аустенитные стали
136

4.2.1. Хромоникелевые аустенитные стали
137

4.2.2. Хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали
141

4.2.3. Аустенитные хромоникельмарганцевые стали с азотом
143

4.3. Метастабильные аустенитные стали
146

4.4. Высокопрочные мартенситно-стареющие стали
148

4.5. Литейные стали
151

4.6. Железоникелевые сплавы
152

4.7. Сплавы цветных металлов для криогенной техники
154

4.7.1. Алюминий и его сплавы
154

4.7.2. Титан и его сплавы
156

4.7.3. Медь и ее сплавы
158

4.8. Основы выбора конструкционных материалов для работы 

при криогенных температурах 

160

4.9. Хладостойкие неметаллические материалы
166

4.9.1. Общие сведения
166

4.9.2. Пластмассы
168

4.9.3. Клеящие материалы
173

4.9.4. Резины
178

Г л а в а  5

ВЛИЯНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ  

НА ХЛАДОСТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ  

5.1. Особенности структуры литых сталей
179

5.2. Роль неметаллических включений
181

5.3. Раскисление стали
190

5.4. Обработка стали порошками щелочноземельных металлов
199

5.5. Анализ раскислительной и десульфурирующей способностей ЩЗМ
202

5.6. Раскислительная и десульфурирующая способности РЗМ
207

5.7. Повышение хладостойкости стали модифицированием
209

5.7.1. Модифицирование Щ3М
212

5.7.2. Модифицирование Р3М
217

5.7.3. Совместное модифицирование ЩЗМ и РЗМ
219

5.8. Влияние серы и фосфора на свойства хладостойких сталей
223

5.8.1. Влияние фосфора
224

5.8.2. Влияние серы
226

5.8.3. Совместное действие фосфора и серы
230

5.9. Примеси цветных металлов в стали
231

5.9.1. Источники поступления примесей в сталь
231

5.9.2. Растворимость примесей цветных металлов в железе
232

5.9.3. Влияние примесей на свойства стали
233

5.10. Измельчение зерна термической обработкой
235

5.11. Технология выплавки и раскисления хладостойкой стали 

(ГОСТ 21357–87) 

243

Г л а в а  6 

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ  

В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ  

ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ  

6.1. Особенности развития системы промышленной безопасности 

в ХХI веке 

247

6.1.1. Нормативно-техническая база и задачи 

по совершенствованию систем промышленной безопасности 

247

6.1.2. Проблемы разрушения крупногабаритных конструкций
254

6.2. Сегрегации примесных атомов как фактор, определяющий 

работоспособность материалов низкотемпературной техники 

261

6.2.1. Статистические аспекты развития зернограничных сегрегаций 264
6.2.2. Термодинамические аспекты развития зернограничных 

сегрегаций 

269

6.3. Сегрегационные процессы в модельных железоуглеродистых 

сплавах высокой чистоты

274

6.3.1. Определение температурных интервалов зарождения 

зернограничных сегрегаций в границах зерен Fe–C сплавов

279

6.3.2. Перераспределение атомов примесных элементов при 

технологических нагревах низкотемпературного оборудования 

283

6.3.3. Распределение элементов в границах ферритных зерен 

Fe–C сплавов

299

6.3.4. Влияние зернограничных сегрегаций на свойства 

и коррозионную стойкость Fe–C сплавов 

301

6.4. Роль сегрегаций в формировании комплекса свойств 

в углеродистых сталях промышленного производства 

314

6.5. Анализ металла энерготехнологического и низкотемпературного 

оборудования после длительной (более 100 тыс. ч) эксплуатации

322

6.6. Пути повышения работоспособности оборудования 

низкотемпературной техники, изготовленного из углеродистых сталей

336

6.6.1. Влияние размеров аустенитных зерен на зернограничные 

сегрегации примесных атомов в углеродистых сталях 

337

6.6.2. Влияние размеров зерен на предел текучести 

и хладостойкость углеродистых сталей

341

6.6.3. Работоспособность сварных соединений оборудования 

из углеродистых сталей в условиях низких температур 

347

6.6.4. Повышение работоспособности углеродистых сталей 

для низкотемпературной техники путем оптимизации  
режима их термической обработки 

352

6.6.5. Влияние неметаллических включений на свойства 

углеродистых сталей 

357

Г л а в а  7 

ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ  

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ  

ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ  

7.1. Причины возникновения трещин задержанного разрушения 

в легированных сталях 

364

7.2. Влияние термической обработки на развитие дефектов в металле 

сварных соединений легированных сталей

369

7.3. Зернограничные сегрегации примесных атомов как причина 

задержанного разрушения легированных сталей

376

7.3.1. Роль зернограничных сегрегаций в развитии закалочных 

трещин 

376

7.3.2. Влияние зернограничных сегрегаций на развитие холодных 

сварочных трещин 

383

7.3.3. Влияние отпуска на развитие зернограничных сегрегаций 

в основном металле и сварных соединениях легированных
сталей 

386

7.4. Выбор режима сварки закаливающихся сталей
395

Г л а в а  8 

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СТАЛЕЙ  

В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ  

ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ  

8.1. Свойства материалов низкотемпературной техники после 

длительной эксплуатации 

400

8.2. Механические свойства хромоникелевых сталей при низких 

температурах 

404

8.2.1. Свойства сталей с 12 % никеля
405

8.2.2. Влияние никеля на механические свойства хромоникелевых 

сталей при криогенных температурах

407

8.3. Структурные превращения и изменение свойств стали 12Х18Н12Т 

в ходе длительной низкотемпературной эксплуатации 

410

8.4. Моделирование влияния технологических и эксплуатационных 

факторов на свойства стали 12Х18Н12Т

431

Г л а в а  9 

КОРРОЗИОННЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ  

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ  

9.1. Влияние никеля на склонность к МКК стали 12Х18Н12Т 

в ходе длительной эксплуатации

438

9.2. Роль кремния в формировании коррозионной стойкости стали 

12X18H12T 

449

9.3. Влияние комплексного легирования молибденом, азотом 

и кремнием на стойкость против МКК хромоникелевых сталей

456

9.4. Влияние пластической деформации на стойкость против МКК 

стали 12X18H12T 

461

9.5. Взаимосвязь пластической деформации, склонности к МКК 

и магнитных свойств хромоникелевых сталей

464

9.6. Коррозионное растрескивание металла низкотемпературной 

техники 

472

9.6.1. Оценка влияния величины растягивающих напряжений 

на электрохимические процессы, протекающие в стали  
12Х18Н12Т

472

9.6.2. Влияние способа задания пластической деформации 

на скорость анодного процесса в стали 12Х18Н12Т

475

9.6.3. Влияние скорости нагружения на стойкость к КР образцов 

стали 12Х18Н12Т

481

9.6.4. Анализ магнитной проницаемости образцов стали 

12Х18Н12Т, поврежденных КР

486

9.7. Метод неразрушающего контроля оборудования 

низкотемпературных систем

489

Библиографический список
494

 



 
Одной из наиболее актуальных проблем металловедения начала 

ХХI века является проблема исчерпания расчетного срока службы 
основных производственных фондов отечественных предприятий различного профиля. К их числу относятся и предприятия, использующие при переработке сырья, изготовлении и хранении готовой продукции технологии, основанные на применении низких и сверхнизких 
температур. Эта температурная область включает 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, такие как ракетно-космическая техника, физика высоких 
энергий; это отрасли, связанные с переработкой, очисткой и сжижением различных газов, это пищевая и медицинская промышленность. 
Существенным стимулом для развития низкотемпературной техники 
явилось осуществление в последние годы космических и ядерных 
программ в России и США.  

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. В данное время срок службы значительной части этого оборудования, определенный Правилами устройства и безопасной эксплуатации государственного горного и технического надзора в сто тысяч часов, или 
исчерпан полностью, или приблизился к нему. Остро встал вопрос о 
необходимости либо ускоренной замены низкотемпературных систем, 
что потребует капиталовложений, выражающихся суммами в сотни 
миллиардов рублей, либо научного обоснования возможности продления срока их службы за пределы разрешенных Правилами средненормативных значений.  

Однако не только физически и морально устаревшие установки 

и агрегаты являются проблемой, которую необходимо решать при 
эксплуатации оборудования в холодной климатической зоне. Не менее опасно явление хладноломкости, т. е. хрупкого разрушения, 
связанного с воздействием низких температур. Впервые явление 

хладноломкости стало предметом широкого обсуждения в связи с 
бурным строительством железных дорог в конце ХIХ века. После 
замены пудлингового способа производства на бессемеровский и 
мартеновский было отмечено, что рельсы, изготовленные из литого 
металла, внезапно разрушались при понижении температуры. Уже 
тогда была признана актуальной проблема хладноломкости металлов, необходимость изучения ее природы и выработки мероприятий 
по ее устранению. 

Особую актуальность проблема хладноломкости приобрела в 

связи с освоением северных территорий. Эффективность работы 
оборудования и транспорта в зимнее время в этих районах резко 
падает. Анализ работы автохозяйств зоны с суровым климатом показал, что срок службы автомобилей в этой зоне по сравнению с 
европейской зоной умеренного климата сокращается в два раза, а 
аварии и поломки, связанные с климатическими условиями, выводят 
из строя до 25 % парка машин. Поток отказов деталей тракторов и 
бульдозеров увеличивается в зимнее время в 2–6 раз, деталей экскаваторов – в 5–7 раз. На промыслах Сибири частота отказов буровых установок зимой возрастает по сравнению с летним периодом 
более чем в два раза.  

В связи с проблемами развития науки в последние десятилетия к 

настоящему времени возник разрыв в промышленном освоении технологий и оборудования, эксплуатируемого при низких и сверхнизких температурах, и научном прогнозировании условий безопасной 
эксплуатации этих систем. Наблюдается явный дефицит экспериментальных данных и математико-прогностических расчетов, на основании которых было бы возможно решить задачу продления срока 
службы существующего оборудования низкотемпературной техники 
за пределы расчетного, а также обосновать научный прогноз срока 
службы вновь устанавливаемых агрегатов. 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 повышенных, нормальных и пониженных температурах. 

К сожалению, такой подход не всегда решает проблему про
мышленной безопасности, охраны труда, снижения аварийности и 
травмоопасности производства, использующего низкотемпературные 
технологии. Эта проблема, особо остро вставшая в последнее десятилетие, потребовала разработки принципиально новых подходов к 
вопросам контроля металла оборудования, переосмысления широко 
известных классических работ по вопросам металловедения углеродистых и легированных сталей с учетом особенностей их эксплуата

ции в 90-е годы ХХ века и в настоящее время, позволяющих повысить надежность низкотемпературного оборудования. Особое внимание вопросам надежности, безопасной эксплуатации и долговечности 
низкотемпературных систем начали уделять во второй половине 
90-х годов ХХ века, что 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.  

В настоящей монографии представлены многочисленные результаты 

более чем двадцатилетних исследований авторов, посвященных проблемам повышения срока службы материалов низкотемпературной техники, пути повышения надежности и безопасности их эксплуатации. 

Приведенные в работе результаты исследований не ограничива
ются только условиями эксплуатации нефте- и газоперерабатывающей техники. 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.  

В монографии впервые приведены обширные данные о роли 

зернограничных сегрегаций примесных элементов в формировании 
комплекса свойств материалов низкотемпературного оборудования, 
обосновывается взаимосвязь сегрегационных процессов в сталях с 
надежностью и долговечностью этого оборудования, даны конкретные рекомендации и пути повышения работоспособности низкотемпературных систем. 

Подготовка настоящей книги стала возможной благодаря тесным 

связям со многими научными и производственными предприятиями. 
Это в первую очередь Международная академия холода, Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пище-вых технологий, Санкт-Петербургский политехнический университет, ЦНИИ КМ «Прометей», ЦНИИЧерМет, ЦНИИТМаш, НПО 
«Крио-генмаш», НПО «Энергия», заводы Обуховский и Ижорский и 
т. п. 

Многие специалисты этих организаций внесли тот или иной вклад 

в научные и практические разделы настоящей книги – всех их перечислить невозможно. Авторы выражают им глубокую благодарность.  

При подготовке книги использованы результаты совместных 

работ с А. К. Андреевым, А. В. Викулиным, С. А. Вологжаниной, 
Т. В. Ермаковой, А. В. Козаченко, Н. В. Крутиковым. 

Особую благодарность за консультации, советы и пожелания ав
торы выражают академикам РАН О. А. Банных, В. П. Ларионову, 
профессорам А. М. Архарову, А. В. Бараненко, Е. И. Борзенко, 
Х. Вайсу (ФРГ), Ф. Войткуну (Польша), И. П. Волчку (Украина).