Ж У Р Н А Л
НИКЕЛЬ
ЖУРНАЛ ПОСВЯЩЁН НИКЕЛЮ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЮ «НИКЕЛЬ», Т. 36, № 1, 2021 Г.
Никель: водные технологии Вторичные водопроводные системы небоскрёбов доставляют воду на верхние этажи
Преодолевая «фактор брезгливости» к вторичной воде
Новые технологии для «зелёного» водорода
ДЕЙВ БУРК, НАЦИОНАЛЬНЫЙ МУЗЕЙ АРМИИ США, КОМПАНИЯ SOM
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ № 21 НАЦИОНАЛЬНЫЙ МУЗЕЙ АРМИИ США Облицованный панелями из никельсодержащей аустенитной нержавеющей стали, отражающими окрестности, новый Национальный музей армии США открылся в ноябре 2020 г. Проект международной архитектурной компании SOM с простыми элегантными линиями и простирающейся вдаль сплошной гладью полированной нержавеющей стали формирует ощущение монументальной целостности и чеканности.
Совет по экологическому строительству США — серебряная сертификация LEED НАГРАДЫ Награды 2021 г. Американского института архитекторов, Нью-Йорк (American Institute of Architects New York (AIANY)) в области дизайна Награды 2020 г. журнала «Металлическая архитектура» в области дизайна — категория «Гладкая металлическая стеновая панель»
«НИКЕЛЬ», Т. Т. 36, 36, № № 1, 1, 2021 2021 Г. Г. 22 || «НИКЕЛЬ»,
Здание, словно символическая парадная дверь в старейшее подразделение вооружённых сил США, транслирует основные военные ценности — дисциплину, умеренность, строгость, являющиеся сутью армейской жизни. Хотя с течением времени внешний вид панелей из нержавеющей стали останется неизменным, всё же они будут непрерывно преображаться, отражая игру света и близлежащий лес форта Бельвуар в пригороде г. Вашингтона, округ Колумбия. Такой солидный внешний вид был создан с помощью композитных панелей с покрытием из нержавеющей стали марки 316L (UNS S31603) толщиной 3 мм (238 т) с тонкой совершенно однородной финишной полировкой волосным узором для создания
эффектного мягко отражающего фасада. Выбор нержавеющей стали с присущими ей высоким содержанием повторно использованного сырья и продолжительным сроком службы оказался одним из тех ключевых проектных решений, которые привели к серебряной сертификации здания музея по системе LEED (система сертификации в области проектирования объектов энергоэффективного и экологического строительства Совета по экологическому строительству США (US Green Building Council — USGBC)). Здание получило международное признание и, несмотря на то, что его строительство было завершено совсем недавно, уже собрало многочисленные награды.
КОЛОНКА РЕДАКТОРА: ВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Обеспечение к 2030 г. всеобщего и равного доступа к безопасной и дешёвой питьевой воде — это шестая цель в перечне целей устойчивого развития ООН. Однако, согласно последнему отчёту ООН по водным ресурсам UN-Water1, в силу роста урбанизации прирост городского населения, не имеющего доступа к чистой воде. Чтобы достичь выполнения цели устойчивого развития № 6, потребуется четырёхкратное наращивание усилий и инвестиций в мировом масштабе. Число городских жителей Китая сейчас СТЕПЕНЬ УРБАНИЗАЦИИ В КИТАЕ С 1980 г. ПО 2019 г. Доля городского населения
НАЦИОНАЛЬНОЕ БЮРО СТАТИСТИКИ КИТАЯ (NATIONAL BUREAU OF STATISTICS OF CHINA) © STATISTA 2021
слишком много людей всё ещё лишены этого. По оценкам, с 2000 г. произошёл 50%- ный
70%
составляет более 60% всего населения — очевидный рост с 36% в 2000 г. По прогнозам, до 2050 г. население городов Китая вырастет
60%
ещё на 225 млн человек 2.
50% 40%
Снабжение водой растущего городского
30%
населения само по себе является крайне
20%
сложной задачей, но она ещё и усугубляется
10%
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019
необходимостью обновления стареющих систем, оставшихся от предыдущих кампаний по урбанизации населения. К тому же
необходимость исключения будущих протечек, снижения объёмов возможных водопотерь и постоянного улучшения качества воды требует пристального внимания к долгосрочным характеристикам используемых материалов. Квартиры для новых горожан часто расположены в многоэтажных домах башенного типа, в которых поставка соответствующей гигиеническим нормам воды на верхние этажи происходит с помощью вторичных водопроводных систем. В этом выпуске журнала «Никель» вы прочтёте о том, как Китай взялся за решение этой двойной проблемы — борьбы с водопотерями и доставкой чистой воды в квартиры верхних этажей высотных зданий с помощью никельсодержащей нержавеющей стали. Роль никеля в обеспечении безопасной воды для устойчивого будущего Китая и других стран мира выражается и в технологиях использования воды для целей декарбонизации. Никель
Инновационные методы и технологии использования и санации воды станут важной частью в достижении цели устойчивого развития № 6, сформулированной ООН. Успех в достижении устойчивых и доступных результатов придёт с внедрением защищённых от утечек, безотказных и долговечных систем с использованием никеля, подобных тем, что сейчас внедряются в Китае.
будет играть жизненно важную роль в производстве «зелёного» водорода путём электролиза с помощью возобновляемой энергии, причём единственным побочным продуктом при
1
Отчёт UN-Water, 2020: Сводка; Уточнённый вариант 2021 – SDG 6 – Вода и санитария для всех. Версия: 1 марта 2021 г. Женева, Швейцария.
2
https://www.un.org/development/desa/en/ news/population/2018-revision-of-worldurbanization-prospects.html
получении этого топлива является … вода. Пьём ли мы её, используем ли для производства «зелёной» энергии или транспортируем по ней товары, у воды особая, тесно связанная с никелем история. Клэр Ричардсон
Редактор журнала «Никель»
«НИКЕЛЬ», Т. 36, № 1, 2021 Г. | 3
03 04 06 07 10 12 13 14 15 15 16
Пример из практики № 21 Национальный музей армии США Колонка редактора Водные технологии Никель. Занимательные факты
НИКЕЛЬ
Преодолевая «фактор брезгливости» Повторное использование сточных вод Новые водопроводные сети Китая Нержавеющая сталь на долгие годы «Зелёный» водород Технология ради «зелёного» будущего Никелевые сплавы Нихард Никель и просвещение Обмен знаниями
Теплообменники на Марсе берут огонь на себя
Технические вопросы и ответы Насколько агрессивен хлорид? Новые публикации Выдержки из Универсальной системы обозначений металлов и сплавов Возведение «Кораблестроителей» Новая скульптура в порту Глазго
NASA/JPL-CALTECH
02
ЗАНИМАТЕЛЬНЫЕ ФАКТЫ
СОДЕРЖАНИЕ
Журнал «Никель» издается Институтом никеля www.nickelinstitute.org Д-р Хадсон Бейтс (Hudson Bates), президент Клэр Ричардсон (Clare Richardson), редактор communications@nickelinstitute.org Авторы статей: Парул Чабра (Parul Chhabra), Гари Коутс (Gary Coates), Кэтрин Хуска (Catherine Houska), Ричард Матесон (Richard Matheson), Гир Мо (Geir Moe), Ким Оукс (Kim Oakes), Кен Рудисуэла (Ken Rudisuela), Кен Рудисуэла (Ken Rudisuela), Филип Сонг (Philip Song), Одетт Зизолд (Odette Ziezold) Художественное оформление: компания Constructive Communications Публикация предназначена для общей информации читателя и не должна использоваться в практических целях без предварительной консультации специалиста. Несмотря на то, что, по мнению авторов, публикуемые технические сведения верны, Институт никеля, его члены, сотрудники и консультанты не гарантируют их пригодности для общего или специального использования и не несут никакой ответственности в связи с опубликованной здесь информацией. ISSN 0829-8351 Отпечатано в Канаде на бумаге, изготовленной из вторичного сырья компанией Hayes Print Group. Обложка: iStock©chinaface Графические материалы предоставлены: стр. 3 iStock© Chunyip Wong, стр. 6 iStock©abadonian, стр. 8 iStock©chinaface, стр. 9 iStock©jxfzsy, стр. 10 iStock©Petmal, стр. 11 iStock©audioundwerbung
4 | «НИКЕЛЬ», Т. 36, № 1, 2021 Г.
Укомплектованный одиннадцатью металлическими деталями, созданными методом объёмной печати, марсоход НАСА «Персевéранс» (Perseverance) опустился на Марс. Шесть из этих деталей — произведённые из никелевого сплава пластины величиной с ладонь. Это теплообменники для защиты ключевых компонентов прибора MOXIE от влияния высоких температур планеты. MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment — эксперимент по использованию на месте извлекаемого на Марсе кислорода) предназначен для тестирования будущей технологии промышленного производства кислорода на Марсе, необходимого для ракетного топлива, которое будет использовано при возвращении астронавтов на Землю. Чтобы произвести кислород, MOXIE нагревает марсианский воздух почти до 800 °C (1,500 °F). Обычно теплообменник изготавливается из двух сваренных друг с другом деталей. Технология послойного синтеза позволила произвести каждую из них целиком с помощью метода объёмной печати, что сделало металлоизделие легче и прочнее. Затем пластины были обработаны в гидростате для горячего прессования — газовой дробилке, — в котором материал нагревается до температуры, превышающей 1,000 °C (1,832 °F), при давлении, равномерно распределённом вокруг изделия. Каков же последний этап? Инженеры проверяют детали, проводя скрупулёзные механические испытания, чтобы убедиться, что микроструктура пластин готова к космическому полёту.
Когда речь заходит о впечатляющем новшестве, касающемся клюшек для игры в гольф, вспомните о MIM-технологии. Вместо традиционных ковки и литья компания Cobra использует технологию инжекционного формования металла (Metal Injection Moulding (MIM)), чтобы получить прецизионное изделие. Изготавливаемая из порошковой смеси нержавеющей стали марки 304 (UNS S30400), нагреваемой до супервысоких температур (1340 °C в сравнении с 1200 °C для кованых клюшек) и впрыскиваемой в форму, каждая металлическая головка клюшки требует проведения меньшего количества операций, что ведёт к более надёжным результатам. В чём разница? Компания Cobra утверждает, что она создаёт клюшки с более прочной зернистой структурой, и заявляет, что на ощупь такие клюшки обладают сверхмягкой текстурой; об этом мечтают как профессионалы игры в гольф, так и обычные игроки-любители, стремясь улучшить свою игру. Сначала на рынок выпустили клюшкиведжи, теперь же доступен полный комплект клюшек — все они готовы к испытанию прямо на поле для гольфа.
Углекислый газ и солнечный свет
Соль не отдадите? Опреснение перенасыщенной солью воды, раз в десять более солёной, чем морская вода, стало важной задачей глобального уровня для стран, испытывающих нехватку питьевой воды, и для отраслей промышленности, которые хотели бы замкнуть цикл очистки своих сточных вод. В отделе материаловедения и наноинженерии Университета Райса (Department of Materials Science and NanoEngineering (MSNE), Rice University) была разработана инновационная, эффективная и рентабельная технология, в рамках которой на сетку диаметром 25 мкм из выпускаемой серийно нержавеющей никельсодержащей стали марки 316 (UNS S31600) наносится двумерное защитное нанопокрытие из гексагонального нитрида бора (h-BN). Учёные-материаловеды H2O на входе Рассол на выходе H2O
В рамках достижения декарбонизации учёные разрабатывают инновационные эффективные способы преобразования CO2 и водорода в полезный метан (CH4) на основе УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИИ ИМ. КОРОЛЯ АБДУЛЛЫ (KING ABDULLAH UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY)
углерода. В чём польза нового метода? Он нейтрализует выброс CO2 при сжигании метана в качестве топлива. Научный сотрудник, доктор наук Диего Матео (Diego Mateo) так рассказывает о недавно разработанном в компании KAUST, Саудовская Аравия, методе: «Наш подход основан на синергической комбинации света и тепла, известной как фототермический эффект. Тогда как для достижения температуры 500 °C другие
Электроды
промышленные методы требуют поступления тепла от внешних источников, наше исследование показывает, что необходимую реакцию можно запустить просто при помощи фототермического эффекта дневного освещения с участием катализатора, построенного из наночастиц никеля на слое титаната бария. Он улавливает свет таким образом, что электроны переходят в высокоэнергетическое состояние, известное как «горячие электроны». Затем эти электроны запускают химическую реакцию, которая превращает CO2 опять в метан. Это очень многообещающий экологичный способ превращения парникового газа в ценное топливо».
Солёная вода на входе
Университета Райса Пуликел Ажайан (Pulickel Ajayan) и Жун Лу (Jun Lou) доказали, что такое защитное покрытие из h-BN можно нарастить на криволинейных металлических поверхностях, что является ключевым моментом в технологии опреснения, так как горячая суперсолёная вода создаёт изъяны, разъедая тонкую металлическую сетку. В рамках дальнейшего развития этого прорывного исследования в Центре атомарно тонких мультифункциональных покрытий (Center for Atomically Th in Multifunctional Coatings, также известном как ATOMIC), единственном центре при Национальном научном фонде (National Science Foundation), всецело занимающемся разработкой передовых двумерных покрытий, этот отказостойкий термоэлемент, рассчитанный на опреснение больших объёмов высокоагрессивного рассола, позволит создать децентрализованные целевые технологии.
«НИКЕЛЬ», Т. 36, № 1, 2021 Г. | 5
KUICHANG ZUO/RICE UNIVERSITY
COBRAGOLF.COM
Клюшки для гольфа бьют в цель
VILLAGEBREWERY.COM
ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДЫ КАК ПРЕОДОЛЕТЬ «ФАКТОР БРЕЗГЛИВОСТИ»
Смогли бы вы выпить воду из городских канализационно-очистных сооружений? Обычно такие воды сбрасываются в реки, озёра или подземные хранилища. Затем они подаются по трубам из других мест и проходят очистку до стадии питьевой воды, то есть такой воды, которую безопасно пить. Но захотят ли люди перебороть «фактор брезгливости»? Этот термин, введённый специалистом по биоэтике из Университета Пенсильвании (University of Pennsylvania) Артуром Капланом (Arthur Caplan), описывает влияние инстинктивной реакции человека на новую технологию, подобную реакции большинства людей на мысль о питье очищенных сточных вод. Однако по вполне очевидным причинам повторное использование сточной воды просто необходимо — например, на Международной космической станции. Служба продвижения канадских водных активов при Университете Калгари (Advancing Canadian Water Assets (ACWA), University of Calgary) стала партнёром компаний Village Brewery и Xylem Inc. для производства пива из вторичной воды, демонстрируя, каким образом очищенные сточные воды могут помочь решить проблему нехватки водных ресурсов.
Возможность повторного использования
дезинфицирующих химических веществ,
сточных вод непосредственно после очистки
причём для любого из вышеперечисленных
обсуждается не только в тех регионах, где
методов требуется устойчивость
существует нехватка воды в данный момент
никельсодержащих нержавеющих сталей к
или во время периодических засух, но также
воздействию агрессивной среды. Самыми
и как новый способ обеспечения устойчивых
применяемыми в этих целях являются
источников водоснабжения для будущего
марки 304L (UNS S30403) или 316L (S31603),
роста.
а на установках ОС часто используются
«Существует ментальная преграда тому, чтобы перестать страдать от мысли о том, что это по своей сути противно, — говорит Джереми Маклафлин (Jeremy McLaughlin), главный пивовар компании Village Brewery, — но мы знаем, что эта вода безопасна, и от нашей технологии мы не отступимся».
сточная вода из раковин лишь грубо
Повторное использование сточных вод
очищается и затем повторно используется
технически достижимо, но как преодолеть
в общесанитарных целях — в основном для
«фактор брезгливости»? Как ни странно,
смыва туалетов. Однако из-за опасений её
но некоторые крафтовые пивоварни
заражения патогенными организмами и
помогают решить эту проблему, продвигая
загрязнения прочими веществами такая вода
специальные серии пива, произведённого
редко применяется как питьевая, поскольку
из сточных вод. Пивоварни Швеции,
достижение необходимого качества
Германии, США, Канады и других стран
потребовало бы более сложных методов
уже выпустили такие серии пива, и они
очистки. В число этих методов входят
были быстро распроданы. Хоть всё ещё и на
ультрафильтрация, обратный осмос (ОС) и
начальном этапе своего развития, повторное
использование озона, ультрафиолетового
использование сточных вод развивается во
облучения или иных стандартных
многих частях мира. Выпьем же за это!
6 | «НИКЕЛЬ», Т. 36, № 1, 2021 Г.
В некоторых современных зданиях
дуплексные сплавы.
НОВЫЕ ВОДОПРОВОДНЫЕ СЕТИ КИТАЯ ПРИБЕГАЯ К НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ В ПОИСКАХ ДОЛГОСРОЧНЫХ РЕШЕНИЙ Потери воды в результате протечек в системах водоснабжения уже давно серьёзно заботят водоохранные органы во всём мире. Гигиена питьевой воды тоже является критически важной проблемой, особенно в развивающихся странах, а также странах с обветшавшей инфраструктурой. К тому же в результате быстрой урбанизации и строительства жилых небоскрёбов возникают дополнительные сложные технические задачи, связанные со вторичными водопроводными системами, которые необходимо проектировать так, чтобы обеспечить эффективную подачу чистой воды на самые верхние этажи зданий. В Китае материалами для изготовления
обеспечению качества воды. В них заложены
труб традиционно являются в основном
значительные улучшения на всём пути
пластик (полиэтилен, полипропилен),
следования воды — от водных источников до
гальванизированная сталь и высокопрочный
кранов в квартирах, а также выделен бюджет
чугун. Водопотеря и загрязнение воды — это
почти в 700 млрд юаней (112 млн. долларов
основные проблемы старых водопроводных
США) на модернизацию трубопроводов
систем, вызываемые обветшанием или
и водоочистных систем. Средства были
коррозией труб, изначально произведённых
распределены между многочисленными
из неподходящих материалов.
министерствами и правительственными
Снижение потерь воды и уменьшение риска для здоровья населения, связанного с плохим качеством питьевой воды, стали одним из главных приоритетов китайского правительства и местных водоохранных органов. Всё чаще они обращаются к техническим решениям, где применяются трубы и трубопроводная арматура из нержавеющей стали. Выше качество, меньше утечек Во многих водораспределительных системах мира с успехом используются трубы из никельсодержащей нержавеющей стали. Они доказали свою высокую эффективность при решении проблем утечек и гигиены воды.
органами, включая Государственный Совет, Комиссию по Национальному Развитию и Реформе, Министерство водных ресурсов, Министерство защиты окружающей среды, Министерство жилищного строительства и развития городских и сельских территорий и Министерство здравоохранения. Самый многообещающий материал Экономический прогресс Китая за последние десятилетия обеспечил быстрый рост применения нержавеющей стали в водных
Город Токио был лидером успешного использования труб из частично гофрированной нержавеющей стали в системах водообеспечения. С восьмидесятых годов ХХ века городское управление водного хозяйства Токио заменяло стареющие водораспределительные системы трубами из нержавеющей стали, что привело к достижению высокого качества воды и значительному снижению её потерь.
технологиях. Рост последних пяти лет был обусловлен массивными инвестициями и существенными стимулирующими мерами и законами, принятыми на разных правительственных уровнях. Движущей
Начиная с 2011 г., в пятилетних планах
силой явился и рост осведомлённости
развития народного хозяйства центральные
общества об огромных преимуществах
власти Китая ставили амбициозные цели по
использования нержавеющей стали в
NICKEL, VOL. 36, Nº 1, 2021 | 7
системах доставки воды. В настоящий момент нержавеющая сталь широко применяется в крупномасштабных проектах — от вспомогательных трубопроводных и канализационных
И это не удивительно, принимая во внимание прогнозные показатели количества требуемых труб и трубопроводной арматуры
при проведении полной модернизации
как для ремонта водопроводных систем
систем водоснабжения. Теперь она признана
старых жилых зданий, так и установки их в
становится доминирующим материалом, используемым в трубах водопроводной сети. Это быстрорастущий рынок со значительным потенциалом.
© ZHENGTONG
по производству труб из нержавеющей стали.
вторичных водопроводных системах, а также
современной системы водоснабжения и
Постановка амбициозных целей Дополнительным фактором является введённый в 2007 г. национальный стандарт качества питьевой воды (GB 5749-2006), соответствующий большинству международных стандартов. Правительство ожидает, что в перспективе питьевая
8 | NICKEL, VOL. 36, Nº 1, 2021
на эту технологию и добавили новые линии
сетей до оборудования, используемого во
самым многообещающим материалом для
Модернизация вторичных систем водоснабжения — национальный проект, обладающий большим потенциалом, и Китай проводит массовые в него инвестиции.
китайские компании по производству стальных труб тоже стали ориентироваться
вода всех китайских городов будет соответствовать этому стандарту. Для достижения этой цели потребуется много усилий, а трубопровод из нержавеющей стали внесёт в это огромный вклад.
новом жилье. Типовому району на тысячу домохозяйств может потребоваться около 10 – 15 тыс. метров труб из нержавеющей стали марки 304 (UNS S30400) разного диаметра — от 15 до 160 мм, а также различная фиттинговая арматура. По оценкам, общий вес труб и фиттингов из нержавеющей стали для тысячи домохозяйств составит 20-25 метрических тонн. Добавьте к этому прочие объекты из нержавеющей стали, такие как цистерны для хранения воды и клапаны, а также 200 млн домохозяйств в Китае, которым потребуется модернизация водопроводной сети, — и общий потенциал использования труб и фиттингов из нержавеющей стали составит порядка 4 – 5 млн. тонн. Учитывая грандиозные проекты водоснабжения, разворачивающиеся по
За последние пять лет значительно выросли
всей стране, это — долгосрочный план
инвестиции в промышленность Китая,
достижения конечной цели полного
производящую оборудование систем
обеспечения всех жилых районов Китая
доставки воды из нержавеющей стали. В три
высококачественной питьевой водой с
раза увеличилось число производителей труб
выбором нержавеющей стали как самого
из нержавеющей стали. Некоторые крупные
лучшего и самого устойчивого материала.
Доставка воды на верхние этажи небоскрёбов В 2020 г. в г. Ханчжоу, столице провинции Чжэцзян, проходила модернизация ста систем водоснабжения с заменой старых элементов на элементы из нержавеющей стали. Этот масштабный проект охватывал 55 тыс. домохозяйств (более чем 210 тыс. жителей), из водопроводных кранов которых до этого текла мутная вода. Проект начался с перестройки элементов
и далее с водораспределительной сетью
вторичных водопроводных систем, имеющих
из нержавеющей стали, чтобы обеспечить
принципиальное значение для подачи воды
подачу воды на верхние этажи.
на верхние этажи небоскрёбов. В новых
Проект модернизации был необычайно
клапаны и насосы из никельсодержащей нержавеющей стали марок 304 (UNS S30400) и 316 (S31600). На станциях вторичных водопроводных систем были установлены
успешным. Напор воды стал стабильней, чем раньше, обеспечена санитария воды, да и всю
Контракт на поставку широкого спектра продукции из нержавеющей стали выиграла местная компанияпроизводитель труб из нержавеющей стали Zhejiang Zhengtong Pipe Industry Co., Ltd. Президент компаниипоставщика труб и фиттингов из нержавеющей стали г-н СХ Янг (Mr. SX Yang) гордится этими достижениями. «Я вдохновлён полученными возможностями для развития бизнеса и мечтаю продолжать инвестировать в этот формирующийся рынок».
систему водоподачи теперь намного легче чистить, обслуживать и дезинфицировать. Коренным образом сократились случаи выхода из строя труб и фиттинговой
соединённые трубами из нержавеющей
арматуры и необходимого в связи с этим
стали с водяными насосами и клапанами
ремонта оборудования.
© ZHENGTONG
цистерны из нержавеющей стали,
© ZHENGTONG
системах использовались трубы, цистерны,
Доставка воды на верхние этажи небоскрёбов
NICKEL, VOL. 36, Nº 1, 2021 | 9
ЧИСТО-ЗЕЛЁНАЯ НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГЕНЕРИРУЕТ «ЗЕЛЁНЫЙ» ВОДОРОД
Страны всего мира претворяют в жизнь смелые программы по содействию производству и использованию «зелёного» водорода. По некоторым прогнозам, в ближайшие десять лет рынки двух никельсодержащих технологий — электролизаторов для производства водорода и топливных элементов, использующих водород для питания автотранспортных средств, — вырастут на два порядка. Что значит быть источником энергии для перехода в более «зелёное» будущее? Для достижения целей декарбонизации согласно Парижскому соглашению и Четыре главные области потребления энергии — транспорт, промышленность, жильё и коммерческое применение.
последующих амбициозных целей некоторых стран достичь углеродной нейтральности общества, сжигание ископаемого топлива должно быть заменено углероднонейтральными альтернативами. Выбор водорода в качестве альтернативного топлива мог бы стать безупречным решением. При конвертировании этого газа в энергию не происходит выбросов углекислого газа, а выделяется только водяной пар. Поэтому принятие водорода в качестве источника энергии значительно снизит генерирование парниковых газов.
10 | «НИКЕЛЬ», Т. 36, № 1, 2021 Г.
Роль электролиза Самым эффективным способом производства водорода является электролиз, основанный на расщеплении молекулы воды на водород и кислород. При распаде молекулы воды в электрическом поле на катоде (−) выделяется водород, а на аноде (+) кислород, откуда они соответственно и забираются. Производство водорода также не связано с выделением углекислого газа, если оно происходит посредством электролиза с использованием возобновляемых источников энергии. Такой водород называется «зелёным» водородом. В настоящее время жидкие алкалиновые электролизаторы являются стандартными для проведения электролиза в больших масштабах. Это эффективное, широко применяющееся испытанное
технологическое решение. В жидких
из воздуха водородом и кислородом, в
алкалиновых электролизаторах реакция
результате чего генерируется энергия, при
протекает между двумя электродами в
этом реакция проходит при относительно
растворе, состоящем из воды и жидкого
низких температуре и давлении с более
электролита (30%-ая гидроокись калия).
высокой плотностью энерговыделения, чем у
Для конверсионной эффективности обоим
других топливных элементов.
электродам необходима промежуточная каталитическая реакция. И вот здесь ключевую роль играет никель. Никель наносится на поверхность электродов, чтобы оптимизировать затраты, долговечность и эффективность процесса. Количество чистого никеля, используемого в алкалиновом электролизаторе, составляет приблизительно 2 кг/кВт конвертированной энергии. Будущее топливных элементов Топливные элементы являются электрохимическими генераторами энергии, превращающими химическую энергию в электрическую. Если в качестве топлива применяется водород, единственным побочным продуктом оказывается вода. В будущем, когда уровень выбросов углерода будет нулевым, электромобили всех видов и размеров станут нормой. Тогда как большинство пассажирских автомобилей малых размеров будут использовать литийионные аккумуляторные батареи, более крупные транспортные средства, такие как грузовики, автобусы и морской транспорт, скорее всего, будут работать на топливных
Каждый топливный элемент расположен между двумя биполярными пластинами, которые направляют водородное топливо на анод, а кислород на катод, а также отводят полученную воду от электрода в слив. В общем, в топливных элементах на основе протонообменных мембран используется умеренное количество никеля, поскольку они работают при низких температурах (~80 °C), но благодаря их широкому применению общее количество использованного при этом никеля может быть значительным. Твёрдые оксидные топливные элементы (ТОТЭ) являются вторыми по степени использования, главным образом в качестве первичных источников энергии для электростанций, микросетей и отдельных крупных потребителей энергии. Этот вид топливных элементов использует ионопроводимый керамический электролит и работает в промежутке температур от 600 °C до 800 °C. Из-за высоких температур в конструкции твёрдых оксидных топливных элементов в больших масштабах применяются никельсодержащие нержавеющие стали.
элементах.
Топливные элементы с расплавленным
Как работают разные топливные элементы
это термостойкие топливные элементы
Как и электролизаторы, топливные элементы имеют два электрода с находящимся между ними электролитом. Разные виды топливных элементов различаются по типу используемого ими электролита. Самое широкое применение находят топливные элементы на основе протонообменных мембран (ТЭПМ).
карбонатным электролитом (ТЭРКЭ) — подобные твёрдооксидным, но в качестве электролита в них применяется расплавленный карбонат в керамической матрице. Хотя и не часто используемый, этот вид топливного элемента способен в процессе выработки энергии секвестировать углекислый газ, что делает его употребление во многих системах удаления отходящих газов весьма желательным для снижения
Их обычно размещают в передвижной
общего выброса парниковых газов. В этих
технике — например, в автомобилях,
системах используются значительные
грузовых транспортных средствах, автобусах
объёмы никеля — около 5 кг на каждый
и автопогрузчиках из-за их габаритной
киловатт произведённой энергии.
гибкости, хороших показателей удельной мощности на единицу веса и способности к быстрому пуску.
Изменение климата и в результате этого ухудшение состояния окружающей среды являются реальной угрозой миру. Многие
В этом виде топливных элементов
новые и инновационные методики
используется твёрдый полимерный
использования водорода в качестве топлива
мембранный электролит, который вступает в
позволяют надеяться на более «зелёное»
электрохимическую реакцию с полученными
будущее.
Самое широкое применение находят топливные элементы на основе протонообменных мембран (ТЭПМ). Их обычно размещают в передвижной технике — например, в автомобилях, грузовых транспортных средствах, автобусах и автопогрузчиках из-за их габаритной гибкости, хороших показателей удельной мощности на единицу веса и способности к быстрому пуску.
«НИКЕЛЬ», Т. 36, № 1, 2021 Г. | 11
НИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ: НИХАРД Около 9% произведённого никеля идёт в легированные стали и литьё. Они придают особые характеристики оборудованию специального назначения, зачастую используемому в критических условиях.
ЛИТЕЙНЫЙ ЗАВОД PENTICTON FOUNDRY
Одним из таких материалов является нихард (Ni-Hard). Это общее названия семейства белых чугунов, легированных никелем и хромом. Они годятся для использования в условиях низкой ударной нагрузки и абразивного изнашивания как в сухой, так и во влажной среде. Существуют три марки нихарда: нихард 1, нихард 2 и нихард 4. Каждая марка слегка различается по составу в техническом стандарте Международной организации стандартов ASTM и Европейском стандарте EN, приведённым ниже в таблице.
Феррит — это атомарная структура мягкой малоуглеродистой стали, которая существует при температурах ниже ~727 °C (1,340 °F), тогда как аустенит — это атомарная структура стали при температуре, превышающей указанные параметры. Аустенит — это немагнитный твёрдый раствор железа и углерода, тогда как феррит магнитоактивен и обладает более низкой, чем аустенит, растворимостью углерода. При охлаждении стали до температуры ниже ~727 °C избыточный углерод связывается в железоуглеродистое соединение, известное как цементит (карбид железа). Цементит и феррит формируют многослойную структуру, называемую перлитом, присутствующую в ферритовой матрице в виде островков.
Типичные примеры применения марок нихарда: Марки нихард 1 и нихард 2
Никель критически важен для оптимизации твёрдости и, следовательно, износостойкости. Содержание никеля увеличивается с увеличением размера детали или продолжительности охлаждения отливки, необходимого для торможения протекания перлитного превращения. В отливках толщиной 38–50 мм (1½–2 дюйма) для подавления формирования перлита, образующегося по мере охлаждения литейной формы, достаточно от 3,4% до
• Валки для обработки металла • Прокладки для дробильных вальцов • Кольца пульверизатора • Детали насоса для шлама • Абразивный материал Марка нихард 4 • Детали насоса для шлама • Болванки для многократной ударной нагрузки
Составы чугунов нихард Марка
Химический состав* (вес %) C
Ni
Cr
Si
Mn
Mo
S
P
Стандарт ASTM A532 Нихард 1
Класс 1, Тип A
2.8–3.6
3.3–5.0
1.4–4.0
0.8
2.0
1.0
0.15
0.3
Нихард 2
Класс 1, Тип B
2.4–3.0
3.3–5.0
1.4–4.0
0.8
2.0
1.0
0.15
0.3
Нихард 4
Класс 1, Тип D
2.5–3.6
4.5–7.0
7.0–11.0
2.0
2.0
1.5
0.15
0.10
3.0–3.5
3.0–5.5
1.5–3.0
0.8
0.8
–
0.10
0.10
Стандарт EN 12513 Нихард 1
EN-JN2039
Нихард 2
EN-JN2029
2.5–3.0
3.0–5.5
1.5–3.0
0.8
0.8
–
0.10
0.10
Нихард 4
EN-JN2049
2.5–3.5
4.5–6.5
8.0–10.0
1.5–2.5
0.3–0.8
–
0.08
0.08
* Одиночные показатели являются максимальными
12 | «НИКЕЛЬ», Т. 36, № 1, 2021 Г.
4,2% никеля. Во избежание формирования перлита при отливке более тяжелых деталей может потребоваться более высокий уровень содержания никеля — до 5,5%. Здесь важно ограничить процентное содержание никеля до уровня, необходимого для контроля перлитного превращения, так как избыток никеля увеличивает количество остаточного аустенита и снижает твёрдость.
НИКЕЛЬ И ПРОСВЕЩЕНИЕ ОБМЕН ЗНАНИЯМИ
Из-за режима карантинов и самоизоляции — т.н. локдаунов, прокатившихся по всему миру с начала 2020 г. в связи с пандемией COVID-19, запланированные очные встречи на конференциях, семинарах и в рабочих группах, коими широко известен Институт никеля, немедленно приостановились. Эти просветительские мероприятия являются ключевыми в нашей миссии по содействию и продвижению правильного использования никеля в соответствующих технологиях. Оценка возможных альтернативных методов доведения знаний до специалистов привела к заключению, что самым быстрым и самым эффективным способом предоставления технической информации, необходимой пользователям никельсодержащей продукции, такой как никелевые сплавы и нержавеющие стали, будут вебинары. Для этого требуются партнёры и способ сбора целевой аудитории — в принципе, всё то же, что и было необходимо для очных встреч. И уже существующие, и новые партнёры с энтузиазмом встретили возможность нового сотрудничества с Институтом никеля. Это были и различные группы по коррозии и сварке металлов, и ассоциации по продвижению нержавеющей стали, а в нескольких случаях — крупные конечные компании-потребители и коммерческие
платформы. Там, где всё же могли быть организованы очные конференции, но прибытие докладчика оказывалось невозможным, с большой эффективностью использовались заранее отснятые на видео доклады. В 2020 г. были проведены 52 уникальные презентации для почти 18 тыс. слушателей. Как по количеству презентаций, так и по числу участников это оказалось много больше тех мероприятий, которые мы могли бы провести очно. В 2021 г. мы продолжим проведение вебинаров с использованием заранее отснятых на видео докладов. Наша цель — совершенствовать визуальное качество и подачу материала, делая его представление более интересным.
Темы вебинаров Института никеля: • Введение в коррозиестойкие никелевые сплавы • Введение в нержавеющие стали • Свойства жаропрочных нержавеющих сталей • Плакированные нержавеющие стали и никелевые сплавы • Травление, пассивация и очистка нержавеющей стали • Нержавеющая сталь: финишная обработка и характеристики • Сварка и обработка коррозиестойких нержавеющих сталей • Сварка и обработка дуплексных нержавеющих сталей • Сварка и обработка никелевых сплавов В числе тем отраслевых вебинаров: • Аккумуляторы • Обработка пищевых продуктов • Фармацевтическая продукция • Нефть и газ • Питьевые и сточные воды • Химические вещества • Архитектура • Морские скрубберы За дополнительной информацией обращаться по адресу: communications@ nickelinstitute.org
Информация о предстоящих вебинарах будет опубликована для всеобщего ознакомления на нашей странице в LinkedIn и на веб-сайте Института никеля (пройти по ссылке Library (Библиотека) и выбрать Events (Мероприятия)).
«НИКЕЛЬ», Т. 36, № 1, 2021 Г. | 13
СПРОСИ ЭКСПЕРТА ПОПУЛЯРНЫЕ ВОПРОСЫ НА САЙТЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ИНСТИТУТА НИКЕЛЯ
В О
«НИКЕЛЬ»
WWW.NICKELINSTITUTE.ORG ПОДПИШИТЕСЬ бесплатно на журнал «Никель». При появлении нового выпуска на сайте вы будете получать уведомление по электронной почте www.nickelinstitute.org ЧИТАЙТЕ журнал «Никель» онлайн на нескольких языках www.nickelinstitute.org/library/
О: Хлориды влияют на возникновение местной, локализованной коррозии — например, питтинговой и контактной. Увеличение содержания в сплаве хрома, молибдена и азота обеспечивает рост сопротивляемости хлоридам. Ниже приведена относительная сопротивляемость хлоридам марок 304L (UNS S30403), 316L (S31603), 2205 (S32205), 904L (N08904), 6%Mo (S31254) и супердуплексной марки 2507 (S32750). Эта таблица подбора учитывает длительность контакта по каждой марке нержавеющей стали в нейтральном хлоридном растворе. Область, находящаяся справа от каждой линии, показывает условия концентрации хлоридов и температурного режима там, где существует риск коррозионного воздействия. Однако
°C
РИСК ПИТТИНГОВОЙ И КОНТАКТНОЙ КОРРОЗИИ
S31254/2507
70
СЛЕДИТЕ ЗА НОВОСТЯМИ О НАС в Твиттере Twitter @NickelInstitute
40
ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ к нам на сайте LinkedIn (ЛинкдИн) — зайдите на страничку Института никеля
30
Риск контактной коррозии
316L
S31254/2507
316L 2205
304L
20
Риск питтинговой коррозии
904L
304L
60 50
14 | «НИКЕЛЬ», NICKEL, VOL.Т.36, 36,Nº №1,1,2021 2021 Г.
Эта тема будет обсуждаться более детально в нашей публикации «Методическое руководство по использованию нержавеющих сталей и никельсодержащих сплавов в водной среде» (11003), которая выйдет до конца этого года.
80
ИЩИТЕ ПРЕДЫДУЩИЕ НОМЕРА журнала «Никель» в архиве онлайн, начиная с июля 2009 г. www.nickelinstitute.org/library/
СМОТРИТЕ видеоролики о никеле на канале Института никеля на YouTube www.youtube.com/user/NickelInstitute
эти кривые приведены исключительно в ознакомительных целях, потому что существует много дополнительных как благоприятных, так и пагубных факторов, которые могут сдвинуть кривые влево или вправо. К ним относятся уровень кислотности раствора, присутствие в нём окислительных компонентов, перемешивание раствора (застой создаёт худшие условия), содержание растворённого кислорода, поверхностная шероховатость, продолжительность контакта, содержание неметаллических включений, наличие цвета побежалости.
100
2205
904L
1 000 10 000 Хлориды (частей на миллион – чнм)
100 000
OUTOKUMPU
ЖУРНАЛ
О Н Л А Й Н
Гир Мо (Geir Moe), лицензированный инженер, является координатором Службы технической консультации Института никеля. Наряду с другими специалистами-материаловедами, находящимися в разных странах мира, Гир Мо помогает конечным пользователям и спецификаторам никельсодержащих материалов, заинтересованным в получении технической помощи. Для того, чтобы пользователи с уверенностью применяли никель, эта команда всегда готова бесплатно предоставлять технические консультации по широкому ряду тем, таких, например, как нержавеющие стали, никелевые сплавы и никелирование
В: Я знаю, что хлоросодержащие растворы опасны для нержавеющей стали. Насколько агрессивен хлорид, и как мне выбрать подходящую марку никельсодержащей стали?
НОВЫЕ ПУБЛИКАЦИИ В публикации «Выбор сплава для
нержавеющих сталей» (Practical guide to
экстракционным способом» (Alloy
описываются разные типы дуплексных
получения фосфорной кислоты
using duplex stainless steels) (10044) кратко
selection in wet-process phosphoric acid) (10015) обсуждается коррозиестойкость
различных никельсодержащих сплавов и прочих металлов в чистой и загрязнённой фосфорной кислоте. Фосфорная кислота — это основной промышленный химикат,
нержавеющих сталей, их механические и физические свойства, сопротивляемость коррозии, литьё, обработка и сварка. Даются рекомендации о том, как успешно применять эти нержавеющие стали в широком спектре промышленных технологий.
используемый практически в каждой
В публикации «Практические
крупной отрасли промышленности.
рекомендации по обработке аустенитных
Её главным образом применяют для
нержавеющих сталей» (Practical
производства удобрений для сельского
Guidelines for the Fabrication of Austenitic
хозяйства и в качестве минеральной
Stainless Steels) представлена информация
добавки к корму животных. Эта публикация — полезное руководство для инженеров-материаловедов.
о свойствах, характеристиках и способах обработки целого спектра аустенитных нержавеющих сталей. Здесь даются чёткие
В публикации «Термостойкие
практические рекомендации по резке,
высокопрочные сплавы на основе
никеля» (High-temperature high-strength
механической обработке, соединении
механические и физические свойства
изделий для обеспечения производства
nickel-base alloys) (№ 393) представлены
стальных деталей и финишной обработке
литейных и кованых никелевых,
высококачественных сооружений и оборудования, а также для снабжения
кобальт-никелевых и железоникелевых суперсплавов при комнатной и повышенных температурах. Эти свойства представляют интерес для разработчиков газовых турбин, применяемых в самолётостроении, автомобильной промышленности и
инженеров информацией об эффективном использовании этих материалов. Институт никеля оказал содействие Международной молибденовой ассоциации (International Molybdenum Association — IMOA) в выпуске
энергетике.
этой публикации.
В публикации «Практическое руководство
Эти публикации можно бесплатно
по использованию дуплексных
загрузить с сайта www.nickelinstitute.org
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ UNS
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (весовой в %) сплавов и нержавеющих сталей, упомянутых в данном выпуске журнала «Никель»
C
Cr
Cu
Fe
Mn
Mo
N
Ni
P
S
Si
N08904 Pg 14
0.020 max.
19.023.0
1.002.00
bal.
2.00 max.
4.005.00
-
23.028.0
0.045 max.
0.035 max.
1.00 max.
S30400 Pg 5, 8, 9, 16
0.08 max.
18.020.0
-
bal.
2.00 max.
-
-
8.010.5
0.045 max.
0.030 max.
1.00 max.
S30403 Pg 6, 14
0.03 max.
18.020.0
-
bal.
2.00 max.
-
-
8.012.0
0.045 max.
0.030 max.
1.00 max.
S31600 Pg 5, 9
0.08 max.
16.018.0
-
bal.
2.00 max.
2.003.00
-
10.014.0
0.045 max.
0.030 max.
1.00 max.
S31603 Pg 2, 6, 14, 16
0.03 max.
16.018.0
-
bal.
2.00 max.
2.003.00
-
10.014.0
0.045 max.
0.030 max.
1.00 max.
S31254 Pg 14
0.020 max.
19.520.5
bal.
1.00 max.
6.06.5
0.180.22
17.518.5
0.030 max.
0.010 max.
0.80 max.
S32205 Pg 14
0.030 max.
22.023.0
-
bal.
2.00 max.
3.003.50
0.140.20
4.506.50
0.030 max.
0.020 max.
1.00 max.
S32750 Pg 14
0.030 max.
24.026.0
-
bal.
1.20 max.
3.05.0
0.240.32
6.08.0
0.035 max.
0.020 max.
0.80 max.
0.501.00
NICKEL, VOL. 36, Nº 1, 2021 | 15
ВОЗВЕДЕНИЕ «КОРАБЛЕСТРОИТЕЛЕЙ» Расположенный на шотландской реке Клайд порт Глазго прославляет своё индустриальное наследие новой исполинской скульптурой из нержавеющей стали, работа над которой
ФОТОГРАФИЯ ЛУИЗ ГОЛТ (LOUISE GAULT) WWW.LOUISEGAULTPHOTOGRAPHY.CO.UK
продолжалась шесть лет. Художник Джон МакКенна (John McKenna) известен своими изваяниями трудящихся, выполненными в натуральную величину. Местный совет заказал ему памятник «Кораблестроители порта Глазго» в рамках проекта модернизации города. Скульптурная группа, изображающая
«Кораблестроители» представляет собой
двух размахивающих молотами
не только произведение искусства, но и
кораблестроителей, выполнена из трубы
сложнейшую проектно-конструкторскую
марки 304 (UNS S30400), плакированной
задачу. После установки на новом месте в
нержавеющей сталью марки 316L (S31603) с финишным покрытием 2В. Каждая из листовых граней разной формы и величины была выгнута по отдельности, их кромки загнуты, а затем сварены вместе точечным пробочным швом, чтобы Джон МакКенна на монтажноиспытательной площадке. Секции фигур были выполнены в студии и с помощью кранов и элеваторов собраны под открытым небом.
16 «НИКЕЛЬ», | NICKEL, VOL. 36,№Nº1,1,2021 2021Г. Т. 36,
создать впечатление использования
парке Коронации (Coronation Park) недалеко от места расположения бывших причалов порта Глазго, эта скульптура высотой в 11 м и весом около 20 тонн должна будет выдерживать ветры западного побережья Шотландии.
многих тысяч заклёпок. Сварочные швы
Скульптура «Кораблестроители
были тщательно электроотполированы
порта Глазго» наверняка станет новой
для устранения побежалости и усиления
достопримечательностью города после её
сопротивляемости коррозии. Скульптура
установки в конце этого года.