Контрольные вопросы
Каким требованиям должны отвечать судостроительные стали?
Условия работы судостроительных сталей и сталей для буровых платформ.
Основные технические требования к судостроительным сталям.
Технология производства судостроительных сталей.
Дефекты в толстолистовых судостроительных сталях.
5.5 Материалы для газонефтепроводов
Спиральношовные трубы для магистральных газонефтепроводов.
Спиральношовные трубы большого диаметра стали использовать при строительстве трубопроводов высокого давления около 40 лет назад. В настоящее время спиральношовные трубы большого диаметра производятся практически во всех развитых странах. Качество их не вызывает сомнения, а также достаточно длительный срок эксплуатации трубопроводов из спиральношовных труб позволяет сделать вывод о высоком уровне их надежности на опасных производственных объектах – магистральных нефтегазопроводах.
В настоящее время существуют два вида труб большого диаметра: прямошовные и спиральношовные (рис.5.14).
|
|
Рис.5.14 Прямошовные и спиральношовные трубы
Если начало применения прямошовных труб для строительства объектов газовой и нефтяной отраслей относится к середине XIX в., то спиральношовные трубы стали применяться как газонефтепроводные только с 60-х гг. прошлого столетия. Это объясняется неудовлетворительным качеством формовки и сварки в то время. Лишь с введением двухсторонней электродуговой сварки под флюсом удалось получить высококачественное сварное соединение спиральношовной трубы, равноценное сварному соединению прямошовной. Улучшение технологии прокатки исходной заготовки, усовершенствование машин и механизмов, применение эффективных сварочных технологий, а также использование современных методов и средств неразрушающего контроля позволили поднять статус спиральношовной трубы.
Спиральношовные трубы не только являются эквивалентной заменой прямошовным, но и дополнительно имеют ряд преимуществ:
не требуется калибровочных процедур (холодное экспандирование или калибровка на вальцах);
механические свойства соответствуют показателям исходного металла, в то время как любое холодное экспандирование приводит к потере механических свойств, прежде всего пластичности и вязкости, поэтому спиральношовные трубы более надежны;
при проведении гибки спиральношовных труб в полевых условиях, что является общепринятой мировой практикой, нет необходимости контролировать положение сварного шва;
ориентация сварного шва и направления прокатки рулона в высшей степени благоприятны относительно главных действующих напряжений.
Спиральношовные трубы подтвердили высокие эксплуатационные свойства, необходимые для высокопрочных нефтегазопроводов. Используются также стандарты DIN 17172, TS 6047 и российский ГОСТ 20295. Оба завода обладают мощностями для нанесения широкого спектра защитных покрытий на эпоксидной, битумной, бетонной, полиэтиленовой основе в соответствии с требованиями нормативной документации и заказчиков (рис.5.15). Производительность каждого завода составляет 200 тыс. т/год. Трубы поставляются длиной от 6 до 24 м, наружные диаметры - от 219 до 3048 мм, толщины стенок - от 4 до 26 мм. Нефтегазопроводные трубы изготавливаются из горячекатаной рулонной стали групп прочности В, Х42-Х70 включительно (по API 5L) с использованием двухсторонней электродуговой сварки под флюсом.
|
|
Рис.5.15 Магистральны трубы с различными защитными покрытиями
Современная технология и оборудование позволяют производить высококачественные спиральношовные трубы большого диаметра для мощных газопроводов, трубы для обустройства газовых хранилищ, нефте- и нефтепродуктопроводов, и водопроводов. Более 95 % продукции производится из высокопрочных трубных сталей.
Процесс производства спиральношовных включает две стадии:
формовку спиральношовной трубы с наложением технологического шва;
электродуговую сварку под флюсом рабочих швов (внутреннего и наружного) на отдельном сварочном агрегате.
Указанной технологии присущи следующие преимущества:
высокая скорость формовки благодаря скоростной технологической сварке (до 12 м/мин);
улучшение геометрии труб (точности формовки) в формующем устройстве путем устранения препятствий со стороны электродуговой сварки под флюсом, которая производится отдельно;
стабильное качество труб за счет комплексной автоматизации технологии электродуговой сварки под флюсом и отсутствия влияния процесса формовки на сварочный процесс. Завод по изоляции труб, который обеспечивает высококачественное нанесение покрытий (наружного и внутреннего) на спиральношовные трубы в соответствии с требованиями заказчика. Внутреннее покрытие не только гарантирует противокоррозионную защиту, но и снижает сопротивление потоку газа в магистральных газопроводах.
Термическая обработка труб осуществляется по режиму:
закалка – нагрев до (920 ± 10) °С и охлаждение со скоростью не менее 70 °С/с;
отпуск – нагрев до (650 ± 20) °С и охлаждение в воде.
После улучшающей термообработки (закалка плюс отпуск) микроструктура металла приобретает однородное строение по всему телу трубы. Основной металл, металл шва, зона термического влияния сварки становятся однородными по структуре. При этом устраняются различия в механических характеристиках элементов конструкции трубы, происходит одновременное повышение прочностных и вязкопластических характеристик металла. В процессе нагрева под закалку полностью устраняются внутренние напряжения в трубах, связанные с формовкой и сваркой, а напряжение от закалки устраняется последующим отпуском, измельчается зерно в стали, что положительно сказывается на сопротивлении хрупкому разрушению. Улучшающая термообработка позволяет получить более высокий показатель ударной вязкости основного металла и сварного соединения при низких температурах у труб из обычных низколегированных сталей (17Г1С, 17Г1С-У, 13ГС, 13Г1С-У), не прибегая, таким образом, к использованию более дорогостоящих сталей при строительстве трубопроводов в северных регионах. Термообработанные трубы обладают существенно более высокими пластическими свойствами и показателями сопротивления ударным нагрузкам.
При обсуждении недостатков спиральношовных труб всегда указывалось на большую протяженность сварных швов по сравнению с одношовными прямошовными трубами. Однако благоприятное расположение сварных швов к направлению главных напряжений от внутреннего давления, что снижает напряжение в них на 30-40 %, улучшение структуры металла шва и зоны термического влияния при термообработке делают сварные соединения надежными. В практике трубопроводного строительства широко применяются гнутые отводы, получаемые путем холодной гибки и с нагревом токами высокой частоты (рис.5.16). До недавнего времени для их изготовления использовались только прямошовные трубы. Возможность использования для этих целей спиральношовных труб появилась после проведения комплексных исследований и отработки технологии гнутья как за рубежом, так и в России.
|
|
Рис.5.16 Гнутые отводы трубопроводов
ОАО "ВНИИСТ" проделало большую работу по определению возможности изготовления вставок кривых холодного гнутья из спиральношовных труб производства ОАО "Волжский трубный завод". Испытания и исследования гнутых отводов из спиральношовных труб производства ВТЗ в ОАО "Трубодеталь" показали, что при гибки спиральношовных труб с индукционным нагревом полностью выполняются все требования, изложенные в ТУ 102-488-95, и что эти отводы могут применяться при строительстве магистральных трубопроводов наряду с отводами, изготовленными из прямошовных труб.
Полученные положительные результаты производства и испытаний гнутых отводов из спиральношовных труб производства ВТЗ явились основанием для разработки технических условий ТУ 146930-02-01297858-99 на изготовление вставок кривых холодного гнутья из спиральношовных труб для нефтепроводов ОАО "АК "Транснефть", а также внесения в Инструкцию по применению стальных труб в газовой и нефтяной промышленности PSI-31323949-58-2000 п. 2.1.3 о том, что спиральношовные трубы с заводской изоляцией, сделанные из рулона, допускается использовать для изготовления гнутых отводов и вставок кривых при строительстве магистральных газопроводов.
Анализ мирового опыта применения спиральношовных труб большого диаметра для магистральных трубопроводов высокого давления показывает, что данный вид труб благодаря непрерывному совершенствованию технологии формовки и сварки, улучшению металлургического качества трубной заготовки (рулона, листа) соответствует высоким требованиям безопасности, предъявляемым к трубам для магистральных газонефтепроводов. Спиральношовные трубы даже с поперечным швом в предельных условиях сложного напряженного состояния удовлетворительно реализуют прочностные и пластические свойства как основного металла, так и спирального и поперечного швов и могут применяться для строительства магистральных нефтегазопроводов.
Сравнительные результаты по циклическим и статическим испытаниям прямошовных и спиральношовных труб (производства ВТЗ) показали:
при одинаковых, искусственно нанесенных дефектах сварного шва циклическая долговечность спиральношовной трубы в 2,7 раза выше, чем прямошовной;
статическая трещиностойкость спиральношовной трубы в 1,7 раза выше, чем прямошовной.
Таким образом, результаты многолетних аттестационных испытаний газонефтепроводных труб подтверждают, что спиральношовные трубы большого диаметра по работоспособности не уступают, а в ряде случаев и превосходят прямошовные трубы аналогичного сортамента.
Марки стали для газонефтепроводов назначают в зависимости от их диаметров и температурных условий строительства (монтажа) и эксплуатации. По диаметру газонефтепроводов трубы условно подразделяют на трубы малых - менее 530 мм, средних - 530, 720 и 820 мм и больших диаметров - 1020, 1220 и 1420 мм. В зависимости от минимальных температур строительства и эксплуатации трубы изготовляют в обычном и северном исполнениях.
ТУ 1317A214A0147016A02.
Трубы для газонефтепроводов хладостойкие и коррозионностойкие: отводы, переходы, тройники, заглушки из коррозионностойких и хладостойких марок стали:
20А, 20С, 20ФА, 13ХФА, 09ГСФ и др.
Коррозионностойкой называют сталь, обладающую высокой химической стойкостью в агрессивных средах.
Коррозионностойкие стали получают легированием низко- и среднеуглеродистых сталей хромом, никелем, титаном, алюминием, марганцем.
Антикоррозионные свойства сталям придают введением в них большого количества хрома или хрома и никеля. Наибольшее распространение получили хромистые и хромоникелевые стали.
Содержание хрома в нержавеющей стали должно быть не менее 12 %. При меньшем количестве хрома сталь не способна сопротивляться коррозии, так как ее электродный потенциал становится отрицательным.