книги / Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ

кольцевых и нахлесточных швов дополнительно проверяют на вакуум­ ной установке. Затем трубы подвергают внутреннему и наружному осмотру (и при необходимости ремонту) и подают на гидравлический пресс для испытаний. После этого у труб снимают фаски по торцам и их направляют на участок осмотра, приемки и маркировки.

На строительстве трубопроводов проходят испытания четырех- (5,4 ммХ4 слоя) и пятислойные (5,2 ммХ5 слоев) трубы. Концевые обечайки со сплошной стенкой имеют длину не менее 1500 мм и толщи­ ну стенки не менее номинальной толщины стенки многослойной части трубы.

Продольные нахлееточные швы наружного и внутреннего витков обечаек проваривают не менее чем на два слоя, не считая нахлеста, со­ ставляющего не менее 150 мм. Прилегание слоев многослойных обечаек должно быть плотным с зазором не более 0,1 мм.

Сделанные на каждом слое обечайки (кроме внутреннего) перфора­ ционные отверстия обеспечивают возможность уменьшения давления в межслойном пространстве (гасители разрушений). Это делает трубу практически неразрушимой при случайных воздействиях: транспортного, строительного или эксплуатационного характера.

Вместе с тем многослойные трубы отличаются пониженной устой­ чивостью к действию монтажных нагрузок: изгибающих моментов, ме­ стных сосредоточенных сил.

Многослойные трубы поставляют следующих размеров по внутрен­ нему диаметру: 990 мм толщиной стенки 16—25 мм, 1190 мм толщиной стенки 16—28 мм, 1380 мм толщиной стенки 19,6—32 мм. Длина труб составляет 10—11,6 м. Допускается поставка труб длиной 24 м, получен­ ных путем стыковки и сварки двух труб длиной 10 - 11,6 м.

Каждую трубу подвергают гидравлическому испытанию давлением, вызывающим в стенке трубы напряжение, равное 95 % от гарантируемо­ го предела текучести. Испытанию не подвергают трубы длиной до 24 м, полученные путем стыковки труб длиной 10 —11,6 м, прошедших испы­ тание. Стыковой шов труб длиной до 24 м проверяют физическими не­ разрушающими методами.

Трубы с гофрами

Институтом электросварки им. Е.О. Патона предложены и совместно с Миннефтегазстроем СССР и ВНИИметмашем разработаны спиральношов­ ные трубы диаметром 530—820 мм с пониженной продольной жест­ костью, что достигается формовкой в стенке трубы гофр, расположен­ ных по винтовой линии. Гофры обеспечивают местную компенсацию продольных деформаций от изменения температуры, внутреннего давле­ ния и других воздействий, например деформации грунтов, что позволяет сооружать прямолинейные участки трубопроводов для перекачки подо-

131

гретых нефтей, мазута без установки специальных компенсирующих устройств. Поэтому трубы с винтовыми гофрами, а также трубопрово­ ды на их основе получили название самокомпенсирующиеся. Они предна­ значены на рабочие давления 1,5—5,5 МПа при перепадах температур 80-170 °С.

Трубы с винтовым расположением гофров представляют собой обо­ лочку сложной формы (рис. 59) .

Гофр профилируют на рулонной полосе непосредственно перед формовкой трубы. В стенке трубы, например, толщиной 6—8 мм можно

сформовать винтовой гофр с шагом 300—800 мм. В этом случае гофр компенсирует температурные удлинения участка трубопровода в преде­ лах шага винтовой линии. Максимальные перемещения трубопровода вблизи гофра-компенсатора составляют несколько десятков миллимет­ ра, т.е. самокомпенсирующийся трубопровод воспринимает значитель­ ные температурные деформации практически без смещений его участков, что особенно важно при подземной прокладке. Из-за пониженной жест­ кости труб с гофрами, продольные усилия в самокомпенсирующемся трубопроводе от воздействия температурного перепада в значительной степени уменьшаются по сравнению с гладкостенным. Гидравлическое сопротивление труб с гофрами практически не отличается от гидравличе­ ского сопротивления гладкостенных труб.

Бандажированные трубы

В нашей стране и в ряде зарубежных стран известны двухслойные пред­ варительно напряженные трубы, получившие название бандажированных труб. Например, во внутренней (основной) стальной трубе (рис. 60) создают остаточные напряжения сжатия путем обмотки трубы проволо­ кой или полосой (бандаж) из высокопрочной стали. Причем бандаж за­

132

крепляют сваркой у торца и наматывают на трубу плотно, с большим на­ тягом.

Расстояние между витками проволоки или ленты принимают с уче­ том действия остаточных напряжений. На монтаже трубопроводов сва­ ривают только основные трубы (внутренние оболочки). Наличие оста­ точных напряжений в бандажированной трубе приводит к повышению не­ сущей ее способности, снижению толщины стенки и расхода стали. Кро­ ме того, уменьшается склонность труб к хрупкому разрушению, так как наличие остаточных напряжений сжатия в металле будет способство­ вать затормаживанию развития возникающих очагов разрушения (тре­ щин) .

Перспективные направления совершенствования производства труб большого диаметра

Формовка трубной заготовки на непрерывных трубоформовочных станах. Формование прямошовных труб большого диаметра из листовой заготовки на гидравлических прессах связано с установлением громозд­ ких, большой массы гидравлических прессов и обслуживающих их гид­ равлических станций. Производительность прессов ограничена их техни­ ческой характеристикой.

На вновь создаваемых трубоэлектросварочных установках фор­ мование труб будет осуществляться на непрерывных трубоформовочкых станах. Этот способ формовки труб давно широко применяют при производстве труб малых и средних (до 820 мм) диаметров. Опыт неко­ торых заводов показал, что скорость фо.рмовки труб большого диаметра на непрерывных трубоформовочных станах достигает 25 м/мин. Рабочие клети новых станов формовки труб большого диаметра имеют четыре валка, образующих калибр. Четырехвалковые клети приняты исходя из того, что размеры двухвалковых клетей получились бы очень большими. Кроме того, в двухвалковом калибре разница диаметров валка по краю бочки и по глубине калибра была бы значительной, что привело бы к большой разнице окружных скоростей в соответствующих точках ка­ либра, повышенному скольжению металла по валку и образованию на трубах рисок и задиров.

Новый трубоэлектросварочный стан предназначен для дуговой электросварки труб наружным диаметром 1220—1620 мм и толщиной стенки 8—20,5 мм из двух полуцилиндров, формовать которые будет восьмиклетьевой непрерывный трубоформовочный стан со скоростью 13,5—25 м/мин. В качестве заготовки намечено использовать горячеката­ ный лист из стали марки 17ГС шириной 1900-2550 мм и длиной 11,5—

12 м.

Сварка технологического шва токами высокой частоты. Широко применяемая электродуговая сварка под слоем флюса имеет скорость

133

сварки около 1,5—2 м/мин. Вследствие низких скоростей сварки в тру­ боэлектросварочных цехах для производства прямошовных труб боль­ шого диаметра число сварочных установок для швов бывает значитель­ ным. Чтобы не создавать нескольких установок для наложения техноло­ гических швов, их стали сваривать токами высокой частоты, что позво­ лило значительно увеличить скорость сварки.

На стане 1220—1620 технологические швы можно сваривать токами высокой частоты, а рабочие наружный и внутренний швы электродуговой автоматической сваркой под слоем флюса. Сварка труб малого и среднего диаметров с толщиной стенки до 8 мм токами высокой частоты позволяет осуществлять поверхностный нагрев весьма тонкого слоя ме­ талла кромок заготовки до высокой температуры. При этом ток идет по пути наименьшего реактивного сопротивления. Чем выше частота тока, тем меньше глубина проникновения тока в проводник. Например, при частоте тока 450 кГц глубина проникновения тока в сталь, нагретую до температуры 1000 °С, равна 0,9 мм, а при частоте тока 70 кГц —2,3 мм.

Ток высокой частоты подводят к кромкам трубы контактным или индукционным способом.

При контактном подводе тока, осуществляемом скользящими или роликовыми контактами, ток от источника питания поступает к двум кромкам трубнфй заготовки. Дальше ток может идти от одного контак­ та к другому двумя путями: вокруг трубы или вдоль одной кромки до места стыка и обратно по второй кромке. Индуктивное сопротивление по периметру трубы будет больше, чем вдоль кромок. Поэтому ток пой­ дет вдоль кромок и будет их разогревать, а в месте стыка кромок их те­ мпература будет наивысшей, и под действием сдавливания сжимающими валками образуется шов, т.е. произойдет сварка заготовки в трубу.

При индукционном подводе тока, осуществляемом двухили трехвитковым индуктором, переменный ток высокой частоты, проходящий по индуктору, создает магнитный поток, который индуцирует в металле трубной заготовки ток. Путь его прохождения по трубе будет таким же, как и при контактном подводе тока, но по периметру трубной заготовки может пойти ток большей силы, так как индуктор охватывает трубу кругом. Для того чтобы уменьшить долю электрического тока, проходя­ щего по периметру трубы, внутрь трубы в месте установки индуктора вводят ферритовый сердечник. Индуктивное сопротивление поперечного сечения заготовки при этом увеличивается, и ток идет в основном вдоль кромок трубы, нагревая их до сварочной температуры. Кромки свари­ ваемой заготовки трубы разогревают до сварочной температуры с оплавлением металла в точке схождения кромок. После нагрева кром­ ки сдавливают сжимающими валками в точке их схождения.

В качестве источника энергии при сварке труб токами высокой ча­ стоты применяют ламповые генераторы и транзисторные выпря­ мители.

134

Промышленный ток (обычно напряжением 400 В и частотой 50 Гц) поступает в генератор на первичную обмотку трансформатора. Со второй обмотки трансформатора ток напряжением 6000 В поступает на выпря­ мительный блок, а затем постоянный ток преобразуется в высокочастот­ ный переменный благодаря совместному действию генераторной лампы и колебательного контура. Ток от лампового генератора поступает к блоку конденсаторов по специальному кабелю. От блока конденсаторов ток идет по соединительным шинам в первичную обмотку сварочного трансформатора, а от вторичной обмотки трансформатора ток подается к индикатору или к контактному электроду.

Основное преимущество сварки труб токами высокой частоты — высокая скорость. Трубы малого диаметра с толщиной стенки до 4 мм можно сваривать со скоростью до 1 1 0 м/мин при хорошем качестве шва. Для труб с толщиной до 10 мм скорость сварки 50 м/мин. Скорость сварки технологического шва труб на стане 1220-1620 составляет при­ мерно 25 м/мин.

Технологическая последовательность и оборудование производства прямошовных труб большого диаметра новых трубоэлектросварочных цехов. В современных цехах по производству прямошовных труб боль­ шого диаметра значительная часть оборудования модернизирована. На­ пример, гидравлический пресс-расширитель заменен гидромеханическим, осуществляющим раздачу труб последовательно (участками длиной по 2 м) вместо одновременной раздачи всей трубы, что позволит в не­ сколько раз снизить массу этого оборудования. Цехи снабжены ультра­ звуковыми дефектоскопами, обеспечивающими контроль всех швов труб, и рентгеновскими установками в достаточном количестве.

Примерная технологическая последовательность операций для со­ временного производства труб диаметром 1220—1620 мм и толщиной стенки 8—20,5 мм;

правка листов на листоправильной машине; замер длины листов и их клеймение;

подбор листов одинаковой длины для дальнейшей сборки полуци­ линдров перед сваркой;

обрезка кромок листа до необходимой ширины на кромкострогаль­ ном станке с увеличенным числом клетей;

зачистка кромок листа металлическими щетками; формовка полуцилиндров на восьмиклетевом формовочном стане

со скоростью 13,5—25 м/мин; сборка труб из полуцилиндров (швы расположены в горизонтальной

плоскости); одновременная сварка двух технологических швов на стане высоко­

частотной сварки с индукционным подводом тока частотой 10 Гц; приварка технологических планок с помощью шлангового аппарата

ПШ-54;

135

электродуговая сварка первого внутреннего шва под слоем флюса трехдуговым сварочным аппаратом (трубу надвигают на штангу со сва­ рочным аппаратом с помощью шлеппера со скоростью 1,5—3,2 м/мин);

очистка внутренней поверхности трубы от шлаковой корки и ока­ лины;

сварка второго наружного шва под слоем флюса трехдуговым сва­ рочным аппаратом со скоростью 1,5—3,2 м/мин;

электродуговая сварка первого наружного шва (так же, как и вто­ рого) ;

сварка второго наружного шва под слоем флюса трехдуговым ап­ паратом со скоростью 1,5—3,2 м/мин;

контроль всех швов с помощью ультразвуковых дефектоскопов; рентгенографический'контроль труб с дефектами, обнаруженными

ультразвуковыми дефектоскопами; обрезка труб вместе с технологическими планками плазменными ре­

заками; раздача труб гидромеханическим прессом-расширителем последова­

тельными участками длиной по 2 м; промывка труб после раздачи;

испытание труб гидростатическим давлением на специальном прессе; ремонт труб с мелкими дефектами шва на ремонтной площадке; ремонт труб с внутренними и наружными дефектами шва большой

протяженности на специальных установках по переварке швов; ультразвуковой контроль качества труб; рентгеновский контроль качества труб;

наружный визуальный контроль качества труб работниками отдела технического контроля (ОТК);

торцовка концов труб и снятие фаски на торцовочных станках; принятие труб контролерами ОТК; клеймение и маркировка труб; измерение длины и массы готовых труб.

Технические требования к трубам

Газонефтепроводы —ответственные сооружения. К ним относятся маги­ стральные трубопроводы всех категорий, а также ответвления от них для транспортировки нефти, газа и нефтепродуктов; промысловые сборные газовые и нефтяные сети (шлейфы) и коллекторы; обвязочные (технологические) трубопроводы компрессорных и нефтеперекачиваю­ щих насосных станций, подземных хранилищ нефти и газа, промысло­ вых сборных пунктов, установок комплексной подготовки нефти и газа.

Давление в газонефтепроводах диаметром до 426 мм может дохо­ дить до 32 МПа, а в трубопроводах диаметром от 530 мм и выше - до 10 МПа. В зависимости от рабочего давления магистральные газопрово­

д е

ды подразделяются на два класса: класс 1 при рабочем давлении 2,5— 10 МПа и класс 2 при рабочем давлении 1,2—2,5 МПа.

Взависимости от диаметра магистральные нефтепроводы и нефтепродуктопроводы подразделяются на четыре класса: класс 1 при услов­ ном диаметре 1000-1200 мм, класс 2 —500—1000 мм, класс 3 —300— 500 мм и класс 4 —300 мм и менее.

Взависимости от условий работы, объема неразрушающего контро­ ля сварных соединений и испытательного давления магистральные трубо­ проводы и их участки делятся на категории В, I, II, III и IV.

Рабочее давление в магистральных газопроводах может доходить до 10,0 МПа, а в нефтепроводах —до 6,4 МПа.

Помимо рабочих напряжений от действия внутреннего давления в металле трубопровода возникают многочисленные, с трудом контроли­ руемые и не поддающиеся точному расчету дополнительные напряжения, связанные с условиями его строительства и эксплуатации. Особенно усложняется напряженное состояние трубопровода при его строитель­ стве и эксплуатации в условиях Крайнего Севера при температуре до ми­ нус 50—60 °С, увеличивающей склонность металла труб к хрупкому раз­ рушению из-за явления хладноломкости.

На несущую способность трубопроводов, т.е. на способность металла воспринимать различные нагрузки без разрушения, большое влияние оказывают:

металлургические факторы, связанные с металлургическим произ­ водством заготовок труб - слитков, листов, полос (ликвация, расслое­ ния, газовые пузыри, неметаллические включения, полосчатость, пле­ ны);

технологические факторы, связанные с технологическим процессом формования труб из заготовок (локальные пластические деформации, наклеп), приводящие к изменению механических свойств металла;

строительные факторы, связанные с нарушением технологического процесса сварки и укладки трубопроводов. При транспортировке труб и их многократной переброске (выгрузка и погрузка на трубовозы, сбор­ ка на стеллажах, сварка и последующая погрузка и разгрузка на трассе) на поверхности труб образуется большое число мелких и крупных ри­ сок, задиров и вмятин. При неправильном подъеме сваренного трубо­ провода могут образоваться местные вмятины, переломы в местах рас­ положения на трубе захватов и т.д.

Несущая способность металла труб снижается пропорционально ослаблению толщины стенки различными дефектами металлургического, технологического и строительного характера, повышающими склонность

металла к хрупкому разрушению.

Влияние тех или иных факторов на несущую способность трубопро­ водов снижается в значительной степени или устраняется полностью

137

при разработке и соблюдении оптимальных технологических процессов выплавки стали, прокатки листов, полос и труб, формования и сварки труб из листов и полос, а также процессов строительства трубопроводов.

Для обеспечения высокой несущей способности трубопроводов к трубам для газонефтепроводов предъявляют комплекс технических тре­ бований: по механическим свойствам, химическому составу, технологи­ ческим свойствам, точности размеров, качеству поверхности и прочности при гидравлическом испытании. При этом сталь должна быть недефицитной и обладать невысокой стоимостью, так как в затратах на сооружение газонефтепроводов стоимость стали составляет значительную часть.

Трубы, предназначенные для магистральных газонефтепроводов, нефтепродуктопроводов, технологических и промысловых трубопрово­ дов, подразделяют по основным параметрам и размерам (в соответст­ вии с ГОСТ 20295—85) на три типа: 1 —диаметром 159—426 мм прямо­ шовные контактной сварки токами высокой частоты; 2 — диаметром 159—820 мм спиральношовные электродуговой сварки; 3 —диаметром 530—820 мм прямошовные электродуговой сварки. Поставляют их в за­ висимости от механических свойств по классам прочности К34, К38, К42, К50, К52, К55 и К601(см. табл. 2) . Трубы диаметром 1020, 1220 и 1420 мм поставляют по согласованным с потребителями техническим условиям.

Механические свойства трубной стали характеризуются гарантиро­ ванными показателями прочности - временным сопротивлением разры­ ву ав и пределом текучести ат, пластичности —относительным удлинени­ ем 5, определяемыми при испытании на растяжение, а также ударной вяз­ костью, по которой оценивают склонность стали к хрупкому разруше­ нию. Это приобретает особенно большое значение на строительстве газо­ нефтепроводов в северных условиях.

В зависимости от климатических условий строительства и эксплуа­ тации газонефтепроводов поставляемые трубы условно подразделяют на трубы в обычном исполнении, предназначенные для средних и южных районов страны с температурой воздуха —40 °С и выше и температурой их эксплуатации не ниже 0 или —5 °С, и трубы в северном исполнении, предназначенные для строительно-монтажных работ при температуре до —60 °С и эксплуатации в северных районах страны при отрицательных температурах не ниже —15 или —20 °С. Поэтому для трубной стали га­ рантируют: ударную вязкость KCU на образцах типа 1—3 (типа Менаже) (табл. 18) с полукруглым концентратом U при минимальной температу­ ре строительства, ударную вязкость KCV на образцах типа 11—13 (типа Шарпи) с острым концентратом V при минимальной температуре эксп­ луатации; процент волокна в изломе на образцах ДВТТ при минималь­ ной температуре эксплуатации (табл. 19). Для металла с номинальной толщиной стенки 10 мм и более процент волокна в изломе определяют на образцах ДВТТ высотой 75 мм и номинальной толщиной стенки ме-

138

Таблица 18. Ударная вязкость KCU (вДж /см2) на образцах типа 1—3 (типа Менаже) при температуре -6 0 °С для районов Крайнего Севера и -4 0 °С для осталь­ ных районов

Таблица 19. Ударная вязкость KCV на образцах типа 11-13 (типа Шарли) и про­ цент волокна В в изломе на образцах ДВТТ основного металла труб толщиной сте­ нок 6 мм и более при температуре, равной минимальной температуре стенки тру­ бопровода при эксплуатации

Примечание. Для трубопроводов, транспортирующих жидкие продукты, требо­ вания по волокну в изломе не предъявляются.

нее 10 мм —высотой 50 мм (толщина образца равна толщине стенки труб).

Для сварных труб проводят также испытания сварного соединения на разрыв и ударную вязкость.

Трубы изготавливают из стали, имеющей отношение ат/а в не более: 0,75 для углеродистой стали; 0,8 для низколегированной нормализован­ ной стали; 0,85 для дисперсионно-твердеющей нормализованной и тер­

637,4 МПа 85 >18 %, для стали с ав до 686,5 МПа 65=^16 %.

139

Химический состав стали бесшовных горячекатаных труб определя­ ют на специально отобранных, для этого пробах. В случае необходимости проводят контрольный химический анализ от двух труб одной плавки и одной партии. У сварных труб химический состав стали допускается при­ нимать по сертификату завода—изготовителя листовой стали, из которой выполнены трубы.

Для изготовления бесшовных горячекатаных и сварных труб диа­ метром не более 426 мм применяют углеродистые стали обычной проч­ ности, для изготовления сварных труб диаметром 530, 720 и 820 мм - низколегированные стали повышенной прочности, для изготовления сварных труб диаметром 1020, 1220 и 1420 мм —низколегированные стали высокой прочности в термическиили термомеханически упрочнен­ ном (контролируемая прокатка) состоянии.

Для газонефтепроводов трубы поставляют партией, состоящей из труб одного размера по диаметру и толщине стенки, одной плавки стали (одной марки) и одного вида термической обработки (для термически обработанных) по группе В с гарантированными требованиями по хими­ ческому составу, механическим и технологическим свойствам.

Технологические свойства характеризуют способность трубной стали выдерживать различные воздействия при изготовлении труб на заводе, а также при монтажно-сварочных операциях трубопроводов на трассе без существенного нарушения исходных механических и других рабочих свойств. Прежде всего к технологическим свойствам труб относят их способность к пластической деформации и свариваемость.

Способность трубной стали подвергаться пластической деформации определяют с помощью технологических испытаний. Для сварных труб технологическое испытание проводят на изгиб на образцах, вырезанных из листов и полос, идущих на изготовление труб. Образцы подвергают испытанию на изгиб в холодном состоянии. Бесшовные горячекатаные, а также сварные трубы малого диаметра испытывают в холодном состоя­ нии обычно на раздачу, сплющивание, изгиб и бортование по соответст­ вующим стандартам.

Трубы считают качественными, если после соответствующих техно­ логических испытаний не будет выявлено различных дефектов метал­ лургического характера — мельчайших трещин, надрывов и других по­ роков. В случае неудовлетворительных испытаний возможны повторные испытания в соответствии со стандартом.

Испытание труб на бортование (рис. 61,д) проводят на отрезках трубы длиной не менее 0,5d (где d — наружный диаметр трубы) при по­ мощи оправки путем медленной плавной отбортовки на угол 90 или 60° конца отрезка трубы до получения фланца заданного диаметра D. Ра­ диус закругления оправки г должен быть не более 2до (<ZQ —толщина стенки трубы). Допускается отбортовка с предварительной раздачей. При испытании поверхность оправки покрывают консистентной смазкой.

140