книги / Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ
..pdfкольцевых 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
Рис. 59. Труба с гофром по винтовой |
Рис. 60. Бандажированная труба: |
линии |
1 — основная труба; 2 — лента из вы |
|
сокопрочной стали (бандаж) |
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
Номинальная толщина стен |
Основной металл труб |
Основной металл соедини |
ки труб и соединительных |
|
тельных деталей |
деталей, мм |
|
|
6-10 |
29,4 |
29,4 |
1 0 -1 5 |
39,2 |
29,4 |
1 5 -2 5 |
49 |
29,4 |
2 5 -3 0 |
58,8 |
39,2 |
3 0 -4 5 |
■” |
49 |
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
Условный диаметр |
Рабочее давление |
KCV, Дж/см2, |
в,% |
труб, мм |
МПа |
не менее |
не менее |
До 500 |
10 и менее |
24,5 |
— |
|
|
|
|
500-600 |
10 и менее |
29,4 |
- |
700-800 |
10 и менее |
29,4 |
50 |
1000 |
5,5 и менее |
29,4 |
50 |
1000 |
7,5 |
39,2 |
60 |
1000 |
10 |
58,8 |
60 |
1200 |
5,5 и менее |
39,2 |
60 |
1200 |
7,5 |
58,8 |
70 |
1200 |
10 |
78,4 |
80 |
1400 |
7,5 |
78,4 |
80 |
1400 |
10 |
107,8 |
85 |
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
мически |
упрочненной стали; |
0,9 для стали контролируемой прокатки, |
включая |
бейнитную. Для сталей с временным сопротивлением ав |
|
до 588,4 |
МПа относительное |
удлинение 65 >20%, для стали с ав до |
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