Материал: Технология металлов и трубопроводостроительных материалов. учебное пособие. Ткаченко Ю.С

Ю.С. Ткаченко

ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ

И ТРУБОПРОВОДОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Часть 1

Учебное пособие

Воронеж 2007

ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Ю.С. Ткаченко

ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ

И ТРУБОПРОВОДОСТРОИТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Часть 1

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2007

УДК 621.643:622.69

Ткаченко Ю.С. Технология металлов и трубопроводостроительных материалов: учебное пособие // Ю.С. Ткаченко Воронеж: «ГОУВПО Воронежский государственный технический университет», 2007 с. Ч.1 111с.

В первой части учебного пособия представлены разделы курса «Технология металлов и трубопроводостроительных материалов», включающие вопросы по работоспособности металлов труб газонефтепроводов и методам оценки сопротивления металла труб разрушению, сталям для труб магистральных газонефтепроводов, конструкциям и методам изготовления труб для газонефтепроводов.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 130500 «Нефтегазовое дело» специальности 130501 «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» дисциплине «Технология металлов и трубопроводостроительных материалов».

Пособие предназначено студентам естественно-технического профиля очной и заочной форма обучения, изучающих указанную дисциплину, а также может использоваться при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде

в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле ТМ и ТСМ Ч1.doc.

Табл. 12. Ил. 17. Библиогр.: 9 назв.

Научный редактор профессор В.М. Пачевский

Рецензенты: кафедра нефтегазового оборудования и транспортировки Воронежского государственного технического университета (зам. зав. кафедрой д-р. техн. наук, проф. Ю.А. Булыгин);

д-р. техн. наук, проф. Ю.А. Василенко

©Ткаченко Ю.С.,2007

© Оформление. «ГОУВПО Воронежский государственный технический университет», 2007

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение объема добычи и транспортировки нефти и газа по трубопроводам, систематическое повышение мощности сооружаемых газонефтепроводов, рост их протяженности определяют большую металлоемкость нефтяной и газовой промышленности, которая ежегодно расходует несколько миллионов тонн стали, в основном в виде труб. Необходимость стабильного обеспечения промышленности сырьем и топливом и жесткие требования к обеспечению работоспособности трубопроводов определили не только большой расход металла для производства труб, но и применение для этой цели сталей с весьма высокими свойствами. Ежегодная потребность стали только для производства труб большого диаметра составляет примерно 3 млн. т. В связи с этим при разработке стали для труб наряду с требованием высокой надежности в эксплуатации стоит вопрос обеспечения минимальной их стоимости при высокой прочности, вязкости и хладостойкости, т. е. максимального снижения металлоемкости газонефтепроводов.

За короткий срок диаметр применяемых труб повысился с 325—520 мм (на одних из первых газопроводах Саратов — Москва, Дашава — Киев — Брянск—Москва) до 1220—1420 мм на современных газонефтепроводах. Резко возросли требования к прочности трубной стали (с 480—500 до 600—700 МПа) при одновременном повышении ее вязкости и свариваемости в полевых условиях. Требования к ударной вязкости металла труб с факультативных значений 0,3 МДж/м² на стандартных образцах с круглым надрезом (Менаже) повысились до 0,8— 1,2 МДж/м² на образцах с острым надрезом (Шарпи). Все это вызвало интенсивное развитие научных исследований в металлургической и трубной отраслях промышленности.

Решить поставленные задачи на базе обычных низколегированных нормализованных сталей уже не представлялось возможным, так как при таком производстве повышение прочности стали неизбежно приводит к снижению ее вязкости и ухудшению свариваемости.

За последние 15-20 лет было организовано производство нового типа малоперлитных или бесперлитных сталей, получаемых методом контролируемой прокатки. Высокие свойства этого типа сталей достигаются при минимальном легировании (микролегирование карбонитридными элементами) за счет максимального измельчения её структуры при прокатке и контролируемом охлаждении. Повышение пластичности и вязкости стали обеспечивается благодаря формированию однородной структуры и субструктуры, пониженному содержанию вредных примесей и неметаллических включений, снижению уровня локальных внутренних напряжений. Успех металлургов в этой области можно показать на примере снижения содержания серы в металле—с 0,04 до 0,002—0,006%, балла зерна —с 7—8 номера до 12—14. Физический смысл нового типа стали для труб состоит в формировании возможно более однородной и дисперсной структуры. Такой тип стали может быть получен путем применения различных режимов контролируемой прокатки или термического улучшения. Указанные вопросы будут рассмотрены в настоящей книге.

Рост мощности трубопроводов и снижение температуры перекачки газа вызвали необходимость разработки новых кон­струкций труб и новой технологии их производства, появились многослойные трубы из витых обечаек, двухслойные спиралешовные, бесшовные трубы из полых заготовок, получаемые методом непрерывной разливки и др.

На данном этапе стоит задача не только продолжать сооружение мощных и сверхмощных газонефтепроводов, но и строить широкую сеть некрупных продуктопроводов, а также развитую систему промысловых, сборных сетей различных диаметров и давлений вплоть до высоких (Порядка 12—35 МПа). Следовательно, в зависимости от рабочих параметров газонефтепроводов и промысловых сетей должны выпускаться типы труб, различающиеся как по диаметру и конструкции, так и, главное, по типу стали. Классификация труб в настоящее время в значительной степени уже определилась. Вот примерная схематическая спецификация типов труб и сталей для газонефтепроводов, которые будут рассмотрены в данном пособии;

для трубопроводов диаметром менее 500 мм применяют бесшовные и сварные трубы из простых углеродистых горячекатаных и термоупрочненных сталей; отдельно стоит вопрос о трубах указанного диаметра, но рассчитанных на работу под давлением 10—35 МПа;

для трубопроводов 500—1020 мм используют сварные трубы из простых низколегированных сталей типа 17Г1С в горячекатаном, нормализованном или термоупрочненном состоянии;

для трубопроводов диаметром 1020—1420 мм, предназначенных для работы под высоким давлением, применяют сварные трубы из сталей контролируемой прокатки и низколегированной термоупрочненой стали, а также трубы специальных конструкций.

Трубы — главный конструктивный элемент любых трубопроводов. Их качество, свойства металла и сварных соединений в значительной степени определяют возможные отказы, остановки и аварии на газонефтепроводах, а также размеры и последствия отказов и аварий.

Предметом курса «Технология металлов и трубопроводно строительные материалы» являются современные рациональные и распространенным в промышленности прогрессивные методы форма образования заготовок детали машин методами литья и пластического деформирования; технологические процессы изготовления деталей машин; классификация способов и основы технологии сварки и пайки, в том числе трубопроводостроительных материалов; факторы, влияющие на показатели качества и работоспособность газонефтепроводов.

В первой части пособия содержится информация о трубопроводостроительных материалов высокой прочности, пластичности, технологичности; трубах, полученных различными методами; факторов, влияющих на выбор трубопроводостроительных материалов для магистральных газопроводах; методах определения их работоспосности.

1. Условия работы металла труб газонефтепроводов и методы оценки их работоспособности

1.1. Особенности работы металла в трубопроводах

Трубопроводный транспорт является одним из самых экономичных способов передачи жидких и газообразных продуктов на дальние расстояния с минимальными потерями продукта в процессе доставки его потребителям. Современные магистральные трубопроводы — исключительно протяженные металлические сооружения. Протяженность некоторых газопроводов превышает 4 тыс. км. Они пересекают страну с севера на юг и с востока на запад.

Случающиеся разрушения магистральных газонефтепроводов весьма опасны. Зона поражения окружающей среды от очага разрушения составляет от нескольких сот метров до нескольких километров. Особая опасность при разрушениях связана с возможностью загазованности территорий и населенных пунктов, образованием взрывоопасной смеси газа и воздуха, возгоранием транспортируемых продуктов, их попаданием в крупные водоемы. Известно, например, что только 1 т разлившейся нефти создает на водяной поверхности масляную пленку площадью 18 км². В таких случаях для восстановления экологического равновесия требуется проведение целого комплекса ре-культивационных работ, что связано с большими материальными затратами.

Условия работы металла труб в газонефтепроводах высокого давления сугубо специфичны, резко отличаются от условий работы металла в других стальных конструкциях, что обусловлено следующими факторами.

1. Эксплуатация металла труб одного и того же трубопровода вследствие его большой протяженности осуществляется в резко отличающихся природно-климатических условиях — от вечной мерзлоты в северных районах до пустынь и полупустынь в южных. Этими же условиями определяется широкий диапазон типов и механических характеристик грунтов, в которых проложен трубопровод, возможность возникновения в металле труб пластических деформации при пересечении разнообразных естественных препятствий — водных преград, болот, гор, оврагов и др.

В подземных газопроводах металл работает при температуре грунта. Защемление труб диаметром до 1020 мм грунтом осуществляется на участке длиной несколько десятков метров. На рис. 1 приведены результаты измерений упругих осевых перемещений и напряжений, снятых при разрезке подземного газопровода диаметром 426 мм. Как видно, защемление труб грунтом осуществляется на длине 25—50 м. Перемещения концов, труб в месте разреза достигали 29 мм, а продольные напряжения— 200 МПа. В газопроводах диаметром 1020 мм и более защемление трубопровода грунтом не всегда бывает достаточным, температурный режим их работы и величина продольных деформаций в значительной степени определяются условиями работы аппаратов воздушного охлаждения (АВО) и их количеством. При отсутствии АВО температура трубопровода может возрастать по его длине, так как грунт уже не способен отобрать тепло, полученное газом при компримировании. Поэтому обеспечение защемления мощных газопроводов в различных грунтах, предупреждение их всплытия или выпучивания в болотистых и обводненных местах являются сложной технической задачей, которую не всегда удается надежно решить, вследствие чего устойчивость трубопровода не всегда бывает обеспечена.

2. В зависимости от природно-климатических условий металл труб работает в широком диапазоне температур — от 40— 60 СС в летний период до —15 °С в зимний, а в северных климатических зонах на участках надземной прокладки минимальная температура эксплуатации может быть значительно ниже. Строительно-монтажные работы на трубопроводах выполняются в ряде случаев только зимой при температуре до —60 °С.

3. Металл труб в течение амортизационного срока (свыше 30 лет) практически постоянно работает в условиях двухосного напряженного состояния с различным, зависящим от многих факторов, отношением напряжений в кольцевом и продольном направлениях. Кроме того, металл нефтепроводов испытывает малоцикловые нагрузки, которые в отдельных случаях могут вызывать напряжения, достигающие предела текучести.

Влияние схемы напряженного состояния трубопроводов на пластические свойства металла труб наглядно прослеживается ПО изменению относительного удлинения. Так, если на плоских пятикратных образцах при одноосном растяжении удлинение составляет 20—30%, то в условиях плоского напряженного состояния при гидравлических испытаниях до разрушения полной размерных труб пластическое удлинение периметра достигает только 3—7%, а в трубах из высоковязких пластичных сталей контролируемой прокатки — 8—12 %.

4. В металле трубопроводов практически неизбежно наличие концентраторов — задиров, царапин, ориентированных вдоль образующей трубы. Они могут быть заводского, транспортного и строительного происхождения. Действие концентраторов напряжений усиливается в местах отклонения трубы от цилиндрической формы из-за овальности сечений и наличия вмятин.

Наиболее опасным для работы труб является сочетание в одном сечении вмятины и задира или наличие задира на ма­лой оси овального сечения труб. Анализ обстоятельств многих разрушений труб на трассе показывает, что подавляющее число разрушений происходило по верхней или нижней образующей, т. е. по малому диаметру овального сечения труб, уложенных в грунте, поскольку именно так ориентировано сечение труб газопровода, уложенного в траншею и засыпанного грунтом.

5. Газопроводы аккумулируют большое количество упругой энергии сжатого газа, вследствие чего в них могут возникать протяженные вязкие и хрупкие разрушения, происходящие в условиях высоких динамических нагрузок. При высокой энергоемкости процесса разрушения и скорости нагружения возможно изменение характеристик металла.

6. Большая энергетическая мощность магистральных трубопроводов, обеспечивающих сырьем или энергией крупные предприятия и целые промышленные районы, требует стабильной поставки продуктов потребителю. Металл газонефтепроводов практически невозможно подвергнуть профилактическому осмотру и провести предупредительный ремонт. Возможен только капитальный ремонт трубопроводов с остановкой их на длительный срок в обстоятельствах, оправдывающих такую остановку.

Все это обусловливает необходимость принятия широкого комплекса мероприятий с целью предупреждения разрушений трубопроводов, а в случае возникновения — их максимальной локализации, обеспечения безопасности близлежащих объектов и обслуживающего персонала, создания условий для быстрого выполнения ремонтно-восстановительных работ.

Поэтому, несмотря на кажущуюся простоту конструкции, и расчетной схемы, трубопровод является сложным, дорогостоящим, исключительно металлоемким и ответственным сооружением. Этим объясняется большое внимание, уделяемое разработке вопросов эксплуатационной надежности магистральных трубопроводов как в России, так и во многих странах мира.

Прочность магистрального трубопровода, его эксплуатационная надежность определяются в первую очередь силовыми факторами, свойствами и качеством труб. Для магистральных трубопроводов основными нагрузками являются внутреннее давление и продольные усилия, вызванные температурным перепадом в линейной части трубопровода вследствие различия температурных условий строительства и эксплуатации. Нормы и правила расчета, необходимые формулы и коэффициенты принимаются согласно СНиП 2.05.06—85.

Достаточно точному расчету поддаются только кольцевые напряжения, а продольные напряжения и устойчивость трубопровода определяются не только влиянием температуры, но и условиями взаимодействия трубопровода с грунтом, наличием пригрузов, опор, компенсаторов и др. Наблюдавшиеся разрушения трубопроводов не были связаны с недостаточным запасом прочности, т. е. не вызваны превышением действующих кольцевых напряжений над расчетными. Большинство разрушений было обусловлено недостаточным сопротивлением стали труб зарождению трещин, потерей продольной устойчивости при температурных воздействиях, поперечным изломом труб при просадке грунта, коррозийными повреждениями, отклонением действительных условий нагружения от расчетных в конструкциях подводных переходов в условиях весенних паводков.

Поэтому эксплуатационную надежность трубопроводов обеспечивают путем предупреждения разрушений. Так, разрушения, связанные с недостаточным сопротивлением зарождению и распространению трещин, предупреждают металлургическими методами — повышением механических свойств, качества стали и сварных соединений труб, а разрушения, связанные с потерей местной или общей устойчивости трубопроводов, — совершенствованием методов расчета и проектирования и повышением качества выполнения строительно-монтажных работ; разрабатываются и совершенствуются меры противокоррозийной защиты.