УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ТРУБОПРОВОДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОСНОВНОЕ. Учебное пособие Воронеж 2015
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
Ю.С. Ткаченко ТРУБОПРОВОДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Учебное пособие Воронеж 2015 1 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» Ю.С. Ткаченко ТРУБОПРОВОДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Воронеж 2015 2 УДК 621.643:622.69 Ткаченко Ю.С. Трубопроводостроительные материалы: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф. данные (625 КБ) / Ю.С. Ткаченко.– Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический универси- тет», 2015. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM):цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением 1024x768; MS Word 2007 или более поздняя версия; CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана. В учебное пособие включены вопросы по методам оценки сопротивления металла труб разрушению, сталям для труб магистральных газонефтепроводов, конструкциям и ме- тодам изготовления труб для газонефтепроводов. Издание соответствует требованиям Федерального го- сударственного образовательного стандарта высшего профес- сионального образования по направлению 131000.62 «Нефте- газовое дело», профилю «Эксплуатация и обслуживание объ- ектов транспорта и хранения нефти, газа и продуктов перера- ботки», дисциплине «Трубопроводостроительные материалы». Табл. 12. Ил. 17. Библиогр.: 9 назв. Рецензенты: кафедра теплогазоводоснабжения Юго-Западного государственного университета (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. Н.С. Кобелев); д-р техн. наук, проф. В.В. Пешков © Ткаченко Ю.С., 2015 © Оформление. ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015 3 ВВЕДЕНИЕ Увеличение объема добычи и транспортировки нефти и га- за по трубопроводам, систематическое повышение мощности сооружаемых газонефтепроводов, рост их протяженности оп- ределяют большую металлоемкость нефтяной и газовой про- мышленности, которая ежегодно расходует несколько мил- лионов тонн стали, в основном в виде труб. Необходимость стабильного обеспечения промышленности сырьем и топли- вом 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 4 млн. т. В связи с этим при разработке стали для труб наряду с требованием высокой надежности в эксплуата- ции стоит вопрос обеспечения минимальной их стоимости при высокой прочности, вязкости и хладостойкости, т. е. макси- мального 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 требо- вания к прочности трубной стали (с 480—500 до 600—700 МПа) при одновременном повышении ее вязкости и сваривае- мости в полевых условиях. Требования к ударной вязкости металла труб с факультативных значений 0,3 МДж/м 2 на стан- дартных образцах с круглым надрезом (Менаже) повысились до 0,8— 1,2 МДж/м 2 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 низколегиро- ванных нормализованных сталей уже не представлялось воз- можным, так как при таком производстве повышение прочно- сти стали неизбежно приводит к снижению ее вязкости и ухудшению свариваемости. 4 За последние 20-25 лет было организовано производство нового типа малоперлитных или бесперлитных сталей, полу- чаемых методом контролируемой прокатки. Высокие свойства этого типа сталей достигаются при минимальном легировании (микролегирование карбонитридными элементами) за счет максимального измельчения еѐ структуры при прокатке и кон- тролируемом охлаждении. Повышение пластичности и вязко- сти стали обеспечивается благодаря формированию однород- ной структуры и субструктуры, пониженному содержанию вредных примесей и неметаллических включений, снижению уровня локальных внутренних напряжений. Успех металлур- гов в этой области можно показать на примере снижения со- держания серы в металле—с 0,04 до 0,002—0,006%, балла зер- на —с 7—8 номера до 12—14. Физический смысл нового типа стали для труб состоит в формировании возможно более одно- родной и дисперсной структуры. Такой тип стали может быть получен путем применения различных режимов контролируе- мой прокатки или термического улучшения. Указанные вопро- сы будут рассмотрены в настоящей книге. Рост мощности трубопроводов и снижение температуры перекачки газа вызвали необходимость разработки новых кон- струкций труб и новой технологии их производства, появились многослойные трубы из витых обечаек, двухслойные спира- лешовные, бесшовные трубы из полых заготовок, получаемые методом непрерывной разливки и др. На данном этапе стоит задача не только продолжать соору- жение мощных и сверхмощных газонефтепроводов, но и стро- ить широкую сеть некрупных продуктопроводов, а также раз- витую систему промысловых, сборных сетей различных диа- метров и давлений вплоть до высоких (Порядка 12—35 МПа). Следовательно, в зависимости от рабочих параметров газо- нефтепроводов и промысловых сетей должны выпускаться ти- пы труб, различающиеся как по диаметру и конструкции, так и, главное, по типу стали. Классификация труб в настоящее время в значительной степени уже определилась. Вот пример- ная схематическая спецификация типов труб и сталей для га- 5 зонефтепроводов, которые будут рассмотрены в данном посо- бии; для трубопроводов диаметром менее 500 мм применяют бесшовные и сварные трубы из простых углеродистых горяче- катаных 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 тру- бы из простых низколегированных сталей типа 17Г1С в горя- чекатаном, нормализованном или термоупрочненном состоя- нии; для трубопроводов диаметром 1020—1420 мм, предназна- ченных для работы под высоким давлением, применяют свар- ные трубы из сталей контролируемой прокатки и низколеги- рованной термоупрочненой стали, а также трубы специальных конструкций. Трубы — главный конструктивный элемент любых трубо- проводов. Их качество, свойства металла и сварных соедине- ний в значительной степени определяют возможные отказы, остановки и аварии на газонефтепроводах, а также размеры и последствия отказов и аварий. Предметом курса «Трубопроводостроительные мате- риалы» являются методы оценки сопротивления металла труб разрушению, стали для труб магистральных газонефтепрово- дов, конструкциии и методы изготовления труб для газонефте- проводов; факторы, влияющие на показатели качества и рабо- тоспособность газонефтепроводов. В пособии содержится информация о трубопроводострои- тельных материалах высокой прочности, пластичности, техно- логичности; трубах, полученных различными методами; о факторах, влияющих на выбор трубопроводостроительных ма- териалов для магистральных газопроводах; методах определе- ния их работоспосности. 6 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 про- дуктов на дальние расстояния с минимальными потерями про- дукта в процессе доставки его потребителям. Современные ма- гистральные трубопроводы — исключительно протяженные металлические сооружения. Протяженность некоторых газо- проводов превышает 4 тыс. км. Они пересекают страну с севе- ра на юг и с востока на запад. Случающиеся разрушения магистральных газонефтепро- водов весьма опасны. Зона поражения окружающей среды от очага разрушения составляет от нескольких сот метров до не- скольких километров. Особая опасность при разрушениях свя- зана 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 разлив- шейся нефти создает на водяной поверхности масляную плен- ку площадью 18 км 2 . В таких случаях для восстановления эко- логического равновесия требуется проведение целого ком- плекса ре-культивационных работ, что связано с большими материальными затратами. Условия работы металла труб в газонефтепроводах высо- кого давления сугубо специфичны, резко отличаются от усло- вий работы металла в других стальных конструкциях, что обу- словлено следующими факторами. 1. Эксплуатация металла труб одного и того же трубо- провода вследствие его большой протяженности осуществля- ется в резко отличающихся природно-климатических условиях — от вечной мерзлоты в северных районах до пустынь и полу- пустынь в южных. Этими же условиями определяется широ- 7 кий 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 темпера- туре 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 определяют- ся 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 ком- примировании. Поэтому обеспечение защемления мощных га- зопроводов в различных грунтах, предупреждение их всплы- тия или выпучивания в болотистых и обводненных местах яв- ляются сложной технической задачей, которую не всегда уда- ется надежно решить, вследствие чего устойчивость трубопро- вода 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 мини- мальная температура эксплуатации может быть значительно ниже. Строительно-монтажные работы на трубопроводах вы- полняются в ряде случаев только зимой при температуре до — 60 °С. 8 Рис.1. Зависимость продольных перемещений (а) и напряже- ний (б) по длине защемленного грунтом трубопровода диамет- ром 426 мм после его разрезки 3. Металл труб в течение амортизационного срока (свыше 30 лет) практически постоянно работает в условиях двухосно- го напряженного состояния с различным, зависящим от мно- гих факторов, отношением напряжений в кольцевом и про- дольном направлениях. Кроме того, металл нефтепроводов ис- пытывает малоцикловые нагрузки, которые в отдельных слу- чаях могут вызывать напряжения, достигающие предела теку- чести. Влияние схемы напряженного состояния трубопроводов на пластические свойства металла труб наглядно прослежива- ется ПО изменению относительного удлинения. Так, если на плоских пятикратных образцах при одноосном растяжении уд- линение составляет 20—30%, то в условиях плоского напря- женного состояния при гидравлических испытаниях до разру- шения полной размерных труб пластическое удлинение пери- метра достигает только 3—7%, а в трубах из высоковязких пластичных сталей контролируемой прокатки — 8—12 %. 4. В металле трубопроводов практически неизбежно на- личие концентраторов — задиров, царапин, ориентированных 9 вдоль образующей трубы. Они могут быть заводского, транс- портного и строительного происхождения. Действие концен- траторов 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 чис- ло разрушений происходило по верхней или нижней образую- щей, т. е. по малому диаметру овального сечения труб, уло- женных в грунте, поскольку именно так ориентировано сече- ние труб газопровода, уложенного в траншею и засыпанного грунтом. 5. Газопроводы аккумулируют большое количество упру- гой энергии сжатого газа, вследствие чего в них могут возни- кать протяженные вязкие и хрупкие разрушения, происходя- щие 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 круп- ные предприятия и целые промышленные районы, требует стабильной поставки продуктов потребителю. Металл газо- нефтепроводов практически невозможно подвергнуть профи- лактическому осмотру и провести предупредительный ремонт. Возможен только капитальный ремонт трубопроводов с оста- новкой их на длительный срок в обстоятельствах, оправды- вающих такую остановку. Все это обусловливает необходимость принятия широко- го комплекса мероприятий с целью предупреждения разруше- ний трубопроводов, а в случае возникновения — их макси- мальной локализации, обеспечения безопасности близлежащих объектов и обслуживающего персонала, создания условий для быстрого выполнения ремонтно-восстановительных работ. Поэтому, несмотря на кажущуюся простоту конструкции, 10 и расчетной схемы, трубопровод является сложным, дорого- стоящим, исключительно металлоемким и ответственным со- оружением. Этим объясняется большое внимание, уделяемое разработке вопросов эксплуатационной надежности магист- ральных трубопроводов как в России, так и во многих странах мира. Прочность магистрального трубопровода, его эксплуата- ционная надежность определяются в первую очередь силовы- ми факторами, свойствами и качеством труб. Для магистраль- ных трубопроводов основными нагрузками являются внутрен- нее давление и продольные усилия, вызванные температурным перепадом в линейной части трубопровода вследствие разли- чия температурных условий строительства и эксплуатации. Нормы и правила расчета, необходимые формулы и коэффи- циенты принимаются согласно СНиП 2.05.06—85. Достаточно точному расчету поддаются только кольце- вые напряжения, а продольные напряжения и устойчивость трубопровода определяются не только влиянием температуры, но и условиями взаимодействия трубопровода с грунтом, на- личием пригрузов, опор, компенсаторов и др. Наблюдавшиеся разрушения трубопроводов не были связаны с недостаточным запасом прочности, т. е. не вызваны превышением действую- щих кольцевых напряжений над расчетными. Большинство разрушений было обусловлено недостаточным сопротивлени- ем стали труб зарождению трещин, потерей продольной ус- тойчивости при температурных воздействиях, поперечным из- ломом труб при просадке грунта, коррозийными поврежде- ниями, отклонением действительных условий нагружения от расчетных в конструкциях подводных переходов в условиях весенних паводков. Поэтому эксплуатационную надежность трубопроводов обеспечивают путем предупреждения разрушений. Так, раз- рушения, связанные с недостаточным сопротивлением зарож- дению и распространению трещин, предупреждают металлур- гическими методами — повышением механических свойств, качества стали и сварных соединений труб, а разрушения, свя- 11 занные с потерей местной или общей устойчивости трубопро- водов, — совершенствованием методов расчета и проектиро- вания и повышением качества выполнения строительно- монтажных работ; разрабатываются и совершенствуются меры противокоррозийной защиты. 1.2. Некоторые данные о разрушениях труб на газонефтепроводах Разрушения трубопроводов по их происхождению можно разделить на два типа: разрушения при предпусковых испытаниях, связанные с дефектами труб, их повреждением в процессе транспортиров- ки и строительства; разрушения в условиях эксплуатации, происходящие из- за почвенной коррозии, дефектов проектирования и выполне- ния: строительно-монтажных работ, нарушений режимов экс- плуатации и в меньшей степени из-за скрытых дефектов труб. Разрушения в основном металле чаще происходят в ста- лях с недостаточными вязкими свойствами. Такие разрушения характерны для труб диаметром 720—1220 мм, изготовленных из низколегированных горячекатаных и нормализованных ста- лей. По характеру распространения разрушений последние подразделяются на хрупкие, смешанные и вязкие. Наибольшая из известных протяженность вязкого разрушения составляла 850 м, хрупкого — 2400 м. Разрушения газопроводов, длина которых превышала 100 м, составили около 6 % общего числа разрушений [1]. С ростом числа построенных газонефтепроводов повы- шенной мощности диаметром 1020—1220 мм из низколегиро- ванных нормализованных сталей заметно увеличилось число длинных разрывов на газопроводах и разрушений труб по сварным соединениям па нефтепроводах. Такой характер раз- рушений в газонефтепроводах связан в одних случаях с увели- чением запаса, упругой энергии сжатого газа, в других — с не- 12 достаточными свойствами сварных соединений и наличием циклических нагрузок. В мощных газопроводах диаметром 1420 мм при рабочем давлении 7,5 МПа из сталей контролируемой прокатки, свой- ства которых полностью удовлетворяли требованиям СНиП 2.05.06 — 85, число разрушений по дефектам труб незначи- тельно, хотя таких газопроводов построено и введено в экс- плуатацию более 20 тыс. км. Рассматривая причины наблюдавшихся разрушений га- зонефтепроводов из-за дефектов труб, следует отметить, что основное их количество приходится на сварные трубы из нор- мализованных или горячекатаных сталей типа 17ГС, изготов- ленных на давно построенных заводах с недостаточным объе- мом физических средств контроля качества основного металла и сварных швов. Одни такие заводы уже прекратили постав- лять трубы для газонефтепроводов, другие провели соответст- вующую реконструкцию или в ближайшее время будут рекон- струированы. Производство термоупрочненных труб из деше- вой и простой стали 17Г1С обеспечило надежную эксплуата- цию газонефтепроводов при снижении их металлоемкости на 15 %. |