УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ТРУБОПРОВОДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОСНОВНОЕ. Учебное пособие Воронеж 2015
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
3.2.3. Сварные трубы диаметром менее 530 мм Сварные трубы диаметром менее 530 мм поставляются по ГОСТ 20295—74. Трубы в основном изготавливаются прямо- шовными из резаной горячекатаной ленты, прокатанной на многоклетевых станах непрерывного действия. Высокоскоро- стная непрерывная технология производства прямошовных труб малого диаметра обеспечивается за счет применения ско- ростных методов сварки и создания бесконечной ленты, для чего начало следующего рулона приваривается к концу пре- дыдущего. Формовка труб проводится непрерывным методом в последовательно расположенных клетях. Система роликов, постепенно подгибающих плоскую ленту в цилиндрическую заготовку, показана на рис. 14. Рис. 14. Последовательность операций на формовочно- сварочном стане: 1-3 — профилирование полосы на валковых плетях; 4 — окончательная правка и сварка трубы Непрерывная заготовка труб сваривается в проходном стане токами высокой частоты. В процессе сварки оплавлен- 90 ные кромки сдавливаются (сжимаются), образуя неразъемное соединение, при этом в грат выдавливаются окислы с поверх- ности кромок. Сразу после сварочного стана на непрерывной трубе размещаются установки для снятия грата с внутренней и внешней поверхностей, после чего труба разрезается на мер- ные отрезки. Отрезки заданной длины поступают на термооб- работку, отделку и испытание. Применение для сварки труб небольшого диаметра токов высокой частоты обеспечивает высокую скорость изготовле- ния труб —до 60—70 м/с. Непрерывность технологии, высокая степень автоматизации процесса с использованием ЭВМ, ми- нимальное использование ручного труда при наличии надеж- ного контроля за операциями технологического передела обеспечивают стабильное и высокое качество готовых изде- лий. Прямошовные термически обработанные трубы диамет- ром 150—-476 мм, изготовленные по вышерассмотренной тех- нологии, много лет успешно применяются при строительстве промысловых и обвязочных трубопроводов насосных и ком- прессорных станций. Однако надо отметить, что не на всех за- водах обеспечивается строгое выполнение технологических операций, не всегда трубы проходят достаточно строгий и полный контроль, а также 100%-ньте гидравлические испыта- ния на прочность. Поэтому наряду с надежной безотказной ра- ботой труб, изготовляемых большинством заводов, еще име- ются случаи некачественной их сварки и разрушения при ис- пытании вновь построенных трубопроводов. При заказе труб ответственного назначения, например для транспортировки взрывопожароопасных или ядовитых продуктов, в техниче- ские условия следует записывать требования: о поставке тер- мообработанных труб, гидравлического испытания их на прочность при напряжении, равном 0,95 нормативного предела текучести металла, и 100%-ного контроля -швов неразрушаю- щими методами. Для трубопроводов диаметром менее 530 мм ответствен- ного назначения нельзя рекомендовать к применению прямо- шовные трубы, изготовленные печной сваркой, сваренные со- 91 противлением и токами низкой частоты, поскольку качество таких соединений заметно ниже, чем у труб, сваренных токами высокой частоты. 3.3. Спиралешовные термоупрочненные трубы Спиралешовные трубы имеют высокую поперечную же- сткость. Спиральный шов и конструкция трубы обеспечивают устойчивое сохранение кольцевого сечения при действии по- перечных нагрузок. Эта особенность спиралешовных труб по- зволила разработать относительно простую технологию тер- мического упрочнения готовых труб и построить впервые в мировой практике промышленное отделение термического уп- рочнения труб. Сложность технологии термического упрочнения гото- вых труб состоит в том, что нужно обеспечить заданный ком- плекс свойств во всех точках развитой поверхности трубы, площадь которой достигает 100 м2, и максимально сохранить в условиях нагрева до температуры закалки (более 1000 °С) геометрию трубы, в частности допуск па диаметр по торцам без дополнительной калибровки. Технология термического упрочнения состоит в нагреве труб под закалку в проходных газовых печах, закалке труб в спреерном устройстве с орошением водой внутренней и на- ружной поверхностей, повторном нагреве труб во второй про- ходной газовой печи до температуры высокого отпуска, охла- ждении на воздухе и при необходимости — калибровке концов труб. Выше было отмечено, что для получения однородных и высоких свойств труб после термического упрочнения необхо- димо обеспечить, во-первых, равномерный нагрев до заданной температуры всей поверхности трубы и предупредить при этом возможность осадки (овализации) горячих труб. При тер- моупрочнении спиралешовных труб это достигается благодаря поперечной их жесткости и плавному, непрерывному перека- 92 тыванию труб вокруг своей оси в проходных газовых печах. Во-вторых, необходимо обеспечить заданную скорость охлаж- дения металла при прохождении труб через спреерное устрой- ство. Это достигается за счет одно- или двустороннего охлаж- дения стенки труб, соответствующего давления воды в охлаж- дающем устройстве, конструкции сопел и других параметров спреерного устройства. Важным преимуществом термического упрочнения гото- вых труб по сравнению с процессом их изготовления из тер- моупрочненной стали является то, что упрочнение готовых труб позволяет выравнить свойства основного металла и свар- ного соединения, снять остаточное сварочное напряжение, улучшить геометрию спирального сварного соединения, так как при перекатывании горячих труб заметно снижаются имеющиеся «домики» (соединение свариваемых кромок под углом)- Для производства термоупрочненных труб применяют простую минимально легированную сталь типа 17ГС в разных модификациях. Термоупрочнение труб диаметром 720—1220 мм позволило повысить свойства стали в трубе по сравнению с исходной горячекатаной по временному сопротивлению с 520— 550 до 600 МПа, по условному пределу текучести с 360—380 до 420 МПа, по переходной температуре хрупкости Т80 с +5 до -15 °С. В результате термического упрочнения металлоемкость труб снизилась на 8—13%, а отпускная стоимость 1 т труб возросла примерно на 15 %, т. е. при сдаточной величине вре- менного сопротивления труб 600 МПа термоупрочнение по- зволяет снизить расход стали, повысить надежность газонеф- тепроводов. Производство термоупрочненных труб с временным со- противлением 650 МПа позволит резко улучшить их технико- экономические показатели, снизить металлоемкость труб при- мерно на 20 % и за счет этого покрыть расходы, связанные с их термической обработкой. Все изложенное показывает, что термическое упрочнение 93 позволяет изготавливать экономичные трубы диаметром 1420 мм на давление 7,5 МПа из простой, дешевой, хорошо освоен- ной металлургической промышленностью стали 17Г1С-У без применения каких-либо дефицитных легирующих добавок. 3.4. Сварные трубы специальных конструкций В конце XX в. основные и перспективные районы добычи газа в России сосредоточились на севере Западной Сибири, откуда прокладываются магистральные газопроводы для пода- чи газа в европейскую часть страны, в промышленные районы Урала и Сибири, а также на экспорт. Целесообразность сокращения числа параллельно про- кладываемых ниток в одном направлении, необходимость по- вышения экономических показателей транспортировки газа обусловили быстрое увеличение диаметра применяемых труб и величины рабочего давления газа. В настоящее время для мощных газопроводов диаметр применяемых труб составляет 1420 мм при давлении 7,5 МПа. Этот диаметр, как показывают результаты исследований, близок к оптимальному. Для под- водных морских газопроводов диаметр труб не превышает 3220 мм, однако рабочее давление газа в морских газопрово- дах доходит до 12МПа. Оптимальное значение давления газа для трубопровода диаметром 1420 мм продолжают обсуждать, и, по-видимому, оно будет составлять примерно 10 МПа. Рабочие параметры перспективных газопроводов опреде- ляются технико-экономическими показателями перекачки единицы объема газа, а также возможностями металлургиче- ской промышленности изготавливать в необходимых количе- ствах высоконадежные и недорогие трубы. Как известно, стоимость труб может составлять до 60 % стоимости сооруже- ния газопровода, поэтому технико-экономические показатели труб заметно влияют на оптимальные рабочие параметры мощных газопроводов. В 70-х годах развернулись многоплановые работы по созданию новых сталей для труб и новых, принципиально от- 94 личных конструкций труб, способных обеспечить надежную безотказную эксплуатацию сверхмощных газопроводов диа- метром 1420 мм при рабочем давлении до 10—12 МПа и тем- пературе перекачки —15, —25 °С. Однако, чтобы установить оптимальные рабочие параметры перспективных сверхмощ- ных газопроводов, кроме данных о затратах на перекачку газа, необходимо знать экономические показатели будущих труб: диаметром 1420 мм на 10—12 МПа из листовой или рулонной стали толщиной 18—-26 мм и труб специальных конструкций, из которых в настоящее время наиболее подготовлены к про- изводству двухслойные спиралешовные и многослойные тру- бы из витых обечаек. Эти трубы изготавливаются из горяче- катаной рулонной ленты: двухслойные при толщине 8—13 мм, многослойные— при толщине примерно 6 мм. Технические возможности производства толстолистовой стали нужных параметров будут детально рассмотрены ниже. Здесь необходимо только отметить, что за прошедшие 20-25 лет отечественная металлургическая промышленность достиг- ла крупных принципиальных успехов. Выпускавшиеся в 60- 70х годах стали не позволяли найти надежный и экономически приемлемый вариант, а имевшиеся решения требовали приме- нения дорогих остродефицитных легирующих материалов — ниобия, молибдена, ванадия и др. Однако металлоемкость мощных газопроводов определяется миллионами топи труб в год, поэтому потребность в дефицитных легирующих мате- риалах для такого объема производства не могла быть удовле- творена. Таким образом, для труб с монолитной стенкой при- менительно к перспективным газопроводам не было приемле- мого решения ни с технической, ни с экономической точки зрения. Применяемые в те годы методы упрочнения и прокат- ки стали приводили к тому, что с повышением прочности снижалась вязкость стали, ухудшалась ее свариваемость. Од- ним из возможных вариантов было термическое упрочнение труб, но и в этом случае были своп трудности — необходимо было разработать новую технологию, построить специальные отделения термического упрочнения труб большого диаметра. 95 Все это способствовало тому, что много внимания было уделено разработке специальных конструкций труб, в которых торможение и остановка разрушения обеспечивались бы не только свойствами металла, но и конструкцией труб. Такие решения были найдены. Однако в 80-х годах положение с про- изводством тол стол истовых сталей изменилось. Разработаны и широко освоены промышленностью новые малоперлитные и бесперлитные стали, обеспечивающие сочетание высоких прочностных свойств с необходимой хладостойкостью и вяз- костью. Эти свойства получены за счет максимального из- мельчения структуры, высокой степени очистки металла от вредных примесей и его однородности. Таким образом, необходимый комплекс служебных свойств был получен металлургическими методами с мини- мальным применением или без использования остродефицит- ных легирующих элементов. Трубы с монолитной стенкой стали конкурентоспособными с трубами специальных конст- рукций. Поэтому решающими факторами при выборе труб для перспективных газопроводов будут не только их надежность и металлоемкость, по и технологичность процесса их изготовле- ния на заводах, при строительстве трубопроводов, ремонто- способность в условиях эксплуатации и экономические пока- затели. 3.4.1. Двухслойные спиралешовные трубы Технология производства однослойных спиралешовных труб хорошо освоена промышленностью у нас в стране и за рубежом. Экономичность этого типа труб объясняется в ос- новном тем, что себестоимость рулонной стали, полученной на непрерывных станах, на 10—12% дешевле листового металла. Технология производства поточная, автоматизированная. Ос- новной недостаток производства таких труб заключается в том, что толщина рулонной полосы ограничена 14—18 мм. Новый процесс производства спиралешовных двухслойных труб, для которых толщина ленты не превышает 8—13 мм, а 96 во многих случаях будет меньше, позволяет получать трубу, удовлетворяющую современным требованиям. Разработан стан, который позволяет изготавливать двух- слойные спиралешовные трубы диаметром 1220—1620 мм. Управление рабочими процессами стана производится с по- мощью ЭВМ. Двухслойные спиралешовные трубы конструк- ции ВНИИМетмаш изготавливаются по схеме (рис. 15) совме- стной формовки двух полос и сварки их технологическими швами. Рис. 15. Схема изготовления двухслойных спиралешовных труб: / — сварка технологического шва внутреннего сдоя; 2 — сварка наружного рабочего шва внутреннего слоя: 3 — устрой- ство для снятия усиления наружного шва внутреннего слоя; 4— сварка внутреннего рабочего шва внутреннего слоя; 5 — сварка технологического шва наружного слоя; 6 — сварка ра- бочего шва наружного слоя Наложенные друг на друга полосы смещены в горизон- тальной плоскости на 120—130 мм. В соответствии с принятой технологией в состав оборудования стана включены две па- раллельные линии подготовки полос, подающие машины и формовочно-сборочные устройства. На первой линии подго- тавливаются полосы, образующие наружный слой трубы, а на второй — полосы, образующие внутренний слой трубы. Подготовленные непрерывные полосы подаются соответ- 97 ствующими машинами в формовочное роликогибочное уст- ройство стана, где производится формовка труб и одновремен- но сварка двумя технологическими швами в среде углекислого газа (с внутренней и наружной стороны). Выходящая из стана непрерывная, сваренная технологическими швами заготовка разрезается плазменным резаком на трубы мерной длины, ко- торые передаются на установки для сварки под флюсом внут- ренних и внешних рабочих швов. Сваренные трубы поступают на отделку и испытание. Основными трудностями при изготовлении двухслойных труб являются: 1. обеспечение плотного прижатия кромок полосы на- ружного слоя к плоскости ленты второго слоя, чтобы исклю- чить появление межслойного зазора в зоне сварного соедине- ния наружного спирального шва; сборка под сварку наружного шва производится на жестком основании уже сваренного пер- вого слоя трубы; это потребовало разработки специальных конструктивных мер по поддержанию величин зазора между кромками, предварительной подгибки этих кромок для их прижатия к внутреннему слою; сварка внутреннего шва, опре- деляющего работоспособность двухслойных труб, осуществ- ляется в технологически выгодном положении, поэтому его качество и герметичность стабильны; к наружному спираль- ному шву двухслойных труб особо строгих требований не предъявляется и в нем могут быть отдельные допустимые де- фекты; 2. замоноличивание межслойного зазора на торцах труб. Это требование не всегда надежно обеспечивалось при изго- товлении опытной партии труб. Дело в том, что при торцовке труб и разделке фасок под сварку глубина обработки меняется и сечение замоноличивающего шва может быть недостаточ- ным, для обеспечения герметичности межслойной полости в процессе перевозки труб и строительства трубопроводов. В то же время„ если на строительство газопровода поступают от- дельные, практически качественные трубы, но имеющие не- герметичные торцы, их необходимо отбраковывать, так как 98 влага, попавшая в межслойный зазор, затруднит или не позво- лит обеспечить качественную сварку поперечных кольцевых стыков. При промышленной поставке двухслойных труб не- герметичность торцов должна быть исключена. Предложено два решения для герметизации торцов этих труб. Первое — заварка торцевого зазора и: наложение через 200—300 мм вто- рого кольцевого шва с полным проваром его на внутренний слой (рис. 16) с тем, чтобы даже в случае негерметичности торца или необходимости его ремонта можно было обрезать трубу по монолитному сечению. Рис. 16. Схема герметизации торцов двухслойных труб: 1 — торцевой шов; 2 — кольцевой шов;.3 — разделка торца трубы под сварку Второе решение — приварка к двухслойной трубе моно- литных патрубков. Это решение обеспечивает гарантирован- ную герметичность межслойного зазора на торцах, но резко усложняет и удорожает изготовление труб. При приварке пат- рубков возможна несоосность трубы и монолитных патрубков. Это повышает вероятность того, что кривизна составной тру- бы будет значительной. В результате возрастает биение сва- рочных автоматов при вращении секции, что может повлиять на качество кольцевых швов газопровода. 99 Эти трубы перспективны для строительства мощных га- зопроводов, их технико-экономические показатели сопостави- мы с показателями труб, имеющих монолитную стенку из со- временных сталей контролируемой прокатки. Однако для улучшения экономических показателей таких труб и снижения их металлоемкости прочность рулонной стали должна быть повышена с 550 до 600—650 МПа. Двухслойные спиралешовные трубы технологичны в из- готовлении, процесс производства хорошо поддается автома- тизации, управлению с использованием ЭВМ. Эти трубы тех- нологичны и в процессе строительства, однако ремонт трубо- проводов из двухслойных труб гораздо сложнее, чем из моно- литных, так как для устранения утечки в газопроводе необхо- димо производить замену целой трубы. 3.4.2. Многослойные трубы Рост энергетической - мощности газопроводов резко по- вышает требования к надежности их работы. В случае вынуж- денной остановки трубопровода невозможно полностью ком- пенсировать временное прекращение подачи газа даже при на- личии закольцованной системы. Требуется частичное отключение объектов, получающих сырье или энергию от ремонтируемого газопровода. Поэтому при проектировании и эксплуатации мощных и сверхмощных газопроводов надо стремиться обеспечить их «неразрушае- мость». В случае возникновения утечек полного разрыва труб быть не должно, устранение утечек должно проводиться в плановом порядке в удобное время. Такие жесткие требования к надежной работе мощных газопроводов вызываются практикой эксплуатации газопрово- дов диаметром 1020 мм и более. Так, в случае разрыва для проведения ремонтно-восстановительных работ на газопрово- де может потребоваться до 10—15 дней. Создание многослойных труб представлялось целесооб- разным по следующим соображениям: 100 при повреждении стенки труб и зарождении в металле трещины развитие ее в глубину ограничивается межслойным зазором; поскольку стенка состоит из 3—4 слоев, возникшая местная перегрузка из-за ослабления сечения трубы трещиной не может привести к полному разрушению трубопровода, т. е. может образоваться утечка, но полного разрушения трубопро- вода быть не должно; вязкое разрушение по газопроводу распространяется пол действием усилия, вызванного давлением сжатого газа, транс- портируемого по трубопроводу, на площадь бортов труб в зоне разрыва; величина площади бортов трубы, передающей усилие в вершину трещины, пропорциональна поперечной жесткости трубы, а так как поперечная жесткость многослойных труб в 3—4 раза меньше, чем у аналогичных труб с монолитной стен- кой, то усилие, движущее разрушение в газопроводе из много- слойных труб, будет существенно меньше; это позволяет к ру- лонной стали для многослойных труб предъявить менее жест- кие требования по вязкости и хладостойкости, чем к толсто- листовой; при использовании для изготовления многослойных труб из рулонной стали толщиной не более 6 мм, которая подверга- ется при прокатке более высокому обжатию, чем толстолисто- вая, легче получить необходимый комплекс свойств, в том числе высокое временное сопротивление разрыву, при мень- шей стоимости самого металла. Преимущества многослойных труб позволяли считать, что при обеспечении их герметичности и поперечной жестко- сти они наиболее полно могут отвечать требованиям, предъяв- ляемым к трубам газопроводов нового класса. Принцип многослойности позволяет впервые получить трубы, отвечающие условию «неразрушаемости» мощных га- зопроводов при эксплуатации. Правильно запроектированные и качественно изготовленные многослойные трубы позволяют устранять выявленные дефекты в плановом, а не в аварийном порядке. Целесообразность и эффективность применения много- 101 слойных труб в магистральных газопроводах будет опреде- ляться тем, насколько эффективно будут устранены трудности, связанные с их производством, насколько стабильно будет обеспечена их герметичность, какой уровень свойств рулонной стали будет обеспечен металлургической промышленностью, на какие рабочие параметры будут строиться газопроводы в последующие годы. Чем выше будут рабочие параметры газопроводов, тем эффективнее должно быть применение многослойных труб. Принцип многослойности конструкции труб для магист- ральных газопроводов сверхвысоких рабочих параметров в основе своей правилен, он хорошо проверен при использова- нии многослойных сосудов высокого давления. Однако для строящихся газопроводов на давление 7,5 МПа многослойные трубы не конкурентоспособны в сравнении с простыми в изго- товлении трубами с монолитной стенкой. Для таких газопро- водов, как и для компрессорных станций и узлов врезок, где применение труб стандартной длины ограниченно, имеется большое число пересечений, врезок для подсоединения арма- туры и других трубных деталей, применение многослойных труб не предполагалось. |