CC BY
60
Трубная продукция как материальный ресурс в развитии нефтяной и газовой промышленности играет исключительно важную роль. По способу изготовления стальные трубы подразделяются на два основных вида: бесшовные и сварные. В практике трубного производства и в сфере использования трубной продукции часто возникает вопрос: каким трубам отдать предпочтение? Этот вопрос возник не сегодня.
СТАЛЬНЫЕ ТРУБЫ
СВАРНЫЕ ИЛИ БЕСШОВНЫЕ?
Е.Н. ГЕРАСИМОВ
зам. ген. директора по производству - техн. г. Волгореченск директор ОАО «Газпромтрубинвест»
В практике трубного производства и в сфере использования трубной продукции часто возникает вопрос: каким трубам отдать предпочтение? Этот вопрос возник не сегодня. Организация и развитие производства сварных труб осуществлялись существенно позднее, чем бесшовных. В начальный период освоения производства сварных труб качество листовой и рулонной стали (исходной заготовки для изготовления сварных труб) было недостаточным, а технологические процессы формовки и сварки труб были несовершенными. В результате служебные свойства сварных труб существенно уступали бесшовным. Коэффициент прочности сварного шва по отношению к основному металлу составлял не более 70-80%. Технологические свойства сварных труб (раздача конусом, сплющивание и т.п.) также значительно уступали бесшовным трубам. Применение сварных труб в то время государственными и отраслевыми
нормативными актами рекомендовалось только для сооружения неответственных трубопроводов в основном на рабочее давление 3-6 атмосфер. Применение сварных труб со сложными условиями эксплуатации трубопроводов было запрещено строительными нормами и правилами (СНиП), а также ведомственными нормалями и правилами сооружения и эксплуатации трубопроводных систем. И это было обоснованно.
В связи с изложенным, недостаточное качество сварных труб, особенно сварного шва, с одной стороны, и значительные толщины их стенок, с другой стороны, обусловливали повышенную металлоемкость трубопроводов и, как следствие, более высокую их стоимость по сравнению с трубопроводами из бесшовных труб.
Однако техника и технология производства исходной заготовки (листовая и рулонная сталь), а также сварных труб
постепенно совершенствовались. Не рассматривая промежуточные этапы развития металлургических процессов изготовления листовой и рулонной стали, укажем, что металлургические комбинаты на этом направлении в последние годы достигли значительных результатов.
Десульфурация чугуна и стали, ва-куумирование и внепечная обработка жидкой стали, ее микролегирование облагораживающими химическими элементами, в том числе молибденом, ванадием, титаном, ниобием и др., обеспечивают значительное снижение содержания вредных элементов (серы, фосфора, водорода, азота и др.), а также радикальное уменьшение неметаллических включений (инициаторов коррозионных процессов и микроповреждений металлов при их нагружении).
Введение в состав стали Мо, V, Nb, Т повышает ее прокаливаемость, способствует улучшению качества металла, придавая ей мелкозернистую равновесную структуру.
Технология изготовления сварных труб также непрерывно совершенствовалась. За счет внедрения двухрадиус-ной калибровки валков открытых клетей формовочных станов улучшилось качество формовки ленты. Равнопрочность сварного шва и основного металла труб достигли за счет применения токов высокой частоты для разогрева кромок ленты перед сваркой. Усиление мощности привода и жесткости клетей формовочных станов позволило расширить сортамент сварных труб, освоить их массовый выпуск с толщиной стенки до 16 мм.
Качество сварных труб не только достигло параметров бесшовных горячекатаных, но по некоторым параметрам стало их превосходить. В частности, допускаемые отклонения размеров труб по диаметру и толщине стенки, ►
Улучшение служебных свойств сварных труб расширило область их применения. Их стали использовать в котлостроении, для изготовления нефтепромыслового оборудования (электропогружных насосов, корпусов штанговых погружных насосов и др.), гидравлических цилиндров высокого давления и т.д.
состоянию наружной и внутренней поверхности (наличие плен, закатов, механических повреждений) - в настоящее время сварные трубы существенно превосходят эти показатели качества для горячекатаных труб.
не техническими возможностями производства рулонной стали и сварных труб, а сложившейся в конце 80-х годов прошлого века структурой потребления этих труб. Именно такого качества и размеров обсадные трубы в больших
комплексного многостадийного контроля качества электросварных труб улучшенного качества, повышенной надежности и долговечности.
Рулонная сталь соответствующих марок сталей (в том числе и 22ГЮ)
Технология изготовления сварных труб непрерывно совершенствуется. По качеству они не только достигло параметров бесшовных горячекатаных, но по некоторым параметрам стали их превосходить
Улучшение служебных свойств сварных труб расширило область их применения. Их стали использовать в котлостроении, для изготовления нефтепромыслового оборудования (электропогружных насосов и электродвигателей, корпусов штанговых погружных насосов и др.), гидравлических цилиндров высокого давления, а также других элементов, узлов и механизмов машиностроительной продукции гражданского и военного назначения. Создание массовой технологии изоляции наружной и внутренней поверхности труб на предприятиях ОАО «Татнефть» открыло широкий фронт применению сварных труб при строительстве промысловых трубопроводов. Сочетание лучших свойств пластических масс (полиэтилена, эпоксидной краски и др.), обладающих высокими антикоррозионными свойствами, и электросварных труб из низколегированных сталей повышенной и высокой прочности позволили снизить металлоемкость промысловых трубопроводов на 25-30 процентов при одновременном увеличении их надежности и долговечности в эксплуатации не менее чем в 4-5 раз. В нефтедобывающих регионах Республики Татарстан улучшилась экологическая ситуация, ситуация практически сократились объемы ремонтно-восстано-вительных работ на промысловых трубопроводах, соответственно уменьшилась и численность ремонтного персонала.
Очередным этапом вытеснения горячекатаных труб сварными из сферы их применения в нефтедобывающей промышленности стало массовое освоение производства обсадных сварных труб: обсадные сварные трубы применяются во всех без исключения нефтяных компаниях России, там, где условия эксплуатации обсадных колонн соответствуют требованиям группы прочности J-55 с треугольной резьбой или резьбой типа Батресс.
Диапазон размеров сварных обсадных труб, освоенных массовым производством, находится в пределах от 140 до 245 мм.
Ограничение прочностных характеристик обсадных труб обусловлено
объемах (до 400 тыс.т. в год) закупались по импорту. Следует отметить, что полное соответствие технических требований сварных обсадных труб запросам потребителей - нефтедобывающих компаний России - достигнуто, в том числе, благодаря созданию и освоению массового производства горячекатаной рулонной марки стали.
Ее химический состав и механические свойства приведены в таблице 1.
Пониженное содержание углерода и особенно серы и фосфора по сравнению с содержанием этих химических элементов в традиционно применяемой стали марки 37Г2С для изготовления горячекатаных обсадных труб обеспечило более высокие показатели пластичности и сопротивляемости труб ударным нагрузкам при минусовых температурах (до -400С), что подтверждается данными, приведенными в таблице 2.
За прошедшие годы изготовлено и эксплуатируется на нефтяных промыслах России, стран СНГ и дальнего зарубежья около двух миллионов тонн обсадных труб. Потребители отмечают их высокое качество, отдельные показатели которых (удлинение, ударная вязкость, разностенность труб и т.п.) превосходят аналогичные показатели качества бесшовных горячекатаных обсадных труб группы прочности «Д».
Возникает вопрос - необходимо и возможно ли дальнейшее улучшение качества электросварных труб, расширение сортамента (номенклатурных видов трубной продукции в сварном исполнении) в условиях хозяйствования на принципах рыночной экономики? На этот вопрос утвердительный и весьма убедительный, подтвержденный практикой массового применения электросварных труб в различных отраслях российской и зарубежной экономики, дает ответ производство сварных труб.
Изготовление сварных труб осуществляется по следующей технологической схеме: в процессе проектирования, строительства и освоения производства аккумулированы и нашли применение все известные достижения в сферах производства и систем
для изготовления труб поставляется ОАО «Северсталь». Рулоны проходят входной контроль качества, продольную порезку на полосы необходимой ширины. При порезке рулонов обращается особое внимание на качество боковых кромок. На их поверхности полностью исключается образование заусенцев, которые могли бы привести к браку труб (слипание кромок) вместо качественной сварки. Опасность этого вида брака труб усугубляется невозможностью его выявления в заводских условиях известными методами контроля качества (визуальный осмотр, испытание гидравлическим давлением, контроль неразрушающими физическими методами). Он проявляется в процессе длительной эксплуатации труб, что недопустимо с позиций потребителей. Формовка ленты осуществляется по двухрадиусной калибровке валков формовочного стана, что обеспечивает параллельное сближение торцов кромок ленты в процессе их нагрева токами высокой частоты в сварочной машине. Этим обеспечивается равномерный разогрев кромок ленты по ее высоте. Концы смежных рулонов ленты свариваются дуговой сваркой. На время, необходимое для сварки концов рулонов, создается запас ленты в петлео-бразователе, тем самым обеспечивается непрерывность процессов формовки и сварки - непременное условие для создания комплексной системы автоматизированного управления процессами изготовления электросварных труб, в том числе нагревом и сваркой кромок ленты.
Сварной шов после снятия наружного и внутреннего грата (наружный грат снимается заподлицо, остатки внутреннего грата не превышают 0,1мм) подвергается ультразвуковому технологическому контролю, по результатам которого персонал регулирует параметры процессов изготовления труб. Участки сомнительного качества сварного шва отмечаются краской и в дальнейшем ►
Химический состав стали марки 22ГЮ
С Si Мп Сг А1 S Р
0,15-0,22 0,15-0,30 1,20-1,40 не более 0,05 не более не более
0,40 0,10 0,020
Механические свойства стали марки 22ГЮ (не менее)
стт ств 5, % А^= -400С
МПа, МПа, Дж/см2
(кгс/мм2) (кгс/мм2) (кгс/мм2)
352 (36) 520 (53) 20 49 (5)
Табл.1
Табл.2
Дискуссии по поводу, каким трубам (сварным или бесшовным) отдать предпочтение, с пуском завершились в пользу сварных с учетом условий их эксплуатации
подвергаются особо тщательному контролю на следующих позициях общей системы контроля качества труб.
В процессе сварки металл кромок ленты испытывает температурный шок. На ширине около 4-5мм каждой кромки металл почти мгновенно разогревается до 15000С. Поэтому в сварном шве возникают значительные внутренние напряжения, структура металла сварного шва изменяется от мелкозернистой до литой с образованием дендритов. Облагораживание сварного шва (снижение внутренних напряжений и лучшение структуры металла) осуществляется локальной термической обработкой -нагреву шва и зоны термического влияния до температуры 850-9000С с последующим охлаждением сначала на воздухе и окончательно - в душирую-щем устройстве и ванне с проточной водой. При этом значительно повышается сопротивляемость металла сварного шва ударным нагрузкам при минусовых температурах, что позволяет изготовлять сварные трубы в хладостойком исполнении по всему их сечению. После калибровки труб в 4-х клетьевом калибровочном стане непрерывные трубы разрезаются дисковой пилой на мерные длины с точностью ±5мм.
В дальнейшем на концах труб выполняется фаска, а при необходимости правка труб в косовалковой правильной машине.
Комплексный контроль качества труб, кроме технологического ультразвукового контроля качества сварного шва, включает в себя следующие операции:
• визуальный осмотр и инструментальный обмер размеров труб;
• испытание гидравлическим давлением до 850 атмосфер;
• автоматический ультразвуковой контроль концов труб по всему сечению на расстоянии 190 мм от торца трубы с целью обнаружения продольных дефектов и расслоений;
• автоматический контроль сплошности металла по всему сечению труб магнитным потоком рассеяния с целью обнаружения продольных и поперечных дефектов.
На поверхность труб, признанных годными, наносится консервационное покрытие, после которого трубы увязываются в пакеты и передаются на склад готовой продукции. Перед отгрузкой
Для группы прочности Дс
стт ств 5, % ств св.
МПа, Мпа, соед.
(кгс/мм2) (кгс/мм2) Мпа,
(кгс/мм2)
470 580 31 590
Для группы прочности Кс
стт ств 5, % ств св.
МПа, Мпа, соед.
(кгс/мм2) (кгс/мм2) Мпа,
(кгс/мм2)
520 610 26 620
Табл.3
труб потребителям они сопровождаются документацией, характеризующей их количество и качество в каждом пакете.
Весь технологический процесс изготовления труб производится в автоматическом режиме.
В дополнение к трубоэлектросва-рочному производству трубный завод располагает:
• отделением по выпуску обсадных и насосно-компрессорных труб с треугольной резьбой, резьбой Батресс и ОТТМ в комплекте с муфтами;
• отделением термической обработки труб по схеме: закалка+отпуск с выдержкой времени при температуре отпуска, что необходимо для обеспечения высокой коррозионной стойкости труб путем придания глобулярной формы зернам структуры металла по всему сечению труб;
• отделение изоляции наружной поверхности труб.
Технологические возможности завода, обеспеченные составом производственных мощностей, являются уникальными среди трубных заводов России и Западной Европы, изготавливающих варные трубы.
Все номенклатурные виды труб могут изготавливаться в обычном, а также в хладостойком и коррозионностойком исполнениях.
Дискуссии по поводу того, каким трубам (сварным или бесшовным) отдать предпочтение, с пуском завершились в пользу сварных с учетом условий их эксплуатации.
Технические требования к качеству насосно-компрессорных бесшовных и
сварных труб объединены в один российский стандарт (ГОСТ Р 52203-2004). Этот стандарт при одинаковых значениях предела текучести металла труб (основной показатель прочности в расчетах несущей способности трубопроводов) предусматривает для сварных труб более высокие нормы пластичности, обусловленные структурой металла этих труб и характеризующих их повышенную хладостойкость и коррозионную стойкость по сравнению с бесшовными трубами. Значения допускаемых отклонений по длине труб, их диаметру и толщине стенки, овальности и разностен-ности для сварных труб установлены в 2-3 раза меньше, чем для бесшовных.
Обратите внимание на показатели качества НКТ при изготовлении насо-сно-компрессорных труб с размерами 60х5,0 из стали марки 22ГЮ, приведенные в табл. 3.
Нефтепроводные, обсадные и на-сосно-компрессорные трубы на протяжении длительного времени эксплуатируются во многих нефтяных компаниях России, США и стран Ближнего Востока.
В частности, для ОАО «Татнефть» электросварные НКТ были изгото влены по специальным техническим условиям ТУ-14-3Р-27-2000, учитывающим все дополнительные технические требования. Таким образом, высокие служебные свойства электросварных труб подтверждены реальной практикой многолетней эксплуатации.
Согласованы и утверждены технические условия на изготовление рулонной стали марок 07ГФБ и 18ГФБ. Их ►
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ
Сталь 18ГФБ
Массовая доля элементов, %
кремний
углерод 0,14-0,19
марганец 0,80-1,20
0,15-0,35
ниобий 0,03-0,06
молибден 0,10-0,20
0,01-0,03
алюминий
0,02-0,05
ванадий
сера
фосфор
Не более
0,05
0,006
0,015
0,008
Примечания:
1. Сталь обрабатывают материалами, содержащими кальций, с учетом его остаточной массовой доли в готовом прокате не более 0,005%.
2. Остаточная массовая доля в стали хрома, никеля и меди допускается не более 0,10% каждого.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Временное сопротивление, ст , Мпа не менее Предел текучести, ст, Мпа т Относительное удлинение, 55, % не менее Ударная вязкость КСУ-60, Дж/см2* не менее
поперечная продольная
595 380-520 22 40 50
* - Процент вязкой составляющей в изломе ударных образцов должен быть не менее 50%.
Загрязненность стали неметаллическими включениями при оценке по ГОСТ 1778 не должна превышать
По среднему баллу
Сульфиды (С) 1,5
Оксиды (ОС, ОТ) Силикаты (СХ, СН, СП) 2,5 2,5
Табл. 4 .Характеристики стали 18ГФБ
химический состав и механические свойства приводятся в табл. 4.
Впервые в практике производства рулонной стали для изготовления сварных труб установлены жесткие ограничения по неметаллическим включениям. Низкое содержание серы и фосфора в сталях марок 07ГФБ и 18ГФБ в сочетании с термической обработкой труб является уверенной предпосылкой для создания электросварных нефтепроводных, обсадных и насосно-компрессорных труб нового поколения с уникальными коррозионностойкими, пластическими и прочностными свойствами.
Учитывая то обстоятельство, что условия эксплуатации трубной продук-
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ
ции в нефтяной промышленности непрерывно усложняются (возрастает доля агрессивной, в коррозионном отношении, пластовой воды, содержание Н,^ и СО2 в добываемом продукте и т.п.) проблемы улучшения качества труб становятся все более актуальными и их решение не терпит отлагательства. Решение этих проблем возможно при условии, что потребители будут квалифицированно их формулировать, а трубные заводы и металлургические заводы безоговорочно и в сжатые сроки находить соответствующие технические решения в производстве металла и трубной продукции.
Сталь 07ГФБ
ОАО «Татнефть» на основе анализа условий эксплуатации трубной продукции выдвинуло повышенные требования к качеству сварных насо-сно-компрессорных труб. В частности, сформулированы жесткие требования к величине остатка внутреннего грата, допускаемым отклонениям диаметра и толщины стенки от номинального значения, величине сплющивания труб и величине раздачи их конусом. Эти и другие требования значительно превосходят нормативы ГОСТа Р 52203-2004 на изготовление насосно-компрессор-ных труб и требования американского стандарта АР1-5СТ. ■
Массовая доля элементов, %
углерод марганец кремний ниобий титан алюминий ванадий сера фосфор азот
0,04-0,09 1,1-1,5 0,15-0,35 0,02-0,06 0,01-0,03 0,02-0,05 Не более
0,03 0,006 0,015 0,010
Примечания:
1. Сталь обрабатывают материалами, содержащими кальций, с учетом его остаточной массовой доли в готовом прокате не более 0,005%.
2. Остаточная массовая доля в стали хрома, никеля и меди допускается не более 0,10% каждого.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Временное сопротивление, Предел текучести, Относительное Ударная вязкость КСУ-60,
ст , Мпа не менее в ст. Мпа, Н т удлинение, 55, % Дж/см2*
не менее не менее не менее
540-660 380 23 40
Процент вязкой составляющей в изломе ударных образцов должен быть не менее 50%.
Загрязненность стали неметаллическими включениями при оценке по ГОСТ 1778 не должна превышать
Сульфиды (С) Оксиды (ОС, ОТ) Силикаты (СХ, СН, СП)
По среднему баллу
1,5
2,5
2,5
По максимальному баллу
2,5
3,5
3,5
Табл. 4 .Характеристики стали 07ГФБ
