CC BY
31ТРУБЫ
А.в. Емельянов, в.и. столяров, в.и. казачков ЗАО «ТД «ТМК»; и.с. котова ООО «Газпром ВНИИГАЗ»
оценка служебных характеристик спиральношовных труб для магистральных газонефтепроводов методами полномасштабных испытаний
Работоспособность труб в условиях эксплуатации в отечественной и мировой практике, в том числе аттестация труб большого диаметра для магистральной газотранспортной системы ОАО «ГАЗПРОМ», определяется на основе анализа результатов, предусматривающих определенный набор лабораторных и стендовых квалификационных испытаний. Поэтому объективная формулировка технических требований к трубам, проведение аттестационных (квалификационных) испытаний труб, разработка нормативно-технической документации (ТУ, ГОСТ, СНиП) являются основой для обеспечения качества труб для магистральных газопроводов в условиях их производителя.
На базе результатов испытаний по определению трещиностойкости металла труб делается вывод о максимально допустимом рабочем давлении и минимальной температуре эксплуатации стенки труб.
В зависимости от технических возможностей стендовые (натурные) испытания труб или трубных плетей могут производиться в условиях полигона газом или жидкостью до разрушения, а также в условиях завода-изготовителя труб и на стендах для гидроиспытаний. В практике ОАО «Газпром» в 80-е годы систематически проводились пневматические испытания трубных плетей, которые были прекращены на длительный период в связи с закрытием полигона в Донецкой области (Украина) и возобновлены только с 2008 г. на временном полигоне в г. Копейске. Методические основы натурных испытаний труб с искусственными дефектами были заложены в конце 40-х годов прошлого века главным образом американскими учеными в связи с интенсивным развитием линейной механики разрушения, в основе кото-
рой лежит концепция Гриффитса. Для приложения этой теории существенно, чтобы размеры пластической зоны у конца трещины были малы по сравнению с характерным размером изделия и длиной трещины. Показатели вязкости (трещиностойкости) являются определяющими при принятии решения о допустимости использования исследуемого сортамента труб в конкретных условиях эксплуатации. На стадии разработки нормативной документации на трубы (Технических Условий) требования к вязкости металла труб конкретизируются в сдаточных значениях ударной вязкости на образцах Шарпи и Менаже, а также в значениях количества вязкой составляющей в изломе образцов (проба ДВТТ). Таким образом, существующая концепция выбора труб для магистральных газопроводов базируется на обеспечении прочности, пластичности и вязкости (трещиностойкости) металла, считая указанные требования необходимыми и достаточными для обеспечения надежной работы газотранспортной системы.
ОАО «Волжский трубный завод» является единственным в РФ предприятием, производящим электросварные спираль-ношовные трубы большого диаметра. Трубоэлектросварочный цех для производства спиральношовных труб имеет в своем составе современные технологические линии, основу которых составляют трубоэлектросварочные агрегаты чешского и германского производства, на которых реализованы схемы двух- и трехслойной сварки труб в среде защитного газа и под слоем флюса. Отличительной позитивной особенностью трубоэлектросварочного цеха является наличие в его составе единственной в мировой практике промышленной технологической линии объемной термической обработки труб. Освоение технологических процессов объемной термической обработки труб большого диаметра по режиму закалки и с последующим высоким отпуском позволили заводу практически реализовать производство труб с высоким ресурсом по трещиностойкости и сопротивлению коррозии. Основным приоритетом ОАО «ВТЗ» всегда считалось качество выпускае-
70 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\ \\ № В \\ август \ 2010
\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
№ 8 \\ август \ 2010
Рис.1. Схема проведения испытания трубы в гидропрессе
мой продукции. Завод первым в 1993 году из трубопроизводителей получил монограмму API, и стал первым из металлургов, аттестовавший систему качества на соответствие международным стандартам ISO 9000. Номенклатура Волжского трубного завода в трубах большого диаметра значительно расширилась с пуском в 2008 г. технологического потока производства прямошовных труб. В итоге сортамент выпускаемой заводом продукции включает широкий размерный диапазон электросварных спиральношовных и прямошовных труб, в первую очередь для предприятий газовой промышленности (Таблица 1).
С целью более эффективного применения спиральношовных труб на объектах ОАО «Газпром», была проведена серия полномасштабных испытаний труб ОАО «ВТЗ» по следующим основным направлениям:
• гидравлические испытания полноразмерных труб;
-выбор методов и проведение сравнительных исследований напряженно-деформированного состояния толстостенных спиральношовных труб большого диаметра;
• лабораторная оценка механических характеристик основного металла и сварных соединений;
• полигонные полномасштабные испытания - на прочность статическим изгибом и на остановку протяженного вязкого разрушения под действием внутреннего давления воздухом при инициировании трещины кумулятивным зарядом;
• разработка нормативно технической документации на промышленное производство спиральношовных труб 1420мм, предназначенных на рабочее давление 9,8 и обоснование возможности их применения в проектах ОАО «Газпром».
• освоение производства спиральношовных труб категории прочности К 60, рассчитанных на рабочее давление до 9,8 МПа
Испытания проводились в условиях ОАО «ВТЗ» на горизонтальном прессе, предназначенном для проведения гидроиспытаний в потокетрубоэлектрос-варочного стана (Рис.1). Оценка конструктивной прочности спиральношовных труб с поперечным швом, полученная совместно с ООО "ВНИИГАЗ" [1] при аттестационных испытаниях труб диаметром 1420 мм (с толщинами стенок 15,7 мм и 18,7 мм, из штрипса
производства ОАО «Азовсталь» длиной 24 м без поперечного шва на стане "2520") показала, что конструктивная прочность испытанных труб была обеспечена по фактическому пределу прочности основного металла. Пластичность металла трубы в условиях двухосного напряженного состояния, оцениваемая по остаточным удлинениям периметров труб, значительно превышает оценочные значения (ер»3.5% и ео»5%), установленные практикой полигонных испытаний для газопроводных труб:
• ер - равномерное удлинение = 6.8%;
• бо - удлинение в очаге разрыва = 11.7%.
Результаты испытаний спиральношовных труб с поперечным швом на конструктивную прочность позволили оценить уровень максимальных кольцевых напряжений в трубе, а также
Таблица 1. Технические возможности Волжского трубного завода по выпуску труб большого диаметра
ТИП ТРУБЫ, ДИАМЕТР, ММ толщины СТЕНКИ, ММ РАБОЧЕЕ ДАВЛЕНИЕ, МПА КАТЕГОРИЯ ПРОЧНОСТИ ИСХОДНАЯ ЗАГОТОВКА, НАЛИЧИЕ Т/О ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ МОЩНОСТИ, ТЫС.Т/ГОД
Спиральношовная 530-1420 7.0-15.9 До 9.8 До К60 Х 70 Рулон,контр. прокатка, закалка+отпуск 450
Спиральношовная 1420-2520 12.0-22.0 До 9.8 До К 65 Х 80 Лист, контрол. прокатка 220
Прямошовная 457-1420 7.0-42.0 До 11.8 К 80 Х 100 Лист, контрол. прокатка 650
Итого: 1320
Возможности нанесения антикоррозионного покрытия, тыс.тонн/год
Наружное полиэтиленовое Внутреннее гладкостное
650 600
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ трубы \\ 71
ТРУБЫ
Е
Cl
S О.
2 É
ш S
■ s
2 г
(Я Ï
5 о
Отношение разрушающих напряжений к пределу прочности
0,50 0,45 0,40
0,35 -0,30 -0,25 0,:
Спиральношовные _трубы
вмз
1420x26,7м
хтз,
1420x26,7м
0,10 - -0,05 --
0,00
втз
1016x10,6м
ВТЗ 1420x15,9м
£И
ВМЗ(Х80) 1067x20,5м
ХТЗ(Х80) 1420x24,9м
2 3 4 5 6
ТБД различных заводов изготовителей
Рис.2 Сравнительная оценка конструктивной прочности спиральношовных(ВТЭ) и прямошовных труб большого диаметра для магистральных газопроводов по показателю отношения разрушающего напряжения к пределу прочности
коэффициент конструктивной прочности с учетом фактического значения временного сопротивления основного металла.
Следует особо подчеркнуть благоприятное влияние текстуры листовой стали в спиральношовной трубе на эффект торможения вязкого разрушения за счет поворота устьев магистральной трещины в направлении оси проката (угла формовки трубы). Следствием этого является остановка разрушения на незначительной длине от очага его возникновения.
Заслуживают внимания результаты гидравлических испытаний спиральношовных и прямошовных труб с поверхностным дефектом до разрушения, полученные ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по показателям отношения разрушающих напряжений к пределу прочности металла. Отношение напряжений - показательный параметр для сравнительной оценки несущей способности труб различных конструкций - вычисляли непосредственно по результатам испытаний до разрушения и через критерии механики разрушения Кс с целью сравнительной оценки труб разного сортамента [4]. Чем больше отношение напряжений, тем большей конструктивной прочностью обладает металл труб в условиях натурных испытаний (рис. 2). Очевидно, что спиральношовные трубы показывают результаты, сопоставимые с прямошовными (столбцы 3 и 4, ВТЗ).
Показательные полномасштабные сравнительные циклические и статические испытания были проведены на спиральношовных и прямошовных трубах с основной задачей[5]: • определить и сравнить прочность труб большого диаметра разной технологии изготовления на различных этапах разрушения в условиях повторно-статического нагружения внутренним давлением: инкубационного периода зарождения трещины; развития трещины до критических размеров; инициирования трещины с потерей герметичности трубы.
Испытательные нагрузки при циклических испытаниях выбирали по расчетным зависимостям СНиП 2.05.06-85 «Магистральные трубопроводы» с учетом нормативных механических свойств материала и толщины стенки трубы. Условия нагружения испытываемых труб эквивалентны по отношению к назначаемому нормативному рабочему (по СНиП 2.05.06-85) давлению для трубопроводов I-II категории. Назначенный режим испытаний на базе 10000 циклов соответствовал эксплуатационному ресурсу нефтепроводов (33 года) с десятикратным запасом по долговечности [6]. Обе трубы выдержали базу нагружения без разрушения. Для изучения скорости возникновения и развития эксплуатационных усталостных трещин при возможном нарушении технологии формирования сварных швов на испытанные трубы были
нанесены одинаковые искусственные концентраторы напряжений в виде надрезов по околошовной зоне на внутренней поверхности стенок труб. Прямошовная труба выдержала до разрушения 1627 циклов, спиральношов-ная - 4407 циклов нагружения. Разрушение обеих труб реализовалось в виде свища.
При статических испытаниях на стендах, вдоль кромки швов в средней части отрезков труб, шлифовальной машинкой были нанесены надрезы с параметрами:
• длина - 450±5 мм, длина по уровню максимальной глубины - 400 мм;
• глубина на спиральношовной трубе -7,1+0,1 мм;
• глубина на прямошовной трубе -6,3+0,1 мм;
• ширина - 3+0,3 мм.
Глубина надрезов выбиралась из условия их эквивалентности (глубина надреза равна 0,7 от толщины стенки трубы).
Основным фактором возникновения усталостных трещин как в прямошовных, так и в спиральношовных трубах является переменное эксплуатационное внутреннее давление. Долговечность сварного шва зависит не только от уровня концентрации напряжений и номинальной нагруженности труб, но и от распределения напряжений в зоне сварного шва. Спиральный шов за счет своей ориентации относительно главных напряжений в трубе находится в более благоприятном положении, чем продольный. Уровень эффективных напряжений (при прочих одинаковых условиях) в спиральном шве ниже в 1,1...1,3 раза, что эквивалентно увеличению долговечности до образования малоцикловых трещин в 3 раза.
В проведенном эксперименте эффект от ориентации сварного шва сказался при испытании труб с одинаковыми надрезами в ЗТВ сварных швов с внутренней поверхности стенки труб. Долговечность до разгерметизации спиральношовной трубы - 4407 циклов при размахе номинальных напряжений 320 МПа, а прямошовной - 1627 циклов при размахе номинальных напряжений 280 МПа.
При отсутствии значительных продольных усилий и изгиба трубопровода кри-
72 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № S \\ август \ 2010
\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕШТЕГАЗ \\
№ а \\ август \ 2010
Таблица 2. Действующая нормативно-техническая документация на спиральношовные трубы большого диаметра для ОАО «Газпром».
ОБОЗНАЧЕНИЕ НТД НАИМЕНОВАНИЕ НТД
ГОСТ 20295-85 «Трубы стальные сварные для магистральных газонефтепроводов»
ГОСТ Р 52079-2003 «Трубы стальные электросварные спиральношовные диаметром 1420мм для работы под давлением до 9,8МПа (100кгс/см)».
ТУ 14-3-1977-2000 «Трубы стальные электросварные спиральношовные с наружным антикоррозионным покрытием диаметром 1420 мм для работы под давлением 7.4 МПа (75кгс/см)».
ТУ 14-3Р-60-2002 «Трубы стальные электросварные спиральношовные диаметром 1420мм для магистральных газопроводов на рабочее давление 8,3МПа (84 кгс/см2)»
ТУ 14-156-76-2007 «Трубы стальные электросварные спиральношовные диаметром 1420мм для работы под давлением до 9,8МПа (100кгс/см)».
тическая длина дефекта спирального шва (при одинаковой относительной глубине) в 2...3 раза больше, чем для продольного шва. Соответственно и критическая глубина дефекта (при одинаковой длине) спирального шва в 1,5.3,0 раза больше, чем для продольного шва.
Таким образом, на основе данных по циклическим и статическим испытаниям, можно сделать вывод, что прямошовные и спиральношовные трубы равнозначно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к трубам для магистральных газопроводов, при этом:
• при одинаковых дефектах сварного шва циклическая долговечность спи-ральношовной трубы в 2,7 раза выше, чем прямошовной;
• статическая трещиностойкость спи-ральношовной трубы в 1,7 раза выше, чем прямошовной.
На основе результатов комплексных испытаний, показавших соответствие свойств спиральношовных труб тре-
бованиям ОАО «Газпром», разработаны и согласованы с Госгортехнадзором РФ технические условия на промышленное изготовление труб для магистральных газопроводов на давление до 9.8 МПа(Таблица 2). Анализ отечественного и мирового опыта применения спиральношовных труб большого диаметра для магистральных трубопроводов высокого давления показывает, что данный вид труб соответствует современным требованиям безопасности, предъявляемым к трубам для магистральных газопроводов. Существующие методы аттестации труб большого диаметра для магистральных газопроводов позволяют провести аттестационные испытания труб на рабочее давление до 9,8МПа включительно и сделать обоснованные выводы о несущей способности труб. ОАО «Волжский трубный завод» по своим техническим показателям не уступает крупнейшим мировым производителям спиральношовных труб
большого диаметра. Преимуществом технологического процесса производства на ОАО «ВТЗ» является возможность изготавливать спиральношовные трубы в термообработанном состоянии и из толстого листа. Оценка работоспособности труб производства Волжского трубного завода, проведенная специалистами ООО «ВНИИГАЗ» и других организаций, свидетельствует о достаточном уровне надежности труб при эксплуатации. Опыт работы газотранспортной системы СССР и России позволил положительно характеризовать спиральношовные трубы отечественных производителей [7,8].
ПЬ^ Трубная ■ и ^Уи Металлургическая ■■Ьл! Компания
ОАО «ТМК»
г. Москва, ул. Покровка, д. 40, стр. 2а Тел.: +7 (495) 775-76-00
Литература:
1. ООО «ВНИИГАЗ». "Комплексные исследования спиральношовных труб диаметром 530 -1420 мм в соответствии с Программой, утвержденной ОАО «Газпром» (п.п. 1, 3, 4, 5). М., 1999 г.
2. ООО «Институт ВНИИСТ». «Оценка конструктивной прочности спиральношовных труб производства ОАО «ВТЗ» диаметром 1420 мм с поперечным швом по результатам натурных испытаний и выдача заключения". Отчет по договору № 034/пр-03/1395 от 24.11.2003 г.
3. ООО «ВНИИГАЗ». «Комплексные исследования спиральношовных труб диаметром 1420 мм, изготавливаемых на ОАО «ВТЗ» из листового проката с одним поперечным швом». Отчет по договору № 128.41.12 от 14.10.2003г.
4. Даффи А., Эйбер Р. и Макси У. О поведении дефектов в сосудах давления. Новые методы оценки сопротивления металлов хрупкому разрушению / Под редакцией академика Работнова Ю.Н. «Мир», 1972.
5. Груздев А.А., Тарабрин Г.Г., Хохлов Н.Ф. (ОАО «Верхневолжскнефтепровод»), Фокин М.Ф. (НФ ИМФШ РАН), Смирнов С.И. (НИЛИН) «Сравнительные испытания прямошовных и спиральношовных труб». Трубопроводный транспорт нефти, 1999 г. - № 7. - 29 с.
6. Гумеров А.Г. и др. «Старение труб нефтепроводов», М.: Недра, 1995 г. - 223 с.
7. Кузнецов В.В.( главный технолог Управления газового надзора РАО «Газпром»). О чем говорит статистика. Отказы на магистральных газопроводах РАО «Газпром». / «Н. Вертикаль», 1998 г. - №1
8. Подмарков В.Ю., Марочкин С.И. Анализ отказов Единой системы газоснабжения за 1999 - 2001 гг.
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ ТРУБЫ \\ 73
