CC BY
19ТРУБЫ
И.Ю. Пышминцев, В.И. Столяров, В.И. Казачков,
К.В. Беляев, В.В. Харионовский, H.H. Травин, А.О Струин,
ОАО «ТМК», ОАО «РосНИТИ», ОАО «ВТЗ»ООО «ВНИИГАЗ», ООО «Севергазпром»
ПРИМЕНЕНИЕ
ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ТРУБ -ГАРАНТИЯ ОТ ЛАВИНООБРАЗНОГО РАЗРУШЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Удаленность запасов и увеличение объемов транспорта природного газа от мест потребления обусловливает новые требования к газопроводам из высокопрочных труб. Перспективы строительства газопроводов большого диаметра с большими эксплуатационными давлениями становятся все более актуальными.
Наряду с увеличением толщин стенок труб традиционного класса прочности Х70 дальнейший прогресс в развитии технологий будет связан с применением новых поколений трубных сталей, отличающихся высокой металлургической чистотой, с одной стороны, и прецизионным проведением прокатки при пониженных температурах и ускоренным управляемым охлаждением в строго определенном интервале температур. Новые технологии должны обеспечить соответствие труб следующим основным взаимосвязанным требованиям:
• снижение удельной стоимости транспортировки газа;
• обеспечение эффективной и безопасной работы магистральных трубопроводов при повышенных рабочих давлениях;
• обеспечение высоких характеристик свариваемости стали в заводских и полевых условиях;
• обеспечение высокой прочности и вязкости, подразумевая под последним широкий набор характеристик, в том числе и сопротивление протяженным разрушениям.
Последовательное повышение эксплуа-
тационных давлений в магистральных газопроводах до 7.4, 8.4 и 9.8 МПа, а в ближайшей перспективе и выше инициировало проведение Трубной Металлургической компанией и институтами ВНИИГАЗ, ЦНИИЧерМет, РосНИТИ аналитических и экспериментальных исследований по обеспечению надежности труб большого диаметра класса прочности Х70 (К60) с повышенной толщиной стенки до 21,6 мм при работе в сложных климатических условиях. На Волжском трубном заводе была разработана технология и выпущена опытная партия спиральношовных труб диаметром 1420 мм и толщиной
21,6 мм из листа контролируемой прокатки класса прочности Х70. Требуемый уровень механических свойств металла труб и сварного соединения по разработанным техническим условиям и фактические данные, полученные при применении листа производства австрийской компании «Фест Аль-пине», приведены в табл. 1. Высокие прочностные и вязкие свойства основного металла и сварных соединений труб, в том числе при отрицательных температурах, достигнутые благодаря целенаправленному выбору качественного металла и прецизионной технологии изготовления, являют-
- 1
Рис. 1. Опытная плеть, сваренная на временном полигоне ООО «Севергазпром»
54 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № ТО \\ октябрь \ 2007
Таблица 1. Механические свойства труб 1420х21.6мм
Предел текучести, МПа Вр.сопро-тивление, МПа Относительное удлинение, % ударная вязкость, ИПГ-20 %
Осн. металл КСТ-20 Сварное соединение KCu-60
Центр шва Линия сплавления
Опытная партия 493-540 627-655 24-25 237-263 36-38 195-338 92-100
Требования ТУ 14-156-61-2006 480 590 20 108 - 50 85
ся свидетельством их высокой надежности. Однако стойкость металла труб против протяженного вязкого разрушения как основного критерия безопасной эксплуатации газопровода высокого давления потребовал дополнительного анализа и экспериментального подтверждения.
Это обусловлено тем, что к настоящему времени многолетний опыт эксплуатации и испытания газопроводов позволил установить корреляционные соотношения между способностью металла останавливать движение трещины и механическими свойствами, прежде всего ударной вязкостью при температуре эксплуатации. Рассчитанные из признанных соотношений минимальные значения ударной вязкости, необходимые для остановки трещины, нашли отражение в требованиях международных и национальных стандартов на трубы
5L) и трубопроводы (IS013623:2000). В настоящее время наиболее признанными являются универсальные подходы, разработанные Европейской группой по исследованию трубопроводов -European Pipeline Research Group (EPRG), координирующей исследования в этом направлении 9 трубопроводных (энергетических) и 9 металлургических (трубных) компаний. Следует отметить, что подходы EPRG, нашедшие в полном объеме отражение в современных международных стандартах, предполагают, что минимальный требуемый уровень вязкости обеспечивает, по крайней мере, 50% труб в партии, способных останавливать трещины. Данный подход позволяет оценить вероятность остановки трещин в пределах нескольких труб исходя из фактического уровня среднего значения энергии разрушения относительно требуемого минимума (табл.2).
(ГОСТ Р 52079-2003, ISO 3183:2007, API Таблица 2. Признанные соотношения для расчета необходимой вязкость для предотвращения протяженных разрушений
Очевидно, что 2-2,5-кратное превышение минимума энергии для всех марок, включая Х80, обеспечивает надежную остановку трещины в пределах 3-5 труб, что определено как «современные» высоконадежные трубы. Требования всегда относятся к основному металлу труб и не включают вязкость продольных или спиральных швов, поскольку взаимное расположение швов соседних труб носит случайный характер, определяющий невозможность перехода трещины в другую произвольную плоскость на протяжении нескольких труб. Тем не менее эти значения и использованные подходы имеют ряд ограничений, прежде всего по величине эксплуатационного давления, ограниченного, как правило, 8,0 МПа (табл.3). Кроме того, данные соотношения достаточно точны, только если расчетный требуемый уровень ударной вязкости
№ Средняя энергия разрушения образцов Шарпи, Дж Источник
1 Cv = 1.5 x 2.38 10-4 x aHw x D°'5 « L485 (X70), D « 1219 мм, t « 18,3 мм P « 7.0 МПа (P < 11,7 МПа для фактора 0.8 или 10,5 МПа для 0,72) AISI
2 Cv = 1.5 x 2.38 10-5 x аН2 x (Rxt)0-33 « L555 (X80), P « 7.0 МПа, 40 < D/t < 115 BatteLLe (упрощ.)
3. Cv = 1.5 x (2.08 x R x t-0 5 - 0.001 x V0 x R125 x t -0 75) x аН x 10-3 British Gas
4. T < 25.4 мм; D < 1430 мм, P < 8.0 МПа: < L450 (X65) : Cv = C1 aHw D05; C1 = 2,67 10-4 L450-L485 (X65-X70): Cv= C2 aHw D05; C2 = 3,21 10-4 L485-L555 (X70-X80): Cv= C3 аН2 (Rt)033; C3 = 3,57 10-5 Рекомендации EPRG
5. L245-L450: Cv = 2,67 10-4 x aHw x D05 L485: Cv = 3,21 10-4 x aHw x D0 5 L555: Cv = 3,57 10-5 x аН2 x (Rxt)033 IS013623:2000 Для транспортировки жидкостей категории D (природный газ)
R - радиус в мм, t - толщина стенки в мм, D - диаметр в мм . V0 скорость звука в м/с, аН - окружные напряжения, МПа
Прим.: 1) Расчетные значения должны быть скорректированы на основе практических данных, если рассчитанная вязкость превышает 100 Дж. 2)Для всех формул необходимо не менее 85% вязкого излома при испытаниях падающим грузом и 100% вязкой составляющей в изломе ударных образцов; 3) Обязательно однофазное поведение при декомпрессии; 4) Минимальный уровень энергии разрушения любого из трех образцов серии не должен быть ниже 0,75 от среднего.
ТРУБЫ
Рис. 2. установка датчиков скорости ния газа и температуры трубы
по Шарпи не превышает 100 Дж (125 Дж/см2), что существенно ниже действительной вязкости современных труб, разработанных для эксплуатации в сложных условиях. Ввиду этого возможность применения труб при давлении 9,8 МПа, а в будущем и более высокого требует прямой экспериментальной проверки.
Как следует из приведенного выше, относительно надежное вероятностное предсказанное поведение материала труб большого диаметра для газопроводов высокого давления ограничено существующими давлениями, категориями прочности и не может быть распространено на перспективные трубы для проектов нового поколения. В равной степени это справедливо для листа и рулонного проката для прямошовных и спиральношовных труб, соответственно, опыт строительства газопроводов класса прочности Х80 из которых уже имеется в США, Канаде и Западной Европе.
В связи с повышением рабочего давления в строящихся газопроводах нового поколения до 9,8 МПа впервые с 1983 г. в условиях ООО «Севергазпром» в апреле 2007 г. были проведены уникальные по давлению и размерам используемых труб сравнительные пневматические испытания спиральношовных и прямо-шовных труб 1420 х 21,6 мм, изготовленных из современных толстолистовых сталей контролируемой прокатки класса прочности Х70. Для проведения испытаний в соответствии с разработан-
трещины, давле- Рис. 3. Плеть после испытания (панорама)
ным ООО «СеверНИПИгаз» проектом и методикой, был оборудован временный полигон, в котором с участием управления аварийно- восстановительных работ (УАВР ООО «Севергазпром») была смонтирована опытная плеть из труб общей длиной 164 м (Рис.1). Плеть состояла из прямошовной трубы-инициатора разрушения («разгонной трубы») длиной 6 м, испытуемого участка из трех спиральношовных труб, испытуемого участка из трех прямошовных труб, приваренного к разгонной трубе с противоположной от спиральношовных труб стороне, и буферных спиральношовных труб (для имитации работы полноразмерного газопровода). Распространение трещины с высокой скоростью в разгонной трубе инициировалось кумулятивным зарядом. Плеть размещалась в траншее и засыпалась грунтом на всю длину за исключением разгонной трубы.
При проведении эксперимента проводились измерения давления, температуры металла труб и окружающего воздуха, скорости распространения трещины в разгонной трубе и испытуемых участках, деформации в теле труб и сварных соединениях (рис.2). В качестве критерия пригодности труб с точки зрения обеспечения сопротивления протяженному вязкому разрушению была выбрана остановка трещины в пределах трех испытуемых труб за время не более 0,36 с., что полностью соответствует принятым международным концепциям для высоконадежных со-
временных материалов. Пневматические испытания взрывом были осуществлены 12 апреля 2007 г. после достижения в опытной плети рабочего давления 9.8 МПа и установления стабильной температуры -10ОС (Рис. 3). В результате взрыва центральная часть плети, включая трубу-инициатор длиной 6 м и участок прямо-шовной трубы длиной 6.3 м были развернуты до практически плоского состояния и выброшены из траншеи на расстояние 230 м. Произошел осевой сдвиг двух участков от центра плети в противоположные стороны на 45 м с осевым разворотом на 90о и 180о соответственно спиральношовной и прямо-шовной частей.
Осмотр плети после взрыва установил, что трещина развивалась в обе стороны от трубы-инициатора. Остановка трещины произошла в пределах первой прямо-шовной трубе и первой спиральношовной трубе с временем до остановки разрыва 0.210 и 0.179 сек соответственно, что в целом характеризует результат испытаний как положительный. В прямошовной трубе трещина распространялась по основному металлу с формированием характерного для контролируемой прокатки слоистого рельефа поверхности разрушения. В зоне остановки на расстоянии 9,4 м от центра плети трещина закольцевалась, вышла в околошовную зону, где произошло разрушение на длину около 0,5 м. В спиральношовной трубе на первых 1.4 м разрушение распространялось по
56 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № 10 \\ октябрь \ 2007
Таблица 3. Рекомендации по безопасности в соответствии с рекомендациями EPRG [5]
Средняя энергия Марка труб 95% вероятно- Вероятность остановки
разрушения в сти остановки в в пределах
партии пределах трех труб пяти труб
<Х70 10 труб 46% 67%
1,0 х EPRG ^ Х70, Х75 Х80 18 труб 11 труб 27% 44% 41% 65%
<Х70 8 труб 59% 81%
1,2 х EPRG ^ Х70, Х75 Х80 12 труб 7 труб 40% 63% 60% 84%
<Х70 5 труб 77% 94%
1,5 х EPRG ^ Х70, Х75 Х80 7 труб 4 труб 61% 84% 82% 97%
«Современные» трубы (2-2,5) х EPRG ^ 3 труб 97% 99%
основному металлу, затем продольная трещина при пересечении заводского сварного шва отклонилась от осевого направления и развивалась параллельно спиральному шву по зоне термического влияния, под углом к оси трубы 38 градусов. Остановка произошла на расстоянии 13,2 м от центра плети при выходе трещины на кольцевой стыковой шов, наличие заводского поперечного шва не оказало влияния на ход распространения трещины. Характер излома - вязкий. Большинство известных натурных испытаний на сопротивление распространению магистральных трещин проведено к настоящему времени с использованием прямошовных труб. Отличием спиральношовных труб является обязательное пересечение спиральных швов при распространении трещин в плоскости, перпендикулярной максимальному напряжению (окружному). Учитывая, что шов имеет меньшую вязкость, но большую прочность при растяжении, чем основной металл, можно ожидать несколько вариантов распространения вязких трещин в трубопроводе из высокопрочных спирально-шовных труб: вдоль оси трубы, вдоль спирального шва, параллельно или даже перпендику-
лярно ему. Отклонение перемещения трещины от прямолинейного распространения приводит к снижению движущей силы (давления в вершине трещины) разрушения, поскольку скорость декомпрессии для спирально-шовной и прямошовной трубы одинакова.
Известные натурные полномасштабные эксперименты подтверждают это. Исследования EPRG показали, что в 37 полномасштабных пневматических испытаниях спиральношовных труб классов прочности Х60 и Х70 трещины рас-
пространялись как вдоль оси трубы, так и в ряде случаев параллельно шву по основному металлу. Отмечен один случай распространения трещины перпендикулярно шву. В целом принципиальных отличий поведения спирально-шовных от прямошовных труб, равно, как и достоверности оценки их способности тормозить вязкие трещины по величине ударной вязкости, обнаружено не было.
Проведенный в условиях ООО «Севергаз-пром» эксперимент показал, что спи-ральношовные трубы 1420х21.6 мм категории прочности Х 70, освоенные на Волжском трубном заводе, отвечают самым высоким требованиям, предъявляемым в современном мире к высокопрочным газопроводным трубам, работающим при высоких давлениях. Для характерных основных технических требований и параметров новых российских газопроводных проектов подтверждено, что спиральношовные трубы, изготовленные из современных высокопрочных сталей контролируемой прокатки, обладают высокой способностью препятствовать распространению протяженного вязкого разрушения, что является гарантией высокой надежности газопроводов с рабочим давлением 9,8 МПа.
