CC BY
56УДК 621.644.07
н.в. варламов, президент; г.и. макаров, д.т.н., профессор, советник президента; г.А. гиллер, к.т.н., старший научный сотрудник, советник президента ОАО ВНИИСТ, e-mail: [email protected]
современные научные тенденции в области разработки и применения труб нового поколения для магистральных трубопроводов
Необходимость обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта нефти и газа при существующих тенденциях увеличения производительности строящихся и реконструируемых магистральных нефтегазопроводов предопределила разработку новых научных подходов при проектировании, строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов.
Можно выделить несколько ключевых позиций, определивших основные направления совершенствования технологий и применения новых технических решений в области трубопроводного транспорта.
• Применение высокопрочных и высоковязких труб нового поколения повышенных категорий качества
• Отказ от трассовых способов нанесения защитных покрытий и использование труб только с заводской изоляцией
• Отказ от ручной дуговой сварки при выполнении сварочно-монтажных работ и переход на полностью автоматические и механизированные способы сварки труб
• Реализация принципов «малолюдной технологии» Единой автоматизированной системы управления и контроля магистрального трубопровода
• Планирование сроков и методов ремонта на основе оценки технического состояния трубопровода по результатам внутритрубной диагностики и обследования
Трубы для магистральных трубопроводов и связанные с их использованием технологии изготовления и строительства относятся к базовым элементам всей системы трубопроводного транспорта нефти и газа. Изменения в части требований к трубам большого диаметра влекут за собой соответствующие изменения к требованиям для всех других элементов системы и технологий строительства магистрального трубопровода.
Общим направлением развития техники является увеличение мощности и производительности оборудования, транспортных и энергетических установок и систем, технических транспортных средств и т.п. Это, в свою очередь, требует применения конструкционных материалов более высокой прочности, так как увеличение расчетных нагрузок на конструкции может быть компенсировано (без существенного увеличения металлоемкости) только соответствующим увеличением значений допускаемых напряжений (расчетных сопротивлений). Так, например, стрем-
ление увеличить производительность перекачки транспортируемого продукта по магистральным трубопроводам (при ограничении максимальных диаметров труб: 1220 мм - для нефтепроводов и 1420 мм - для газопроводов) привело за последние десятилетия к росту величины номинального рабочего давления с 5,4-7,4 МПа до значений 9,8-14,0 МПа. При таких высоких величинах давления использование листового проката трубных сталей прежних классов прочности К52- К55 потребовало бы увеличения толщины стенки труб до 35-40 мм. Увеличение металлоемкости конструкций (в том числе соединительных деталей, задвижек, арматуры и т.п.) осложнило бы технологию сварки монтажных кольцевых стыков, а также потребовало бы разработки принципиально нового парка техники и оборудования для выполнения строительных и сварочномонтажных работ (большей грузоподъемности, энергоемкости, стоимости).
В настоящее время при строительстве магистральных трубопроводов используют трубы повышенной прочности, ко-
Таблица 1. Сопоставление классов прочности и категорий качества труб для магистральных трубопроводов
Класс прочности труб Категории качества труб и соответствующие им коэффициенты надежности по материалу
А в С D Е F
1,55 1,47 1,40 1,34 1,26 1,18
К42 + + + Не применяются
К48 + + +
К50 + +
К52 + + +
К55 + +
К56 + + + +
К60 + + + +
К65 Не применяются + + +
К70 + + +
К80 + + +
торые позволяют ограничить толщину стенки труб значениями 27-30 мм. Например, в проекте - магистральный нефтепровод «Восточная Сибирь - Тихий океан (ВСТО-1)», при выполнении которого ВНИИСТ являлся генеральным проектировщиком, использованы высокопрочные трубы нового поколения диаметром 1067-1220 мм с максимальной толщиной стенки 18-27 мм из сталей классов прочности К56, К60, К65 и К70 на давления до 14,0 МПа.
Помимо высокой прочности листовой прокат трубных сталей должен обладать высоким уровнем пластических и вязкостных свойств во всем температурном диапазоне эксплуатации трубопровода, что необходимо для обеспечения трещиностойкости и сопротивляемости распространению протяженных разрушений. Традиционные способы повышения прочности стали за счет увеличения процентного содержания углерода не позволяют существенно повысить прочностные характеристики (предел текучести и временное сопротивление) без заметного снижения запаса пластичности и вязкости разрушения. Поэтому ме-
таллургам пришлось освоить другие способы достижения высокой прочности листового проката трубных сталей, в частности за счет применения упрочняющей термообработки листа в процессе прокатки (так называемые стали контролируемой прокатки). Для того чтобы увеличить лимит на легирующие элементы не ухудшая при этом свариваемость (регламентирует-
ся ограничением величин углеродного эквивалента и параметра стойкости против растрескивания), процентное содержание углерода пришлось даже понизить до 0,08-0,09%. Такой подход позволяет обеспечить сочетание высоких характеристик прочности, пластичности и вязкости разрушения. Снижение металлоемкости конструкций за счет повышения допускаемых
ЦШРДМІМ;Н!І
россииско-германское партнерство в сварке
Екатеринбург (343) 283 00 50 Санкт-Петербург (812) 677 22 64 Москва (495) 544 29 74 Новосибирск (383) 230 00 55 Красноярск (391) 218 13 86 Пермь (342) 212 02 98
Таблица 2. Требуемые значения раскрытия в вершине трещины для труб магистральных газопроводов и участков трубопроводов, которые подвергаются пневматическим испытаниям, для подземной прокладки на участках Ш-^ категорий
Диаметр труб, мм Проектное давление, МПа Раскрытие в вершине трещины 8С при температуре, равной минимальной температуре стенки трубы при эксплуатации, для подземной прокладки на участках Ш-ГО категорий, мм, не менее
К56 К60 К65 К70 К80
530 5,4 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3
6,3 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
7,4 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
8,3 0,7 0,6 0,6 0,6 0,5
9,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,7
11,8 1,1 1,1 1,0 1,0 0,9
14,7 1,6 1,6 1,5 1,4 1,3
720 5,4 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
6,3 0,7 0,6 0,6 0,6 0,6
7,4 0,9 0,8 0,8 0,8 0,7
8,3 1,1 1,1 1,0 1,0 0,9
9,8 1,4 1,4 1,3 1,3 1,2
11,8 2,0 1,9 1,8 1,8 1,6
14,7 2,9 2,8 2,6 2,5 2,3
820 5,4 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
6,3 0,8 0,8 0,7 0,7 0,7
7,4 1,1 1,0 1,0 0,9 0,9
8,3 1,4 1,3 1,2 1,2 1,1
9,8 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4
11,8 2,5 2,4 2,3 2,2 2,0
14,7 3,5 3,4 3,2 3,1 2,9
1020 5,4 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8
6,3 1,0 1,0 0,9 0,9 0,9
7,4 1,3 1,3 1,2 1,1 1,1
8,3 1,7 1,6 1,5 1,5 1,4
9,8 2,2 2,1 2,0 1,9 1,8
11,8 3,0 2,9 2,8 2,7 2,5
14,7 4,4 4,2 4,0 3,8 3,5
1220 5,4 1,1 1,0 1,0 1,0 1,0
6,3 1,4 1,3 1,3 1,2 1,2
7,4 1,8 1,7 1,7 1,6 1,5
8,3 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9
9,8 3,0 2,9 2,8 2,6 2,4
11,8 4,2 4,0 3,9 3,7 3,4
14,7 6,0 5,7 5,5 5,3 4,9
1420 5,4 1,4 1,3 1,3 1,3 1,3
6,3 1,8 1,8 1,7 1,6 1,5
7,4 2,4 2,3 2,2 2,1 1,9
8,3 3,0 2,9 2,8 2,7 2,5
9,8 4,0 3,8 3,6 3,5 3,2
11,8 5,5 5,3 5,1 4,8 4,5
14,7 7,8 7,5 7,2 6,9 6,4
напряжений можно обеспечить двумя способами: повышая прочностные характеристики металла или понижая величину коэффициентов запаса. Система коэффициентов запаса, приятая в СНиП 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы» [1] (при расчетном определении толщины стенки труб), позволяет учитывать категории качества изготовления труб посредством коэффициентов надежности по материалу. ВНИИСТ разработал технические требования на трубы нового поколения -с повышенными эксплуатационными характеристиками, качество которых регламентируется большим количеством параметров, чем указывается сегодня в паспортах на трубную продукцию. Эти дополнительные параметры устанавливают требования по характеристикам вязкости разрушения (статической трещиностойкости), сопротивляемости протяженным разрушениям (для магистральных газопроводов), хла-достойкости (температурный порог хрупкости), пластичности (угол загиба и коэффициент поперечного сужения), твердости, свойствам сварных соединений, характеристикам микроструктуры (полосчатость, зернистость, количество неметаллических включений). Такие трубы нового поколения позволят в дальнейшем уменьшить величину коэффициентов надежности по материалу для этих категорий труб. При проектировании трубопроводов из этих труб при прочих равных условиях требуемая по расчету толщина стенки труб умень-
шится на 5-10%. В таблице 1 показано сопоставление классов прочности и категорий качества труб большого диаметра, применяемых для строительства магистральных трубопроводов. Коэффициенты надежности по материалу к! для категорий качества А, В, С, й соответствуют значениям таблицы 9 СНиП 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы» [1]. Высшие категории качества Е и Р соответствуют перспективным трубам нового поколения - с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Одним из важнейших показателей эксплуатационных свойств металла труб для магистральных газопроводов и их сварных соединений является сопротивляемость протяженным разрушениям. В отличие от других механических характеристик (временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение,поперечное сужение, ударная вязкость, угол загиба, твердость и т.п.), которые определяют при лабораторных испытаниях образцов, характеристики сопротивляемости протяженным разрушениям можно получить только при натурных испытаниях соответствующих труб [2]. Протяженное разрушение - это особый вид разрушения сварной конструкции (характерный исключительно для магистральных газопроводов), который определяется упругопластическим деформированием металла трубы в области вершины, стационарно движущейся при протяженном разрушении трещины,
с учетом граничных условий, формируемых газодинамическими процессами декомпрессии.Указанный механизм в принципе не может быть адекватно воспроизведен в лабораторных условиях на образцах.
Предпринимаемые время от времени попытки оценивать сопротивляемость магистральных газопроводов протяженному разрушению только на основе результатов исследования лабораторных образцов методологически бесперспективны, даже на уровне качественных оценок. Один из последних примеров такого подхода содержится в методике [3], где предлагаются два вида испытаний образцов основного металла труб:
• определение ударной вязкости на образцах Шарпи (ГОСТ 9454-78), вырезанных из предварительно деформированных заготовок листового металла труб;
• определение работы разрушения при испытании на внецентренное растяжение плоских компактных образцов с краевой трещиной (ГОСТ 25.506-85). Первый вид испытания предназначен для оценки запаса пластичности металла и чувствительности его вязкости при ударном изгибе к предварительному пластическому деформированию. Данный метод используют при исследованиях в области технологической прочности сварных соединений, так как исчерпание запаса пластичности металла шва и околошовной зоны при термодеформационном цикле сварки
О
г
Рис. 1. Вид поверхности разрушения трубы от исходного надреза
непосредственно влияет на показатели свариваемости. Второй вид испытания относится к способам получения исходных данных для оценки допустимости выявленных трещиноподобных дефектов. Получаемые при этом испытании характеристики вязкости разрушения могут быть применены только для расчета прочности конструкций с имеющимися докритическими трещинами и трещиноподобными дефектами при оценке технического состояния трубопровода.
Таким образом, оба вида лабораторных испытаний, включенных в методику [3], не имеют отношения к оценке сопротивляемости магистральных газопроводов распространению протяженных разрушений, как хрупких, так и вязких. Говорить же об оценке сопротивляемости протяженному разрушению высокопрочных сталей, безотносительно основного объекта - магистрального газопровода, бессмысленно. Многолетний опыт ОАО ВНИИСТ [2] и ООО «Газпром ВНИИГАЗ» [4-5] проведения натурных испытаний труб на разрыв внутренним давлением с фиксацией скорости движения трещины Vтр и величины пластического раскрытия в вершине трещины ^ показал, что оценку сопротивляемости магистральных газо-
проводов протяженным разрушениям следует проводить только на натурных трубах при разрыве внутренним давлением газа или жидкости. При этом экспериментально полученные значения величины пластического раскрытия в вершине трещины 8С(Утр) следует сопоставить с нормативными значениями, определенными в результате расчета по теоретической модели деформирования трубы газопровода при протяженном безостановочном разрушении [6-9]. Величина раскрытия в вершине трещины, определенная в соответствии с СТО ВНИИСТ 01297858 0.0024.0-2007 [10], должна быть не меньше, чем соответствующие нормативные значения, подсчитанные на основе теоретической модели с помощью компьютерной программы расчета газопровода на сопротивляемость протяженным разрушениям (номер государственной регистрации программы для ЭВМ №2009614102) [11]. Нормативное значение 5С определяется классом прочности трубной стали, диаметром труб, проектным давлением, типом прокладки, категорией участка. В качестве примера ниже приводится одна из шести таблиц нормативных значений ^ для случая подземной прокладки газопровода на участках Ш-^ категорий (табл. 2).
В июле 2010 г. в рамках выполнения государственного инвестиционного проекта «Магистраль» по созданию высокопрочных и высоковязких труб нового поколения на испытательном полигоне ОАО ВНИИСТ были проведены натурные испытания труб 01220x15,0 мм класса прочности Х100, что примерно соответствует классу прочности К80 по отечественной классификации. Трубы были изготовлены методом пошаговой формовки по ТУ 1381-037-07516250-2009. Длина трубных секций при испытании составила 11,3 м. На рисунке 1 показан вид поверхности разрушения трубы, испытанной по методике [10]. Гидравлические испытания трубных секций с исходным поверхностным надрезом проводились в специальной бронека-мере. Испытательное давление в момент разрушения составило 10,2 МПа (104 атм.), что соответствует величине окружных (кольцевых) напряжений 409 МПа (меньшей, чем величина предела текучести для данной марки стали 461 МПа). Показатели вязкости разрушения (коэффициент интенсивности напряжений и пластическое раскрытие в вершине трещины), подсчитанные в соответствии с методикой [10], составили:
Специальные Стали и Сплавы
ОТДЕЛ ПРОДАЖ
Щелково: +7(495) 77-555-22 Челябинск: +7 (351) 239-8-001 Калининград: +7(4012) 60-50-98
KC = 593 MflaVM , 5С = 1,00 мм.
Полученные значения силового Кс и деформационного §С критериев механики разрушения свидетельствуют о высокой вязкости листового металла труб.
Повышенные требования к трубной продукции, разработанные ВНИИСТом, стимулировали внедрение новых технологий на отечественных металлургических и трубных заводах, способствовали техническому перевооружению и повышению культуры производства в трубной отрасли. В металлургии при выплавке трубных сталей нашли применение конверторные способы непрерывной разливки. Были введены в действие новые прокатные станы, в частности стан с шириной проката 5 м для формовки одношовных труб диаметром 1420 мм. Получил распространение способ пошаговой формовки одношовных труб большого диаметра. Стали применяться более высокопроизводительные способы сварки и контроля заводских швов. Вместо способа гидравлического экспандирования труб после сварки повсеместное распространение получил способ механического экспандирования с ограничением по величине максимальной пластической деформации до 1,2%.
Для заключительной технологической операции - заводского испытания трубы на гидропрессе, для труб повышенных категорий качества испытательное давление было регламентировано до уровня, соответствующего значению максимальных окружных напряжений в стенке трубы, равному 1,05 от величины нормативного предела текучести, а величина статической выдержки была снижена до 10 сек.
Основной тенденцией в области использования защитных покрытий труб для новых строящихся трубопроводов является отказ от трассовых способов нанесения покрытий и применение труб только с заводской изоляцией. ВНИИСТом разработаны требования к трубам с трехслойным заводским изоляционным покрытием на основе экструдированного полиэтилена толщиной 3,0 мм, а также требования к трубам с заводской теплоизоляцией из пенополиуретана. Все изоляционные материалы предварительно проходят комплекс специальных сертификационных испытаний в Испытательном центре ВНИИСТ, где подтверждается их соответствие разработанным требованиям.Так, например, защитные покрытия на основе полиэтилена проверяются по 17 различным показателям - адгезионной прочности, прочности при ударе при различных температурах, стойкости к катодному отслаиванию, к растрескиванию, к воздействию ультрафиолетового излучения и соляного тумана, к термоциклированию, к воздействию низких температур и т.п.
В области строительства магистральных трубопроводов существенные изменения произошли в части выполнения сварочно-монтажных работ. Совершенствование способов автоматической дуговой сварки кольцевых монтажных стыков труб и появление новых образцов высокопроизводительного сварочного оборудования определили тенденцию практически полного отказа от ручной дуговой сварки на монтаже. На сегодняшний день наиболее прогрессивным способом сварки кольцевых стыков является способ автоматической сварки порошковыми проволоками в среде защитных газов. При строительстве магистрального
НЕРЖАВЕЮЩИЕ ТРУБЫ
И КОМПЛЕКТУЮЩИЕ К НИМ
Tec/in С J Land
Techno-Land - производственное подразделение компании Специальные Стали и Сплавы, которое выпускает сварные нержавеющие трубы диаметром от 8 до 76 мм и профильные от 15 до 60 мм с матовой, шлифованной или зеркальной поверхностью из стали AISI 304, 201, 202, 321, 316L, 316Ti, 430, 409, 439.
Качество продукции соответствует европейским стандартам EN 10217-7 (DIN 17457), EN 10296-1 (DIN 17455).
WWW.NEFTEGAS.INFO
www.russteels.ru
нефтепровода «Восточная Сибирь -Тихий океан (ВСТО-1)» была применена поточно-разделенная технология автоматической сварки порошковыми проволоками в среде защитных газов (смесь аргона и углекислого газа) высокопроизводительными сварочными головками М300-С. Поточно-разделенная технология производства работ предполагает одновременное использование сварочно-монтажной колонной нескольких сварочных постов, каждый из которых размещен в отдельной палатке (по числу сварочных проходов - выполнения корневых, горячих, заполняющих и облицовочных швов). На каждом рабочем месте осуществляется сварка только одного типа шва, на выполнение которого настроены параметры и режимы двух сварочных головок, двигающихся по периметру стыка в разных направлениях. После завершения очередного цикла выполнения швов на каждом из рабочих мест вся сварочно-монтажная
колонна перемещается на один шаг. Производительность выполнения работ сварочно-монтажной колонной может достигать 90-100 стыков в сутки. Практически все операторы установок автоматической сварки головками М300-С, которые были допущены к работе при строительстве магистрального нефтепровода ВСТО-1, прошли переобучение в Школе сварщиков ВНИИСТ.
Одним из важнейших видов работ при строительстве магистральных трубопроводов является контроль качества монтажных кольцевых стыков средствами неразрушающего контроля. Использование труб нового поколения потребовало, наряду с традиционными радиографическими методами контроля качества сварных соединений, применения новых высокопроизводительных способов ультразвукового контроля. Сегодня при проведении контроля качества сварных соединений кольцевых стыков широко применяется современная механизированная аппаратура с
ультразвуковыми преобразователями на основе фазированных решеток пьезоэлементов, которая обеспечивает выявление наиболее опасных дефектов сварки, таких как несплавления по кромкам, стянутые непровары и т.п. ВНИИСТом разработан технологический документ по использованию этой аппаратуры, которая широко применялась при строительстве магистрального нефтепровода ВСТО-1.
В заключение нашего обзора научных подходов, касающихся разработки и применения труб нового поколения, новых методов сварки и контроля качества сварных соединений при строительстве магистральных трубопроводов, считаем необходимым обратить внимание на статью [12]. В указанной работе приводится недостаточно полная и недостоверная информация о разработчиках и разработках в области обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта нефти и газа.
Литература:
1. СНиП 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы». - М., 1997. С. 37-38.
2. Варламов Н.В., Макаров Г. И., Горицкий В.Н., Поликарпов К.В. Натурные испытания труб и ремонтных конструкций на испытательном полигоне ОАО ВНИИСТ. - Трубопроводный транспорт [Теория и практика]. - 2010. - № 6, С. 4-7.
3. Р Газпром XX-2011 «Методики оценки сопротивления протяженному вязкому разрушению высокопрочных сталей на основе комплексных испытаний основного металла труб в заводских и лабораторных условиях». - М., 2011. - 22 с.
4. Макаров Г. И., Колюпанов О.В. Методика оценки сопротивляемости магистральных газопроводов протяженным разрушениям. - Газовая промышленность. - 1997. - № 9. - С. 19-21.
5. Седых А.Д., Макаров Г.И. Производство надежных отечественных труб большого диаметра. - Газовая промышленность. - 2000. - № 2. - С. 32-34.
6. Макаров Г.И. Протяженные разрушения магистральных газопроводов/ Под ред. А.Д. Седых. - М.: Academia, 2002. -208 с.
7. Макаров Г.И. Уточненная теоретическая модель деформирования трубы магистрального газопровода при протяженном безостановочном разрушении. - Трубопроводный транспорт [теория и практика]. - 2008. - № 2. - С. 16-19.
8. Макаров Г.И. Нормативные требования по вязкости разрушения металла труб магистральных газопроводов в отношении их сопротивляемости протяженным безостановочным разрушениям. - Трубопроводный транспорт [Теория и практика]. - 2010. - № 1. - С. 17-19.
9. Макаров Г.И. Нормативные требования к вязкости разрушения трубных сталей. - Сварочное производство. - 2010. - № 5. - С. 36-39.
10. Стандарт организации СТО 01297858 0.0024.0-2007 «Натурные испытания труб с надрезом с целью определения характеристик статической трещиностойкости металла (вязкости разрушения) в конструкции трубы. Программа и методика испытаний». - М: ВНИИСТ. - 2007. - 22 с.
11. «Программа расчета газопровода на сопротивляемость протяженным разрушениям». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009614102 от 3 августа 2009 г. Автор: Макаров Георгий Иванович. Правообладатель: ООО «Институт ВНИИСТ».
12. Вышемирский Е.М. Организация разработки нормативных документов по сварке и контролю качества сварных соединений газопроводов ОАО «Газпром». Территория НЕФТЕГАЗ. - 2011. - № 5. - С. 54-61.
Ключевые слова: натурные испытания труб, трубы большого диаметра, прочность, трещиностойкость, высокопрочные стали, высокая вязкость разрушения, коэффициент интенсивности напряжений, пластическое раскрытие в вершине трещины, сопротивляемость протяженным разрушениям, сварка труб, изоляция, диагностика.
на правах рекламы
Ш лет спа рышзэ ©рензив §Е®
ПРИБОРЫ и СИСТЕМЫ коррозионного мониторинга и электрохимической защиты от коррозии
• Разработка и производство приборов для диагностики состояния магистральных трубопроводов и подземных металлических сооружений;
• Разработка и производство комплекса оборудования для коррозионного мониторинга и электрохимической защиты подземных металлических трубопроводов и сооружений;
• Телеметрия и телеуправление в системах коррозионного мониторинга;
• Автоматизация систем электрохимической защиты;
• Шеф-монтажные и пуско-наладочные работы;
£ Инновационная деятельность в области противокоррозионной защиты.
ООО «ПАРСЕК»
124460, г. Москва, Зеленоград,
4-й Западный проезд, д. 6, стр. 1
Телефон: (495) 944-72-88; факс: (495) 944-75-88
www.ooo-parsek.ru
ООО «НЕФТЕГАЗИМПЕКС»
Наш официальный торговый дом г. Москва, Ленинский проспект, д. 42 Телефон: (495) 744-56-58 www.neftegazimpex.ru [email protected]
