Сварные трубы для магистральных трубопроводов

12.07.2018
Становление и развитие производства сварных труб большого диаметра в России началось в конце 40-х годов в связи с интенсивным ростом добычи нефти и природного газа, увеличением их удельного объема в энергетическом балансе страны и, как правило, значительной удаленностью месторождений этих видов топлива от основных потребителей.

Пионерами производства труб этого типа были Ждановский (тогда Мариупольский) завод им. Ильича и Харцызский трубный завод (ХТЗ). Здесь по инициативе Е.О. Патона и при участии института, носящего его имя, на основе применения автоматической сварки под флюсом и отказа от кузнечной сварки, выполнявшейся с помощью примитивных, малопроизводительных, неприемлемых в санитарно-гигиеническом отношении молотковых станов Дикке и роликозакаточных машин Шпрангера было организовано изготовление труб для строительства магистрального газопровода Дашава-Киев и ряда других объектов нефтяной и газовой промышленности.

Тогда на указанных заводах был освоен выпуск труб диаметром 529 и 630 мм, рассчитанных на рабочее давление 4,4 МПа (1 атм = 0,098 МПа). В настоящее время в Советском Союзе выпускаются миллионы тонн сварных труб больших диаметров, в том числе трубы диаметром 1420 мм, рассчитанные на рабочее давление 7,4 МПа, для магистральных газопроводов.

Столь значительное увеличение основных рабочих параметров газопроводов в совокупности с необходимостью их строительства и эксплуатации в сложных климатических условиях, в частности условиях Крайнего Севера и Сибири, потребовало принятия мер, снижающих опасность разрушений. Применительно к трубам были существенно повышены требования к свойствам основного металла и металла сварных соединений. Они были удовлетворены благодаря применению сложной технологии выплавки, внепечной обработки и микролегирования стали, ее прокатки на специальных станах по контролируемым режимам, а также благодаря усовершенствованию технологии сварки.

Дальнейшая интенсификация транспорта газа основывается на повышении рабочего давления до 9,8...11,8 МПа пока при неизменном (1420 мм) диаметре трубопровода. Однако увеличение толщины стенки труб усугубляет трудности обеспечения требуемых свойств стали, особенно ее устойчивости против хрупкого и вязкого лавинного разрушения. Преодоление этих трудностей осложнено необходимостью изготовления значительных количеств металла и труб. Поэтому стала весьма актуальной разработка новых подходов к данной проблеме, основанных на изменении конструкции труб и трубопроводов, что позволяет обеспечить их стойкость против протяженных разрушений при использовании более дешевой и менее дефицитной стали.

Трубы со сплошной стенкой. Трубы большого диаметра изготавливают с одним или двумя продольными швами или швом, расположенным по винтовой линии. Первые называют прямошовными, а вторые — спирально-шовными.

Применительно к магистральному трубопроводному транспорту прямошовные трубы получили преимущественное распространение, что обусловлено более высоким качеством листового металла по сравнению с качеством рулонной стали. Однако в последние годы доля спиральношовных труб в общем объеме выпуска труб большого диаметра возросла вследствие достигнутого улучшения качества рулонного металла, а также освоения производства спирально-шовных труб из отдельных листов.

Основным способом сварки труб для магистральных трубопроводов является механизированная дуговая сварка под флюсом.

За рубежом прямошовные трубы из одного листа соответственно с одним продольным швом изготавливают диаметром 530...1420 мм. В России трубы диаметром 530...820 мм выпускаются одношовными, а диаметром 1020...1420 мм — двухшовными, из двух листов. Ранее к металлу труб предъявлялись только требования прочности, пластичности и свариваемости. Сварные соединения должны были обеспечивать рав-нопрочность и близкую основному металлу пластичность. Для повышения гарантии герметичности обусловливалось требование сваривать швы труб не менее чем в два слоя или с двух сторон.

Такой комплекс требований был впервые выполнен в бывш. СССР в 1954 г. Харцызским трубным заводом при освоении производства газопроводных труб диаметром 529...720 мм из стали марки 14ХГС. Трубы изготавливались с одним прямым швом длиной б м. Формовка выполнялась на вальцах, сварка двухдуговая, двухсторонняя со скоростью 75...90 м/ч. После сварки трубы подвергались горячей правке, являвшейся одновременно нормализацией. Далее шестиметровые трубы сваривались встык в двенадцатиметровые.

Разработка и освоение технологии и оборудования для производства первых отечественных газопроводных труб, удовлетворявших основным международным требованиям того времени, были осуществлены на ХТЗ ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины и Всесоюзным научно-исследовательским трубным институтом (ВНИТИ) при участии проектного института Гипросталь (Харьков). Сталь 14ХГС, как и остальные упоминаемые ниже трубные стали, разработана Центральным научно-исследовательским институтом черной металлургии (ЦНИИЧМ) им. И.П. Бардина.

Выполненные на ХТЗ работы, проведенные практически без заимствования зарубежного опыта, заложили основы создания технологии и оборудования для сварки прямошовных труб и во многом определили дальнейшие пути развития их отечественного производства. Именно тогда был впервые разработан и применен способ двухдуговой сварки с повышенной скоростью, сконструирован первый, так называемый непрерывный трубосварочный стан, разработана технология изготовления специального пемзовидного флюса, применена многодуговая сварка труб на спуск. К достижениям того времени относится и разработка ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины первых специализированных аппаратов для многодуговой сварки наружных и внутренних швов труб. Тогда же были уточнены и сформулированы основные требования к технологии и оборудованию для подготовки листов, формовки и отделки труб.

Более современным, основанным на прессовой формовке и экспандировании, являлся цех Челябинского трубопрокатного завода (ЧТПЗ). Здесь в 1956 г. совместно с ВНИТИ, ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины, Электростальским заводом тяжелого машиностроения (ЭЗТМ) и другими организациями было освоено производство одношовных труб диаметром 530...820 мм и длиной 12 м.

Схема производства указанных труб приведена на рис. 1. После правки и строжки формовка трубных заготовок осуществляется в три приема. Двухсторонняя сварка так же, как на ХТЗ, выполняется в последовательности наружный-внутренний шов. Однако для устранения кристаллизационных трещин, систематически образующихся в швах труб при расплавлении прихваток, кромки заготовок ими предварительно не связывались. Перед сваркой они совмещались в устройствах станов, прообразом которых был упомянутый стан ХТЗ.

Необходимость значительного увеличения количества транспортируемого газа и повышения экономичности его передачи на дальние расстояния потребовала срочной организации производства труб больших диаметров. Были разработаны оригинальные, не имевшие прототипов технология и оборудование для изготовления труб из двух полуцилиндров, формуемых из сравнительно узких листов. Производство таких двухшовных труб сначала диаметром 1020 мм, а затем 1220 мм, рассчитанных на давление 5,39 и 6,27 МПа, было организовано на ЧТПЗ начиная с 1963 г.

Начало технологического потока изготовления труб из двух полуцилиндров и его конец в принципе не отличаются от принятых для одношовных труб. Изменения имеются только при формовке и сварке. Последней предшествует складывание двух полуцилиндров с помощью специального механизма. После выполнения первого рабочего шва заготовка поворачивается на 180°, и в другом стане сваривается второй наружный шов. Концы труб обрезаются и обрабатываются после сварки внутренних швов. Далее для повышения точности размеров трубы экспандируют, подвергая их остаточной деформации в пределах 0,4...1,2 %. Эта деформация обусловила дополнительные требования к технологии сварки. Недопустимыми, вызывающими разрушения труб при эк-спандировании оказались мелкие дефекты швов (подрезы, наплывы, превышения кромок и др.), которые при горячей правке не проявлялись отрицательно. Значительная потребность в трубах определяла необходимость поисков технологии, позволяющей сваривать их с максимально возможной скоростью.

Основой работ, позволивших улучшить формирование швов и одновременно существенно повысить скорость их сварки, явились технологические исследования, сочетаемые с изучением магнитогидродинамических явлений в зоне горения дуг и сварочной ванне. Наиболее эффективными оказались установление связи фазировки электродов и формирования шва, изучение влияния магнитного поля сварочного контура на швы, выполняемые внутри трубы, разработка способов многодуговой сварки с колебаниями электрода, трехэлектродной сварки и др. Изменение скорости сварки труб, достигнутое в результате совершенствования много дуговых процессов, показано на рис. 2.

По мере накопления опыта производства труб, строительства и эксплуатации трубопроводов уточнялись требования к металлу и сварным соединениям труб, определялись марки стали, сварочные материалы и др. В результате для экспандированных труб диаметром до 820 мм была принята сталь 17ГС, а для труб диаметром 1020 и 1220 мм — сталь 17Г1С и 17Г1СУ (табл. 1). Следует отметить, что двухшовные трубы в России изготавливают не только из полуцилиндров. На НТЗ трубы диаметром 1020 мм, рассчитанные на давление 5,39 МПа, производят из так называемых карт, сваренных продольным швом из двух узких листов.

Карты вальцуют и сваривают трубным швом. Далее заготовки подвергаются отделке, включая экспандирование. Завершает технологический процесс стыковка двух шестиметровых труб. Однако этот способ производства менее совершенен.

Строительство газопроводов диаметром 1420 мм, рассчитанных на давление 7,4 МПа, в том числе прокладываемых от месторождений Крайнего Севера и Сибири, явилось важнейшим этапом развития отечественной газовой промышленности. Кроме улучшения прочностных свойств и повышения гарантированных значений ударной вязкости при минимальной рабочей температуре, для металла труб таких газопроводов была введена регламентация процента волокна в изломе крупномасштабных образцов типа DWTT, оценивающих способность металла противостоять распространению хрупкой трещины. Повышены нормы ударной вязкости металла сварных соединений (см. табл. 1). Признано также необходимым подвергать их эффективному 100%-му неразрушающему контролю.

Этим требованиям удовлетворяют трубы, изготовляемые из полуцилиндров в цехе ХТЗ (рис. 3), введенном в действие в 1974 г. С целью обеспечения более высоких требований и повышения экономичности производства в технологический процесс и оборудование этого цеха внесены существенные изменения. Так, формовка заготовок производится не в прессах, а в валково-роликовом стане. Его устройства позволяют получать заготовки относительно стабильных размеров из листов с различной степенью пружинения без характерных для валково-роликовой формовки искривлений кромок.


Для предотвращения образования кристаллизационных трещин, часто возникающих в рабочих швах труб вследствие деформаций и перемещений кромок при их совмещении, в цехе ХТЗ трубы сваривают не в два, а в три слоя: с наружной стороны в углекислом газе сваривают технологические швы, под флюсом выполняют внутренние, а затем наружные рабочие швы. Принцип трехслойной сварки рабочих швов труб был разработан в ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины и впервые применен при сварке спирально-шовных труб, о которых будет сказано ниже.

Применительно к комплексу ХТЗ ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины были решены задачи, из которых основными было создание технологии и аппаратуры для сварки труб и ее контроля. Разработаны также технические задания на проектирование всех трубосварочных станов. С учетом специфики конструкции двухшовных труб и деформаций, возникающих при их сварке, найдены и применены оптимальные решения. Так, дуговая сварка технологических швов выполняется в углекислом газе последовательно в двух агрегатах специального стана, каждый из которых имеет по шесть сварочных головок, расположенных через каждые 2 м. Кромки заготовок собираются в агрегатах стана встык по всей длине с зазорами и превышениями не более 1 мм. При сварке полуцилиндры продвигаются в стане вперед на 2 м со скоростью 2,5...3,0 м/мин, вследствие чего общая скорость сварки равна 15... 18 м/мин.

В начальный период из-за чрезмерных усилий, прикладываемых к кромкам во время сварки и сразу после нее, технологические швы часто разрушались. Преодоление этих трудностей стало возможным в основном после освоения формовки заготовок, улучшения конструкции и настройки агрегатов сварочного стана.

Сварка рабочих швов труб выполняется под флюсом тремя дугами (рис. 4). Вследствие сварочных деформаций, проявляющихся главным образом после сварки первых рабочих внутренних и наружных швов, положение сварочной ванны в пространстве изменилось, что существенно отражалось на форме и качестве швов. Стабилизировать положение ванны предполагалось спрямлением стыка на участке, где выполнялась сварка с помощью устройств трубосварочных станов. Однако такие устройства оправдали себя только для наружных швов. Негативные условия формирования внутренних швов были компенсированы уменьшением глубины их провара при соответствующем увеличении провара наружных швов, выполнением сварки на спуск и др.

Современным требованиям к металлу труб для северных газопроводов наиболее полно удовлетворяют малоперлитные микролегированные стали контролируемой прокатки, в том числе сталь 09Г2ФБ, из которой на ХТЗ изготавливают трубы диаметром 1420 мм, рассчитанные на давление 7,4 МПа.

Для обеспечения заданных вязких свойств сварных соединений этих труб (см. табл. 1) необходима технология, способная обеспечить минимальное охрупчивание металла околошовной зоны и повышенную вязкость собственно металла шва. Такая технология была разработана на основе трехдуговой сварки с пониженными тепловложениями и применения экономнолегированной электродной проволоки Св-08ГМ и Св-08ГНМ, сочетаемой с пемзовидным флюсом АН-60. Дальнейшее улучшение вязких свойств металла шва, в частности обеспечение его ударной вязкости не менее 49 Дж/см2 при температуре -60 °C, для труб, рассчитанных на давление 9,8 МПа, будет обеспечено на основе применения электродных проволок с титаном и бором, сочетаемых с низкокремнистыми плавлеными и керамическими флюсами.

Многолетний опыт производства двухшовных труб на ЧТПЗ и ХТЗ, строительства из них магистральных трубопроводов и их эксплуатации показывает, что, несмотря на вдвое большую протяженность швов, двухшовные трубы по надежности мало уступают изготавливаемым из одного листа. Некоторое сравнительно незначительное повышение трудоемкости и расхода металла компенсируется существенно меньшей стоимостью вдвое более узких листов.

Как уже отмечалось, наряду с прямошовными для магистральных трубопроводов применяют спирально-шовные трубы. Схема их производства из рулонной стали на станах конструкции Всесоюзного научно-исследовательского института металлургического машиностроения (ВНИИ-МЕТМАШ) приведена на рис. 5. После правки и обрезки концы полосы совмещают и сваривают встык. Ее продольные кромки подвергают механической обработке. Далее их подгибают, что позволяет избежать так называемого крышей или домиком искажения формы трубы в зоне сварных соединений. Продвигаясь, полоса поступает в подающую машину и далее под углом, равным углу сворачивания трубы, в формовочное устройство. В начале сопряжения кромок сформованной полосы сваривается внутренний шов, наружный шов выполняется через полшага спирали. После сварки на выходе из стана обрезают трубы заданной длины и подвергают их отделке и испытаниям.

Способ производства спирально-шовных труб по такой схеме был впервые разработан в ФРГ и в 1959 г. осуществлен в России на Ждановском металлургическом заводе (ЖМЗ) им. Ильича. С целью повышения скорости сварки и снижения опасности образования в швах кристаллизационных трещин были разработаны технология и оборудование для сварки, с помощью которых в зоне неполного совмещения кромок выполняют технологический шов, связывающий кромки при формовке. Через полшага спирали сваривают наружный, а еще через полшага — внутренний рабочий шов. Оба этих шва полностью перекрывают технологический.

Преимущества аналогичной технологии уже рассматривались применительно к прямошовным трубам. Для спирально-шовных труб они не менее значимы, так как вследствие совмещения процессов формовки и сварки при их изготовлении возрастает опасность образования в швах кристаллизационных трещин.

Комплекс технологии и оборудования для трехслойной сварки спирально-шовных труб диаметром 1020 мм разработан ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины и впервые освоен в 1963 г. на станах ЖМЗ конструкции ВНИИМЕТМАШа. Полученный опыт послужил основой создания и освоения группы станов Волжского трубного завода.

В заключение отметим, что современные трубы большого диаметра и сооружаемые из них магистральные трубопроводы являются как бы детищем сварки. Именно сварка сделала возможной организацию массового производства экономичных и надежных труб этого типа. Она же является ведущим процессом в строительстве всех современных трубопроводов. Характерно, что основой производства труб большого диаметра стала сварка под флюсом. Обеспечивая требуемые свойства сварных соединений, этот процесс оказался наиболее пригодным для массового производства, выбор технологии для которого определяют исходя из возможности обеспечения заданного уровня качества при многократном (практически непрерывном) повторении операций, выполняемых с достаточной производительностью.

Примечательно, что в трубном производстве объем сварочных работ и уровень их механизации наибольшие. Так, в подотрасли производства труб большого диаметра ежегодно в нашей стране сваривается примерно 27 тыс. км двухсторонних стыковых швов металла толщиной 6...22 мм, на что расходуется примерно 50 % производимого в России флюса и 20 % используемой для сварки под флюсом электродной проволоки. При этом доля полуавтоматической и ручной сварки, применяемой в основном при устранении дефектов трубных швов, выполненных автоматической сваркой под флюсом, весьма незначительна и не превышает 0,3 % всего объема сварочных работ.

Постоянный рост производства труб большого диаметра, значительные объемы сварочных работ и высокая ответственность трубопроводов требуют проведения эффективных исследований в направлении снижения дефектности швов и повышения вязких свойств металла сварных соединений, увеличения скорости сварки, лимитирующей производительность оборудования, экономии сварочных материалов и др.

Многослойные трубы и гасители протяженных разрушений для магистральных газопроводов. Традиционный путь решения проблемы получения труб для магистральных газопроводов на давление 9,8...11,8 МПа и выше предусматривает дальнейшее развитие рассмотренной технологии производства труб со сплошной стенкой на основе применения низкоуглеродистой бейнптноп стали, содержащей молибден, никель, ниобий и другие легирующие элементы. Такая сталь, как и сталь для труб диаметром 1420 мм, рассчитанных на давление 7,4 МПа, со стенкой толщиной 15...22 мм, содержит минимальное количество серы и других загрязнений, однако контролируемая прокатка в этом случае производится по еще более сложной технологии. Предлагается также применять обычную прокатку и специальную термообработку. По такому пути пошли ведущие зарубежные фирмы, производящие трубы большого диаметра для газопроводов (ФРГ, Япония, США).

Возрастающие требования к металлу труб, значительное усложнение технологии его производства и повышение стоимости создали предпосылки для поисков решений, при которых надежность работы газопроводов обеспечивается путем конструктивных решений па основе более простой и доступной стали.

Исходя из этих положений были созданы новые трубы с многослойной стенкой. В основу их создания положены данные о том, что, во-первых, тонкий металл обладает более низкой критической температурой перехода в хрупкое состояние, чем более толстый такого же состава, во-вторых, несущая способность пакета из нескольких слоев на 5...12 % больше, так как при одинаковом составе тонкий металл прочнее толстого на указанную величину.

Вследствие конструктивных особенностей трубы с многослойной (MC) стенкой позволяют снизить вероятность зарождения разрушения в основном металле, а если оно зародилось, то принципиально изменить его характер. Это определяется тем, что труба с MC стенкой малочувствительна к дефектам, от которых обычно начинается разрушение, и MC стенка обладает особенностями, приводящими к изменению траектории движения трещины и ограничению ее длины. Это положение неоднократно подтверждалось при проведении полигонных испытаний отдельных труб и плетей при гидравлическом и пневматическом нагружении.

Длина разрыва трубопровода диаметром 1420 мм из MC труб при нагружении природным газом (со взрывом и возгоранием) составила всего 8,5 м, в то время как на газопроводах со сплошной стенкой она во много раз больше.

В результате опытных и промышленных работ, а также ряда проверок и испытаний разработана конструкция MC трубы и создан комплекс технологии и оборудования для массового производства таких труб из рулонной горячекатаной стали.

MC труба длиной около 12 м состоит из семи обечаек, сваренных кольцевыми швами. Количество обечаек в трубе определяется шириной рулонной полосы. Так, для трубы из семи обечаек используется полоса шириной 1700 мм, прокатываемая на станах непрерывной прокатки. Для удобства выполнения работ при строительстве трубопроводов концевые обечайки MC труб имеют сплошную стенку.

Схема технологического процесса производства MC труб приведена на рис. 6. MC обечайка изготавливается из мерного отрезка полосы, сворачиваемой в спираль Архимеда. Начало и конец полосы привариваются нахлесточными швами с проплавлением не менее чем двух нижележащих слоев стенки. Число слоев обечайки и соответственно длина мерного отрезка — заготовки рулонной полосы — выбираются в зависимости от толщины слоя и требуемой по расчету суммарной толщины стенки трубы.

Выбор марки стали для MC труб и оптимальной толщины рулонного горячекатаного металла производился с учетом обеспечения ов > 600 МПа, от > 450 МПа, KCV20 = 80 Дж/см2 и обеспечения 80 % волокна при испытании образцов DWTT. Сталь не должна была содержать молибден, никель и ниобий.

Учитывалось, что с уменьшением толщины полосы при неизменном диаметре трубы снижаются ее кольцевая жесткость и местная устойчивость стенок от воздействия изгиба и продольного сжатия. Имелось также в виду, что с увеличением толщины полосы снижаются показатели прочности и вязкости и ее толщина определяет величину уступа в зонах нахлесточных и концевых швов.

Поскольку рулонная сталь имеет серповидность, которая может достигать 15 мм на длине 10 м, изыскивались приемы, снижающие ее отрицательное влияние. Было установлено, что прямая навивка MC обечаек, т. е. выполняемая перпендикулярно к продольной оси, наименее чувствительна к серповидности.

Разработанный технологический процесс изготовления MC обечаек, в том числе навивка мерного отрезка полосы по спирали Архимеда и прикрепление концов к прилегающим слоям, экспандирование обечаек для уменьшения межслойных зазоров, их сборка в трубную заготовку и сварка кольцевых швов между обечайками, для получения труб диаметром 1420 мм и длиной до 12 м был опробован сначала в лабораториях ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины и далее на специально организованном опытном участке для производства MC труб на ХТЗ (рис. 7).

Испытания отдельных труб и трубных плетей, выполненные на полигонах, показали, что MC трубы принятой конструкции, обладая длительной статической прочностью, не подвержены хрупким разрушениям в заданном интервале температур, малочувствительны к поверхностным дефектам заводского и монтажного происхождения и, как правило, имеют малую (до 2-1,5 обечаек) длину разрушения (рис. 8).

В 1980 г. из первой партии труб диаметром 1420 мм с толщиной стенки 16,4 мм (четыре слоя по 4,1 мм) был построен опытный участок газопровода в районе г. Боярки, рассчитанный на рабочее давление 7,4 МПа, с целью отработки технологии строительства газопровода из MC труб (рис. 9).

В процессе сооружения и испытания было установлено, что при существующих методах строительства трубопроводов местная устойчивость стенок многослойных труб диаметром 1420 мм из полосы толщиной 4 мм может оказаться недостаточной. Проверка герметичности труб показала, что требования к заводскому контролю по этому критерию должны быть более жесткими.


По результатам проведенных работ были уточнены требования к MC трубам и изготовлена вторая партия труб со стенками толщиной 21,6 мм (четыре слоя по 5,4 мм) для участка газопровода длиной около 3 км, рассчитанного на рабочее давление 9,8 МПа. Этот участок трубопровода был успешно построен и испытан в 1982 г. на севере Тюменской области.

Поскольку на решение возникавших вопросов становления и организации производства MC труб в примерной последовательности лаборатория — опытный участок для изготовления труб — полигонные испытания — опытный трубопровод — промышленный цех требовалось недопустимо длительное время, промышленное производство MC труб создавалось на основе только лабораторных и некоторых опытно-промышленных данных. Такая практика усложнила проектирование, однако позволила уже к концу 1981 г., т. е. почти одновременно с завершением сооружения опытного участка газопровода, рассчитанного на давление 9,8 МПа, в районе г. Тюмень пустить первую очередь промышленного цеха для производства MC труб.

При разработке проекта этого цеха, построенного на Выксунском металлургическом заводе (ВМЗ), были решены следующие основные задачи.

1. Производство MC труб подобно производству труб со сплошной стенкой организовано как поточное с полной механизацией и возможной в дальнейшем автоматизацией всех операций технологического процесса.

2. Поточная линия резки рулонной полосы запроектирована на основе выпускаемых промышленностью машин, используемых для разрезания широкополосной стали на листы. В этой линии разрезается рулонная сталь на мерные заготовки для MC обечаек, производится контроль сплошности полосы и вырезка участков с дефектами, а также стыковка немерных отрезков для уменьшения отходов. Мерные проверенные полосы передаются на действующие потоки изготовления обечаек.

3. Оборудование для сворачивания MC обечаек обеспечивает их навивку без закрепления начала полосы на барабане навивочного устройства при возможно большей плотности навивки и минимальной телескопичности слоев у торцов обечаек.

4. Разработана транспортная система конвейерного типа, обеспечивающая автоматизированную подачу и уборку обечаек с рабочих мест, где свариваются нахлесточные швы, экспандируются обечайки, контролируются и ремонтируются нахлесточные швы, обрабатываются торцы обечаек, накапливаются обечайки у сборочных машин.

5. Создан высокопроизводительный агрегат для сборки обечаек в трубную заготовку длиной до 12 м.

6. Разработана технология автоматической сварки кольцевых стыков между MC обечайками без предварительной облицовки (наплавки) их торцов.

7. Разработаны оптимальные методы, технология и оборудование для контроля качества MC обечаек и труб на всех этапах технологического потока.

Рассмотренный комплекс работ выполнен ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины совместно с ВНИТИ, Укргипромезом, ЭЗТМ, ВНИИМЕТМАШем, ВНИИГАЗом ВНИИСТом при непосредственном участии ХТЗ и ВМЗ.

Созданные технология и оборудование для производства MC обечаек позволяют решить еще одну весьма важную задачу. Речь идет о существенном уменьшении длины вязких разрушений газопроводов. В решении этой проблемы наметились два пути. Первый — это применение труб из стали с такими высокими вязкостными свойствами, которые не только исключают хрупкие разрывы, но и уменьшают длину вязких разрушений. Второй путь основан на применении труб из освоенной стали, исключающей только хрупкие разрушения. Для устранения протяженных вязких разрывов газопровод оснащается специальными конструктивными устройствами — гасителями, способными в пределах своей длины остановить трещину. Такой подход позволяет избежать дальнейшего повышения вязкостных свойств стали. Он весьма перспективен, так как пока нет возможности производить в необходимых количествах экономически приемлемую трубную сталь с ударной вязкостью в 1,5-2 раза больше гарантируемой ныне. Поэтому наиболее приемлемый путь предотвращения протяженных вязких разрывов виден в том, что в трубопроводы будут включаться специальные гасители.

В ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины разработана новая конструкция гасителя протяженных вязких разрывов, лишенная многих недостатков, присущих аналогичным известным конструкциям. В основу новой конструкции положена идея, сводящаяся к тому, что вязкая трещина останавливается при сочетании двух факторов: выхода трещины на гладкую разделительную поверхность и размещения на пути ее движения бандажей или накладок, препятствующих раскрытию берегов трещины.

Новый гаситель представляет собой MC обечайку, в части слоев которой имеются прорези, разделительные поверхности, расположенные под углом или перпендикулярно к возможной траектории движения трещины. Остановка трещины в таком гасителе происходит следующим образом: вязкая трещина входит в гаситель и вначале проходит по всем его слоям. Достигнув прорезей, имеющихся в части слоев, трещина останавливается и не зарождается на противоположной гладкой кромке прорезей. Неразрушенные участки этих слоев, находящиеся за прорезями, начинают выполнять функции накладок для слоев, у которых нет прорезей. Эти слои препятствуют раскрытию трещины в слоях без прорезей и останавливают ее в них. Так происходит остановка разрушения во всех слоях гасителя. Новая конструкция гасителя может выполняться не только в виде MC обечайки, но и в виде пакета. Поэтому она может найти применение не только в трубопроводах, но и в конструкциях, применяемых в судостроении, химическом машиностроении и других отраслях.

Разработанная конструкция MC трубы и технология производства таких труб позволяют легко организовать изготовление новых гасителей. При этом геометрия прорезей может быть подобрана так, что при внутреннем давлении статическая прочность обечайки не снизится. Экспериментально и теоретически доказано, что оптимальной геометрией прорезей является их расположение в промежуточных слоях обечайки в виде двух винтовых линий — на одном слое в виде винтовой линии с правым заходом, а на другом — с левым.

Гидравлические и пневматические испытания натурных MC обечаек-гасителей диаметром 1420 мм показали, что их несущая способность идентична несущей способности MC обечайки без прорезей. При пневматических испытаниях гаситель вваривался в трубную плеть длиной 160 м. Испытания проводились при температуре -15°C, заполнении плети воздухом на 100 °C и его давлении, равном 7,5 МПа. В средней трубе плети инициировалась трещина, которая проходила через половину длины разгонной трубы и входила в гаситель. Было установлено, что гасители в пределах своей длины полностью останавливают разрушение.

Испытания показали, что новый гаситель весьма перспективен и его целесообразно широко применять в действующих и вновь строящихся газопроводах. Использование таких гасителей позволит сооружать газопроводы с наперед заданной длиной максимально возможных вязких разрывов, определяемой расстоянием между гасителями. Поскольку максимальная длина разрывов в мощных газопроводах высокого давления определяется интервалом установки гасителей, становятся реальными возможность отказа от дальнейшего повышения требований к вязким свойствам и использование более экономичных трубных сталей. В этом случае уровень требований к вязкости стали будет определяться ее способностью сопротивляться зарождению разрушений.

Для установления уровня вязкости трубной стали и сварных соединений целесообразно использовать подходы и критерии механики разрушения. Они позволяют обосновать этот уровень в зависимости от дефектности материала труб и сварных соединений, а также от действующих напряжений. Наиболее подходящим критерием в данном случае, очевидно, явится показатель bc — критическое раскрытие вершины трещины. Отражая уровень локальной пластической деформации металла в вершине дефекта при разрушении, эта характеристика чувствительна к изменению свойств материала под воздействием различного вида технологических операций, в том числе сварки. Упомянем также, что уровень вязкости, установленный по критерию bc, можно впоследствии для каждого конкретного случая связать с соответствующим значением ударной вязкости и пользоваться на практике привычными данными и показателями испытаний, например стандартными ударными образцами.

Сопоставление по bc широко используемых трубных сталей показало, что в исходном состоянии их сопротивление возникновению разрушения практически не зависит от содержания в них тех или иных легирующих добавок. Величина критического раскрытия вершины трещины находится на уровне 0,17...0,25 мм. В то же время по сопротивлению распространению хрупкого разрушения эти стали существенно различаются. Однако необходимо учитывать, что при изготовлении труб, а также при строительстве и эксплуатации газопроводов может происходить ухудшение исходных пластических свойств металла в связи с деформационным старением. Чувствительность различных сталей к этому показателю неодинакова. Поэтому предполагается, что этот фактор при выборе трубных сталей должен быть определяющим. Из числа рассмотренных сталей, не содержащих остродефицитных добавок, слабочувствительны к деформационному старению стали 09Г2СФ и 10Г2Ф. До температуры -60 °С они показывают только вязкие разрушения, а величина критического раскрытия вершины дефекта практически не изменяется и находится на довольно высоком уровне (0,17...0,18 мм). При этом обе стали хорошо сопротивляются развитию хрупких разрушений. Поэтому их следует рассматривать как пример сравнительно простых сталей для труб северных газопроводов, сооружаемых с гасителями протяженных разрушений.

Как уже упоминалось, нормативный уровень трещиностойкости основного металла и сварных соединений должен устанавливаться в зависимости от размеров дефекта и действующих напряжений. С этой целью в ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины на основе bк-модели Леонова-Панасюка-Дагдейла получены необходимые аналитические выражения, устанавливающие функциональную зависимость между величиной перемещения берегов трещины, ее размерами, механическими свойствами материала, уровнем рабочих и остаточных напряжений.

Требуемые уровни трещиностойкости для основного металла и сварных соединений должны уточняться исходя из условий эксплуатации и результатов контроля качества на всех стадиях изготовления труб и строительства газопровода. Однако уже сейчас можно сказать, что достигнутое в настоящее время значение трещиностойкости сталей достаточно для того, чтобы свести к некоторому минимуму число очагов разрушения. Это, в частности, подтверждается практикой эксплуатации северных газопроводов, количество разрушений которых резко сократилось.

В заключение следует подчеркнуть, что использование в магистральных газопроводах гасителей разрушения позволит применять для труб более дешевые стали.

Трубы из новых конструкционных материалов — армированных квазимонолитных и квазислоистых. В каждой MC трубе, как указывалось, на пять многослойных обечаек приходится две со сплошной стенкой. Это значит, что в общем выпуске MC газопроводных труб количество монолитных труб составляет не менее 2/7, т. е. почти 30 %. В этих условиях возникла необходимость поиска принципиально новых решений с целью создания из дешевой стали концевых обечаек, сочетающих в себе достоинства труб обоих типов — со сплошной и MC стенками, но в то же время свободных от их недостатков.

В отечественной и мировой практике стали для газопроводных труб выплавляют главным образом в кислородных конвертерах и разливают на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Именно в массовом производстве стали для магистральных газопроводов, работающих в арктических условиях, нашли широкое применение новейшие методы внепечной обработки, включающие вакуумирование, глубокое обессеривание жидкого металла, его модифицирование, в том числе обработку расплава кальцием, а также тщательное усреднение его состава в процессе как выплавки, так и разливки. Сегодня стало привычным иметь трубную сталь с казавшимся не так давно фантастическим сверхнизким содержанием серы (например, 0,003...0,004 %), с очень мелким зерном и удивительным сочетанием высокой прочности, хладостойкости, вязкости, пластичности и хорошей свариваемости. Ho все эти замечательные свойства можно наблюдать лишь при соблюдении сложного комплекса условий, среди которых первое место занимает необходимость легирования стали дорогостоящими и остродефицитными элементами. И чем больше толщина стального листа, тем, как правило, выше должна быть степень легирования для достижения требуемых механических свойств. По этой причине при поиске новых конструктивных решений применительно к концевым обечайкам, как подчеркивалось выше, была поставлена задача ориентироваться на простые, дешевые стали, не содержащие дефицитных примесей, т. е. на такие стали, которые используются в производстве MC обечаек. Иначе говоря, с самого начала вносилось достаточно серьезное ограничение, заставившее разработчиков сосредоточить усилия на поиске совершенно новых средств решения задачи. Мы специально столь подробно останавливаемся на всех этих вопросах, ибо как бы ни было важно для читателя получить информацию о конечных результатах работы, на наш взгляд, не менее важны сведения о методической стороне дела. Возникает вопрос, как и почему было найдено именно такое решение, приведшее к появлению принципиально нового класса металлических материалов — армированных квазимонолитных (AKM) и квазислоистых (КСМ), достаточно перспективных не только для газопроводных труб.

Поначалу возникла идея повышения поперечной жесткости и продольной устойчивости MC обечайки, например путем склеивания слоев, из которых намотана трубная обечайка. Ho наличие клея в межслойных зазорах может очень усложнить или даже сделать неосуществимыми операции разделительной резки и сварки в заводских и полевых условиях. Тогда возникла идея сваривать слои обечайки, причем сваривать так, чтобы не нанести ущерб главной характеристике MC трубы — ее способности противостоять лавинным разрушениям. Вот здесь и вспомнили о так называемой автовакуумной сварке давлением (АСД), основанной на обнаруженном в ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины еще в начале 60-х годов явлении самопроизвольной очистки металлических поверхностей от оксидной пленки и ржавчины в результате высокотемпературного нагрева металла в условиях, исключающих непрерывный доступ воздуха к этим поверхностям. АСД в середине 60-х годов нашла промышленное применение в производстве толстолистовой двухслойной стали (малоуглеродистая или низколегированная + нержавеющая или кислотостойкая). Проведенные в свое время опыты по прокатке герметизированных пакетов, составленных из листов или плит одноименной стали, показали, что в результате АСД достигается достаточно прочное сцепление между компонентами пакета. Причем для сцепления слоев друг с другом не требуются слишком большие обжатия. В готовом прокате вместе с тем сохраняется слоистое строение. Иными словами, из герметизированных пакетов соответствующих геометрических размеров и формы можно выкатать слоеный лист, из которого затем по классической технологии изготовить требуемую трубу для концевых обечаек. Ho для этого прежде всего нужно было убедиться в том, что такого рода как бы слоистый металл не будет уступать настоящему многослойному. Затем нужно было изыскать производственно надежный технологический процесс для производства методом АСД как бы слоистого листа (отсюда название — КСМ) и изготовления из него концевых обечаек к MC трубам.

Исследования, проведенные сперва в лабораторных условиях, а затем на Донецком металлургическом заводе им. В.И. Ленина и на заводе «Запорожсталь», привели к однозначному выводу о том, что KCM в принципе может обладать свойствами многослойного. Вместе с тем был сделан непреложный вывод, что так называемый пакетный метод получения KCM непригоден для массового производства, характерного для трубной промышленности. Слишком трудоемок процесс подготовки компонентов MC пакета, его сборки и особенно герметизации.

Сперва нужно было избавиться от герметизации пакетов. Это было сделано довольно скоро и легко: как и следовало ожидать, слой окалины, образующийся на поверхности пакета в процессе нагрева его под прокатку, служит своего рода герметикой, препятствуя доступу печной атмосферы в межслойные зазоры. Поэтому из негерметизированных пакетов оказалось возможным прокатать отличный как бы слоистый металл (рис. 10).

Решив задачу отказа от герметизации, нужно было подняться на следующую ступень — отказаться от трудоемких и дорогостоящих пакетов. Здесь возникла оказавшаяся удивительно продуктивной идея раскатки MC обечаек. В этом случае в качестве заготовки для будущих концевых патрубков MC трубы используются те же стандартные MC обечайки, из которых собирается собственно многослойная газопроводная труба. Были проведены широкомасштабные опыты по изготовлению MC заготовок и раскатке их на кольцепрокатных станах (рис. 11), в которых участвовали заводы «Уралхиммаш», ВМЗ, Кулебакский им. С.М. Кирова, а также ВНИИМЕТМАШ. Из дешевой рулонной стали были получены кольца КСМ, обладающие превосходными свойствами. Как видно из табл. 2 и 3, такие кольца при толщине стенки, соответствующей толщине магистрального газопровода с давлением газа до 9,8 МПа, отвечают всем современным требованиям. Примечательно то, что сталь типа KCM при испытаниях на ударный изгиб и по методике DWTT нисколько не уступает многослойной.

Требуемые показатели механических свойств достигаются в результате надлежащего контроля отдельных параметров раскатки многослойных заготовок — скорости деформации, температуры конца раскатки, условий принудительного охлаждения.

Следует подчеркнуть, что процесс раскатки колец или обечаек при соответствующем оборудовании весьма технологичен и производителен. Годовая производительность одного кольцераскатного стана измеряется сотнями тысяч тонн.


Каждая раскатанная обечайка это, по сути, бесшовная труба, но, к сожалению, длина ее ограничена и, как правило, не превышает 1,5...2 м. Нетрудно заметить, что на основе раскатки MC заготовок в квазислоистые обечайки можно строить производство не только концевых обечаек, но и собственно газопроводных труб, состоящих из таких обечаек. У такого типа труб много достоинств и потенциальных возможностей. Будущее покажет, насколько оправдаются надежды, возглагаемые на такие трубы.

В процессе решения проблемы концевых обечаек родилось еще одно направление в создании конструкционных материалов, обладающих свойствами обычных монолитных сталей в условиях статического нагружения и способностью MC металла сопротивляться ударным и взрывным нагружениям, особенно опасным в арктических условиях. Речь идет о металле AKM. По своему строению и свойствам он подобен КСМ. Строго говоря, наличие двух наименований, а не одного (ив том и в другом случае мы имеем дело с металлом одного типа — как бы слоистым) связано с необходимостью каким-то образом характеризовать разницу в способах их получения. KCM в общем случае получают путем горячей деформации слоистой заготовки из катаного металла, a AKM — горячей деформации так называемых армированных литых заготовок. Эти литые заготовки представляют собой стальные слитки (листовые, сортовые, кузнечные), полученные заливкой жидкого металла в изложницу, внутри которой установлен так называемый вкладыш соответствующей конструкции (рис. 12). Этот вкладыш можно установить в изложницу перед заливкой жидкого металла, а можно и погрузить в заполненную металлом изложницу.
Сварные трубы для магистральных трубопроводов

Применительно к сталям для газопроводных труб армирующий вкладыш представляет собой набор пластин, параллельных широкой грани изложницы. Такого рода вкладыш как бы разделяет внутреннюю полость изложницы на своего рода отсеки, в которых и затвердевает жидкий металл. В результате прокатки слитка, армированного таким вкладышем, получают сперва слябы, а затем широкоформатный как бы слоистый лист. Каждая пластина вкладыша в процессе прокатки сперва на сляб, затем на лист постепенно утоняется. В готовом листе толщина прослойки между соседними слоями измеряется долями миллиметра. При сравнении темплетов KCM и AKM видно, что они не отличаются друг от друга (см. рис. 10 и 13).

Как в производстве КСМ, в случае AKM используется АСД. Различие состоит лишь в том, что в производстве стали типа AKM процессы самопроизвольной очистки касаются соседних поверхностей элементов вкладыша и закристаллизовавшихся объемов слитка, разделенных этими элементами.

Способ производства стали AKM разработан сотрудниками ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины и Института проблем литья АН Украины совместно с заводами «Азовсталь», «Ждановтяжмаш», ЖМЗ им. Ильича, «Запорожсталь» и др. На 20-тонных листовых слитках на стане 3600 по контролируемым режимам прокатывают трубный лист для газопроводных труб диаметром 1420 мм на давление 7,4 и 9,9 МПа — двухшовных ХТЗ и спирально-шовных Волжского трубного завода. Всесторонние испытания сварных труб из стали 09Г2СФ-АКМ подтвердили их высокое качество (рис. 14, 15 и табл. 4).


Очень интересные результаты были получены при полевых испытаниях (гидравлических в пневматических) плетей и отдельных труб нового типа до разрушения. Протяженность разрушения очень невелика, так так трещина надежно локализуется в стали AKM, а характер разрушения своеобразен — в месте разрыва происходит разделение стенки трубы на отдельные слои и тонкие прослойки между ними.

При сварке газопроводных труб из новых конструкционных материалов (АКМ и КСМ) в заводских условиях требуется известная корректировка режимов сварки (в случае прямошовных труб), а также режимов формовки (в случае спирально-шовных труб).

Трубы из стали AKM и KCM легко поддаются разделительной резке и сварке в полевых условиях, что создает благоприятную обстановку для их широкого внедрения. Следует отметить, что испытания труб нового типа, поставленных России некоторым зарубежным фирмам, подтвердили их соответствие требованиям международных стандартов.

В заключение отметим, что ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины занимается сварными трубами большого диаметра для магистральных трубопроводов с 1948 г. В течение этого периода, как было показано, сфера работы института в указанной области значительно расширилась. Начав и продолжая работу над комплексом вопросов сварки труб большого диаметра традиционных видов, ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины развил работы по трубам для магистральных трубопроводов в направлении создания новых видов труб — сварных многослойных — и на их основе — гасителей протяженных разрушений газопроводов. Логическим продолжением этого направления явилась разработка новых квазимногослойных металлических материалов для труб большого диаметра. В дальнейшем ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины продолжит ставшие для него традиционными работы в области совершенствования и развития производства сварных труб для магистральных трубопроводов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: