Глава 1. СТАЛИ И СПЛАВЫ
1.1. Стали для изготовления труб
Марки стали для газонефтепроводов назначают в зависимости от их диаметров, температурных условий строительства (монтажа) и эксплуатации. По диаметру газонефтепроводов трубы условно подразделяют на трубы малых диаметров - менее 530 мм, средних диаметров - 530, 720 и 820 мм и больших диаметров - 1020, 1220 и 1420 мм. В зависимости от минимальных температур строительства и эксплуатации трубы изготовляют в обычном и северном исполнении.
Для строительства магистральных трубопроводов применяются трубы стальные бесшовные, электросварные прямошовные, спирально-шовные и других специальных конструкций, изготовленные из спокойных и полуспокойных углеродистых сталей диаметром до 500 мм включительно, из спокойных и полуспокойных низколегированных сталей диаметром до 1020 мм и низколегированных сталей в термически или термомеханически упрочненном состоянии для труб диаметром до 1420 мм.
В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик стальные трубы поставляют по группам А, Б, В, Г и Д. Группа А имеет гарантированные механические свойства; Б - химический состав; В - механические свойства и химический состав; Г - химический состав с контролем механических свойств на термически обработанных образцах; Д – гарантирована только прочность при испытании гидравлическим давлением.
Трубы бесшовные следует применять по ГОСТ 8731-74, ГОСТ 8732-78 и ГОСТ 8733-74, ГОСТ 8734-75 - группы В и при соответствующем технико-экономическом обосновании по ГОСТ 9567- 75, трубы стальные электросварные в соответствии с ГОСТ 20295-85 для труб диаметром до 800 мм включительно и техническими условиями, утвержденными в установленном порядке - для труб диаметром свыше 800 мм. Допускается применение импортных труб, соответствующих требованиям СНиП 2.05.06-85.
Трубы должны иметь сварное соединение, равнопрочное основному металлу трубы. Сварные швы должны быть плотными, непровары и трещины любой протяженности и глубины не допускаются.
Овальность концов труб (отношение разности между наибольшим и наименьшим диаметрами в одном сечении к номинальному диаметру) не должна превышать 1 %. Овальность труб толщиной 20 мм и более не должна превышать 0,8 %.
Трубы должны быть изготовлены из стали с отношением предела текучести к временному сопротивлению не более: 0,75 - для углеродистой стали; 0,8 - для низколегированной нормализованной стали; 0,85 - для дисперсионно-твердеющей нормализованной и термически упрочненной стали; 0,9 - для стали контролируемой прокатки, включая бейнитную.
Трубы диаметром 1020 мм и более должны изготавливаться из листовой и рулонной стали, прошедшей 100 %-ный контроль физическими неразрушающими методами.
Относительное удлинение металла труб на пятикратных образцах должно быть, в %, не менее:
20 - для труб с временным сопротивлением до 588,4 МПа (60 кгс/мм2 );
18 - для труб с временным сопротивлением до 637,4 МПа (65 кгс/мм2)
и 16 - для труб с временным сопротивлением 686,5 МПа (70 кгс/мм2) и выше.
Ударная вязкость на образцах Шарпи и процент волокна в изломе основного металла труб со стенками толщиной 6 мм и более должны удовлетворять требованиям, приведенным в табл. 1.1. Ударную вязкость следует определять по ГОСТ 9454-78 на образцах типов 11-13. Процент волокна в изломе следует определять для металла газопроводов на полнотолщинных образцах: высотой 75 мм для номинальной толщины стенки труб 10 мм и более и высотой 50 мм для номинальной толщины стенки труб менее 10 мм.
Ударную вязкость на образцах Менаже следует определять при температуре минус 40 °С, для районов Крайнего Севера - при минус 60 °С и принимать в зависимости от толщины стенки труб по табл. 1.2.
Определение ударной вязкости на образцах Менаже для основного металла труб из термически упрочненной стали и стали контролируемой прокатки не является обязательным.
Образцы из основного металла для определения ударной вязкости на образцах Менаже изготовляются в соответствии с ГОСТ 9454-78 типов 1 - 3. Образцы из сварного соединения должны изготовляться в соответствии с ГОСТ 6996-66.
Таблица 1.1
Ударная вязкость и вязкость излома трубных сталей
Условный диаметр труб, мм
|
Рабочее давление, МПа
|
Ударная вязкость при температуре, равной минимальной температуре стенки трубопровода при эксплуатации, Дж/см2 (кгс м/см2), не менее
|
Процент волокна в изломе образца DWТТ при температуре, равной минимальной температуре стенки газопровода при эксплуатации, %, не менее
|
До 500
|
10,0 и менее
|
24,5 (2,5)
|
–
|
500 - 600
|
10,0 и менее
|
29,4 (3,0)
|
–
|
700 - 800
|
10,0 и менее
|
29,4 (3,0)
|
50
|
1000
|
5,5 и менее
|
29,4 (3,0)
|
50
|
1000
|
7,5
|
39,2 (4,0)
|
60
|
1000
|
10,0
|
58,8 (6,0)
|
60
|
1200
|
5,5 и менее
|
39,2 (4,0)
|
60
|
1200
|
7,5
|
58,8 (6,0)
|
70
|
1200
|
10,0
|
78,4(8,0)
|
80
|
1400
|
7,5
|
78,4 (8,0)
|
80
|
1400
|
10,0
|
107,8 (11,0)
|
85
|
Примечание: Для трубопроводов, транспортирующих жидкие продукты, требования по волокну в изломе не предъявляются.
|
Таблица 1.2
Ударная вязкость образцов сталей в зависимости
от толщины стенки трубы
Номинальная толщина стенок труб и соединительных деталей, мм
|
Ударная вязкость на образцах типов 1 - 3 ГОСТ 9454-78 при температуре, равной минус 60 °С для районов Крайнего Севера и минус 40 °С для остальных районов, Дж/см2 (кгс·м/см2 )
|
для основного металла труб
|
для основного металла соединительных деталей
|
для сварного соединения труб и деталей
|
От 6 до 10
|
29,4 (3)
|
29,4 (3)
|
24,5 (2,5)
|
Св. 10 до 15 включ.
|
39,2 (4)
|
29,4 (3)
|
29,4 (3)
|
Св. 15 до 25
|
49,0 (5)
|
29,4 (3)
|
39,2 (4) для сварных соединений труб;
29,4 (3) - для сварных соединений деталей
|
Св. 25 до 30 включ.
|
58,8 (6)
|
39,2 (4)
|
39,2 (4)
|
Св. 30 до 45
|
–
|
49,0 (5)
|
39,2 (4)
|
Кольцевые сварные соединения должны выполняться с применением дуговых методов сварки, в том числе: ручной, автоматической под флюсом, механизированной в среде защитных газов, механизированной самозащитной порошковой проволокой, а также электроконтактной сваркой оплавлением. Сталь труб должна хорошо свариваться дуговыми методами и электроконтактной сваркой.
Эквивалент углерода металла [С]э низкоуглеродистых низколегированных сталей, независимо от состояния их поставки - горячекатаные, нормализованные и термически упрочненные определяется по формуле
где С, Mn, Cr, Mo, V, Ti, Nb, Ni, Сu, В – содержание, % от массы, в составе металла трубной стали соответственно углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, титана, ниобия, никеля, меди, бора.
Величина эквивалента углерода углеродистых марок стали, например Ст3, а также стали 10, 20 и низколегированной стали только с кремнемарганцевой системой легирования, например марок 17 ГС, 17Г1С, 09Г2С, рассчитывается по формуле
 .
Сu, Ni, Cr, содержащиеся в трубных сталях как примеси, при подсчете не учитывают. Величина [С]э не должна превышать 0,46. Пластическая деформация металла в процессе производства труб (экспандирования) должна быть не более 1,2 %.
Для газонефтепроводов поставляют трубы по группе В бесшовные, горячекатаные и сварные прямошовные, спиралешовные с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Применяют также термически обработанные трубы. Бесшовные горячекатаные трубы используют для сооружения магистральных газонефтепроводов и отводов от них, городских газопроводов, трубопроводов для подачи нефти и газа на промыслах диаметром менее 530 мм. Сварные прямошовные трубы применяют для тонкостенных газонефтепроводов диаметром до 1420 мм и выше. Размеры трубопроводов ограничиваются технико-экономическими показателями их строительства. Сварные спиралешовные трубы используют для магистральных трубопроводов диаметром 530 - 1420 мм.
Стальные сварные прямошовные и спиралешовные трубы диаметром 159 - 820 мм, применяемые для сооружения магистральных гaзo-, нефтепроводов, нефтепродуктопроводов, технологических и промысловых трубопроводов изготавливают по ГОСТ 20295- 85; диаметром 1020 – 1420 мм - по техническим условиям завода-изготовителя. Магистральные трубопроводы сооружают в соответствии со СНиП-2.05.06-85 и ВСН 006-89 (Миннефтегазстрой).
Трубы в соответствии с ГОСТ 20295-85 бывают трех типов:
1 - прямошовные диаметром 159-426 мм, изготовленные контактной сваркой токами высокой частоты;
2 - спиралешовные диаметром 159 - 820 мм, изготовленные электродуговой сваркой;
3 - прямошовные диаметром 530 - 820 мм, изготовленные электродуговой сваркой.
В зависимости от механических свойств трубы изготавливают классов прочности: K34, K38, K42, K50, K52, K55, K60. Число в приведенном обозначении показывает предел прочности материала трубы в десятых долях мегапаскалей.
Трубы изготавливают длиной от 10,6 до 11,6м. Концы труб должны быть обрезаны под прямым углом. Предельные отклонения от прямого угла составляют 1 - 2 мм для труб диаметром 159 - 820 мм.
Примеры условных обозначений труб
Труба типа 3, диаметром 530 мм, толщиной стенки 8 мм, класса прочности К52, без термообработки:
тип 3-530х8-K52 ГОСТ 20295-85.
Труба типа 2, диаметром 820 мм, толщиной стенки 12 мм, класса прочности К60, с термическим упрочнением:
тип 2-У 820x12-K60 ГОСТ 20295-85.
Труба типа 1, диаметром 325 мм, толщиной стенки 7 мм, класса прочности K38, с объемной термообработкой:
тип 1-Т 325х7-К38 ГОСТ 20295-85.
То же с локальной термообработкой шва:
тип 1-ЛТ 325х7-К38 ГОСТ 20295-85.
Для изготовления труб для газонефтепроводов применяют углеродистые обычной прочности, низколегированные повышенной прочности и низколегированные высокой прочности дисперсионно-твердеющие и экономно-легированные стали.
Высокопрочными экономно-легированными трубными (малоперлитными и бейнитными) сталями называют стали марок 09Г2ФБ, 10Г2ФБ с очень низким содержанием углерода и микродобавками ниобия, ванадия, титана, бора и др. После контролируемой прокатки они имеют малоперлитную мелкозернистую структуру. При использовании ускоренного охлаждения листовой стали непосредственно после контролируемой прокатки экономно-легированные стали могут иметь феррито-бейнитную или бейнитную (бесперлитную) структуру.
По сравнению с экономно-легированными сталями дисперсионно-твердеющие стали марок 17Г2СФ и 15Г2АФЮ содержат примерно в 2 раза большее количество углерода, который в сочетании с микродобавками приводит к образованию упрочняющих карбидных, нитридных, карбонитридных и других фаз и получению мелкозернистой феррито-перлитной структуры. Причем эффект от такого упрочнения существенно возрастает при применении нормализации и других видов термообработки. Дисперсионно-твердеющие стали склонны к переходу в хрупкое состояние при температуре от 10 до - 20 °С.
Контролируемая прокатка является по существу методом термомеханической обработки металла. Она приводит к повышению прочностных характеристик и ударной вязкости листовой и рулонной стали. У экономно-легированных сталей при этом повышается также хладостойкость. Они являются хорошо сваривающимися в заводских и полевых условиях в отличие от дисперсионно-твердеющих сталей, для сварки которых требуется специальная технология и подогрев.
Дисперсионно-твердеющие стали марок 17Г2СФ и 15Г2АФЮ, а также низколегированные стали марок 14ХГС и 17Г1С-У применяют для труб в обычном исполнении; экономно-легированные стали марок 09Г2СФ, 09Г2ФБ, 08Г2СФБ, 08Г2СФТ; 10Г2ФБ-У, 10Г2ФТ-У - для труб в северном исполнении. Для северных условий применяют также дисперсионно-твердеющую низколегированную сталь марки 13Г2АФ с пониженным содержанием углерода.
Современная технология контролируемой прокатки стали регламентирует не только систему микролегирования и степень обжатия при прокатке, но и режимы нагрева слитка и охлаждения полученного листа. Известны различные варианты процесса контролируемой прокатки. Например, процессы НКПУ и ВКПУ. Процесс НКПУ – низкотемпературная упрочняющая контролируемая прокатка - позволяет получить требуемую структуру стального листа за счет ускоренного его охлаждения непосредственно после контролируемой прокатки слитка из низкотемпературной области деформирования. Процесс ВКПУ - высокотемпературная контролируемая прокатка с использованием также ускоренного охлаждения листа. Широкому применению контролируемой прокатки для листовой стали в значительной мере способствует развитие внепечных методов обработки стали синтетическим шлаком, редкоземельными металлами, вакуумированием и т.д. (в марке стали добавляется буква У).
Институтом электросварки им. Е.О. Патона разработано получение трубной армированной квазимонолитной (АКМ) стали нового класса. Такую сталь получают прокаткой слитка, армированного стальным вкладышем особой конструкции, как бы разделяющим этот слиток на отдельные отсеки, параллельные его широкой грани. Полученный лист АКМ из стали слоистого строения с особым комплексом свойств легко поддается технологическим операциям при формовании трубы. АКМ-сталь по показателям прочности не отличается от обычной монолитной стали, но значительно превосходит ее по сопротивлению разрушению.
По состоянию металла трубы поставляют в горячекатаном состоянии (бесшовные горячекатаные трубы и электросварные трубы из горячекатаных листов и рулонной стали), в термически упрочненном состоянии (подвергают термообработке трубы или листы для электросварных прямошовных труб), в состоянии прокатки по контролируемому режиму (электросварные прямошовные и спиралешовные трубы из листов контролируемой прокатки), в горячеправленном состоянии (электросварные прямошовные трубы) и армированном квазимонолитном состоянии (электросварные прямошовные трубы). Возможна поставка электросварных труб с локальной термической обработкой сварных швов.
В качестве термической обработки листов трубной стали применяют обычно нормализацию или нормализацию с отпуском. При термическом упрочнении трубы подвергают закалке в сочетании с высоким отпуском.
Горячеправленное состояние соответствует нормализации, так как после горячей правки трубы остывают на воздухе.
Контролируемую прокатку применяют для листов из экономно-легированной стали, идущих на изготовление электросварных труб больших диаметров (1220 и 1420 м).
Бесшовные горячекатаные трубы малых диаметров изготовляют в основном из углеродистой конструкционной качественной стали марок 10, 15, 20 (для обычных условий) по классам прочности К34, К38 и К42 соответственно, или из низколегированной стали (для северных условий) марок 09Г2, 09Г2С, 10Г2 по классу прочности К50.
Электросварные трубы малых диаметров менее 530 мм изготовляют преимущественно из углеродистой стали обыкновенного качества марок ВСт2сп5, ВСтЗсп5, ВСт4сп5, а также из стали углеродистой конструкционной качественной марок 10, 20 по классам прочности не выше К42 (для обычных условий).
Электросварные прямошовные и спиралешовные трубы средних диаметров 530 - 820 мм изготовляют из горячекатаной низколегированной стали по классу прочности К52 (например, из стали марок 17ГС, 17Г1С, 13ГС и другие в обычном исполнении).
Электросварные прямошовные трубы больших диаметров 1020 и 1220 мм изготовляют по классам прочности К52 из листовой низколегированной стали марки 17Г1С и К54 из дисперсионно-твердеющей нормализованной стали марки 13Г2АФ соответственно в обычном и северном исполнении; диаметром 1420 мм - по классам прочности К56 и К60 из листовой экономно-легированной стали соответственно марок 09Г2ФБ и 10Г2ФБ контролируемой прокатки в северном исполнении.
Для труб диаметром 1420 мм из экономно-легированной стали можно достигнуть класса прочности К65 применением процесса НКПУ контролируемой прокатки, при котором в результате ускоренного охлаждения после прокатки образуется феррито-бейнитная (10Г2ФБ) или бейнитная (03Г2БТР) структура стали в северном исполнении.
Новыми и наиболее экономически выгодными по сравнению с электросварными прямошовными трубами являются термически упрочненные спиралешовные трубы. Их изготовляют из низколегированной стали марки 17Г1С или 17Г2СФ диаметрами 820 - 1020 и 1220 мм по классу прочности К60 и марки 17Г1С-У диаметром 1420 мм по классу прочности К65 для северных условий.
При использовании локальной термической обработки спиральных сварных швов достигается класс прочности К55 у труб диаметрами 1020 и 1220 мм из стали марки 17Г2СФ.
Экономическая эффективность термически упрочненных спиралешовных труб диаметрами 820 - 1220 мм достигается за счет снижения толщины стенки на 12 - 15 % и использования наиболее дешевой рулонной стали.
Новое направление - применение многослойных труб. Разработанные в нашей стране двухслойные спиралешовные трубы поставляют диаметрами 1220 и 1420мм по классам прочности К60 и К57 из экономно-легированной стали соответственно марок 08Г2СФБ и 08Г2СФТ.
Многослойные обечаечные трубы из горячекатаной рулонной стали марки 09Г2СФ с внутренним диаметром 1376, 1368, 1190 и 990 мм изготовляют по классу прочности К60.
В дальнейшем перспективным остается все более широкое использование листовой экономно-легированной стали контролируемой прокатки. Освоено изготовление спиралешовных труб диаметром 1420 мм по классу прочности К56 из листовой стали марки 09Г2ФБ контролируемой прокатки. Рекомендовано применение для прямошовных труб диаметрами 1020 и 1220 мм класса прочности К52 листовой стали марки 13ГС контролируемой прокатки вместо нормализованной стали марок 17Г1С и 17Г1С-У, что позволит снизить себестоимость труб за счет исключения нормализации и, кроме того, обеспечит возможность применения труб для северных условий.
Для прямошовных труб диаметрами до 1220 мм рекомендуется также новая сталь марки 09ГСТ контролируемой прокатки с очень низким содержанием углерода (до 0,11 % С), поставляемая по более высокому классу прочности К56, что приводит к снижению металлоемкости труб диаметрами 1020 и 1220 мм на 7 % и уменьшению объема сварочно-монтажных работ на 15 %. Использование в дальнейшем контролируемой прокатки по процессу ВКПУ для сталей марок 13ГС и 09ГСТ приведет к удешевлению их производства.
Таким образом, дальнейшее развитие трубного производства намечается в двух направлениях: расширение применения высокопрочных экономно-легированных листовых и рулонных сталей контролируемой прокатки для электросварных труб и применение термически упрочненных труб.
Импортные трубы, применяемые на строительстве магистральных трубопроводов в нашей стране, поставляют в северном и обычном исполнениях примерно из того же вида сталей, что и отечественные.
Из Японии, Германии, Италии нам поставляют прямошовные трубы диаметром 1420, 1220 и 1020 мм по классам прочности К65 и К60; диаметром 720 и 530 мм - К60 и К54 из стали регулируемой прокатки с низким содержанием углерода и микролегированием ниобием, ванадием, титаном и другими элементами в северном исполнении. Из Германии поставляют также спиралешовные трубы диаметрами 1020 мм и 720 мм по классу прочности К60 в северном исполнении.
За рубежом трубы часто поставляют по стандартам Американского нефтяного института. В соответствии с ними для газонефтепроводов изготовляют бесшовные и сварные экспандированные и неэкспандированные трубы из низколегированных сталей повышенной прочности марок Х42, Х46, Х52 и низколегированных дисперсионно-твердеющих сталей высокой прочности марок Х56, Х60, Х65, Х70 и др. Эти стали имеют более высокое содержание углерода по сравнению с аналогичными сталями, применяемыми в нашей стране. Они включают микродобавки ниобия, ванадия, титана.
Двухзначные цифры в индексе стали характеризуют группу прочности по минимальному нормативному пределу текучести в фунтах на квадратный дюйм, поделенных на 1000. Чтобы перевести это значение в мегапаскали, следует число марки стали умножить на 7,03.
Широко применяют также экономно-легированные высокопрочные стали марок Х65 и Х70 регулируемой прокатки с низким содержанием углерода и микролегированием ниобием, ниобием и ванадием, молибденом и ниобием для северных условий. К обозначению стали, характеризующему группу прочности (например Х65 и Х70), может относиться большое число марок стали, отличающихся способом выплавки, технологией прокатки, химическим составом, но имеющих одинаковый нормативный предел текучести, т.е. марку стали определяет уровень механических свойств, а не химический состав.
|
