МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОСЛОЙНЫХ ТРУБ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Необходимость увеличения объема передаваемого газа на боль­шие расстояния потребовала нового подхода к выбору оптимальных решений транспорта газа и существенному повышению надежности работы газопроводных систем.

Значительная часть оборудования трубопровода, включая и соб­ственно трубы, ранее закупалась в капиталистических странах — ФРГ, Японии, Италии — что было связано с отсутствием отечествен­ного производства сварных труб большого диаметра, в которых бы исключались хрупкие разрушения.

За рубежом для изготовления таких труб применялась сталь, прокатываемая по контролируемым режимам на специальных станах и содержащая дефицитные легирующие элементы — ниобий, молиб­ден, и, в некоторых случаях, никель. Цена труб при этом существен­но повысилась.

Как видно из табл. 1, ведущие фирмы ФРГ и Японии, являющие­ся основными производителями сварных труб большого диаметра на мировом рынке, используют стали контролируемой прокатки с проч­ностью на уровне 600 МПа, в которых имеется ниобий и молибден, а в некоторых случаях и никель.

С 1979 г. Харцызский трубный завод начал выпускать отечествен­ные газопроводные трубы требуемого качества диаметром 1420 мм, но из стали, покупаемой в Японии, Австрии, Италии. Некоторая часть труб была выпущена из отечественной стали 09Г2ФБ, содер­жащей покупаемый за рубежом ниобий, и имеющей гарантированный предел прочности 560 МПа вместо 600 МПа у импортной стали. Для производства труб на давление 10 и 12 МПа, для которых необходи­ма сталь с существенно большей толщиной стенки, потребуется, по-видимому, использование еще более дорогой стали.

Для решения проблемы создания отечественных труб для магист­ральных северных газопроводов, транспортирующих газ при давле­нии 10—12 МПа, было предложено заменить сплошную стенку тру­бы на многослойную. Это позволило, во-первых, получить отечест­венные трубы для таких газопроводов без повышения стоимости 1 т трубы при увеличении толщины ее стенки; во-вторых, учитывая

особенности тонкой стали, создать трубы, в которых бы исключалась возможность хрупкого разрушения, в том числе лавинного и приме­няя при этом в производстве труб рулонную горячекатаную низ­колегированную сталь, прокатываемую на высокопроизводительных отечественных станах непрерывной прокатки и существенно более дешевую, чем листовая сталь такой же прочности, пластичности и хладостойкости; в-третьих, используя конструктивные особенности труб с многослойной стенкой, исключить и вязкие разрывы боль­шой протяженности.

Переход на многослойную стенку требовал решения трех прин­ципиальных задач: определения оптимальной толщины полосы, ис­пользуемой в производстве многослойных труб; способа получения на концах труб участков со сплошной стенкой, изыскания наиболее рациональной конструкции и технологии производства многослойных труб.

При выборе толщины полосы необходимо было учитывать следу­ющие основные факторы.

1. Возможность получения рулонной горячекатаной стали толщиной 3,9—5,5 мм с пределом прочности не ниже 600 МПа, пре­делом текучести не менее 450 МПа; показателями ударной вязкости при температуре — 20 °С и 0,8 МДж/м2 при испытании образцов Шарпи и 80 % волокна при испытании образцов ДУТТ, не содержа­щей при этом ниобия, молибдена, никеля.

2. С увеличением толщины полосы показатели прочности сни­жаются.

3. С уменьшением толщины полосы при неизменном диаметре трубы кольцевая жесткость многослойной обечайки и местная ус­тойчивость стенки трубы снижаются при воздействии изгиба и про­дольного сжатия.

4. Толщина используемой полосы определяет геометрические характеристики поверхности трубы в зонах нахлесточных и коль­цевых швов и влияет на конструктивную прочность многослойных труб.

5. Толщина полосы должна обеспечивать получение суммарной расчетной толщины стенки трубы при 4—7 слоях.

Учитывая все изложенные факторы, на первом этапе создания многослойных труб ЦНИИЧМ была принята рулонная горячеката­ная сталь марки 09Г2СФ толщиной 3,9—5,5 мм по ТУ 14—1—2074— 77. Химический состав стали 09Г2СФ следующий: С — 0,13 %, Мп — 1,7; Si - 0,8; S - 0,015; Р - 0,025; V - 0,09; А - 0,05 %. Ме­ханические свойства стали этой марки характеризуются такими показателями: временное сопротивление 600 МПа; предел текучести 450 МПа; относительное удлинение не менее 20 %; ударная вяз­кость на образцах с острым надрезом (г = 0,25 мм, Т = —20 °С) 0,8 МДж/м2; доля вязкой составляющей в изломе на образцах DWTT с прессованным надрезом (7Vn = —20 °С) 80 %.

Создавая трубы с многослойной стенкой, изготавливаемые по лю­бой технологии, следует иметь в виду обязательное требование по­требителей труб: концы труб должны иметь участки со сплошной стенкой. Это условие существенно влияет на конструктивное решение многослойной части и выбор оптимальной технологии производства труб.

Согласно техническим условиям на трубы из обечаек с многослой­ной стенкой, разработанным в 1975 г., к концам многослойной трубы требовалось приваривать кольца со сплошной стенкой шириной не менее 170 мм. Наличие по концам труб участков со сплошной стенкой существенно упрощает все строительно-монтажные работы, однако требует решения задачи получения таких колец, а также включения

в технологический процесс про­изводства стыковки колец с тру­бой, сварки кольцевых стыков и их контроля.

Институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР сов - сяй) с ХШЗна предприня та попытка заменить концевые участки труб из сплошного ме талла получением по концам труб участков замоноличивания - у. многослойной стенки на ширине не менее 60 мм с помощью кон - % тактной сварк и. В связи с этим '•? была создана спецпальная ма - i шина для замоноличивания тор - ЪМ цов труб с помощью контактной і сварки, но стабильно получать уг^замоп оличенные участки с тре - Рис. 1. Конструкция трубы из много - буемыми прочностью и вязкое - слойных обечаек. тью не удалось. Поэтому было

принято согласованное решение вернуться к прежней конструкции многослойной трубы с конце­выми участками из обечаек со сплошной стенкой.

Заметим, что наличие концевых участков со сплошной стенкой полностью решает все проблемы сборки и сварки труб в трехтруб­ные секции и в нитку трубопровода на трассе при использовании от­работанных приемов работ и имеющегося оборудования, упрощает выполнение захлестов, врезок, ремонта газопровода и др.

В то же время наличие в многослойной трубе концевых обечаек со сплошной стенкой играет важную роль при выборе технологии изготовления труб с многослойной стенкой, и в значительной степени предопределяет ее.

При выборе наиболее оптимальной, с нашей точки зрения, тех­нологии мы проанализировали все известные из патентной лите­ратуры и предложенные советскими организациями (Иркутским НИИхиммашем, ВНИИметмашем, Волжским трубным заводом и др.) способы получения многослойной стенки.

При любом способе получения многослойной части трубы и нали­чии концевых обечаек со сплошной стенкой необходимо выполнить следующее:

изготовить многослойную часть трубы;

обработать торцы многослойной части и обечаек со сплошной стен­кой;

осуществить сборку и технологическую сварку обечаек со сплош­ной стенкой с многослойной частью трубы;

сварить кольцевые швы снаружи и изнутри трубы; провести рентген-телевизионный контроль кольцевых швов; осмотреть и отремонтировать кольцевые швы;

S

осуществить повторный рент - ген-телевизионный контроль коль­цевых швов;

обработать торцы готовых труб.

В предлагаемом и осуществляе­мом на Харцызском трубном заво­де и на Выксунском металлурги­ческом заводе способе изготовле­ния многослойной части трубы предусмотрена прямая навивка ру­лонной полосы по спирали Ар­химеда.

Многослойная труба, изготав­ливаемая на ХТЗ и на ВМЗ, дли­ной до 11,6 м состоит из семи обе­чаек, сваренных между собой кольцевыми швами (рис. 1). Коли­чество обечаек в трубе определяет­ся шириной рулонной полосы, по­лучаемой с отечественных станов непрерывной прокатки. Для тру­бы из семи обечаек необходима рулонная сталь шириной 1600— 1700 мм.

Каждая многослойная обечайка изготавливается из мерного отрезка полосы, навиваемого по спирали Архимеда, с закреплением сваркой начала и конца полосы с нижележащими слоями многослой­ной обечайки. Число слоев обечайки и, соответственно, длина мер­ного отрезка-заготовки рулонной полосы, выбирается в зависимости от требуемой по расчету суммарной толщины стенки трубы и тол­щины рулонной стали, используемой в производстве труб.

Обязательным условием является также необходимость исполь­зования в производстве рулонной стали с имеющейся серповидностью. Опыт работы трубных производств, применяющих рулонную сталь, и навивки более 5 тыс. шт. многослойных обечаек показал, что полу­чение рулонной стали без серповидности и волнистости кромки нереально. Как показывают исследования (рис. 2), прямая навивка наименее чувствительна к упомянутым дефектам рулонной стали.

Таким образом, получение многослойной части трубы в варианте многослойных труб из отдельных обечаек сводится к навивке много­слойных обечаек, сварке и контролю нахлесточных швов для закреп­ления начала и конца полосы, а затем происходят все операции из­готовления многослойных труб с концевыми обечайками или кольцами со сплошной стенкой, которые должны быть выполнены при любом способе получения многослойной части трубы.

Следует учитывать, что число сварочных установок для сварки кольцевых швов внутри и снаружи трубы, а также время их работы одинаково для приварки обечаек или колец со сплошной стенкой либо сварки всей многослойной трубы из обечаек, поскольку все швы сва­риваются одновременно. Поэтому конструкция многослойной тру­бы из отдельных обечаек является наиболее технологичной.

Изготовление трубы принципиально новой конструкции на прос­тейшем лабораторном оборудовании, исследование ее несущей спо­собности и изучение распространения трещины в .многослойной стен­ке было выполнено на трубах диаметром 800 мм, изготовленных в Ин­ституте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР.

Возможность поточного высокопроизводительного производства труб из отдельных обечаек должна быть проверена на созданпом с этой целью опытном участке по производству многослойных труб ХТЗ.

С целыо сокращения времени на создание опытного участка и уменьшения его стоимости был исключен ряд технологических опе­раций и соответственно не было предусмотрено оборудование, ко­торое устанавливается в цехе промышленного производства много­слойных труб Выксунского металлургического завода.

На первом этапе работы участка было установлено, что принци­пиальные положения технологии производства труб из отдельных многослойных обечаек подтвердились, а именно:

осуществлена навивка многослойных обечаек (рис. 3) из рулонпой полосы без закрепления начала полосы к намоточному барабану, так как во всех известных вариантах навивки в производство много­слойных сосудов высокого давления начало полосы крепится сваркой
к центральной обечай­ке, что не позволяет по­лучить высокопроизво­дительный процесс;

сваренные нахлес - точными швами (рис. 4) и обработанные на тор­цовочных станках от­дельные многослойные обечайки удается без за­труднений собрать в трубную заготовку (рис. 5) с зазорами в кольцевых стыках, обе­спечивающих возмож­ность выполнения авто­матической сварки и получения при этом се - миобечаечной трубной заготовки требуемой ге ометрической формы;

произведена автома­тическая сварка коль­цевых стыков (рис. 6) между многослойными обечайками удовлетво­рительного качества без Рпс• 4‘ Установка для сварки наружного на - 1 „ хлееточного шва обечаики.

предварительной на­плавки торцов обечаек,

что было также принципиально новым технологическим процессом.

На основе проектных исследований и результатов работы опыт­ного участка Харцызского трубного завода создается промышленное производство многослойных труб на Выксунском металлургически заводе, первая очередь которого вошла в эксплуатацию в 1ЯК1 г.

Следует отметить два важных элемента технологии, выполнение которых определяет в значительной мере работоспособность газо­провода из многослойных труб: глубина проплавлення при сварке внутренних и наружных нахлесточных швов и отсутствие в сварных швах внутри трубы дефектов, соединяющих внутранний объем трубы и межслойные зазоры. Необходимо также го минимума снизить объем ремонта швов внутри трубы. При ярлолнении требований, предъявляемых к технологии изготовления труб, особенно при полу­чении необходимой глубины проплавлення, обеспечивается расчет­ная статическая прочность многослойной трубы. Натурные проч­ностные испытания труб и трубных плетей показали, что хрупкие разрушения в многослойных трубах из стали 09Г2СФ в исследован­ном интервале температур не наблюдаются. Следовательно одна из принципиальных задач, стоявших при создании труб с много­слойной стенкой, решена успешно.

В настоящее время перед специалистами-трубниками стоит важ­ная и сложная задача — исключить в газопроводах вязкие разрушения большой протяженности. Заметим, что конструктивная особен­ность многослойной трубы резко снижает вероятность разрывов боль­шой протяженности, а при некоторой ее модификации можно гаран­тированно останавливать в пределах одной обечайки и вязкую трещину.

Из первой партии многослойных труб диаметром 1420 мм с тол­щиной стенки 16,4 мм (четыре слоя из полосы с номинальной толщи­ной 4,1 мм), изготовленных на опытном участке Харцызского труб­ного завода, сооружен участок газопровода протяженностью около 2 км.

Основной целью строительства было исследование влияния новой конструкции трубы на процесс сооружения трубопровода диаметром 1420 мм при использовании существующих методов строительства и средств малой механизации. В процессе строительства участка га­зопровода был проведен большой комплекс работ и получены ценные результаты.

Установлено, что при принятой конструкции трубы, могут быть использованы все существующие способы складирования и транспор­тирования труб, сборки и сварки их в трехтрубные секции и нитку трубопровода. При очистке и пленочной изоляции на трассе могут быть применены имеющиеся агрегаты, включая комбайн для совме­щенной очистки и изоляции.

Была также подтверждена возможность изоляции трубопровода из многослойных труб и опуска в траншею изолированного трубопро­вода с существующим темпом опуска при работе типовой колонны из шести трубоукладчиков, оснащенных катковыми полотенцами.

При совмещенном методе изоляции и опуска была опробована схема работы колонны из семи трубоукладчиков с комбайном в се­редине колонны с использованием трех спаренных троллейных под­весок перед комбайном и катковых полотенец после комбайна.

Имевшие место случаи потери устойчивости стенки трубы и спе­циальные испытания многослойных труб, выполненные ВНИИСТ, позволили уточнить требования к толщине слоя многослойных труб.

В процессе строительства без каких-либо затруднений было про­ведено несколько замен многослойных труб как на бровке, так и в траншее. Эти работы были выполнены с применением обычных ме­тодов замены труб без использования дополнительных труб со сплош­ной стенкой.

Подводя итоги, можно сделать следующие выводы.

1. Многослойная конструкция трубы позволяет выпускать тру­бы на более высокое давление без повышения стоимости тонны трубы, что открывает путь к экономичному повышению давления транспор­та газа.

2. Использование рулонной горячекатаной стали 09Г2СФ позво­ляет изготавливать отечественные трубы на давление до 12 МПа и более с удовлетворением требований прочности, вязкости и хла - достойкости.

При этом достигается экономия стали на 6,7 % по сравнению с трубой того же назначения из стали 09Г2ФБ и использовании при этом еще существенно более дешевой стали.

3. Решена задача получения труб, исключающих возможность образования и распространения в многослойной стенке хрупких разрушений при температуре эксплуатации до —20 °С.

4. Конструкция трубопровода из многослойных труб существенно снижает вероятность образования вязких разрывов большой протя­женности.

5. Проведенная на опытном участке отработка технологических операций изготовления многослойных труб из обечаек и оборудова­ния для их реализации дала возможность организовать поточное высокомеханизированное производство сварных труб большого диа­метра.

6. Сооружение участка газопровода из многослойных труб поз­волило получить ценный опыт, выявить особенности строительства трубопроводов из многослойных труб, уточнить требования к про­дольной устойчивости стенки труб и наметить мероприятия по под­готовке к использованию многослойных труб промышленного произ­водства.