2. Трубопроводостроительные материалы

2.1 Классификация стали. Особенности работы, напря­женного состоя­ния и действующих нагрузок при эксплуата­ции и разрушении трубопроводов.

2.2. Факторы, влияющие на выбор трубопроводострои­тельных мате­риалов. Виды сталей для строительных кон­струкций, их маркировка, свойства, применение.

2.3. Методы оценки сопротивления металла труб разру­шению.

2.4. Трубы для магистральных трубопроводов. Класси­фикация, область применения.

2.5. Особенности работы сварных соединений в трубо­проводах.

Характеристика работоспособности сварных соединений и методы их определения.

2.6. Требования к сварным соединениям магистральных трубопроводов.

2.7. Материалы для запорной и регулирующей аппара­туры. Классификация, маркировка, свойства, область приме­нения.

2.8. Основные свойства материалов для запорной и ре­гулирующей аппара­туры. Области применения.

Перспективы развития отрасли по производству матери­алов для запорной и регулирующей аппаратуры.

2.9. Противокоррозионные изоляционные материалы для магистральных трубопроводов.

КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ

Методические рекомендации к выполнению

и оформлению контрольных работ

Студенты, обучающиеся в вузе по заочной форме обуче­ния, выполняют контрольные работы.

Контрольные работы представлены в 10 вариантах, вы­полняют тот вариант, номер которого соответствует последней цифре шифра студента. Если но­мер шифра оканчивается ну­лем, выполняют десятый вариант задания.

Контрольная работа выполняется в отдельной тетради объемом 10-12 листов. Работу следует выполнять в порядке от­ветов на поставленные вопросы варианта. Ответы должны быть краткими, точными и не повторять текст учебника или учебных пособий, при необходимости они должны иллюстрироваться рисунками.

Графические работы выполняют карандашом с использо­ванием чертежных инструментов, соблюдая ГОСТы и требова­ния ЕСКД. Прилагать к выполненным работам фотографии и другие копии из учебников не разрешается.

На страницах текста заданий оставьте поля для замечаний рецензента. Страни­цы и рисунки пронумеруйте. В конце вы­полненного контрольного задания приве­дите список использо­ванной литературы, укажите дату выполнения работы и по­ставьте свой шифр и подпись.

После рецензирования работы изучите замечания рецен­зента и приведите на них письменные ответы в конце тетради. Исправления в тексте рецензии не до­пускаются. Если работа не зачтена, то после ответа на замечания она посылается на по­вторное рецензирование.

Варианты контрольных работ

Вариант 1

1. Определение ударной вязкости металла труб на стан­дартных образцах.

2. Производство стали для труб газонефтепроводов.

3. Расшифровать марку трубной стали ВСт.3сп. Состав, основные свойства. Область применения.

Вариант 2

1. Методика оценки свойств металла труб полнотолщин­ных образцах типа DWTT.

2. Понятие о непрерывной разливке стали.

3. Расшифровать марку трубной стали Сталь 10кп. Со­став, основные свойства. Область применения.

Вариант 3

1. Методика проведения натурных испытаний образцов газопроводов.

2. Понятие о контролируемой прокатке стали.

3. Расшифровать марку трубной стали Сталь 20. Состав, основные свойства. Область применения.

Вариант 4

1. Предупреждение хрупких разрушений в магистраль­ных газопроводах.

2. Углеродистые стали для производства труб. Классифи­кация, маркировка, основные свойства.

3. Расшифровать марку трубной стали ВСт.4сп. Состав, основные свойства. Область применения.

Вариант 5

1. Бесшовные трубы. Конструкция и технология произ­водства.

2. Низколегированные феррито-перлитные стали для про­изводства труб. Классификация, маркировка, основные свой­ства.

3. Расшифровать марку трубной стали 17ГС. Состав, ос­новные свойства. Область применения.

Вариант 6

1. Сварные прямошовные трубы (диаметр 530…1420 мм).

2. Стали контролируемой прокатки для производства труб. Классификация, маркировка, основные свойства.

3. Расшифровать марку трубной стали 17Г1С-У. Состав, основные свойства. Область применения.

Вариант 7

1. Спиралешовные трубы большого диаметра (диаметр 530…1420 мм). Конструкция и технология производства.

2. Перспективы производства сталей для труб мощных га­зопроводов.

3. Расшифровать марку трубной стали 13Г1С-У. Состав, основные свойства. Область применения.

Вариант 8

1. Сварные трубы диаметром менее 530 мм. Конструкция и технология изготовления.

2. Особенности работы сварных соединений в трубах га­зонефтепроводов.

3. Расшифровать марку трубной стали 09Г2ФБ. Состав, основные свойства. Область применения.

Вариант 9

1. Двухслойные спиралешовные трубы. Конструкция и технология изготовления.

2. Сущность и схема рентгеновского контроля сварных соединений труб. Область применения.

3. Расшифровать марку трубной стали 08Г2ФЮ. Состав, основные свойства. Область применения.

Вариант 10

1. Многослойные трубы. Конструкция и технология изго­товления.

2. Сущность и схема ультразвукового контроля сварных соединений труб. Область применения.

3. Расшифровать марку трубной стали 10Г2ФБ. Состав, основные свойства. Область применения.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ КУРСА "ТРУБОПРОВОДНОСТОРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ"

Металлургическое производство стали и чугуна

Металлургия — это наука о способах извлечения метал­лов из природных соединений и отрасль промышленности, производящая металлы и сплавы.

Для производства черных и цветных металлов исполь­зуют металлические руды, флюсы, топливо и огнеупорные ма­териалы.

Руда — горная порода или минеральное вещество, из ко­торого при данном уровне развития техники экономически це­лесообразно извлекать металлы или их соединения. При изуче­нии темы обратите внимание на виды руды, применяе­мые при выплавке чугуна, их химический состав и процентное содержа­ние производимого металла.

В доменном производстве используют железорудное сы­рье с содержанием железа 63 - 67%. Для получения сырья с вы­соким содержанием железа руды предварительно обогащают. Рассматривая процессы обогащения руд, обратите внимание на агломерацию и скатывание железорудных концентратов.

Для образования легкоплавких соединений (шлаков) пу­стой породы руды и золы топлива применяют различные флюсы. Ознакомьтесь с материалами, используемыми в каче­стве флюсов при производстве чугуна и стали. Обратите вни­мание на выбор флюса в зависимости от применяемых пла­вильных печей (кислых или основных) и на возможность управления процессами удаления вредных примесей из рас­плава.

В качестве источника теплоты при производстве метал­лов и сплавов ис­пользуют различные виды топлива. Изучая виды топлива, обратите особое вни­мание на основной вид ме­таллургического топлива — кокс. Необходимо знать способ его получения, химический состав, свойства и теплотворную спо­собность. Из других видов топлива обратите внимание на при­родный и доменный газы, которые также широко используют в металлургии.

Процессы извлечения металлов в металлургических агре­гатах происходят при высоких температурах. Поэтому внут­реннюю облицовку (футеровку) метал­лургических печей и ков­шей для разливки металла делают из специальных огне­упор­ных материалов. Знакомясь с огнеупорными материалами, об­ратите внима­ние на их химический состав, огнеупорность и об­ласти применения.

Чугун выплавляют в печах шахтного типа — доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заклю­чается в восстановлении оксидов железа, входящих в со­став руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива в печи.

Процесс доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верхнюю часть печи, называемой колошником, руды (или аг­ломерата), кокса и флюсов, располагающихся поэтому в шахте печи слоями. При нагревании шихты за счет горения кокса, ко­торое обес­печивает вдуваемый в горн горячий воздух, в печи идут сложные фи­зико-химические процессы, и шихта посте­пенно опускается вниз навстречу горячим газам, поднимаю­щимся вверх. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, обра­зуются два несмешиваю­щихся жидких слоя — чугун и шлак.

Условно процессы, протекающие в доменной печи, можно разде­лить на следующие элементы:

горение углерода топлива;

разложение компонентов шихты;

восстановление окислов;

науглероживание железа;

шлакообразование.

Эти элементарные процессы идут в печи одновременно, перепле­таясь друг с другом, но с разной интенсивностью на разных гори­зонтах печи.

Производство стали. Основными материалами для произ­водства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне.

Поэтому сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и при­месей путем их избирательного окисления и перевода в шлак, и газы в процессе плавки.

Поскольку в наибольшем количестве в чугуне содер­жится железо, то оно окисляется в первую очередь при взаимо­действии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи. Одно­временно с железом окисляются Si, Р, Мn, С и др.

Образующийся оксид железа при высоких температурах рас­творяется в железе и отдает свой кислород более активным элемен­там-примесям в чугуне, окисляя их.

Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем ак­тивнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную печь добавляют железную руду, окалину, содер­жащие много оксидов железа. Таким образом, основное количество примесей окисляется за счет кислорода оксида железа.

После расплавления шихты в сталеплавильной печи об­разуются две несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак. Металл и шлак разделяются из-за различных плотностей.

Большинство компонентов (Мn, Si, Р, S) и их соединения, растворимые в жидком металле и шлаке, будут распределяться между металлом и шлаком в определенном соотношении, ха­рактерном для данной температуры.

Нерастворимые соединения, в зависимости от плотности будут переходить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака, можно менять соотношение между количеством приме­сей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Убирая шлак с поверхности ме­талла и наводя новый путем подачи флюса требуемого состава, можно удалять вредные примеси (серу, фосфор) из металла. Поэтому регулирование состава шлака с помощью флюсов яв­ляется одним из основных путей управления металлургиче­скими процессами.

Используя изложенные закономерности, процессы вы­плавки стали осуще­ствляют в несколько этапов.

Первый этап — расплавление шихты и нагрев ванны жид­кого металла. На этом этапе температура металла невысока; ин­тенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисле­ние примесей Si, Р, Мn. Наиболее важная за­дача этого этапа: удаление фосфора — одной из вредных при­месей в стали.

Второй этап — «кипение» металлической ванны — начи­нается по мере ее прогрева до более высоких температур, чем на первом этапе. При повышении температуры металла более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходя­щая с поглощением теплоты. Для окисления углерода в металл вводят значительное количество руды, окалины или вдувают кислород. Образующийся в металле оксид железа реаги­рует с углеродом, а пузырьки оксида углерода СО выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение» ванны. При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаля­ются неметаллические включения.

В этот же период создаются условия для удаления серы из ме­талла. Сера в стали находится в виде сульфида [FeS], ко­торый раст­воряется также в основном шлаке (FeS). Чем выше температура, тем большее количество FeS растворяется в шлаке, т. е. больше серы переходит из металла в шлак.

Третий этап (завершающий) — раскисление стали — за­ключается в восстановлении оксида железа, растворенного в жидком металле. При плавке повышение содержания кисло­рода в металле необходимо для окисления примесей, но в гото­вой стали кислород — вредная примесь, так как понижает ме­ханические свойства стали, особенно при высоких температу­рах. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диф­фузионным.

Осаждающее раскисление осуществляют введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы (Mn, Si, A1 и др.), которые в дан­ных условиях обладают большим срод­ством к кислороду, чем железо. В результате раскисления вос­станавливается железо и образуются оксиды MnO, SiO₂, А1₂О₃ и другие, которые имеют меньшую плот­ность, чем сталь, и уда­ляются в шлак. Однако часть их может оста­ться в стали, что понижает ее свойства.

Диффузионное раскисление осуществляют раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и другие раскислители в мелкораз­мельченном виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределения оксид железа, растворенный в стали, начнет переходить в шлак. Образующиеся при таком спо­собе раскисления оксиды оста­ются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержанием в ней неметаллических включений и повышает ее качество.

В зависимости от степени раскисленности выплавляют спокой­ные, кипящие и полуспокойные стали.

Легирование стали осуществляют введением ферроспла­вов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, сродство к кислороду которых меньше, чем у железа (Ni, Со, Мо, Сu), при плавке и разливке практиче­ски не окисляются и поэтому их вводят в печь в любое время плавки (обычно вместе с остальной шихтой). Легирующие эле­менты, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti и др.), вводят в металл после или одновре­менно с раскислением, в конце плавки, а иногда непосред­ственно в ковш.

Чугун переделывают в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, дуговых электропечах.

Трубы и трубопроводостроительные материалы

Основные виды потребляемых стальных труб можно раз­делить по способу их изготовления на две основные группы: бесшовные и сварные. Бесшовные трубы производят катаными в горячем и холодном состояниях, холоднодеформированные в холодном и теплом состояниях, прессованные и литые. Для из­готовления сварных труб применяются агрегаты непрерывной печной сварки (для труб диаметром до 114 мм), сварки током высокой частоты (D_T = 530 мм), дуговой сварки (трубы прямо­шовные D_T = 1620 мм и спиральношовные D_T = = 2500 мм). Трубы из легированных и высоколегированных марок сталей изготовляют на станах электроннолучевой сварки. Ведутся ра­боты по созданию агрегатов плазменной сварки, лазерным лу­чом и другими способами.

По профилю сечения трубы различают круглые и фасон­ные, овальные, прямоугольные, квадратные, трех-,шести- и восьмигранные, ребристые, сегментные, каплевидные и другие профили. Наружный диаметр труб составляет 0,3...2520 мм и толщина стенки 0,05...75 мм. По размеру наружного диаметра трубы разделяют на следующие группы, мм:

Малых размеров (капиллярные) 0,3...4,8

Малых размеров 5...102

Средних размеров 102...426

Больших размеров > 426

В зависимости от отношения наружного диаметра D к толщине стенки трубы S подразделяются на группы (табл. 1).

По продольному сечению различают трубы конические, ступенчатые с высаженными концами и др. В отдельной группе находятся трубы биметаллические и триметаллические, состоящие из двух и трех слоев металла, прочно связанных между собой посадкой, сваркой или сплавлением. В зависимо­сти от назначения различают следующие основные виды труб.

Таблица 1

Виды групп для труб

	D/S	S/D
Особотолстостенные	5,5	0,18
Толстостенные	5,5...9	0,18...0,12
Нормальные	9,1...20	0,12…0,05
Тонкостенные	20,1...50	0,05...0,02
Особотонкостенные	> 50	< 0,02

I. Трубы для нефтяной и газовой промышленности: бу­рильные, обсадные, насосно-компрессорные.

II. Трубы для трубопроводов: водогазопроводные, нефте­проводные изготавливаются бесшовными и сварными.

III. Трубы для строительства, применяемые в промыш­ленности и гражданском строительстве, изготавливаются в ос­новном сварными.

IV. Трубы для машиностроения применяются бесшовные, изго­тавливаются из углеродистой, легированной и высо­колегированной (коррозионностойкой и жаростойкой) сталей.

V. Трубы для сосудов и баллонов, применяемые в судо­строении, авиации, атомной, медицинской промышленности и других отраслях народного хозяйства, изготавливаются из уг­леродистой и легированной стали. Баллоны из коррозионно­стойкой стали поставляются по техническим условиям.

Стали, применяемые для изготовления труб, весьма раз­нообразны. Их делают из более чем 350 марок сталей: всех уг­леродистых марок, ряда легированных и высоколегированных сталей (хромо-молибденовых, хромоникелевых, марганцови­стых коррозионностойких, жаропрочных), из различных спла­вов.

Стандарты и технические характеристики труб.

Трубные изделия, изготовляемые прокаткой, прессова­нием, во­лочением или сваркой, стандартизованы ГОСТом или техническими условиями.

Стандарты и технические условия определяют размеры и техническую характеристику труб, химический состав ме­талла, формы профиля, номинальные размеры и допускаемые пределы отклонений, механико-структурные свойства, внеш­ний вид, правила испытаний, приемки, маркировки, упаковки и транспортировки.

Основные виды государственных стандартов на поставку труб следующие:

стандарты общих технических условий устанавливают технические требования к определенному виду труб, включая все требования к сортаменту, качественным характеристикам труб, правилам приемки и методам испытаний: стандарты сор­тамента определяют наиболее рациональные для народного хо­зяйства профили и размеры труб. В этих стандартах устанавли­вают диаметр труб или размеры сечения для профильных труб, толщину стенки, допускаемые отклонения по геометрическим размерам, овальности, разностенности и кривизне и т.п.;

стандарты технических требований определяют основ­ные тех­нические требования к трубам широкого назначения. В них предус­матриваются марки стали, механические свойства (временное со­противление, предел текучести, относительное удлинение и ударная вязкость), требования к качеству поверх­ности, а также требования к технологическим испытаниям - гидравлическим давлением, сплющиванием, раздачей, загибом и др. В стандартах указываются правила приемки, специальные требования к маркировке, упаковке, транспортированию и хра­нению труб;

технические условия (ТУ) разрабатываются на изготовле­ние и поставку труб при отсутствии в государственных стан­дартах технических условий, распространяющихся на дан­ную продукцию, а также при необходимости дополнения или ужесточения свойств изделий в этих стандартах. Требова­ния, установленные в ТУ, должны быть не ниже требований действующих стандартов, распространяющихся на данную продукцию.

К числу стандартов на производство стальных труб отно­сятся, прежде всего, сортаментные стандарты, определяющие рациональные для народного хозяйства профили и размеры труб. В этих стандартах устанавливаются диаметр для круглых труб и размеры сечения для профильных, толщина стенки, длина, допускаемые отклонения по геометрическим размерам и массе.

Трубы для трубопроводов применяются для монтажа раз­личных сооружений в капитальном строительстве для транс­портировки нефти, бензина, газа, пара, воды, масел, различных твердых и сыпучих материалов (уголь, щебень, песок, цемент) и т.п. Изготовляются бесшовными и сварными. Ниже приве­дена структура потребления этих труб в России, %:

	Капитальное строительство	Производственные и эксплуатационные нужды
Водогазопроводные	56,5	43,5
Нефтепроводные:
бесшовные	57,4	42,6
сварные	77,2	22,8
Сварные большого диаметра	94,3	5,7

Водогазопроводные (газовые) трубы изготовляют по ГОСТ 3262— 62 сварными следующих типоразмеров D_T × S_T= = 10,2...165 × 1,8...4,0 мм. Поставка труб производится с глад­кими концами под сварку или с резьбой и муфтами в оцинко­ванном или неоцинкованном виде трех групп: легкие (S_T =

= 1,8...4,0 мм), обыкновенные (S_T = 2,0...4,5 мм) и усиленные (S_T = 2,5...5,5 мм). Трубы изготовляются, в основном, способом печной сварки, горячекатаной ленты из низкоуглеродистой стали.

Нефтепроводные трубы изготовляются бесшовными

(D_T = 8…1620 мм) и спиральношовными (D_T = 159...2520 мм). Трубы диаметром более 325 мм изготовляются с повышенной точностью наружного диаметра по концам для облегчения сты­ковки при монтаже трубопроводов. Трубы поставляются 4 групп качества: группа А — с нормированным химическим со­ставом; Б — с нормированными механическими свойствами; В — с нормированным химическим соевом и механическими свойствами; Д — с регламентированной величиной испыта­тельного давления и гидравлических испытаний.

Для изготовления труб применяются углеродистые

(С < 0,22%, Мn < 0,65%, Si < 0,37%) и низколегированные стали с содержанием С до 0,20% и Мn до 1,65% и добавками легиру­ющих элементов — Сr, V, Nb и др.

Стали для труб газонефтепроводов.

Основной вид труб для нефтепроводов — стальные трубы. Большая несущая способность, высокая стабильность механических и технологических свойств достигнуты благо­даря совершенствованию технологии их изготовления и внед­рения в нее разнообразных испытаний, а особенно 100%-ного неразрушающего контроля качества сварных швов и металла. Это также позволило сделать трубы наиболее надежными и долговечными.

Одним из важных факторов металлургического производ­ства, влияющего на качество сталей, является их раскисление. Под раскислением сталей понимают снижение концентрации растворенного в них кислорода. Это достигается путем введе­ния в жидкую сталь элементов, вступающих в реакцию с кис­лородом - раскислителей (марганца, кремния, алюминия и др.). В результате реакции образуются неметаллические включения, которые в ходе технологического процесса удаляются из стали.

Хорошо раскисленную сталь называют спокойной (сп), в которой содержание кислорода не более 0,003 %.

При выплавке кипящей стали (кп) по ходу плавки вводят лишь марганец, а кремний и другие раскислители не приме­няют. В результате этого содержание кислорода увеличивается до 0,025…0,035 %. Свойства кипящей стали хуже, чем у спо­койной, но ее производство обходится дешевле. Обычно кипя­щую сталь применяют для ненагруженных элементов кон­струкций.

Кроме этих двух видов, производят полуспокойные стали (пс), которые по технологии выплавки и разливки занимают промежуточное положение между спокойной и кипящей ста­лями. Структура слитка полуспокойной стали близка к струк­туре слитка спокойной стали. Содержание в ней кислорода до 0,012 %.

Химический состав сталей определяет свойства и каче­ство труб, а также технико-экономическую целесообразность их применения.

Зная химический состав стали, можно ориентировочно оценить некоторые ее свойства, например, свариваемость. При этом исходят из того, что углерод в значительной большей мере ухудшает свариваемость по сравнению с другими элементами. Оценку свариваемости проводят по углеродному эквиваленту С, значение которого должно быть ниже 0,46 %. Значение уг­леродного эквивалента для конкретной стали можно опреде­лить расчетным путем по формулам:

для углеродистых сталей (а также для низколегирован­ных кремнемарганцевых - 17ГС, 17Г1С, 09Г2С и др.)

С = С + Мn/6;

для низколегированных

С = С + Мn/6 + (Сr + Мо + V + Ti + Nb)/5 +

+ (Сu + Ni)/15 + В,

где С, Мn, Сr, Мо, V, Ti, Nb, Сu, Ni, В - содержание в % массы в составе металла трубной стали соответственно углерода, мар­ганца, хрома, молибдена, ванадия, титана, ниобия, меди, ни­келя, бора.

По химическому составу стали подразделяют на углеро­дистые и легированные. В свою очередь углеродистая сталь в зависимости от содержания углерода делится на низкоуглеро­дистую (с содержанием углерода до 0,25 %), среднеуглероди­стую (с содержанием углерода 0,25…0,6 %) и высокоуглероди­стую (с содержанием углерода 0,6…2 %).

Легированной называется сталь, в которой кроме обыч­ных примесей содержатся специальные, вводимые в опреде­ленных сочетаниях, легирующие элементы (хром, никель, мо­либден, вольфрам, ванадий, алюминий, титан и др.), а также марганец и кремний в количествах, превышающих обычное их содержание (1 % и выше). Легированная сталь в зависимости от содержания легирующих элементов делится на низко­леги­рованную (с содержанием легирующих элементов не более 2,5 %) и высоколегированную (с содержанием легирующих эле­ментов свыше 10 %).

По своему состоянию сталь может поставляться горяче­катаной, кованой, термически обработанной и нагартованной.

В частности, углеродистая сталь для строительных кон­струкций и деталей машин подразделяется на несколько видов:

сталь углеродистая обыкновенного качества (группы А, Б и В в горячекатаном состоянии);

сталь углеродистая качественная конструкционная (в го­рячекатаном и кованом состоянии);

сталь углеродистая обыкновенного качества термически упрочненная.

При маркировке углеродистой стали обыкновенного ка­чества указывается группа, маркировка (Ст), условный номер (от 0 до 6), степень раскисления и категория по гарантируемым характеристикам. Например, сталь группы А обозначается Ст3кп3, группы Б — БСт5сп2, группы В — ВСт6пс6. Увеличе­ние условного номера в обозначении марки стали указывает на повышение прочности и уменьшение пластичности. При повы­шенном содержании марганца в марку стали вводится буква Г. Например, ВСт5Гпс4.

Стали группы А обычно применяют для несварных нагру­женных деталей машин и конструкций; группы Б — для терми­чески обрабатываемых, кованых, сварных и других неответ­ственных деталей машин и конструкций; группы В — для свар­ных ответственных строительных конструкций.

Сталь углеродистую качественную конструкционную по­ставляют в виде листового и полосового проката из горячека­таной и кованой стали следующих марок: спокойная — 08, 10, 15, 20, 25, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 70Г (в марке индекс "сп" не ставят); кипящая и полуспокойная - 05кп, 08кп, 10пс, 10кп, 15кп, 15пс, 18кп, 20кп, 20пс.

Двузначная цифра в марке стали обозначает среднее со­держание углерода в сотых долях процента. Учитывая, что с увеличением содержания углерода прочность стали повыша­ется, сталь с более высоким номером применяется для более ответственных деталей. Например, сталь марок 05кп, 08кп, 10кп применяют для производства листов, лент, проволоки и неответственных конструкций, а сталь марок 10, 15, 20 и 25 — для бесшовных горячекатаных труб диаметром до 500 мм, а также муфт, поршней насосов и др. Из стали марок 30, 35 изго­товляют стропы, вертлюги, крюки, талевые блоки и др., а из стали марок 40 и 45 — муфты, валы насосов, шестерни и т.д.

Сталь углеродистая термически упрочненная изготовля­ется из углеродистой стали обыкновенного качества путем за­калки (до 930…950 °С) и отпуска. В этом случае в марке стали добавляется буква Т. Например, БСт3Тсп2.

Для изготовления и ремонта резервуаров, газгольдеров, газонефтепроводов применяется низколегированная конструк­ционная сталь. Она обладает рядом преимуществ по сравнению с углеродистой сталью обыкновенного качества: ее предел те­кучести выше на 50 % и более, меньше чувствительность к ста­рению, меньше склонность к хладноломкости, хорошо свари­вается, коррозионная стойкость выше в 1,5 раза, чем, например, у стали ВСт3.

Марки легированных сталей отличаются большим разно­образием: марганцовистая, кремнемарганцовистая, хромкрем­немарганцовистая и т.д. Каждая марка стали обозначается бук­вами, соответствующими определенным элементам по класси­фикации металлургического производства. Условно все эле­менты по процентному содержанию их в стали можно разде­лить на несколько групп:

первая: Г - марганец, X - хром, Н - никель и С — кремний. Цифры в марке стали после этих букв обозначают процент со­держания данного элемента в стали. При отсутствии цифр со­держание элемента менее 1 %. Например, 09Г2, 14ХГС и т.д.;

вторая: Т — титан, Ц — цирконий, Ф — ванадий, И — фосфор, Ю — алюминий, Ч — редкоземельные металлы, Д — медь, М — молибден.

Содержание меди и молибдена в стали обычно до 0,6 %, остальных элементов этой группы — до 0,2 %, т.е. в десятых долях процента;

третья: А — азот (до 0,015 %), Б — ниобий (до 0,05 %), т.е. содержание их в стали в сотых долях процента;

четвертая: Р — бор, (до 0,006 %), т.е. содержание его в стали в тысячных долях процента.

Цифры перед маркой стали обозначают процент содержа­ния углерода в сотых долях. Например, сталь марки 09Г2С со­держит 0,09 % углерода, 2 % марганца и около 1 % кремния.

Низколегированную сталь высокой прочности можно по­лучить путем нормализации или закалки с высоким отпуском или микролегирования, т.е. введением карбидообразующих элементов (ванадия, ниобия и др.) в очень незначительных ко­личествах.

Особенности работы металлов в трубопроводах.

Несущая способность металла труб снижается пропорци­онально ослаблению толщины стенки различными дефектами металлургического, технологического и строительного харак­тера, повышающими склонность метала к хрупкому разруше­нию.

Из-за строительства и эксплуатации магистральных тру­бопроводов в различных климатических условиях трубы де­лают в разном исполнении. В обычном исполнении изготов­ляют трубы для трубопроводов, прокладываемых в средней по­лосе и южных районах России, для которых температура экс­плуатации принимается от 0 °С и выше и температура строи­тельства -40 °С и выше. В северном исполнении изготовляют трубы, для которых температура эксплуатации принимается от -20 до -40 °С, а температура строительства -60 °С и выше.

За температуру эксплуатации принимают минимальную температуру стенки труб при эксплуатации под рабочим давле­нием; за температуру строительства - температуру стенки труб или воздуха (для наиболее холодной пятидневки) при строи­тельно-монтажных работах или остановке нефтепровода, опре­деляемую в соответствии со СНиП по строительной климато­логии и геофизике.

Методы оценки работоспособности труб газонефтепрово­дов.

Технические требования ко многим видам труб обуслав­ливают проведение стопроцентного неразрушающего кон­троля их качества современными методами. Неразрушающий метод контроля труб служит для выявления дефектов на наруж­ной и внутренней поверхностях, а также дефектов, скрытых в стенках труб.

Этот метод основан на изменении определенных свойств металла, которые вызываются наличием в нем нарушений сплошности, пустот, разной структурой и изменением разме­ров поперечного сечения. Применяемая аппаратура преобра­зует полученные сигналы, давая количественную оценку де­фектам. Приборы неразрушающих методов контроля основаны на применении ультразвукового, электроиндуктивного (ме­тоды вихревых токов), рентгеноскопического, магнитного, ра­диационного и других методов.

Одной из важнейших задач в области контроля качества труб является разработка методов и средств автоматического неразрушающего контроля в технологическом потоке произ­водства труб. При этом приборы неразрушающего контроля становятся составной частью автоматической системы управ­ления технологическим процессом производства бесшовных и сварных труб.

Ультразвуковые методы неразрушающего контроля (УЗК) можно разделить на две большие группы: активные ме­тоды, основанные на регистрации ультразвуковых колебаний и волн, преднамеренно возбуждаемых в листах и трубах в про­цессе контроля и пассивные методы, основанные на регистра­ции самопроизвольно возбуждающих ультразвуковых колеба­ний при деформации, сварке и гидроиспытаниях труб.

Наиболее широко в практике применяются активные ме­тоды ультразвукового контроля, которые подразделяются на методы прозвучивания, отражения и комбинированные, которые используют одновременно сигналы прозвучивания и отражения.

Метод прозвучивания основан на использовании прин­ципа прохождения ультразвуковых волн и основан на регистра­ции интенсивности прошедших ультразвуковых колебаний че­рез контролируемый участок материала. Появление в контро­лируемой зоне вызывает рассеивание и ослабление ультразву­ковых волн, в результате чего их интенсивность падает. Суще­ствуют и другие методы УЗК: эхо, тандем, дельта, эхо-теневой, зеркально-теневой методы, которые широко применяются для контроля качества нефтегазопроводных труб в процессе их производства. Допустимую величину дефекта определяют пу­тем сравнения его с дефектами, искусственно нанесенными на трубу такой же толщины и диаметра. Обычно для труб величин допустимых наружных дефектов составляет 3,5...10% от тол­щины стенки.

100%-ному ультразвуковому контролю подвергают зону шва, сваренного под слоем флюса. Контролируемую зону свар­ного соединения можно разбить на три участка: участок свар­ного шва с наплавленным металлом; зона термического влия­ния (ЗТВ); примыкающий участок основного металла.

Цель ультразвуковой дефектоскопии состоит в обнаруже­нии этих дефектов во всем объеме сварного шва, в ЗТВ и на примыкающем участке основного металла. Кроме того, кон­тролируют толщину стенки трубы с обеих сторон сварного шва.

Установка УЗД должна быть расположена за экспандером и прессом для гидравлического испытания труб и включена в технологический поток.

Электромагнитные методы неразрушающего контроля основаны на возбуждении вблизи контролируемого объекта электромагнитных волн и регистрации их взаимодействия с контролируемым изделием. Для их регистрации разработано большое количество различных методов, в основе которых ле­жат разнообразные физические явления, сопровождающие вза­имодействие электромагнитного поля с металлом.

В трубном производстве применяются электростатиче­ские методы контроля качества защитных испытаний нефтега­зопроводных труб; магнитостатические методы контроля, ко­торые применяются для выявления дефектов металла и оценки структуры и механических свойств.

На практике получила широкое распространение маг­нитно-порошковая дефектоскопия, которая включает элементы методов контроля вихревыми токами, магнитного потока, рас­сеяния.

Радиационные методы основаны на контроле просвечива­нием с использованием рентгеновских и γ-лучей и применя­ются для контроля сварных швов труб большого диаметра, так как при контроле сварных швов УЗД концевые участки не кон­тролируются.

Принцип просвечивания рентгеновскими или гамма-лу­чами основан на различной интенсивности их воздействия на рентгеновскую пленку. Дефектные места пропускают лучи с меньшим поглощением, чем сплошной металл. После проявле­ния на пленке хорошо видны очертания дефектов шва.

Гамма-лучи обладают большой проникающей способно­стью и позволяют контролировать металл толщиной до 350 мм. Благодаря портативности аппаратуры этот способ контроля широко применяют в мон­тажных организациях. Однако гамма-излучение по сравнению с рентгеновским имеет меньшую чув­ствительность и большую опасность при неосторожном обра­щении с гамма-аппаратами.

При радиографическом контроле сварных соединений ис­пользуют радиографические технические пленки типа РТ. Вза­мен радиографической пленки допускается применять электро­графические пластины, покрытые слоем вещества, изменяю­щим свои электрические свойства при воздействии рентгенов­ского или гамма-излучения. Контроль с применением таких пластин называют электрографическим, или ксерографией. Наибольшее распространение получили алюминиевые пла­стины, на которые наносят слой аморфного селена, Такую пла­стину, как и рентгеновскую пленку, помещают в светонепро­ницаемую кассету.

Ультразвуковой метод контроля основан на способности ультразвуковых волн отражаться от поверхности раздела сред. В дефектоскопах применен пьезоэлектрический способ полу­чения ультразвуковых волн.

С помощью пьезоэлектрического щупа ультразвукового дефектоскопа, помещенного на поверхность сварного соедине­ния, в металл посылают направленные ультразвуковые колеба­ния. Ультразвук вводят в изделие отдельными импульсами под углом к поверхности металла. При встрече с дефектом возни­кает отраженная ультразвуковая волна, которая восприни­ма­ется либо другим щупом (приемным в случае двух-щуповой схемы), либо тем же (подающим при одно-щуповой схеме) во время паузы между импульсами. Отраженный ультразвуковой сигнал преобразуется в электрический, усиливается и подается на трубку осциллографа, где фиксируется наличие дефекта в соединении в виде пика на экране.

Ультразвуковой контроль предназначен для выявления в сварных швах и околошовной зоне трещин, непроваров, не­сплавлений, пор, шлаковых включений и других дефектов без расшифровки их характера, но с указанием координат, услов­ных размеров и числа обнаруженных дефектов.

Цветной метод (метод красок) основан на капиллярном проникновении дефектоскопических материалов в дефекты и их контрастном изображении. На очищенную и обезжиренную поверхность сварного соединения наносят специальную смачи­вающую жидкость (краситель на основе анилина), которая под действием капиллярных сил заполняет полости поверхностных дефектов. После выдержки в течение 3...15 мин избыток со­става удаляют, контролируемую поверхность насухо выти­рают, а затем наносят тонкий слой проявителя белого цвета на основе каолина. За счет диффузионных явлений оставшийся в полостях дефектов краситель выходит на поверхность, и его следы ярко выделяются на белом фоне проявителя.

Магнитные методы контроля основаны на индикации и анализе магнитных полей рассеяния, возникающих в местах де­фектов сварного шва при воздействии на него магнитного поля. Изменение напряженности магнитного поля в месте дефекта регистрируется с помощью магнитного порошка при магнито­порошковом способе, магнитной пленки — при магнитографи­ческом способе и индукционной катушки — при индукцион­ном способе контроля. При магнитопорошковом методе ферро­магнитные части порошков, попадая в неоднородное магнит­ное поле, сосредоточиваются в тех местах, где его силовые ли­нии сгущаются, т. е. у кромок дефектов и над местами, где они расположены.

При испытаниях на статическое растяжение можно опре­делить: предел прочности, предел текучести (физический или условный), относительное удлинение и относительное суже­ние.

Испытаниями на статический изгиб определяют пластич­ность сварного соединения по величине угла загиба до образо­вания первой трещины в растянутой зоне.

Для труб малого диаметра с продольными и поперечными сварными швами проводят испытания на сплющивание (смя­тие). Мерой пластичности служит просвет между поджимае­мыми поверхностями при появлении первой трещины.

При испытаниях на ударный изгиб определяют ударную вязкость шва различных участков околошовной зоны и наплав­ленного металла.

При металлографических исследованиях выявляют де­фекты, определяют по виду излома характер разрушения образ­цов, изучают макро- и микроструктуру сварного шва и зоны термического влияния, определяют твердость различных зон сварного соединения. По виду излома судят о строении ме­талла, его плотности, сплошности и делают качественный вы­вод о пластических свойствах.

Контроль на герметичность проводят керосином, сжатым воздухом, аммиаком, вакуумированием, течеискателями и гид­равлическим испытанием.

При испытании керосином одну сторону сварного шва, наиболее доступную для осмотра, с помощью пульверизатора покрывают меловым раствором, а другую обильно смачивают керосином и выдерживают в течение определенного времени. Керосин, обладающий высокой смачивающей способностью и сравнительно малой вязкостью, проникает в мельчайшие не­плотности в металле шва. При наличии дефектов на меловом слое появляются темные керосиновые пятна.