Учебное пособие 800195

ные кромки сдавливаются (сжимаются), образуя неразъемное соединение, при этом в грат выдавливаются окислы с поверхности кромок. Сразу после сварочного стана на непрерывной трубе размещаются установки для снятия грата с внутренней и внешней поверхностей, после чего труба разрезается на мерные отрезки. Отрезки заданной длины поступают на термообработку, отделку и испытание.

Применение для сварки труб небольшого диаметра токов высокой частоты обеспечивает высокую скорость изготовления труб —до 60—70 м/с. Непрерывность технологии, высокая степень автоматизации процесса с использованием ЭВМ, минимальное использование ручного труда при наличии надежного контроля за операциями технологического передела обеспечивают стабильное и высокое качество готовых изделий. Прямошовные термически обработанные трубы диаметром 150—-476 мм, изготовленные по вышерассмотренной технологии, много лет успешно применяются при строительстве промысловых и обвязочных трубопроводов насосных и компрессорных станций. Однако надо отметить, что не на всех заводах обеспечивается строгое выполнение технологических операций, не всегда трубы проходят достаточно строгий и полный контроль, а также 100%-ньте гидравлические испытания на прочность. Поэтому наряду с надежной безотказной работой труб, изготовляемых большинством заводов, еще имеются случаи некачественной их сварки и разрушения при испытании вновь построенных трубопроводов. При заказе труб ответственного назначения, например для транспортировки взрывопожароопасных или ядовитых продуктов, в технические условия следует записывать требования: о поставке термообработанных труб, гидравлического испытания их на прочность при напряжении, равном 0,95 нормативного предела текучести металла, и 100%-ного контроля -швов неразрушающими методами.

Для трубопроводов диаметром менее 530 мм ответственного назначения нельзя рекомендовать к применению прямошовные трубы, изготовленные печной сваркой, сваренные со-

90

противлением и токами низкой частоты, поскольку качество таких соединений заметно ниже, чем у труб, сваренных токами высокой частоты.

3.3. Спиралешовные термоупрочненные трубы

Спиралешовные трубы имеют высокую поперечную жесткость. Спиральный шов и конструкция трубы обеспечивают устойчивое сохранение кольцевого сечения при действии поперечных нагрузок. Эта особенность спиралешовных труб позволила разработать относительно простую технологию термического упрочнения готовых труб и построить впервые в мировой практике промышленное отделение термического упрочнения труб.

Сложность технологии термического упрочнения готовых труб состоит в том, что нужно обеспечить заданный комплекс свойств во всех точках развитой поверхности трубы, площадь которой достигает 100 м2, и максимально сохранить в условиях нагрева до температуры закалки (более 1000 °С) геометрию трубы, в частности допуск па диаметр по торцам без дополнительной калибровки.

Технология термического упрочнения состоит в нагреве труб под закалку в проходных газовых печах, закалке труб в спреерном устройстве с орошением водой внутренней и наружной поверхностей, повторном нагреве труб во второй проходной газовой печи до температуры высокого отпуска, охлаждении на воздухе и при необходимости — калибровке концов труб.

Выше было отмечено, что для получения однородных и высоких свойств труб после термического упрочнения необходимо обеспечить, во-первых, равномерный нагрев до заданной температуры всей поверхности трубы и предупредить при этом возможность осадки (овализации) горячих труб. При термоупрочнении спиралешовных труб это достигается благодаря поперечной их жесткости и плавному, непрерывному перека-

91

тыванию труб вокруг своей оси в проходных газовых печах. Во-вторых, необходимо обеспечить заданную скорость охлаждения металла при прохождении труб через спреерное устройство. Это достигается за счет одноили двустороннего охлаждения стенки труб, соответствующего давления воды в охлаждающем устройстве, конструкции сопел и других параметров спреерного устройства.

Важным преимуществом термического упрочнения готовых труб по сравнению с процессом их изготовления из термоупрочненной стали является то, что упрочнение готовых труб позволяет выравнить свойства основного металла и сварного соединения, снять остаточное сварочное напряжение, улучшить геометрию спирального сварного соединения, так как при перекатывании горячих труб заметно снижаются имеющиеся «домики» (соединение свариваемых кромок под углом)-

Для производства термоупрочненных труб применяют простую минимально легированную сталь типа 17ГС в разных модификациях. Термоупрочнение труб диаметром 720—1220 мм позволило повысить свойства стали в трубе по сравнению с исходной горячекатаной по временному сопротивлению с 520— 550 до 600 МПа, по условному пределу текучести с 360—380 до 420 МПа, по переходной температуре хрупкости Т80 с +5 до -15 °С.

В результате термического упрочнения металлоемкость труб снизилась на 8—13%, а отпускная стоимость 1 т труб возросла примерно на 15 %, т. е. при сдаточной величине временного сопротивления труб 600 МПа термоупрочнение позволяет снизить расход стали, повысить надежность газонефтепроводов.

Производство термоупрочненных труб с временным сопротивлением 650 МПа позволит резко улучшить их техникоэкономические показатели, снизить металлоемкость труб примерно на 20 % и за счет этого покрыть расходы, связанные с их термической обработкой.

Все изложенное показывает, что термическое упрочнение

92

позволяет изготавливать экономичные трубы диаметром 1420 мм на давление 7,5 МПа из простой, дешевой, хорошо освоенной металлургической промышленностью стали 17Г1С-У без применения каких-либо дефицитных легирующих добавок.

3.4.Сварные трубы специальных конструкций

Вконце XX в. основные и перспективные районы добычи газа в России сосредоточились на севере Западной Сибири, откуда прокладываются магистральные газопроводы для подачи газа в европейскую часть страны, в промышленные районы Урала и Сибири, а также на экспорт.

Целесообразность сокращения числа параллельно прокладываемых ниток в одном направлении, необходимость повышения экономических показателей транспортировки газа обусловили быстрое увеличение диаметра применяемых труб

ивеличины рабочего давления газа. В настоящее время для мощных газопроводов диаметр применяемых труб составляет 1420 мм при давлении 7,5 МПа. Этот диаметр, как показывают результаты исследований, близок к оптимальному. Для подводных морских газопроводов диаметр труб не превышает 3220 мм, однако рабочее давление газа в морских газопроводах доходит до 12МПа. Оптимальное значение давления газа для трубопровода диаметром 1420 мм продолжают обсуждать, и, по-видимому, оно будет составлять примерно 10 МПа.

Рабочие параметры перспективных газопроводов определяются технико-экономическими показателями перекачки единицы объема газа, а также возможностями металлургической промышленности изготавливать в необходимых количествах высоконадежные и недорогие трубы. Как известно, стоимость труб может составлять до 60 % стоимости сооружения газопровода, поэтому технико-экономические показатели труб заметно влияют на оптимальные рабочие параметры мощных газопроводов.

В70-х годах развернулись многоплановые работы по созданию новых сталей для труб и новых, принципиально от-

93

личных конструкций труб, способных обеспечить надежную безотказную эксплуатацию сверхмощных газопроводов диаметром 1420 мм при рабочем давлении до 10—12 МПа и температуре перекачки —15, —25 °С. Однако, чтобы установить оптимальные рабочие параметры перспективных сверхмощных газопроводов, кроме данных о затратах на перекачку газа, необходимо знать экономические показатели будущих труб: диаметром 1420 мм на 10—12 МПа из листовой или рулонной стали толщиной 18—-26 мм и труб специальных конструкций, из которых в настоящее время наиболее подготовлены к производству двухслойные спиралешовные и многослойные трубы из витых обечаек. Эти трубы изготавливаются из горячекатаной рулонной ленты: двухслойные при толщине 8—13 мм, многослойные— при толщине примерно 6 мм.

Технические возможности производства толстолистовой стали нужных параметров будут детально рассмотрены ниже. Здесь необходимо только отметить, что за прошедшие 20-25 лет отечественная металлургическая промышленность достигла крупных принципиальных успехов. Выпускавшиеся в 6070х годах стали не позволяли найти надежный и экономически приемлемый вариант, а имевшиеся решения требовали применения дорогих остродефицитных легирующих материалов — ниобия, молибдена, ванадия и др. Однако металлоемкость мощных газопроводов определяется миллионами топи труб в год, поэтому потребность в дефицитных легирующих материалах для такого объема производства не могла быть удовлетворена. Таким образом, для труб с монолитной стенкой применительно к перспективным газопроводам не было приемлемого решения ни с технической, ни с экономической точки зрения. Применяемые в те годы методы упрочнения и прокатки стали приводили к тому, что с повышением прочности снижалась вязкость стали, ухудшалась ее свариваемость. Одним из возможных вариантов было термическое упрочнение труб, но и в этом случае были своп трудности — необходимо было разработать новую технологию, построить специальные отделения термического упрочнения труб большого диаметра.

94

Все это способствовало тому, что много внимания было уделено разработке специальных конструкций труб, в которых торможение и остановка разрушения обеспечивались бы не только свойствами металла, но и конструкцией труб. Такие решения были найдены. Однако в 80-х годах положение с производством тол стол истовых сталей изменилось. Разработаны и широко освоены промышленностью новые малоперлитные и бесперлитные стали, обеспечивающие сочетание высоких прочностных свойств с необходимой хладостойкостью и вязкостью. Эти свойства получены за счет максимального измельчения структуры, высокой степени очистки металла от вредных примесей и его однородности.

Таким образом, необходимый комплекс служебных свойств был получен металлургическими методами с минимальным применением или без использования остродефицитных легирующих элементов. Трубы с монолитной стенкой стали конкурентоспособными с трубами специальных конструкций. Поэтому решающими факторами при выборе труб для перспективных газопроводов будут не только их надежность и металлоемкость, по и технологичность процесса их изготовления на заводах, при строительстве трубопроводов, ремонтоспособность в условиях эксплуатации и экономические показатели.

3.4.1. Двухслойные спиралешовные трубы

Технология производства однослойных спиралешовных труб хорошо освоена промышленностью у нас в стране и за рубежом. Экономичность этого типа труб объясняется в основном тем, что себестоимость рулонной стали, полученной на непрерывных станах, на 10—12% дешевле листового металла. Технология производства поточная, автоматизированная. Основной недостаток производства таких труб заключается в том, что толщина рулонной полосы ограничена 14—18 мм. Новый процесс производства спиралешовных двухслойных труб, для которых толщина ленты не превышает 8—13 мм, а

95

во многих случаях будет меньше, позволяет получать трубу, удовлетворяющую современным требованиям.

Разработан стан, который позволяет изготавливать двухслойные спиралешовные трубы диаметром 1220—1620 мм. Управление рабочими процессами стана производится с помощью ЭВМ. Двухслойные спиралешовные трубы конструкции ВНИИМетмаш изготавливаются по схеме (рис. 15) совместной формовки двух полос и сварки их технологическими швами.

Рис. 15. Схема изготовления двухслойных спиралешовных труб: / — сварка технологического шва внутреннего сдоя; 2 — сварка наружного рабочего шва внутреннего слоя: 3 — устройство для снятия усиления наружного шва внутреннего слоя; 4— сварка внутреннего рабочего шва внутреннего слоя; 5 — сварка технологического шва наружного слоя; 6 — сварка рабочего шва наружного слоя

Наложенные друг на друга полосы смещены в горизонтальной плоскости на 120—130 мм. В соответствии с принятой технологией в состав оборудования стана включены две параллельные линии подготовки полос, подающие машины и формовочно-сборочные устройства. На первой линии подготавливаются полосы, образующие наружный слой трубы, а на второй — полосы, образующие внутренний слой трубы.

Подготовленные непрерывные полосы подаются соответ-

96

ствующими машинами в формовочное роликогибочное устройство стана, где производится формовка труб и одновременно сварка двумя технологическими швами в среде углекислого газа (с внутренней и наружной стороны). Выходящая из стана непрерывная, сваренная технологическими швами заготовка разрезается плазменным резаком на трубы мерной длины, которые передаются на установки для сварки под флюсом внутренних и внешних рабочих швов. Сваренные трубы поступают на отделку и испытание.

Основными трудностями при изготовлении двухслойных труб являются:

1.обеспечение плотного прижатия кромок полосы наружного слоя к плоскости ленты второго слоя, чтобы исключить появление межслойного зазора в зоне сварного соединения наружного спирального шва; сборка под сварку наружного шва производится на жестком основании уже сваренного первого слоя трубы; это потребовало разработки специальных конструктивных мер по поддержанию величин зазора между кромками, предварительной подгибки этих кромок для их прижатия к внутреннему слою; сварка внутреннего шва, определяющего работоспособность двухслойных труб, осуществляется в технологически выгодном положении, поэтому его качество и герметичность стабильны; к наружному спиральному шву двухслойных труб особо строгих требований не предъявляется и в нем могут быть отдельные допустимые дефекты;

2.замоноличивание межслойного зазора на торцах труб. Это требование не всегда надежно обеспечивалось при изготовлении опытной партии труб. Дело в том, что при торцовке труб и разделке фасок под сварку глубина обработки меняется

исечение замоноличивающего шва может быть недостаточным, для обеспечения герметичности межслойной полости в процессе перевозки труб и строительства трубопроводов. В то же время„ если на строительство газопровода поступают отдельные, практически качественные трубы, но имеющие негерметичные торцы, их необходимо отбраковывать, так как

97

влага, попавшая в межслойный зазор, затруднит или не позволит обеспечить качественную сварку поперечных кольцевых стыков. При промышленной поставке двухслойных труб негерметичность торцов должна быть исключена. Предложено два решения для герметизации торцов этих труб. Первое — заварка торцевого зазора и: наложение через 200—300 мм второго кольцевого шва с полным проваром его на внутренний слой (рис. 16) с тем, чтобы даже в случае негерметичности торца или необходимости его ремонта можно было обрезать трубу по монолитному сечению.

Рис. 16. Схема герметизации торцов двухслойных труб:

1 — торцевой шов; 2 — кольцевой шов;.3 — разделка торца трубы под сварку

Второе решение — приварка к двухслойной трубе монолитных патрубков. Это решение обеспечивает гарантированную герметичность межслойного зазора на торцах, но резко усложняет и удорожает изготовление труб. При приварке патрубков возможна несоосность трубы и монолитных патрубков. Это повышает вероятность того, что кривизна составной трубы будет значительной. В результате возрастает биение сварочных автоматов при вращении секции, что может повлиять на качество кольцевых швов газопровода.

98

Эти трубы перспективны для строительства мощных газопроводов, их технико-экономические показатели сопоставимы с показателями труб, имеющих монолитную стенку из современных сталей контролируемой прокатки. Однако для улучшения экономических показателей таких труб и снижения их металлоемкости прочность рулонной стали должна быть повышена с 550 до 600—650 МПа.

Двухслойные спиралешовные трубы технологичны в изготовлении, процесс производства хорошо поддается автоматизации, управлению с использованием ЭВМ. Эти трубы технологичны и в процессе строительства, однако ремонт трубопроводов из двухслойных труб гораздо сложнее, чем из монолитных, так как для устранения утечки в газопроводе необходимо производить замену целой трубы.

3.4.2. Многослойные трубы

Рост энергетической - мощности газопроводов резко повышает требования к надежности их работы. В случае вынужденной остановки трубопровода невозможно полностью компенсировать временное прекращение подачи газа даже при наличии закольцованной системы.

Требуется частичное отключение объектов, получающих сырье или энергию от ремонтируемого газопровода. Поэтому при проектировании и эксплуатации мощных и сверхмощных газопроводов надо стремиться обеспечить их «неразрушаемость». В случае возникновения утечек полного разрыва труб быть не должно, устранение утечек должно проводиться в плановом порядке в удобное время.

Такие жесткие требования к надежной работе мощных газопроводов вызываются практикой эксплуатации газопроводов диаметром 1020 мм и более. Так, в случае разрыва для проведения ремонтно-восстановительных работ на газопроводе может потребоваться до 10—15 дней.

Создание многослойных труб представлялось целесообразным по следующим соображениям:

99