ЛЕКЦИЯ 4. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
4.1. Трубы и сварочные материалы для строительства МТ.
4.2. Защитные покрытия магистральных трубопроводов.
Введение
Перед нефтегазодобывающей промышленностью стоят задачи улучшения использования природных ресурсов при разработке нефтяных и газовых месторождений с повышенными требованиями к охране окружающей среды.
Ежегодно по магистральным трубопроводам перекачиваются сотни миллионов тонн нефти и миллиарды кубометров газа, содержащих в больших количествах коррозионно-активные компоненты. Из-за высокой агрессивности транспортируемых сред сроки службы магистральных трубопроводов значительно ниже нормативных. Применение ингибиторов коррозии, как показала практика, приводит к несущественному увеличению срока службы магистральных трубопроводов. До настоящего времени промышленность Российской Федерации не производит в требуемых объемах трубы для нефтегазопроводов в коррозионно-стойком исполнении и оборудование с защитным покрытием.
По этой причине нефтегазовые объекты продолжают, в основном, сооружать с использованием обычных труб и оборудования из металлов без покрытия.
Срок службы трубопроводов различного назначения, определенный на основе обобщения статистических данных по замене их в процессе эксплуатации зависит от региона.
Трубы и сварочные материалы для строительства магистральных трубопроводов
Разрушение магистральных трубопроводов обусловлено недостаточной несущей способностью конструкции труб и их соединений. Причины разрушений связаны с такими факторами, как:
— заводские дефекты труб – металлургические дефекты (слоистость стенок труб, закаты, неметаллические включения, плены); использование сталей с нерасчетными характеристиками прочности, пластичности, вязкости;
— отклонение геометрических параметров;
— дефекты заводских сварных швов и соединений труб, выполненных в базовых и трассовых условиях (непровары, смещение кромок, шлаковые включения, ослабления околошовных зон основного металла, трещины);
— механические повреждения труб при транспортировке, строительстве и эксплуатации – вмятины, царапины, задиры, приварка «заплат», различного рода крепежных элементов, утонение концевых участков труб при перетаскивании их волоком, сквозные повреждения, гофры;
— перенапряжение труб, обусловленное нарушениями требований проекта и ошибками проектных решений: дополнительное к проектному искривление трубопровода в вертикальной и горизонтальной плоскостях вплоть до образования гофр; принятие в проектах недостаточно обоснованных конструкций; недоучет продольных напряжений в трубах и продольных перемещений и т. п. ;
— перенапряжение труб в результате действия неучтенных наползающих грунтов при укладке труб в тело оползней, размыв подводных трубопроводов, колебания размытых участков и т. п. ;
— коррозия труб, приводящая к образованию различных выемок, каверн, свищей в стенке трубы, к уменьшению се толщины;
Отказы трубопроводных систем в основном зависят от наружной и внутренней коррозии труб. Поэтому для повышения надежности работы магистральных трубопроводов необходимы разработка и применение новых коррозионно-стойких труб.
Стальные трубы для трубопроводов подразделяются в соответствии с:
а) ГОСТ 8731-87; ГОСТ 8732-78; СТ 8733-74; ГОСТ 8734-75 – бесшовные трубы;
б) ГОСТ 20295-74 – электросварные трубы диаметром до 800 мм;
в) ТУ – трубы диаметром более 800 мм;
г) специальными ТУ– импортные трубы;
д) ТУ – новые бесшовные нефтегазопроводные трубы;
е) ТУ – новые бесшовные трубы из коррозионно-стойкой стали.
Трубы для трубопроводов подразделяют.
I. По способу изготовления на:
— малого диаметра: 57 – 426 мм;
— большого диаметра: 530– 1420 мм.
Наиболее часто применяются трубы диаметром: 159; 219; 273; 320; 377; 426; 530; 720; 820; 1020; 1220; 1420 мм.
III. По назначению (в зависимости от условий эксплуатации) трубы делятся на три группы:
1) из малоуглеродистых сталей с пределом прочности до 490 МПа, предназначены для эксплуатации при t > 0 °С и р минус 40 °С;
3) из низколегированных сталей с пределом прочности выше 540 МПа, предназначены для эксплуатации и строительства трубопроводов при t > минус 60 °С и р 1020 мм ± 0,6 %.
Толщину стенки измеряют штангенциркулями с ценой деления 0,01 мм. Минусовой допуск должен быть не более 5 % номинальной толщины. Отклонения толщины стенки трубы должны соответствовать требованиям госстандартов на трубы.
5. Овальность концов труб – отношение разности между наибольшим и наименьшим диаметром к номинальному диаметру – должна быть не более 1 % DH при толщине стенки менее 20 мм, и 0,8 % DH при толщине стенки более 20 мм. Овальность определяют путем измерения диаметра торца трубы нутромером или индикаторной скобой в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
6. Кривизну труб, которая не должна превышать 1,5 мм на 1 м длины: общая кривизна не должна превышать 0,15 % длины трубы.
7. Состояние кромок и косину реза. Концы труб обрезают под прямым углом. Отклонение от перпендикулярности торцов (косина реза) не должно превышать 1,6 мм для труб номинальным наружным диаметром 1020 мм и более и 1,2 мм для труб номинальным наружным диаметром менее 1020 мм. Кромки труб должны иметь разделку под сварку. Для нефтепроводов косина реза должна быть 530 мм. Концы труб должны иметь фаску, выполненную механическим способом. Для труб номинальной толщиной стенки менее 15 мм используется фаска с углом скоса 30° и допускаемым отклонением минус 5°. Притупление должно быть в пределах 1 – 3 мм.
8. Наличие дефектов на поверхности труб: не допускается наличие трещин, рванин, плены, закатов, а также выходящие на поверхность или торцевые участки расслоения. В зоне шириной не менее 40 мм от торцов труб не допускаются расслоения, превышающие 6,5 мм. В основном металле труб допускаются расслоения, если их размер в любом направлении не превышает 80 мм, а площадь не превышает 5000 мм в квадрате. Расслоения площадью не менее 5000 мм в квадрате и длиной в любом направлении 30 – 80 мм располагаются друг от друга на расстоянии не менее 500 мм.
Трубы изготавливают из листов, прошедших 100 % ультразвуковой контроль (УЗК).
Допускается зачистка поверхностных дефектов, кроме трещин, при условии, что толщина стенки после зачистки не выходит за пределы своего минимального значения. Допускаются вмятины глубиной не более 6 мм, а также поверхностные дефекты типа задира, царапины, если при последующей их шлифовке толщина стенки трубы не выйдет за пределы допуска на толщину стенки.
Сварные швы, или сварные соединения труб и изделий, должны иметь плавный переход от основного металла к металлу шва без резких переходов, подрезов, несплавлений по кромке, непроваров, осевой рыхлости и других дефектов формирования шва.
Усиление наружного шва находится в пределах 0,5 – 2,5 мм для труб толщиной стенки до 12 мм включительно и 0,5 – 3,0 мм для труб толщиной стенки свыше 12 мм. Высота усиления внутреннего шва находится в пределах 0,5 – 2,5 мм.
На заводе-изготовителе сварные швы подвергаются 100 %-му ультразвуковому контролю.
9. Трубы не подвергаются ремонту если:
— глубина царапин, задиров не более 5 %;
— вмятины на концах труб имеют глубину не более 3,5 % от DH;
— глубина задиров фасок не более 5 мм.
10. Химический состав, углеродный эквивалент, механические свойства основного металла и сварочного шва контролируются дополнительно – одна труба из партии. Все остальные параметры, рассмотренные выше, контролируются на всех трубах – 100 %.
Трубы разбраковывает (т. е. определяет бракованные трубы или нет) комиссия, состоящая из представителей строительно-монтажной организации, заказчика и транспортных ведомств (железная дорога, морфлот, речфлот).
11. Ударная вязкость (KCU) на поперечных образцах ипроцент вязкой составляющей в изломе для основного металла труб номинальной толщиной 6 мм и более должны удовлетворять требованиям ГОСТ 9454-78. Для труб номинальной толщиной стенки 6 – 12 мм допускается изготовление полнотолщинных (без обработки черновых поверхностей) образцов на ударную вязкость. Для труб номинальной толщиной стенки менее 6 мм ударная вязкость не определяется. Для труб диаметром 325 мм и менее допускается определение ударной вязкости на продольных образцах. Для труб диаметром менее 168 мм ударная вязкость на образцах не определяется.
Процент вязкой составляющей в изломе следует определять на полнотолщинных образцах DWTT высотой 75 мм для труб номинальной толщиной стенки 8,5 мм и более и высотой 50 мм – для труб номинальной толщиной стенки менее 8,5 мм.
Для труб толщиной стенки до 12 мм включительно допускается определение вязкой составляющей в изломе на образцах.
12. Ударная вязкость сварных соединений для труб, выполненных дуговой сваркой, на образцах с острым надрезом (Шарпи) при температуре 0 °С должна быть не ниже 39,2 Дж/см 2 (4,0 кгс ∙ м/см 2 ). Образцы Шарпи для сварного соединения имеют сечение 10×10 мм 2 для труб номинальной толщиной стенки свыше 12 мм и 5х10 мм 2 – для труб номинальной толщиной стенки 12 мм и менее.
Каждую трубу подвергают на заводе-изготовителе испытанию гидростатическим давлением, вызывающим в минимальной толщине стенки трубы кольцевые деформации, равные деформациям, вызванным испытанием трубы без осевого подпора.
Алюминиевые трубы
Трубы из алюминия и его сплавов обладают большей стойкостью, чем стальные, в углеводородных средах, в условиях почвенной коррозии и низких температур. Алюминиевые трубы имеют небольшую массу, достаточно высокие механические и технологические свойства. За счет гладкости стенок труб повышается производительность трубопроводов на 10 – 15 %, так как при перекачке продуктов уменьшается трение о стенки труб, а также предотвращается отложение парафина и других примесей на их стенках.
Алюминиевые трубы рекомендуется применять: для газонефтепроводов, транспортирующих агрессивные среды; прокладываемых в коррозионноактивных грунтах; при надземной прокладке, когда необходима легкость конструкции (строительство воздушных переходов); для прокладки в труднодоступных горных условиях, в болотистой местности; в прибрежной полосе моря; при прокладке газонефтепроводов на поверхности земли в районах вечной мерзлоты и т. д.
При сооружении газонефтепроводов из алюминиевых труб сокращается объем очистных и изоляционных работ, выполняемых на трассе, так как не требуется применять изоляцию (за исключением прокладки в щелочных грунтах); облегчаются транспортирование труб и монтаж трубопроводов.
Стыковые соединения алюминиевых труб выполняют сварными с применением различных методов сварки или разъемными, например с помощью резьбовых муфт. Сопряжение алюминиевого трубопровода со стальным можно осуществлять на фланцах с принятием мер защиты против гальванической коррозии.
Трубы из алюминия и его сплавов можно применять для магистральных и промысловых трубопроводов диаметром до 300 мм.
Для сварных газонефтепроводов высоких давлений можно применять трубы, изготовленные из алюминиевых сплавов марок АМг6 и В92 (Al–Mg–Zn), а также АД35 (Al–Mg–Si); для сварных газонефтепроводов среднего давления – из сплавов АМг2 и АМг и для сварных трубопроводов низкого давления – из алюминия марок АДО, АД и АД1. При изготовлении несварных газонефтепроводов с резьбовыми или фланцевыми соединениями можно использовать высокопрочные дюралюмины марок Д1, Д16 (Al–Cu–Mg) и др.
За рубежом для изготовления труб применяют аналогичные по свойствам сплавы.
Трубы из алюминия и его сплавов по способу изготовления делятся на:
— бесшовные – прессованные, тянутые (т. е. изготовленные волочением и холодной прокаткой), плоскосворачиваемые;
— сварные – прямошовные, спиральношовные и плоскосворачиваемые.
Целесообразность применения того или иного способа для изготовления труб определяется рядом факторов, и, прежде всего, требованиями качества, точности размеров и стоимости изготовления, а также особенностями применяемого материала для труб.
Наиболее производительным является метод прессования бесшовных труб на специальных гидравлических прессах. Ассортимент труб, получаемых на прессах, весьма разнообразен.
У нас в стране из алюминия и его сплавов изготовляют бесшовные трубы длиной 1 – 6 м двух видов: тянутые – диаметром 6–120 мм, толщиной стенки 0,5 – 5 мм и прессованные – диаметром 18 – 300 мм, толщиной 1,5 – 40 мм. Сварные трубы получают из ленты методом непрерывной сварки токами высокой частоты диаметром 10 – 220 мм, толщиной стенки 0,5 – 4 мм. Освоение изготовления сварных труб из листов и полос позволит в дальнейшем расширить сортамент труб. За рубежом применяют трубы примерно такого же типа.
Чугунные трубы
Чугунные трубы обладают по сравнению со стальными большей коррозионной стойкостью и долговечностью, а также меньшей сложностью изготовления. Вместе с тем они имеют большую металлоемкость (большая толщина стенок). Общие затраты на производство и монтаж чугунных трубопроводов, отнесенные к одному году их службы, оказываются меньшими, чем эти же затраты при сооружении стальных трубопроводов.
Трубы из серого чугуна широко применяют для изготовления водопроводов как в России, так и за рубежом. Они получили большое распространение также для трубопроводов различного назначения. Для газонефтепроводов используют трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, который наряду с высокой прочностью имеет достаточную пластичность, обладает, как и серый чугун, хорошими литейными свойствами, а также имеет низкую стоимость по сравнению с другими материалами.
Трубы из высокопрочного чугуна благодаря более высокой механической прочности и пластичности способны выдерживать внутренние рабочие давления, даже несмотря на некоторое ослабление их стенок под действием точечной коррозии, и имеют больший срок службы, чем обычные трубы из серого чугуна.
Изготовление чугунных труб заключается в заливке металла, осуществляемой различными способами, в формы. В России наибольшее распространение имеют центробежный метод литья труб из серого чугуна в водоохлаждаемые формы и полунепрерывный метод литья чугунных труб. Центробежный метод отливки чугунных труб в металлической водоохлаждаемой форме – наиболее производительный, экономичный и простой. Полунепрерывным методом литья изготовляют трубы из серого чугуна эвтектического состава с минимальным содержанием фосфора.
Дефект чугунных труб центробежного литья – разностенность. При полунепрерывном методе литья труб этого нет, так как трубы формуют на оправке (внутренний кристаллизатор). Но, тем не менее, эти трубы имеют шлаковые включения и газовые раковины. В случаях протекания неполного процесса самоотжига при полунепрерывном литье труб возможно ухудшение их пластических свойств, образование поверхностного отбела и даже растрескивание. Улучшение свойств труб достигнуто в результате повышения качества шихтовых материалов, совершенствования процесса плавки чугуна.
Полунепрерывный метод литья рекомендуется применять также и для изготовления раструбных труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, в частности, диаметром свыше 300 мм. Экспериментально доказано, что процесс литья протекает нормально, без захватов и заклинивания труб. Для повышения прочности и пластичности высокопрочного чугуна необходима последующая термическая обработка труб (отжиг).
Трубы из серого чугуна по назначению подразделяются на напорные водопроводные и сливные (канализационные). Напорные водопроводные трубы составляют примерно 15 % от общего выпуска чугунных труб.
Трубы всех классов отливают из серого чугуна не ниже марки СЧ15. Гидравлическое испытание труб с раструбом проводят в зависимости от их размеров и класса. Для Dу 300 – 600 мм – 2; 3 и 3,5 МПа и для Dу > 600 мм – 2; 2,5 и 3 МПа соответственно для классов ЛА, А и Б. Максимальное рабочее давление в чугунных трубопроводах не должно превышать испытательного.
Пластмассовые трубопроводы обладают следующими преимуществами. Они не подвержены электрохимической коррозии, которая создает значительные осложнения при эксплуатации металлических трубопроводов. Потери давления на трение в пластмассовых трубах благодаря их гладкой внутренней поверхности приблизительно на 30 % меньше, чем в стальных и чугунных трубах, поэтому пропускная способность пластмассовых труб данного условного прохода примерно соответствует пропускной способности стальной трубы следующего по номиналу условного прохода. Трубы из термопластов в 6 – 14 раз легче металлических, что обеспечивает экономию при их транспортировании и монтаже. Трубы малых и средних диаметров из полиолефинов могут также поставляться потребителям в бухтах, что упрощает их перевозку и укладку в траншеи. Вероятность разрушения пластмассового трубопровода при замерзании в нем воды мала, поэтому в зимний период, когда потребление воды прекращается, трубопроводы из полиолефинов можно не опорожнять. Низкая электрическая проводимость исключает возможность возникновения в пластмассовых трубах блуждающих токов и связанного с ним коррозионного повреждения трубопровода.
Ограничение применения пластмассовых трубопроводов происходит из-за их основных недостатков: низкий модуль упругости (теряют свою форму); низкая теплостойкость; высокий коэффициент линейного расширения (что обусловливает необходимость устройства компенсаторов); подверженность ползучести и старению; изменение свойств с течением времени; хладоломкость (т. е. при низких температурах уменьшается пластичность и увеличивается хрупкость).
Для трубопроводов в нашей стране используются преимущественно трубы из полиэтилена низкого давления (ПНД), полиэтилена высокого давления (ПВД), полипропилена (ПП) и суспензионного поливинилхлорида (ПВХ) и стеклопластиков. В зарубежной практике для этих целей используются трубы из полибутадиенстирола, полиэтилена (ПЭ), ПП, хлорированного ПВХ, а также из стеклопластиков. Трубы из фторопластов в России и за рубежом применяются для монтажа технологических трубопроводов.
Напорные трубы из ПЭНД, ПЭВД предназначены для трубопроводов, транспортирующих воду, газ, воздух и другие жидкие и газообразные вещества, к которым ПЭ химически стоек.
Трубы из ПП отличаются от полиэтиленовых легкостью и теплостойкостью. Прочность ПП труб выше, а газо- и паропроницаемость ниже. Стоимость их выше, чем стоимость труб из полиэтилена.
Трубы из ПВХ имеют следующие отличия по сравнению с полиэтиленовыми: имеют большую плотность; меньшую морозостойкость; склонны к старению под действием ультрафиолетовых лучей; с понижением температуры повышается хрупкость; чувствительны к надрезам, царапинам и требуют более бережного отношения при транспортировании и монтаже.
Основной способ производства полиэтиленовых труб – непрерывная шнековая экструзия. Приготовленные гранулы полиэтилена засыпают в бункер экструдера, откуда захватывают шнеком и транспортируют через обогревательный цилиндр. Во время прохождения через него материал пластифицируется и в вязкотекучем состоянии продавливается через образуемый дорном и мундштуком (формовочное устройство) кольцевой зазор экструзионной головки. Труба, выходящая из экструдера, поступает на калибровку, ее охлаждают водой, маркируют и нарезают на отрезки заданной длины при помощи резака или наматывают на катушку (барабан).
Сварочные материалы
Для ручной электродуговой сварки стыков магистральных и промысловых трубопроводов применяются электроды с целлюлозным (Ц), основным (Б) и рутиловым (Р) видами покрытий по ГОСТ 9466-75 и ГОСТ9467-75. Выбор типа электродов производят в соответствии с таблицей 4.1.
Для автоматической газоэлектрической сварки стыков труб применяют:
— сварочную проволоку с омедненной поверхностью по ГОСТ 2246-70;
— углекислый газ по ГОСТ 8050- 85 (2 изменения) – (двуокись углерода газообразная);
— аргон газообразный по ГОСТ 10157-79;
— смесь из углекислого газа и аргона.
Для газокислородной сварки применяют:
— технический кислород первого, второго и третьего сортов по ГОСТ 5583-78;
Для автоматической и полуавтоматической сварки стыков труб применяют самозащитные порошковые проволоки, аттестованные марки которых следует выбирать в соответствии с технологической картой.
Таблица 4.1– Типы электродов
1. Типы электродов, предназначенных для сварки термоупрочненных труб.
2. Для сварки промысловых газопроводов IV класса с нормативным значением временного сопротивления до 460 МПа могут применяться электроды с покрытием рутилового вида – типов Э42-Р и Э46-Р по ГОСТ 9466-75. Для автоматической сварки стыков труб под флюсом применяются флюсы по ГОСТ 9087-81 и проволоки углеродистые или легированные преимущественно с омедненной поверхностью по ГОСТ 2246-70