МАГИСТРАЛЬНЫЕ НЕФТЕПРОВОДЫ

Трубы для нефтепроводов

Трубы в нефтепроводах - это в основном стальные трубы. Усовершенствованная технология производства и различные испытания, в частности 100% неразрушающий контроль качества сварных швов и металлов, позволяют добиться высокой несущей способности и высокой стабильности механических и технических свойств. Это также позволило повысить надежность и срок службы труб.

Состав трубопроводных материалов

В металлургическом производстве одним из основных факторов, влияющих на качество стали, является раскисление стали. Под раскислением понимается снижение концентрации растворенного кислорода в стали. Это достигается путем введения в сталь элементов, реагирующих с кислородом (например, марганца, кремния, алюминия). Эта реакция приводит к образованию неметаллических включений, которые удаляются из стали в процессе производства.

Стали с улучшенным раскислением известны как закаленные и отпущенные (СП) стали и имеют содержание кислорода менее 0,003 %.

При выплавке кипящей стали в процессе плавки вводится только марганец и не используется раскислитель, такой как кремний. В результате содержание кислорода увеличивается до 0,025-0,035 %. Свойства кипящей стали хуже, чем у мягкой стали, но ее производство дешевле. Кипящая сталь обычно используется для не несущих нагрузки конструктивных элементов.

Помимо этих двух типов, существует также полуспокойная сталь (ПС), которая технически находится на полпути между твердой и кипящей сталью с точки зрения технологии выплавки и разливки. Структура прутка полужесткой стали похожа на структуру нержавеющей стали. Содержание кислорода в ней достигает 0,012%.

Химический состав стали определяет свойства и качество трубы, а также ее техническое и экономическое применение.

Зная химический состав стали, можно оценить определенные свойства, например, свариваемость. Это основано на предположении, что углерод оказывает гораздо большее влияние на свариваемость, чем другие элементы. Свариваемость оценивается на основе углеродного эквивалента С_Э, который должен быть ниже 0,46 %. Значение углеродного эквивалента для конкретной стали можно рассчитать по следующей формулам:

• для углеродистых сталей, а также легированных сталей с низким содержанием кремния и марганца (например, 17ГС, 17Г1С, 09Г2С):
  
• для низколегированных сталей:
  

Где C, Mn, Cr, Mo, V, Ti, Nb, Cu, Ni и B - углерод, марганец, хром, молибден, молибден, ванадий, титан, ниобий, медь, никель и бор по весу в составе трубной стали, соответственно.

Классификации трубопроводных материалов

Химический состав стали далее делится на углеродистую сталь и легированную сталь. Углеродистая сталь в зависимости от содержания углерода делится на низкоуглеродистую (содержание углерода до 0,25 %), среднеуглеродистую (содержание углерода 0,25-0,6 %) и высокоуглеродистую (содержание углерода 0,6-2 %).

Легированная сталь - это сталь, содержащая специальные легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, титан и т.д.), марганец и кремний в количествах, превышающих нормальное содержание (1% и более), за исключением обычных примесей. В зависимости от содержания легирующих элементов легированная сталь подразделяется на низколегированную (содержит 2,5 % и менее легирующих элементов) и высоколегированную (содержит 10 % и более легирующих элементов).

Сталь поставляется путем горячей прокатки, ковки, термообработки и закалки.

В частности, углеродистая сталь для конструкционных элементов и машин классифицируется на различные типы:

• Обычные углеродистые стали (горячекатаные группы A, Б и В).
• Конструкционная углеродистая сталь (горячекатаная и кованая).
• Углеродистая сталь обыкновенного качества, термически обработанная.

Маркировка углеродистых сталей обыкновенного качества включает категорию группы, маркировку (Ст), условный номер (от 0 до 6), степень раскисления и гарантированные свойства. Например, стали группы А маркируются Ст3ки3, группы Б - БСт5сп2 и группы В - ВСт6пс6. Увеличение обозначения указывает на повышение прочности и снижение пластичности. При увеличении содержания марганца к марке стали добавляется буква Г, например, ВСт5Гпс4.

Стали группы А обычно применяются для механических деталей и конструкций, не работающих под давлением; группы Б - для механических деталей и конструкций, не работающих под давлением, включая термическую обработку, ковку и сварку; группы В - для сварных ответственных конструкций.

Углеродистая конструкционная сталь поставляется в виде горячекатаных и плоскокатаных листов и полос следующих марок: спокойная - 08, 10, 15, 20, 25, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 70Г (без маркировки "СИ"; кипящая и полуспокойная - 05ки, 08ки, 10пс, 10ки, 11ки, 15ки, 15пс, 18ки, 20пс.

Двузначное число марки стали представляет собой среднее содержание углерода в сантиметрах. Чем выше содержание углерода, тем тверже сталь, поэтому чем выше номер, тем больше деталей можно изготовить. Например, стали марок 05, 08 и 10 используются для изготовления листов, полос, кабелей и постоянных конструкций, а стали марок 10, 15, 20 и 25 - для бесшовных горячекатаных труб диаметром до 500 мм, муфт, поршней и насосов. Сталь марок 30 и 35 используется для строп, шкивов, крюков и подъемных блоков, а сталь марок 40 и 45 - для муфт, валов насосов и шестерен.

Термически закаленная углеродистая сталь производится из углеродистой стали нормальной закалки и отпуска (930-950°C). В этом случае к категории стали добавляется буква Т. Например, БСт3Тсп2.

Низколегированные конструкционные стали используются при строительстве и ремонте резервуаров, газовых баллонов и газовых труб. Они имеют предел текучести σ₁ более чем на 50% выше, менее подвержены старению, менее склонны к хрупкости при низких температурах, обладают хорошей свариваемостью и имеют много преимуществ перед обычной углеродистой сталью, например, коррозионная стойкость в 1,5 раза выше, чем у стали BCт3.

Существует широкий спектр марок легированной стали, включая марганцевые, кремнемарганцевые и безмарганцевые хромокремниевые марки. Каждая категория стали обозначается буквой, соответствующей определенному элементу классификации стали. Традиционно все элементы делятся на группы в соответствии с их долей в стали:

• первая: Г означает марганец, X - хром, H - никель и C - кремний. Номер марки стали, следующий за этими буквами, указывает на долю данного элемента в стали. Отсутствие цифры означает, что содержание элемента составляет менее 1 %. Например, 09Г2, 14ХГС.
• вторая: Т - титан, Ц - цирконий, Ф - ванадий, И - фосфор, Ю - алюминий, Ч - редкоземельные металлы, Д - медь, M - молибден. Медь и молибден обычно составляют до 0,6 % стали, в то время как другие элементы этой группы могут составлять до 0,2 %, т.е. одну десятую часть единицы.
• третья: А - азот (до 0,015 %) и Б - ниобий (до 0,05 %), составляющий в стали одну сотую часть единицы.
• четвёртая: Р - бор (до 0,006%), т.е. содержание в стали в частях на тысячу.

Цифра перед маркой стали указывает на процентное содержание углерода в частях на сто. Например, сталь 09Г2С содержит 0,09% углерода, 2% марганца и около 1% кремния.

Высокопрочные низколегированные стали могут быть получены закалкой, закалкой, высокой закалкой и микролегированием, т.е. включением очень малого количества карбидообразующих элементов (таких как ванадий и ниобий).

В зависимости от способа производства трубы можно разделить на горячекатаные и бесшовные, например, с продольным прямым швом (прямой шов), спиральным швом и многослойным швом.

В зависимости от области применения и гарантийных характеристик, стальные трубы поставляются в группах А, Б, В, Г и Д. Соответственно, каждая группа имеет определенные гарантийные свойства: Ф - механические свойства, Б - химический состав, В - механические свойства и химический состав, Г - химический состав, испытание механических свойств на термообработанных образцах, Д - устойчивость только к гидравлическим испытаниям. Соответственно, каждая группа имеет свои специфические гарантийные свойства.

Типология труб по способу изготовления

Для строительства магистральных трубопроводов должны применяться трубы стальные бесшовные, электросварные прямошовные, спиральношовные и других специальных конструкций, изготовленные из спокойных и полуспокойных углеродистых сталей диаметром до 500 мм включительно, из спокойных и полуспокойных низколегированных сталей диаметром до 1020 мм и низколегированных сталей в термически или термомеханически упрочненном состоянии для труб диаметром до 1420 мм.

Бесшовные стальные трубы должны применяться в соответствии с ГОСТ 8731-74, ГОСТ 8732-78, ГОСТ 8733-74, ГОСТ 8734-75 - группа В и должны пройти технико-экономическое обоснование по ГОСТ 9567-75. Трубы стальные электросварные в соответствии с ГОСТ 20295-74 и техническими условиями для труб диаметром до 800 мм и в соответствии с требованиями, изложенными в СНиП 2 для труб диаметром свыше 800 мм. 05.06-85*.

Процесс производства бесшовных горячекатаных труб состоит из двух этапов: блок труб производится в виде сшитых гильз (чашек), а затем трубы формуются до нужной формы и размера путем горячей прокатки.

Трубы диаметром от 530 до 1420 мм производятся из листовых заготовок методом холодной штамповки (экструзии) или цилиндрической штамповки (гибки) с использованием пресса. Трубы диаметром 1020 мм и более собираются из двух полуцилиндрических заготовок. В этом случае зазоры формируются с помощью того же гидравлического пресса, что и цилиндрические части. Меняется только форма для формовки. Процесс формования пластин остается неизменным.

Спиральношовные трубы изготавливаются путем сворачивания стальных рулонов в непрерывную трубу. Спиральношовные трубы малого (до 530 мм) и среднего (530-820 мм) диаметра формируются со сварными швами с обеих сторон на специализированных трубопрокатных заводах, включающих линии подготовки стальной полосы и формовочно-сварочные установки с комбинацией формовочных машин и сварочных головок.

Производство спиральношовных труб дешевле, чем прямошовных, поскольку сталь в полосах на 20-35% дешевле плоских стальных листов. Экономия металла (около 10%) достигается за счет снижения расхода металла на резку после прокатки, уменьшения допусков по толщине и сокращения отходов при обрезке концов трубы. Спиральное покрытие делает трубу более жесткой и позволяет ей сохранять цилиндрическую форму при транспортировке. При использовании спирально-сварных труб основное напряжение находится под углом к направлению прокатки полосы, что повышает функциональность металла.

Еще одним преимуществом спирально-сварных труб является то, что металл трубы не меняет своих пластических или вязких свойств, а процесс производства может быть легко механизирован и автоматизирован. Кроме того, металл спирально-сварных труб находится в более благоприятных условиях, чем металл спирально-навитых труб, так как волокна накатанной структуры находятся под углом к продольной оси трубы. Недостатками спирально-сварных труб является то, что они имеют более широкий диапазон сварки, чем прямые трубы, спирально-сварные трубы не могут быть согнуты и плохо сцепляются с землей.

Несущая способность металла трубы уменьшается пропорционально ослаблению толщины стенки из-за различных металлургических, инженерных и строительных дефектов, которые увеличивают склонность металла к хрупкому разрушению.

Для строительства и эксплуатации крупных трубопроводов в различных климатических условиях трубы изготавливаются различных конструкций. Трубы, прокладываемые в Среднем и Южном регионах, проектируются в различных исполнениях.

Рабочая температура - минимальная температура стенки трубы при эксплуатации под рабочим давлением; строительная температура - температура стенки трубы или температура воздуха при проведении строительно-монтажных работ или остановке трубопровода (5 наиболее холодных дней), которая определяется согласно СНиП по физике строительного климата.

Основные свойства стали для труб:

• плотность ρ = 7850 кг/м³;
• модуль упругости Ео = 206 000 МПа;
• коэффициент расширения а = 0,00001212 град^-1;
• коэффициент Пуассона μo = 0,3 для поперечной деформации на стадии эксплуатации;
• пластичность μ принимается по 8.25 СНиП 2.05.06 - 85*.