Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 4 )

По состоянию металла трубы поставляют в горячекатаном состоянии (бесшовные горячекатаные трубы и электросварные трубы из горячекатаных листов и рулонной стали), в термически упрочненном состоянии (подвергают термообработке трубы или листы для электросварных прямошовных труб), в состоянии прокатки по контролируемому режиму (электросварные прямошовные и спиралешовные трубы из листов контролируемой прокатки), в горячеправленном состоянии (электросварные прямошовные трубы) и армированном квазимонолитном состоянии (электросварные прямошовные трубы). Возможна поставка электросварных труб с локальной термической обработкой сварных швов.

В качестве термической обработки листов трубной стали применяют обычно нормализацию или нормализацию с отпуском. При термическом упрочнении трубы подвергают закалке в сочетании с высоким отпуском.

Горячеправленное состояние соответствует нормализации, так как после горячей правки трубы остывают на воздухе.

Контролируемую прокатку применяют для листов из экономно-легированной стали, идущих на изготовление электросварных труб больших диаметров (1220 и 1420 м).

Бесшовные горячекатаные трубы малых диаметров изготовляют в основном из углеродистой конструкционной качественной стали марок 10, 15, 20 (для обычных условий) по классам прочности К34, К38 и К42 соответственно, или из низколегированной стали (для северных условий) марок 09Г2, 09Г2С, 10Г2 по классу прочности К50.

Электросварные трубы малых диаметров менее 530 мм изготовляют преимущественно из углеродистой стали обыкновенного качества марок ВСт2сп5, ВСтЗсп5, ВСт4сп5, а также из стали углеродистой конструкционной качественной марок 10, 20 по классам прочности не выше К42 (для обычных условий).

Электросварные прямошовные и спиралешовные трубы средних диаметров 530 - 820 мм изготовляют из горячекатаной низколегированной стали по классу прочности К52 (например, из стали марок 17ГС, 17Г1С, 13ГС и другие в обычном исполнении).

Электросварные прямошовные трубы больших диаметров 1020 и 1220 мм изготовляют по классам прочности К52 из листовой низколегированной стали марки 17Г1С и К54 из дисперсионно-твердеющей нормализованной стали марки 13Г2АФ соответственно в обычном и северном исполнении; диаметром 1420 мм - по классам прочности К56 и К60 из листовой экономно-легированной стали соответственно марок 09Г2ФБ и 10Г2ФБ контролируемой прокатки в северном исполнении.

Для труб диаметром 1420 мм из экономно-легированной стали можно достигнуть класса прочности К65 применением процесса НКПУ контролируемой прокатки, при котором в результате ускоренного охлаждения после прокатки образуется феррито-бейнитная (10Г2ФБ) или бейнитная (03Г2БТР) структура стали в северном исполнении.

Новыми и наиболее экономически выгодными по сравнению с электросварными прямошовными трубами являются термически упрочненные спиралешовные трубы. Их изготовляют из низколегированной стали марки 17Г1С или 17Г2СФ диаметрами 820 - 1020 и 1220 мм по классу прочности К60 и марки 17Г1С-У диаметром 1420 мм по классу прочности К65 для северных условий.

При использовании локальной термической обработки спиральных сварных швов достигается класс прочности К55 у труб диаметрами 1020 и 1220 мм из стали марки 17Г2СФ.

Экономическая эффективность термически упрочненных спиралешовных труб диаметрами 820 - 1220 мм достигается за счет снижения толщины стенки на 12 - 15 % и использования наиболее дешевой рулонной стали.

Новое направление - применение многослойных труб. Разработанные в нашей стране двухслойные спиралешовные трубы поставляют диаметрами 1220 и 1420мм по классам прочности К60 и К57 из экономно-легированной стали соответственно марок 08Г2СФБ и 08Г2СФТ.

Многослойные обечаечные трубы из горячекатаной рулонной стали марки 09Г2СФ с внутренним диаметром 1376, 1368, 1190 и 990 мм изготовляют по классу прочности К60.

В дальнейшем перспективным остается все более широкое использование листовой экономно-легированной стали контролируемой прокатки. Освоено изготовление спиралешовных труб диаметром 1420 мм по классу прочности К56 из листовой стали марки 09Г2ФБ контролируемой прокатки. Рекомендовано применение для прямошовных труб диаметрами 1020 и 1220 мм класса прочности К52 листовой стали марки 13ГС контролируемой прокатки вместо нормализованной стали марок 17Г1С и 17Г1С-У, что позволит снизить себестоимость труб за счет исключения нормализации и, кроме того, обеспечит возможность применения труб для северных условий.

Для прямошовных труб диаметрами до 1220 мм рекомендуется также новая сталь марки 09ГСТ контролируемой прокатки с очень низким содержанием углерода (до 0,11 % С), поставляемая по более высокому классу прочности К56, что приводит к снижению металлоемкости труб диаметрами 1020 и 1220 мм на 7 % и уменьшению объема сварочно-монтажных работ на 15 %. Использование в дальнейшем контролируемой прокатки по процессу ВКПУ для сталей марок 13ГС и 09ГСТ приведет к удешевлению их производства.

Таким образом, дальнейшее развитие трубного производства намечается в двух направлениях: расширение применения высокопрочных экономно-легированных листовых и рулонных сталей контролируемой прокатки для электросварных труб и применение термически упрочненных труб.

Импортные трубы, применяемые на строительстве магистральных трубопроводов в нашей стране, поставляют в северном и обычном исполнениях примерно из того же вида сталей, что и отечественные.

Из Японии, Германии, Италии нам поставляют прямошовные трубы диаметром 1420, 1220 и 1020 мм по классам прочности К65 и К60; диаметром 720 и 530 мм - К60 и К54 из стали регулируемой прокатки с низким содержанием углерода и микролегированием ниобием, ванадием, титаном и другими элементами в северном исполнении. Из Германии поставляют также спиралешовные трубы диаметрами 1020 мм и 720 мм по классу прочности К60 в северном исполнении.

За рубежом трубы часто поставляют по стандартам Американского нефтяного института. В соответствии с ними для газонефтепроводов изготовляют бесшовные и сварные экспандированные и неэкспандированные трубы из низколегированных сталей повышенной прочности марок Х42, Х46, Х52 и низколегированных дисперсионно-твердеющих сталей высокой прочности марок Х56, Х60, Х65, Х70 и др. Эти стали имеют более высокое содержание углерода по сравнению с аналогичными сталями, применяемыми в нашей стране. Они включают микродобавки ниобия, ванадия, титана.

Двухзначные цифры в индексе стали характеризуют группу прочности по минимальному нормативному пределу текучести в фунтах на квадратный дюйм, поделенных на 1000. Чтобы перевести это значение в мегапаскали, следует число марки стали умножить на 7,03.

Широко применяют также экономно-легированные высокопрочные стали марок Х65 и Х70 регулируемой прокатки с низким содержанием углерода и микролегированием ниобием, ниобием и ванадием, молибденом и ниобием для северных условий. К обозначению стали, характеризующему группу прочности (например Х65 и Х70), может относиться большое число марок стали, отличающихся способом выплавки, технологией прокатки, химическим составом, но имеющих одинаковый нормативный предел текучести, т. е. марку стали определяет уровень механических свойств, а не химический состав.

1.2. Хладостойкие материалы

1.2.1. Критерии и классификация хладостойких материалов

Хладостойкими называют материалы, сохраняющие достаточную вязкость при низких температурах от 0 до -269 оС (273 - 4 К).

Воздействию низких температур подвергаются стальные металлоконструкции (полотно железных дорог, трубы газо - и нефтепроводов, мосты и др.), строительные машины, автомобили, вагоны в северных районах страны, охлаждаемые до температур климатического холода (-60 °С); обшивка самолетов, детали ракет и космических аппаратов, охлаждаемые от 0 °С до температуры жидкого кислорода (-183 °С); специальное оборудование физики низких температур, детали, узлы и трубопроводы холодильной и криогенной техники, которые используются для получения, хранения и транспортировки сжиженных газов, охлаждаемых вплоть до температур жидкого гелия (-269 °С).

Понижение температуры эксплуатации сопровождается увеличением статической и циклической прочности, снижением пластичности и вязкости, повышением склонности к хрупкому разрушению. Важнейшее требование, определяющее пригодность материала для низкотемпературной службы, - отсутствие хладноломкости. Хладноломкость - свойство материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость характерна для железа, стали, металлов и сплавов с ОЦК и ГПУ решетками. Хладноломкость этих материалов оценивается температурным порогом хладноломкости t50 , который определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре. При температуре t50 в изломе образца присутствует 50 % волокнистой составляющей, и величина ударной вязкости снижается наполовину.

Для надежной работы материала необходимо обеспечить температурный запас вязкости. Это достигается тогда, когда температурный порог хладноломкости материала расположен ниже температуры его эксплуатации. Необходимая величина температурного запаса вязкости висит от факторов, влияющих на склонность к хрупкому разрушению (наличия концентраторов напряжений, скорости нагружения, размеров детали).

Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения материала, выше его эксплуатационная надежность.

Металлы и сплавы с ГЦК решеткой, а также титан и его сплавы с ГПУ решеткой не имеют порога хладноломкости; при охлаждении у них ударная вязкость уменьшается монотонно. Хладостойкость таких материалов оценивается температурой, при которой ударная вязкость не менее 0,3 МДж/м2 (рис. 1.1).

Кроме критериев хладостойкости, основанием для выбора материала служат также показатели прочности (σт, σв), физические и технологические свойства, совместимость с окружающей средой, стоимость материала. Важным критерием хладостойкости является критерий К1с - вязкость разрушения в условиях плоской деформации. Однако недостаток данных о значениях К1с при низких температурах пока ограничивает его применение при выборе материалов.

Из физических свойств материала наиболее важны тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость. Чем меньше тепловое расширение материала, тем меньше термические напряжения в деталях и конструкциях при термоциклировании. От теплоемкости и теплопроводности зависит быстрота захолаживания материала при термоциклировании. При особо низких температурах, начиная от температуры жидкого азота (-196 °С), теплопроводность и теплоемкость уменьшаются более чем в 10 раз. Изменение этих свойств неодинаково влияет на быстроту захолаживания материалов при термоциклировании. Чем меньше теплоемкость и больше теплопроводность, тем легче захолаживается криогенное оборудование и быстрее выходит на рабочий режим.