Анализ материально-технического исполнения магистральных трубопроводов Республики Беларусь и их сварных кольцевых соединений

 

Надежность магистральных трубопроводов зачастую рассматривается с точки зрения нормативных свойств трубопроводных конструкций по конечным эксплуатационным критериям и количественной оценке таких свойств по заданным конструктивным и технологическим показателям. Основными нормативными документами, предъявляющими требования к данным конструкциям на территории Республики Беларусь, в настоящее время являются СНиП 2.05.06 [69] и ГОСТ 20295 [139].

В соответствии с указанными документами для строительства линейной части магистральных трубопроводов применяют стальные бесшовные, электросварные прямошовные и спиралешовные трубы, выполненные из спокойных и полуспокойных сталей, которые могут быть термически или термомеханически упрочнены. Основными марками трубных сталей являются 17ГС, 17Г1С, 19Г, 14ХГС, 14ГН, 10Г2С, 09Г2С, Ст3, Ст4, Сталь 20. Импортные трубы для магистральных трубопроводов изготовливают из сталей марок Х50, Х52, Х60 и других, которые относятся к малоуглеродистым и низколегированным сталям ферритно-перлитного класса. Количество углерода в них достигает 0,22 %, а основными легирующими элементами являются Mn, Si, Сr, Ni, Сu. Кроме этих элементов могут в незначительном количестве содержаться Р, S, Н и др.

Регламентируются отклонения от номинальных размеров труб, допускаемые размеры повреждений и способы их устранения, минимальные уровни значений механических характеристик используемых материалов. В соответствии со СНиП 2.05.06 [69] относительное удлинение металла труб на пятикратных образцах должно быть не менее:

- 20% – для труб с временным сопротивлением до 588,4 МПа (60 кгс/мм²);

- 18% – для труб с временным сопротивлением до 637,4 МПа (65 кгс/мм²);

- 16% – для труб с временным сопротивлением 686,5 МПа (70 кгс/мм²) и выше.

Основной металл труб магистральных трубопроводов должен иметь отношение предела текучести к временному сопротивлению [69] не более:

- 0,75 – для углеродистой стали;

- 0,8 – для низколегированной нормализованной стали;

- 0,85 – для дисперсионно-твердеющей нормализованной и термически упрочненной стали;

- 0,9 – для стали контролируемой прокатки, включая бейнитную.

Предъявляются требования и к показателям надежности трубопроводных материалов. Ударная вязкость на образцах Шарпи и процент волокна в изломе основного металла труб со стенками толщиной 6 мм и более при температуре равной минимальной температуре стенки трубопровода должны удовлетворять требованиям, приведенным в таблице 1.2 [69].

 

Таблица 1.2 – Минимально допустимые значения ударной вязкости основного металла труб магистральных трубопроводов

 

Условный диаметр, мм	Рабочее давление, МПа	KCV, Дж/см2	Процент волокна в изломе образца DWTT, %
До 500	10,0 и менее	24,5	—
500-600	10,0 и менее	29,4	—
700-800	10,0 и менее	29,4
	5,5 и менее	29,4
	7,5	39,2
	10,0	58,8
	5,5 и менее	39,2
	7,5	58,8
	10,0	78,4
	7,5	78,4
	10,0	107,8

 

Кольцевые сварные соединения труб выполняются с применением дуговых методов сварки, в том числе — ручной, автоматической под флюсом, механизированной в среде защитных газов, механизированной самозащитной порошковой проволокой, а также электроконтактной сваркой оплавлением. Для ручной дуговой сварки используются электроды с основным и целлюлозным покрытием, тип и марка которых выбирается в зависимости от назначения и механических характеристик трубного материала. При автоматической сварке применяется углеродистая или легированная проволока с омедненной поверхностью. Сварочная зона защищается аргоном, углекислым газом или их смесью при газоэлектрической автоматической сварке либо флюсом при автоматической сварке под флюсом. Сочетания марок флюсов и проволок выбирают в зависимости от нормативного сопротивления разрыву металла свариваемых труб. Для механизированной сварки стыков труб применяются самозащитные порошковые проволоки.

К сварным соединениям труб предъявляются требования плотности, отсутствия непроваров, трещин и других дефектов формирования шва. Регламентируются такие геометрические параметры сварных соединений, как высота внутреннего и внешнего усиления сварного шва, допустимое смещение свариваемых кромок и их форма разделки под сварку, отклонение от окружности участка трубы со сварным соединением, плавность перехода от основного металла к усилению шва [69, 70, 131, 132, 133, 134].

С точки зрения механических характеристик к кольцевым сварным соединениям применяется требование равнопрочности основному металлу трубы. В тоже время предъявляемые требования к ударной вязкости для сварных швов ниже, чем для основного металла и определяется ударная вязкость на образцах с менее острым надрезом. Минимальные значения ударной вязкости на образцах Менаже типов 1-3 по ГОСТ 9454 [79] для основного металла и сварных соединений приведены в таблице 1.3 [69].

 

Таблица 1.3 – Минимально допустимые значения ударной вязкости металла труб и сварных соединений магистральных трубопроводов

 

Номинальная толщина стенки, мм	KCU-40 °С, Дж/см2
основного металла	сварного соединения
От 6 до 10	29,4	24,5
Св. 10до 15 включ.	39,2	29,4
Св. 15 до 25	49,0	39,2
Св. 25 до 30 включ.	58,8	39,2
Св. 30 до 45	—	39,2

 

Сварные соединения труб являются структурно-неоднородной областью. Это объясняется особенностью условий кристаллизации сварочной ванны и образованием зоны термического влияния. Участки металла на небольшом расстоянии по обе стороны от стыка разогреваются до разной температуры (колебание составляет примерно 1500 °С). Термические напряжения суммируются с усадочными, возникающими при кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны. В результате внутренние сварочные напряжения достигают значительных величин, которые приводят к изменению размеров и формы свариваемого изделия, создают в зоне термического влияния участки (прослойки) с измененной структурой. В сварном шве по соседству друг с другом находятся столбчатая, дендритная и видманштеттова структура; на линии сплавления крупнозернистые оплавленные со стороны основного металла кристаллики; в зоне термического влияния имеется несколько участков, которые являются также своеобразными концентраторами напряжений [136 c.31].

В зоне термического влияния происходят следующие структурные превращения. На первом участке (линии сплавления) и происходит собственно сварка, т. е. формирование кристаллитов шва на частично оплавленных зернах основного металла. Участок имеет небольшую ширину. По своему составу и структуре он отличается от соседнего участка основного металла. За время контакта жидкой и твердой фаз в нем протекают диффузионные процессы, и развивается химическая неоднородность.

Свойства переходной зоны оказывают подчас решающее влияние на работоспособность сварной конструкции. На этом участке часто образуются трещины, ножевая коррозия, усталостные разрушения при вибрационной нагрузке, хрупкие разрушения и т. п. Ширина переходной зоны зависит от природы источника нагрева, теплофизических свойств, состава и толщины (до определенных пределов) основного металла, режима сварки и других факторов.

Второй участок зоны термического влияния, примыкающий непосредственно к зоне сплавления, получил название участка перегрева (участка крупного зерна). Металл на этом участке претерпевает аллотропические превращения, причем за счет значительного перегрева зачастую происходит рост аустенитного зерна [135 с. 92]. Характер вторичной структуры металла на этом участке зависит от его состава и термического цикла сварки. Довольно часто на этом участке образуется видмандштеттова структура [100 c. 320].

На следующем участке зоны термического влияния – участке нормализации происходит полная перекристаллизация и образование мелкозернистой вторичной структуры [100 с. 320]. В отличие от участка нормализации в зоне неполной перекристаллизации наряду с зернами, образовавшимися в результате перекристаллизации, присутствуют и зерна исходного металла. Изменения структуры металла на этом участке значительно меньше влияют на качество сварного соединения, чем изменения, происходящие в первых трех участках. В зоне рекристаллизации происходит восстановление или исправление структурных нарушений, возникших при прокате. На последнем участке зоны термического влияния не происходит каких-либо видимых структурных изменений. Однако при сварке на этом участке наблюдается резкое падение ударной вязкости и пластичности случаях, когда в сталях содержится кислород, азот и водород в несколько избыточном количестве [100 с. 320, 135 с. 94]. Применяемая многопроходная сварка при сооружении магистральных трубопроводов приводит к появлению менее четких границ указанных зон в основном металле труб вследствие повторных тепловых воздействий [135 с. 94]. В металле шва происходит многократная рекристаллизация, в результате которой структуры заполняющих слоев имеют мелкозернистое строение, а крупнозернистые структуры образуются в облицовочном шве или непосредственно около него.

Различие структур этих участков значительно сказывается на их механических свойствах. Наиболее ярко выражены изменения в зоне перегрева, где металл обладает худшими свойствами (меньшая пластичность и ударная вязкость), и на участке полной и частичной рекристаллизации, где комплекс механических свойств выше, чем у основного металла вне зоны термического влияния. Характер изменения механических свойств на примере ударной вязкости представлен на рисунке 1.5 [136 с.32].

 

1 – линия сплавления; 2 – зона перегрева; 3 – зона нормализации; 4 – зона неполной рекристаллизации; 5 – зона рекристаллизации; 6 – зона старения

Рис. 1.5 – Изменение ударной вязкости в зоне сварного соединения трубы

 

Таким образом, сварные соединения труб магистральных трубопроводов являются сложными элементами трубопроводной системы со значительно изменяющимся комплексом механических свойств по длине соединения. В дальнейшем необходимо определить факторы, определяющие надежность трубопроводной системы и выявить основные причины аварий на магистральных трубопроводах Беларуси с целью определения роли сварных соединений в обеспечении надежности и безопасности магистральных трубопроводов Беларуси.