книги / Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ

вание листовой малоперлитной и бейнитной стали контролируемой прокатки. Освоено изготовление спиральношовных труб диаметром 1420 мм по классу прочности К56 (сталь марки 09Г2ФБ) из листовой контролируемой прокатки. Рекомендовано применение для прямошов­ ных труб диаметром 1020 и 1220 мм класса прочности К52 листовой ста­ ли марки 13ГС контролируемой прокатки вместо нормализованной ста­ ли марок 17Г1С и 17Г1С-У, что позволяет снизить себестоимость труб за счет исключения нормализации, кроме того, это обеспечит возможность применения труб для северных условий.

Для прямошовных труб диаметром до 1220 мм рекомендуется так­ же новая сталь марки 09ГСТ контролируемой прокатки с очень низким содержанием углерода (до 0 ,11 %) по более высокому классу прочности К56, что приведет к снижению металлоемкости труб диаметром 1020 и 1220 мм на 7 % и уменьшению объема сварочно-монтажных работ на 15 %. Использование в дальнейшем контролируемой прокатки по процес­ су ВКПУ для сталей марок 13ГС и 09ГСТ приведет к удешевлению их производства. Таким образом, дальнейшее развитие трубного производ­ ства намечается в двух направлениях: расширение применения высоко­ прочных малоперлитных и бейнитных листовых и рулонных сталей кон­ тролируемой прокатки для электросварных труб и применение термиче­ ски упрочненных труб.

Сталь для импортных труб

В нашей стране на строительстве магистральных трубопроводов исполь­ зуют импортные трубы в северном или обычном исполнении из сталей примерно тех же марок, что и отечественные, в соответствии с согласо­ ванными техническими условиями на их поставку (прил.).

Из Японии, ФРГ, Италии поставляют прямошовные трубы диамет­ ром 1420, 1220 и 1020 мм по классам прочности К65 и К60 и диаметром 720 и 530 мм по классам прочности К60 и К54 из стали регулируемой прокатки с низким содержанием углерода и микролегированием ниоби­ ем, ванадием, титаном в северном исполнении; из ЧССР —бесшовные горячекатаные трубы диаметром 530 мм по классу прочности К50 в обычном исполнении; из ФРГ — спиральношовные трубы диаметром 1020 и 720 мм по классу прочности К60 в северном исполнении.

В соответствии со стандартом Американского нефтяного института API 5L и API 5LU для газонефтепроводов изготовляют бесшовные и сварные экспандированные и неэкспандированные трубы из низколеги­ рованных сталей по группам прочности Х42, Х46, Х52 и низколегирован­ ных дисперсионно-твердеющих сталей по группам высокой прочности — Х56, Х60, Х70 и др. Эти-стали имеют более высокое содержание углерода по сравнению с аналогичными сталями, применяемыми в нашей стране, а также микродобавки ниобия, ванадия, титана.

151

Двухзначные цифры при индексе стали X характеризуют группу прочности по номинальному нормативному пределу текучести а0 2 (в фунтах на квадратный дюйм, поделенных на 1000). Чтобы перевести эти величину в мегапаскали, надо двухзначные цифры индекса стали умножить на 7,03. Например, для сталей Х70 а0>2 ^ 492 МПа

Широко применяют также малоперлитные и бейнитные высокопроч­ ные стали по группам прочности Х65, Х70 регулируемой прокатки с низким содержанием углерода и микролегированным ниобием, ниобием и ванадием, молибденом и ниобием для северных условий. К каждой группе прочности сталей, например Х65 или Х70, может относиться большое число марок стали, отличающихся способом выплавки, техно­ логией прокатки, химическим составом, но имеющих одинаковый нор­ мативный предел текучести, т.е. марку стали определяет уровень механи­ ческих свойств, а не химический состав.

Соединительные детали

Соединительными деталями трубопроводов называют тройники, пере­ ходники, отводы и днища (заглушки). Для магистральных газонефтепроводов и коллекторов компрессорных и нефтеперекачивающих стан­ ций применяют соединительные детали различных конструкций и спосо­ бов изготовления: тройники (рис. 63,а) горячей штамповки; штампо­ сварные с цельноштампованными ответвлениями горячей штамповки; сварные (рис. 63,6) без специальных усиливающих элементов (ребер, накладок и т.д.) и сварные (рис. 63,в), усиленные накладками; пере­ ходники (рис. 63,г) конические, концентрические штампованные или штампосварные; заглушки эллиптические (рис. 63,д) ; отводы гнутые гладкие (рис. 63,е) , изготовленные из труб путем протяжки в горячем состоянии, гнутые при индукционном нагреве, штампосварные из двух половин и сварные секторные (рис. 63,ж).

Сварные тройники должны иметь длину, равную не менее чем двум диаметрам ответвления D0 . Длина ответвления неусиленных сварных тройников должна быть не менее 0 ,5 D Q , н о не менее 1 0 0 мм; ширина накладки усиленного тройника на магистрали и на ответвлении —не ме­ нее 0,4Do. Толщину накладок принимают равной толщине стенки уси­ ливаемого элемента. Расстояние от накладки до торца тройника должно быть не менее 100 мм. Не предусматривают накладки для тройников с отношением диаметра ответвления D0 к диаметру магистрали DM менее 0 ,2 , и для ответвлений тройников с отношением DQ /DM менее 0,5.

Цельноштампованные тройники должны иметь общую длину не ме­ нее D0 + 200 мм, высоту ответвления - не менее 0,2Ь0, но не менее 100 мм. Радиус закругления г в области примыкания ответвления дол­ жен быть не менее 0,1/)о. Длину переходника определяют в соответ­

152

Рис. 63 . Соединительные детали трубопроводов:

а — тройник горячей штамповки или штампосварной; б — тройник сварной; в - тройник сварной, усиленный накладками; г — переходник; д — заглушка; е — от­ вод гнутый гладкий; ж — отвод сварной; 1 — магистральная часть тройника; 2 —

части переходника; 7 — угол конуса переходника; / — длина переходника; Н — об­ щая высота заглушки; И — высота сферической части заглушки; D — диаметр заглушки; г — радиус перехода от сферической к цилиндрической части заглуш­ ки; р — радиус сферической части заглушки; R —радиус ;игиба отводов

ствии с условием

где 1 —длина переходника; Д, и ^ —наружные диаметры концов пере­ ходника; 7 —угол конца переходника, равный менее 1 2 °;д —ширина цилиндрической части на концах переходника, принимаемая от 50 до

100 мм.

Длина секторов сварных отводов по внутренней образующей должна быть не менее 0,151^.

153

Заглушки (днища) эллиптические изготавливают высотой #>0,4Д ,, высотой цилиндрической части — 0,1Z)3, радиусом сферической части p>D3 и радиусом перехода цилиндрической части к сферической г < Д .

Толщину стенок соединительных деталей определяют расчетом. Она не должна быть менее*4 мм.

Кромки соединительных деталей должны быть обработаны в завод­ ских условиях под сварку с трубами без переходных колец, которые применяют в случаях неравнопрочности труб и соединительных деталей, а также при разности их толщин более чем в 1,5 раза.

При изготовлении сварных соединительных деталей используют мно­ гослойную сварку с обязательной подваркой корня шва деталей диамет­ ром 300 мм и более.

Соединительные детали (тройники, переходники, отводы, заглушки) изготовляют из труб или листовой стали по таким же техническим тре­ бованиям (от/а в> s, KCU и т.д.) и из тех же марок стали, что и трубы для магистральных газонефтепроводов, рассмотренные выше. Для соеди­ нительных деталей диаметром 57—219 мм ударная вязкость не регла­ ментируется.

После изготовления сварные детали контролируют с помощью ультразвука или рентгена. Для снижения уровня остаточных напряжений подвергают термообработке (высокому отпуску): соединительные дета­ ли со стенками толщиной 16 мм и более (независимо от давления, марок стали и т.д.) ; соединительные детали из низколегированной стали повы­ шенной прочности марок 10ХСНД; 15ХСНД, 14ХГС, 09Г2С, а также из высокопрочных низколегированных сталей с ав >550 МПа (независимо от толщины стенок и других факторов); тройники с отношением диа­ метров ответвления и магистрали DUIDM> 0,3 (независимо от марки стали, толщины стенок, давления и т.д.) .

Гидравлическое испытание проводят давлением, равным 1,3 рабоче­ го давления для деталей, устанавливаемых на линейной части магистраль­ ных газонефтепроводов, и 1,5 —для деталей трубопроводов категории В.

19. ЧУГУННЫЕ ТРУБЫ

Чугунные трубы обладают по сравнению со стальными большей корро­ зийной стойкостью и долговечностью, а также меньшей сложностью изго­ товления. 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 водо­ проводов как в Советском Союзе, так и за рубежом. Они получили большое распространение также для трубопроводов различного назна­ чения. Для газонефтепроводов используют трубы из высокопрочного чу­

154

гуна 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 ра­ бочие давления, даже несмотря на некоторое ослабление их стенок под действием точечной коррозии, и имеют больший срок службы, чем обыч­ ные трубы из серого чугуна.

Изготовление труб

Изготовление чугунных труб заключается в заливке металла в формы, осуществляемой различными способами. В Советском Союзе наибольшее распространение имеют центробежный метод литья труб из серого чугуна в водоохлаждаемые формы и полунепрерывный метод литья чугунных труб.

Центробежный метод литья. Для литья труб применяют несколь­ ко моделей центробежных машин, различающихся конструктивным оформлением в зависимости от размеров труб. На рис. 64 приведена схема одной из центробежных машин, корпус 4 которой полый. Внутри него установлена на роликах металлическая форма 3, охлаждаемая во­ дой 7, протекающей в пространстве между корпусом 4 и формой 3. Фор­ ма приводится во вращение от электродвигателя 5 , расположенного на корпусе. На станину корпус упирается четырьмя катками и перемещает­ ся по продольным направляющим планкам при помощи масляного ци­ линдра 8, закрепленного внутри станины.

С помощью дозировочного ковша 1 чугун заливают во вращающую­ ся стальную водоохлаждаемую форму 3, внутренние очертания которой соответствуют наружной конфигурации отливаемой трубы. При этом

осуществляется продольное перемещение корпуса 4 с водоохлаждаемой формой 3 относительно заливочного желоба 2.

Заливку проводят в три этапа. Сначала при неподвижном корпусе за­ полняют раструбную часть трубы, для образования которой в форму устанавливают песчаный стержень 6. Затем заполняют ствольную часть трубы по. мере продольного, равномерного перемещения с максимальной скоростью справа налево корпуса машины относительно заливочного желоба. И, наконец, отливают гладкий конец трубы, для чего на конце формы закрепляют специальную втулку, ограничивающую длину трубы

иформующую ее торец. На этом этапе скорость перемещения корпуса меняется от максимальной, как на втором этапе, до нуля, когда с желоба сливают остатки чугуна. По окончании слива чугуна в форму корпус машины быстро отходит в крайнее положение, желоб выходит из формы

иего готовят к следующей заливке.

Трубу после застывания чугуна извлекают из формы и передают в термическую печь для отжига с целью устранения отбела поверхности. В раструбную часть формы вставляют новый песчаный стержень, в коль­ цевую часть - втулку, и весь технологический процесс отливки трубы повторяется.

При такой технологии изготовления труб качество их зависит не только от свойств чугуна, но и от режима работы машины: частоты вра­ щения формы, скорости продольного перемещения корпуса машины с формой относительно заливочного желоба, а также от соотношения дли­ тельности трех этапов заливки чугуна в форму. Центробежный метод от­ ливки чугунных труб в металлической водоохлаждаемой форме —наи­ более производительный, экономичный и простой.

После графитйзирующего отжига трубы отправляют на стенд для гидравлического испытания, а затем на контроль и механическую обра­ ботку.

Полунепрерывный метод литья —наиболее прогрессивный, разрабо­ танный и внедренный советским инженером А.Н. Мясоедовым.

В промышленной установке для полунепрерывного литья тру"' (рис. 65) жидкий чугун из ковша 1 по желобу поступает в литниковую чашу 2, откуда через литниковые отверстия течет в кольцевую полость 3 между наружными и внутренними водоохлаждаемыми полостями кри­ сталлизатора. Труба 4 , формуемая в этой полости, непрерывно вытяги­ вается по мере затвердевания металла вниз с помощью тросов и приспо­ собления 5 в течение всего периода заливки чугуна в кристаллизатор. Для формования внутреннего очертания раструбной части трубы приме­ няют песчаный или металлический стержень. Скорость формования тру­ бы (извлечения из кристаллизатора) может составлять 1—3 м/мин в за­ висимости от толщины стенки и химического состава чугуна.

Отбела поверхности трубы не происходит, так как ее температура после выхода из кристаллизатора доходит до 1000—1050 °С за счет пере-

156

Рис. 65. Схема установки для полунепрерывного литья чугунных труб

дачи тепла из центральной полузатвердевшей зоны, находящейся в кри­ сталлизаторе. В результате этого происходит самоотжиг поверхности трубы, что является положительной особенностью метода. Отрицатель­ ный фактор —необходимость предъявления к чугуну повышенных тре­ бований по литейным свойствам (хорошая жидкость, плотность и не­ большая линейная усадка, отсутствие склонности к отбелу) и по прочно­ сти непосредственно после затвердевания, что ограничивает сырьевую базу для литья труб.

Полунепрерывным методом литья изготовляют трубы из серого чу­

157

гуна эвтектического состава с минимальным содержанием фосфора (3,6-3,9 % С; 1,7-2,2 % Si ; 0,6-1 % Мп; 0,2-0,3 % Р; до 0,1 % S) .

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 воз­ можно ухудшение их пластических свойств, образование поверхностного отбела и даже растрескивание. С 1975 г. раструбные трубы из серого чу­ гуна поставляют по стандарту. Улучшение свойств труб достигнуто в ре­ зультате повышения качества шихтовых материалов, совершенствования процесса плавки чугуна.

Полунепрерывный метод литья рекомендуется применять также и для изготовления раструбных труб из высокопрочного чугуна с шаро­ видным графитом, в частности, диаметром свыше 300 мм. Эксперимен­ тально доказано, что процесс литья протекает нормально, без захватов и заклинивания труб. Для повышения прочности и пластичности высоко­ прочного чугуна необходима последующая термическая обработка труб (отжиг).

Трубы из серого чугуна

По назначению трубы из серого чугуна подразделяются на напорные во­ допроводные и сливные (канализационные). Напорные водопроводные трубы составляют примерно 15 % от общего выпуска чугунных труб.

Изготовляют чугунные трубы длиной L с раструбом (рис. 66,а), имеющим размеры D\, Si , l \ , 1 з и / 4, и со стыковым соединением под уплотнительные манжеты (рис. 66, б) , имеющим размеры Dh.}S, s j ,

(s = 6,7 + 22,5 м м ), A (s = 7,4 + 24,8 мм) и Б (s = 8 + 27 м м ). Наруж­ ные диаметры DH цилиндрической части труб составляют 81—1048 мм. Трубы с раструбом изготовляют методом центробежного и полунепре­ рывного литья мерной длины 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 м и немерной дли­ ны в пределах указанных длин (500 м м ).

Допускаемые отклонения устанавливают: по длине трубы ±20 мм, по толщине стенки (1+0,05s) мм; по наружному диаметру цилиндриче­ ской части трубы ± (4,5 +0,0015£>у) мм для труб Dv<300 мм, +(4+

+ 0,0015Dy) и —(5 ± 0,0015Dy) мм для труб Dv >300 мм, по глубине ра­ струба ±5 мм при £)у<600 мм и ± 10 мм при Dy >600 мм.

Кривизна на 1 м длины труб диаметром до 200 мм — не более

158

а

Рис. 66. Чугунная труба с обычным раструбом (а) и с соединением под резиновую

уплотнительную муфту (б)

3,5 мм, свыше 200 до 300 мм —не более 2,5 мм и свыше 300 мм —не более 1,25 мм.

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£>у<300 мм испытательное давление состав­ ляет 2,5; 3,5и4МПа; для /)у>300—600 мм —2; 3 и 3,5 МПа и для Dy> >600 мм - 2; 2,5 и 3 МПа соответственно для классов ЛА, А и Б. Макси­ мальное рабочее давление в чугунных трубопроводах не должно превы­ шать испытательного.

Поверхностная твердость труб должна быть не выше НВ 230, а в се­ редине толщины стенки —не более НВ 215. Прочность труб определяют

где/* —разрушающая нагрузка; DH—наружный диаметр кольца; s — наименьшая толщина стенки в месте разрушения; Ъ —ширина кольца.

Кольцо поддерживается двумя диаметрально расположенными опо­ рами и нагружается посредством этих опор изнутри.

159

Предел прочности чугунных труб с раструбом из серого чугуна в за­ висимости от их диаметра следующий:

Чугунные трубы из серого чугуна со стыковым соединением под ре­ зиновые уплотнительные манжеты изготавливают как и раструбные классов ЛА, А и Б, но других размеров: Dy = 65 + 300 мм, Ц, = 81 +

ки раструба ±2 мм.

Предел прочности труб серого чугуна, определяемый при испытании на изгиб растяжением кольцевого образца трубы, должен быть не менее 392 МПа. Эти трубы должны выдерживать гидравлическое давление 2,5 МПа для класса ЛА, 3,5 МПа для класса А и 4 МПа для класса Б.

Напорные трубы со стыковым соединением под резиновые уплотни­ тельные манжеты изготавливают методом центробежного и полунепре­ рывного литья. Поставляют их в комплекте с резиновыми манжетами Б-1 при отклонениях наружного диаметра от0до+ (4,5 + 0,0015/)у) мм и манжетами Б-2 при отклонениях от 0 до —(4,5 + 0,0015£>у) мм.

Трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

Напорные трубы изготавливают центробежным методом из чугуна с шаровидным графитом марок ВЧ 40; ВЧ 45 и др. (табл. 21) .

Испытательное гидравлическое давление для труб Dy = 65+200 мм составляет 5 МПа; для труб Dy = 400+600 мм —4,5 МПа. Кривизна труб на любом их участке допускается не более 1,2 мм на 1 м длины для труб Dy = 65 +200 мм и 1 мм - для труб Dy = 250 +600 мм.

Предельные отклонения размеров труб составляют: по длине L ±20 мм, по толщине s -(1 + 0,05s) мм; по наружному диаметру ци­ линдрической части DH ±(4,5 ± 0,0015£>у) мм,

Трубы комплектуют резиновыми уплотнительными манжетами Б-1 или Б-2.

160