К вопросу о разрушении труб при дефекте раскатной пригар с риской

Мокроусов В.И. ©

Инженер-технолог АО «Выксунский металлургический завод»

К ВОПРОСУ О РАЗРУШЕНИИ ТРУБ ПРИ ДЕФЕКТЕ РАСКАТНОЙ ПРИГАР С

РИСКОЙ

Аннотация

Предложен критерий определения критического внутритрубного давления, при котором происходит упругопластическое разрушение стенки трубы при дефекте раскатной пригар с риской.

Ключевые слова: стальные сварные трубы большого диаметра, критическое давление разрыва трубы, модель упругопластической среды.

Keywords: the welded steel major-diameter pipes, the critical pressure of rupture, the model of elastic-plastic continuum.

Отечественные магистральные газонефтепроводы. Магистральный

трубопроводный транспорт нефти и газа является важнейшей частью экономики России, которая обладает одним из крупнейших в мире потенциалов топливно-энергетических ресурсов: прогнозируемые запасы нефти оцениваются в 44 млрд т, газа - 127 трлн м3. В 2005 г. протяженность российских магистральных трубопроводов металлоемкостью более 50 млн т превышала 241,7 тыс. км, из которых 166 тыс. км - газопроводы, 52,5 тыс. км -нефтепроводы, 21,8 тыс. км - трубопроводы нефтепродуктов и 1,4 тыс. км -аммиакопроводы. По ним перекачивается 100% добываемого газа, 80% добываемой нефти и более 20% продукции нефтепереработки.

Рекомендации по снижению числа отказов на газонефтепроводах. Все разрушения российских магистральных газопроводов диаметром 1420 мм по причине стресс коррозии имели место при рабочих напряжениях в стенке трубы на уровне > 70% регламентированного предела текучести стали (РПТС) независимо от поставщика труб. Поэтому уровень допустимых напряжений рекомендуется устанавливать < 65% РПТС.

Необходимо ограничивать суммарный уровень «вредных» напряжений, возникающих в стенке трубопровода от действия технологических, монтажно-строительных и геодинамических факторов, величиной < 10% РПТС. Это остаточные напряжения в трубах после их изготовления на металлургических заводах, напряжения от упругого изгиба участков трубопровода на трассах, подвижек земного грунта и всплытия трубопроводов на болотистых участках.

Применение малоперлитных сталей с карбонитридным упрочнением и контролируемой прокатки при производстве труб привело к повышению пределов прочности и текучести металла труб. Отношение фактических значений предела текучести к пределу прочности увеличилось с 0,6-0,7 для труб из нормализованных сталей до 0,75-0,9 для труб из сталей контролируемой прокатки. Учитывая повышенную склонность сталей к коррозионному растрескиванию под напряжением при значениях > 0,9, рекомендуется ввести в технические условия на поставку труб ограничение сверху этого отношения величиной 0,85.

Большинство разрушений газопроводов диаметром 1420 мм из стали Х70 происходит в зонах, расположенных до 200 мм от продольного сварного шва. Поэтому целесообразно отказаться от применения труб с двумя сварными швами.

© Мокроусов В.И., 2015 г.

Для снижения уровня остаточных напряжений в стенках труб рекомендуется на металлургических заводах проводить отпуск труб при температурах 250-300°С в течении 2 часов.

Перед нанесением изоляции рекомендуется проводить специальную дробеструйную обработку внешней поверхности труб, создающую слой нержавеющего металла глубиной > 0,5 мм, препятствующего зарождению стресс коррозийных трещин. Кроме того, дробеструйная обработка снижает уровень остаточных напряжений на наружной поверхности труб.

Для транспортировки нефти и газа следует более широко применять стекловолокнистые эпоксидные трубы с высокопрочными слоями стальной ленты внутри и толстостенные трубы из полимерных материалов, которые по сравнению со стальными трубами, имеют ряд преимуществ. Прежде всего, они устойчивы к коррозии. Гарантированный срок их эксплуатации не менее 50 лет. Масса полимерных труб почти в 4 раза меньше стальных. Они имеют идеально гладкие поверхности внутренних стенок, предотвращающие парафиновые отложения. Эти трубы не требуют гидроизоляции и катодной защиты, обладают большой гибкостью при укладке на трассе, достаточно высокой прочностью и требуют значительно меньших затрат на техническое обслуживание и ремонт.

Производственные дефекты производства труб из стального листа. На отечественных нефтепроводах почти в два раза больше, чем в США и Европе, отказов из-за заводских дефектов и брака строительно-монтажных работ. Поэтому необходимо тщательно изучать причины известных случаев отказа трубопроводов из-за производственного брака.

Новейшими мировыми технологиями производства прямошовных одношовных сварных труб большого диаметра по схеме JCOE являются процессы, разработанные фирмой SMS Meer [1-42]. Перед формовкой труб стальной лист правят на многороликовых листоправильных машинах [3, 4, 7-13]. Дефект несплавления сварного продольного шва трубы изучался в [1, 3, 4], вредное влияние остаточных напряжений в стенке стального листа после трубоформовочного пресса на процесс экспандирования трубы - в [2-4], дефект образования гофра продольной кромки стального листа на кромкогибочном прессе изучался в работах [3, 4, 15-27], дефект «точка перегиба» при изгибе стального листа на трубоформовочном прессе - в [3, 4, 29].

Критерий разрыва трубы при дефекте раскатной пригар с риской. Пусть p -внутреннее давление трубы; h и D - толщина стенки и внешний диаметр трубы (h << D), Св -предел прочности материала трубы; a, b и А - продольный и поперечный размеры раскатного пригара и глубина пригара в стенке трубы (А < h); a1 и А1 - максимальные ширина и глубина риски от раскатного пригара (А1 < А), ф1 и ф2 - углы наклона «продольных осей» пригара и риски, соответственно, к окружности поперечного сечения и образующей трубы (рис. 1).

Рис. 1. Дефект раскатной пригар с риской на поверхности трубы

Внешняя стенка трубы разрушается, когда максимальные касательные напряжения достигают половины предела прочности ов. Разрушение стенки трубы при дефекте раскатной пригар с риской происходит при достижении в трубе критического давления:

Psh

критич __

^в

Ч 2KK +1

K 2 — 1 + 21

2Д,

a

cos j

i ’

K — 1 + 2

Д-Д V

V h Д1 J

\

a b .

— cos j2 +J— sin j2

V-b Va J

где ц = const > 1 - безразмерный коэффициент (определяется экспериментально);

коэффициент K1 учитывает концентрацию напряжений в стенке трубы от раскатного пригара с учетом глубины риски, а коэффициент K2 - от ширины и глубины риски.

Рис. 2. Сквозное отверстие на внутренней поверхности разорванной трубы (слева) и образец

дефекта

Пример разрушения трубы межпромыслового газопровода. На рис. 2 показана разгерметизация стальной трубы межпромыслового газопровода с образованием сквозного дефекта. Рабочее давление в момент инцидента - р1азрыва = 4,4 МПа (59% от проектного давления 7,5 МПа). Прочностные и геометрические характеристики трубы - класс прочности К60, диаметр 720 мм, толщина стенки 11 мм, длина 11,59 м, масса 2,251 т, внешнее трехслойное изоляционное покрытие.

Дефект раскатной пригар с риской представляет собой локальное утонение стенки трубы размером 110 х 50 мм. При разгерметизации трубопровода произошло выпадение пригара с образованием сквозного отверстия размером 20 х 25 мм. Гладкий и волнообразный характер поверхности дефекта показывает, что дефект сформировался при температуре, сопоставимой с температурой плавления металла листа, и деформировался при горячей прокатке вместе с листом как единое целое.

Размеры и вид сквозного отверстия разорванной трубы свидетельствуют в пользу того, что причиной дефекта раскатной пригар с риской вероятно послужило падение шестигранной гайки типа М12 или М14 на поверхность раскаленного листа при прокатке.

До момента вдавливания в горячий лист температура гайки была значительно ниже температуры листа. Валки при прокатке не сразу захватили гайку и от нее на поверхности листа образовалась риска с постепенно увеличивающимися глубиной и поперечным размером. Максимальный поперечный размер риски равен размеру гайки в момент ее вдавливания в лист. Вдавливание гайки в горячий лист было моментальным и привело к локальному повышению температуры металла внутри стенки листа до температуры, сравнимой с температурой плавления металла, и выбросу части полужидкого металла наружу. Это вызвало значительное увеличение размеров дефекта стенки листа в направлении его верхней поверхности. Так как температура «упругой» гайки была еще существенно ниже температуры раскаленного «пластического» листа, гайка легко вдавилась в лист практически на полную толщину листа. После вдавливания гайки в горячий лист, ее температура резко увеличилась и приблизилась к температуре листа. При прокатке гайки с листом как единого целого через несколько валков толщина гайки уменьшилась, а поперечные размеры гайки увеличились и приобрели овальные очертания.

Прочностной анализ критических давлений разрушенной трубы. Г еометрические и прочностные характеристики разорванной трубы: D = 720 мм, h = 11 мм, ов = 684 МПа, от = 614 МПа, Д1 = 3 мм, а = 20 мм, b = 25 мм, а1 = 20 мм, ф1 = 10,4о, ф2 = 34,3о и Д = 10 мм. Инцидент произошел при рабочем давлении рразрыва = 4,4 МПа. Применяя критерий разрыва трубы при дефекте раскатной пригар с риской (р = 1), получаем, что критическое давление разрыва трубы равно ph1™ = 4,56 МПа, (р./ритич -рразрыва)/рразрыва =3,6 %. Результаты вычислений показывают, что критерий разрыва трубы при дефекте раскатной пригар с риской хорошо согласуется с эмпирическими данными разрыва реальной трубы.

Разрыв рассматриваемой трубы на трассе при рабочем давлении газа 4,4 МПа (4,4 / 20,9 = 21%) и значительные размеры дефекта 110 х 50 мм указывают на необходимость улучшения методов ультразвукового контроля и гидроиспытаний труб на заводах-изготовителях листа и трубы с целью недопущения подобных дефектов.

Автор выражает благодарность научному руководителю, профессору, д.ф.-м.н. Владимиру Николаевичу Шинкину (НИТУ «МИСиС») за обсуждение статьи и ценные замечания.

Литература

1. Мокроусов В.И. К вопросу о разрыве стальных прямошовных труб при гидроиспытаниях и дефекте сварного шва // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 8 (79).

2. Шинкин В.Н., Коликов А.П., Мокроусов В.И. Расчет максимальных напряжений в стенке трубы при экспандировании с учетом остаточных напряжений заготовки после трубоформовочного пресса SMS Meer // Производство проката. 2012. № 7. С. 25-29.

3. Шинкин В.Н. Механика сплошных сред для металлургов. - М: Изд. Дом МИСиС, 2014. - 628 с.

4. Шинкин В.Н. Сопротивление материалов для металлургов. - М: Изд. Дом МИСиС, 2013. - 655 с.

5. Шинкин В.Н. Сопротивление материалов. Простые и сложные виды деформаций в металлургии. - М: Изд. Дом МИСиС, 2008. - 307 с.

6. Шинкин В.Н. Теоретическая механика для металлургов. - М: Изд. Дом МИСиС, 2012. - 679 с.

7. Шинкин В.Н. Математическая модель правки стальной полосы на пятироликовой листоправильной машине фирмы Fagor Arrasate // Молодой ученый. 2015. №8 (88). С. 344-349.

8. Шинкин В.Н. Правка толстой стальной полосы на одиннадцатироликовой листоправильной машине линии поперечной резки фирмы Fagor Arrasate // Молодой ученый. 2015. №9 (89). С. 359-365.

9. Шинкин В.Н. Расчет технологических параметров правки тонкой стальной полосы на пятнадцатироликовой листоправильной машине фирмы Fagor Arrasate // Молодой ученый. 2015. №10 (90). С. 361-366.

10. Шинкин В.Н. Холодная правка толстого стального листа на девятироликовой машине фирмы SMS Siemag на металлургическом комплексе стан 5000 // Молодой ученый. 2015. №11 (91). С.467-472.

11. Шинкин В.Н. Четырехроликовый режим холодной правки толстого стального листа на пятироликовой листоправильной машине фирмы Fagor Arrasate // Молодой ученый. 2015. №12 (92). С. 356-361.

12. Шинкин В.Н. Упругопластическая деформация металлического листа на трехвалковых вальцах // Молодой ученый. 2015. №13 (93). С. 225-229.

13. Шинкин В.Н. Шестироликовый режим предварительной правки стальной полосы на листоправильной машине фирмы Fagor Arrasate // Молодой ученый. 2015. №14 (94). С. 205-211.

14. Шинкин В.Н. Определение критических давлений магистральных газонефтепроводов при частичном несплавлении продольного сварного шва стальных толстостенных труб // Молодой ученый. 2015. №15 (95).

15. Шинкин В.Н., Уандыкова С.К. Гибка стальной листовой заготовки на кромкогибочном прессе при производстве труб большого диаметра // Известия Кыргызского государственного технического университета им. И. Раззакова. 2009. № 16. С. 110-112.

16. Шинкин В.Н. Гофр продольной кромки листа при его формовке на кромкогибочном прессе // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2009. Вып. 6. С. 171-174.

17. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Моделирование процесса пластического формоизменения листовой заготовки для производства труб большого диаметра // Обработка металлов давлением, 2011. № 3(28). С. 7-11.

18. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Формовка листовой заготовки в кромкогибочном прессе и условие возникновение гофра при производстве труб магистральных трубопроводов // Производство проката. 2011. № 4. С. 14-22.

19. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Упругопластическое изменение металла на кромкогибочном прессе при формовке труб большого диаметра // Сталь. 2011. № 6. С. 53-56.

20. Shinkin V.N., Kolikov A.P. Elastoplastic shaping of metal in an edge-ending press in the manufacture of large-diameter pipe // Steel in Translation. 2011. Vol. 41. No. 6. P. 528-531.

21. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Модель пластического формоизменения кромок листовой заготовки при производстве труб большого диаметра для магистральных трубопроводов // Известия вузов. Черная металлургия. 2011. № 9. С. 45-49.

22. Шинкин В.Н. Математическое моделирование процессов производства труб большого диаметра для магистральных трубопроводов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №4 (62). Вып. 4. С. 69-74.

23. Шинкин В.Н., Коликов А.П., Барыков А.М. Технологические расчеты процессов производства труб большого диаметра по технологии SMS Meer // Металлург. 2011. № 11. С. 77-81.

24. Shinkin V.N., Kolikov A.P. Engineering calculations for processes involved in the production of large-diameter pipes by the SMS Meer technology // Metallurgist. 2012. Vol. 55. Nos. 11-12. P. 833-840.

25. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Моделирование процесса формовки заготовки для труб большого диаметра // Сталь. 2011. № 1. С. 54-58.

26. Shinkin V.N., Kolikov A.P. Simulation of the shaping of blanks for large-diameter pipe // Steel in Translation. 2011. Vol. 41. No. 1. P. 61-66.

27. Шинкин В.Н., Барыков А.М. Расчет формы трубной заготовки при гибке на кромкогибочном и трубоформовочном прессах фирмы SMS Meer при производстве труб большого диаметра по схеме JCOE // Производство проката. 2014. № 12. С. 13-20.

28. Шинкин В.Н., Коликов А.П. Моделирование процессов экспандирования и гидроиспытания труб большого диаметра для магистральных трубопроводов // Производство проката. 2011. № 10. С. 12-19.

29. Шинкин В.Н. Критерий перегиба в обратную сторону свободной части листовой заготовки на трубоформовочном прессе SMS Meer при производстве труб большого диаметра // Производство проката. 2012. № 9. С. 21-26.

30. Шинкин В.Н., Барыков А.М. Гибка стального листа на трубоформовочном прессе при производстве труб большого диаметра // Сталь. 2015. № 4. С. 38-42.

31. Шинкин В.Н. Производство труб большого диаметра по схеме JCOE фирмы SMS Meer для магистральных трубопроводов // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 3 (74). Часть 1. С. 64-67.

32. Шинкин В.Н. Расчет технологических параметров кромкогибочного пресса фирмы SMS Meer // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 4 (75). Часть 1. С. 114-119.

33. Шинкин В.Н. Математический критерий возникновения гофра при формовке стальной листовой заготовки на кромкогибочном прессе SMS Meer // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 5 (76) Часть 1. С. 96-99.

34. Шинкин В.Н. Расчет усилий трубоформовочного пресса SMS Meer при изгибе плоской толстой стальной заготовки при производстве труб большого диаметра // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 6 (77). Часть 1. С. 115-118.

35. Шинкин В.Н. Оценка усилий трубоформовочного пресса SMS Meer при изгибе стальной цилиндрической заготовки // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 7 (78). Часть 1. С. 74-78.

36. Шинкин В.Н. Сила давления пуансона трубоформовочного пресса SMS Meer при изгибе частично изогнутой толстой стальной заготовки // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2015. № 8 (79).

37. Шинкин В.Н., Барыков А.М., Коликов А.П., Мокроусов В.И. Критерий разрушения труб большого диаметра при несплавлении сварного соединения и внутреннем давлении // Производство проката. 2012. № 2. С. 14-16.

38. Шинкин В.Н., Мокроусов В.И. Критерий разрыва труб газонефтепроводов при дефекте «раскатной пригар с риской» // Производство проката. 2012. № 12. С. 19-24.

39. Шинкин В.Н., Федотов О.В. Расчет технологических параметров правки горячекатаной рулонной полосы на пятироликовой машине линии Fagor Arrasate // Производство проката. 2013. № 9. С. 43-48.

40. Шинкин В.Н., Барыков А.М. Расчет технологических параметров холодной правки стального листа на девятироликовой машине SMS Siemag металлургического комплекса стан 5000 // Производство проката. 2014. № 5. С. 7-15.

41. Шинкин В.Н. Расчет технологических параметров правки стального листа на одиннадцатироликовой листоправильной машине линии поперечной резки фирмы Fagor Arrasate // Производство проката. 2014. № 8. С. 26-34.

42. Шинкин В.Н. Математическая модель правки тонкого стального листа на пятнадцатироликовой листоправильной машине линии поперечной резки фирмы Fagor Arrasate // Производство проката. 2015. № 1. С. 42-48.