Труба с внутренним покрытием

Полезная модель относится к трубному производству и может быть использована при производстве труб с внутренним защитным покрытием, обеспечивающим эффективную защиту от коррозии тела трубы и зоны сварного соединения нефтегазопроводных труб.
Известна труба с внутренним покрытием (патент РФ №151123, F16L 58/02, опубл. 20.03.2015), которая содержит слой термостойкого самофлюсующегося сплава, нанесенного на концы трубы на длину, превышающую длину зоны термического воздействия при сварке, и термочувствительный слой, нанесенный с перекрытием на слой самофлюсующегося сплава. Покрытие самофлюсующегося сплава выполнено на концах трубы с утолщением, параметры которого выбраны из условия полного заполнения сварного шва.
Недостатками такой трубы являются недостаточная адгезия покрытия и его высокая пористость, в результате чего существенно снижается стойкость против коррозии. Также стоить отметить высокую стоимость материалов, применяемых для получения покрытия за счет повышенного содержания хрома и никеля.
Известна труба с внутренним покрытием (патент РФ №2272215, F16L 58/04, опубл. 20.03.2006), которая содержит прилегающий к торцам наплавленный слой, выполненный из коррозионно-стойкого металла, адгезионный слой - из термостойкого коррозионно-стойкого материала, который частично или полностью перекрывает наплавленный, и антикоррозионное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность трубы и частично - на облицованную поверхность.
Недостатком трубы является сложность ее изготовления ввиду большого количества трудоемких технологических операций, в результате чего возрастает риск образования дефектов. Использование коррозионно-стойких материалов для наплавки без учета прочностных характеристик может привести к снижению несущей способности трубы, а использование материалов мартенситного класса - к снижению коррозионной стойкости. Кроме того, для изготовления трубы необходимы существенные затраты на оборудование и квалифицированные специалисты.
Известна труба с внутренним покрытием (патент РФ №2103594, F16L 58/02, опубл. 27.01.1998), которая на концах содержит запрессованную тонкостенную втулку из коррозионно-стойкого материала, приваренную нержавеющей сварочной проволокой кольцевым швом по меньшей мере со стороны торца трубы, облицовочный слой между втулкой и торцем трубы выполнен с помощью наплавки коррозионно-стойкого материала. На внутреннюю поверхность трубы нанесено полимерное покрытие, выполненное из термочувствительного материала, которое покрывает внутреннюю поверхность трубы и частично - поверхность втулки.
Недостатком трубы является сложность ее изготовления за счет большого количества трудоемких технологических операций, что повышает риск образования дефектов. Для изготовления трубы необходимы существенные затраты на оборудование и квалифицированные специалисты.
Наиболее близким решением, принятым за прототип, является труба с внутренним покрытием (патент РФ №2140038, F16L 13/02, В23К 31/02 опубл. 20.10.1999), содержащим наплавленный слой коррозионно-стойкого сплава на концевых участках внутренней поверхности в форме раструба, который нанесен на длину, превышающую длину зоны термического влияния при сварке, и защитный слой, нанесенный с перекрытием на слой коррозионно-стойкого сплава. Защитный слой может быть выполнен из эмали, полиэтилена, эпоксидных красок. При этом механическую обработку наплавленного слоя и разделку кромок под сварку проводят одновременно.
Недостатками прототипа являются:
- потеря несущей способности трубы при несоблюдении условия равнопрочности основного металла трубы и наплавленного слоя;
- низкая коррозионная стойкость при использовании для наплавки материалов мартенситного класса;
- разрушение защитного покрытия при сварке концов труб ввиду расположения покрытия на близком расстоянии от торца трубы;
- при одновременном выполнении обработки наплавленного слоя и разделки кромок под сварку снижается точность геометрических размеров кромок трубы (притупление), что инициирует образование дефектов в корневой части сварного соединения (прожог).
Техническая проблема состоит в обеспечении эффективной защиты от коррозии внутренней поверхности зоны поперечных сварных швов труб с внутренним покрытием без снижения несущей способности труб, используемых для нефтегазопроводов.
Технический результат заключается в обеспечении равнопрочности наплавленного слоя и основного металла трубы при сохранении механических свойств последнего и повышении коррозионной стойкости зоны сварного соединения.
Указанный результат достигается за счет того, что в трубе с внутренним покрытием, содержащим наплавленный слой коррозионно-стойкого сплава, нанесенный на концы трубы на длину, превышающую длину зоны термического влияния при сварке, и термочувствительный слой, нанесенный с перекрытием на слой коррозионно-стойкого сплава, согласно полезной модели, наплавленный слой выполнен из материала, обеспечивающего прочностные свойства не ниже прочностных свойств металла трубы. Кроме того, поверхность наплавленного слоя выполнена сглаженной, термочувствительный слой выполнен из лакокрасочного материала на основе разных типов пленкообразующих, конец трубы, на который нанесен слой коррозионно-стойкого сплава, выполнен с кольцевой проточкой.
Выполнение наплавленного слоя сварочными легированным проволоками с определенным химическим составом, включающим, в частности менее 0,05% углерода, не менее 19% хрома и не менее 9% никеля, обеспечивает получение наплавленного слоя, прочностные свойства которого не ниже прочностных свойств основного металла трубы, и стойкого к коррозии. Наплавленный слой представляет собой сплав аустенитного или аустенитно-ферритного класса, обладающий высокой степенью защиты от коррозии за счет способности к пассивации. На поверхности сплава образуется очень прочная пленка сложных оксидов металлов, которая обеспечивает эффективную защиту от коррозии и практически предотвращает коррозионное разрушение.
Для наплавки используют материал, механические свойства которого (временное сопротивление и предел текучести) не ниже механических свойств металла трубы в зависимости от категории прочности трубы. При этом наплавку выполняют с минимальным разогревом металла трубы по толщине стенки - до температуры α-γ-перехода на глубину, не превышающую одну треть толщины стенки, что предотвращает потерю несущей способности трубы. Кроме того, глубина проплавления не должна превышать половины высоты наплавленного валика для обеспечения минимального перемешивания основного металла трубы и металла наплавки.
В зависимости от толщины стенки трубы варьируют длину участка трубы с наплавленным слоем, превышающую длину зоны термического влияния при сварке: при толщине стенки трубы менее 10 мм длина наплавленного слоя составляет от восьми до десяти толщин стенки; при толщине стенки трубы 10÷20 мм длина наплавленного слоя составляет от шести до восьми толщин стенки и при толщине стенки трубы более 20 мм длина наплавленного слоя составляет от трех до четырех толщин стенки трубы. Причем в каждом случае выполнение наплавленного слоя длиной меньше нижнего предела приведет к разрушению (выгоранию) защитного покрытия на внутренней поверхности трубы после многопроходной сварки кольцевого монтажного шва, а выполнение наплавки длиной, превышающей верхний предел, экономически нецелесообразно ввиду высокой стоимости материала для наплавки.
Термочувствительный слой может быть выполнен из лакокрасочных материалов на основе разных типов пленкообразующих, что обеспечивает защиту от коррозии при различных условиях эксплуатации нефтегазопроводов. Могут быть использованы лакокрасочные материалы, например на основе эпоксидных, эпоксиэфирных, новолачных, полиуретановых и других пленкообразующих.
Конец трубы, на который нанесен слой коррозионно-стойкого сплава, может быть выполнен предварительно с кольцевой проточкой, а поверхность наплавленного слоя коррозионно-стойкого сплава может быть выполнена сглаженной, например с помощью механической обработки после проведения наплавки, что обеспечивает повышение пропускной способности трубы за счет увеличения ее внутреннего диаметра. При этом обеспечены прочностные свойства наплавленного слоя не ниже прочностных свойств основного металла трубы, что предотвращает потерю несущей способности трубы, и высокая степень защиты от коррозии.
Полезная модель иллюстрируется рисунком, на котором схематично показан концевой участок трубы с внутренним покрытием.
На концевые участки трубы 1 наплавлен слой коррозионно-стойкого сплава 2 на длину, превышающую длину зоны термического влияния при сварке. Термочувствительный слой 3 покрывает всю внутреннюю поверхность тела трубы с частичным перекрытием наплавленного слоя на концах трубы. Термочувствительный слой 3 может быть выполнен из лакокрасочных материалов на основе разных типов пленкообразующих в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации нефтегазопроводных труб.
Изготовление предлагаемой трубы с покрытием было опробовано на опытной партии бесшовных труб (№1) из стали 13ХФА диаметром 159 мм с толщиной стенки 8 мм. Концевые участки труб подвергали дробеструйной обработке на длину, превышающую длину зоны наплавленного слоя. Далее электродуговым способом в импульсном режиме сварочной проволокой 316LSi диаметром 1,6 мм на этих участках по спирали осуществляли наплавку слоя коррозионно-стойкого сплава с помощью сварочного аппарата Selco Genesis 503 GSM. Сварочная проволока 316LSi имеет следующий химический состав, мас. %: С - max 0.03; Mn - 1.50-2.30; Si - 0.65-1.00; Cr -18.0-20.0; Ni - 11.00-13.00; Mo - 2.5-3.00; Р - max 0.030; S - max 0.020. Длина наплавленного слоя коррозионно-стойкого сплава составляла 70 мм, высота наплавленного слоя не превышала 3 мм. Перед нанесением термочувствительного покрытия была осуществлена подготовка внутренней поверхности труб, включающая, в частности обезжиривание, дробеструйную обработку и обеспыливание. Затем на внутреннюю поверхность труб нанесли праймер Masscopoxy 0245 на основе фенольного пленкообразующего, после предварительного нагрева нанесли порошковую краску П-ЭП 585 на основе эпоксидного пленкообразующего и осуществили полимеризацию защитного покрытия.
Кроме того, была изготовлена опытная партия бесшовных труб (№2) с покрытием, на концевых участках которых перед наплавлением слоя коррозионно-стойкого сплава была выполнена кольцевая проточка. На участке внутренней поверхности труб из стали 13ХФА диаметром 159 мм с толщиной стенки 8 мм, прилегающем к торцу, была выполнена кольцевая проточка длинной 70 мм и глубиной 1,5 мм. После дробеструйной обработки этого участка была произведена наплавка слоя коррозионно-стойкого сплава, высота которого не превышала 3 мм. Наплавку осуществляли электродуговым способом в импульсном режиме сварочной проволокой 316LSi диаметром 1,6 мм по спирали, с помощью сварочного аппарата Selco Genesis 503 GSM. Затем участок с наплавленным слоем подвергали, например механической обработке, и выравнивали заподлицо с внутренней поверхностью трубы. Перед нанесением термочувствительного покрытия была осуществлена подготовка внутренней поверхности труб, включающая, в частности обезжиривание, дробеструйную обработку и обеспыливание. Далее на внутреннюю поверхность труб нанесли праймер Masscopoxy 0245 на основе фенольного пленкообразующего, после предварительного нагрева нанесли порошковую краску П-ЭП 7120 Н на основе эпоксидного пленкообразующего и осуществили полимеризацию защитного покрытия.
Механические испытания образцов от труб, изготовленных в соответствии с приведенными примерами, показали, что механические свойства наплавленного слоя и основного металла трубы соответствуют нормативным требованиям, при этом не происходит снижения свойств основного металла. В таблице представлены средние значения результатов испытаний.
2
2
Были проведены испытания образцов от обеих партий труб на коррозионную стойкость при повышенных температуре и давлении в модельной среде следующего состава: жидкая фаза – 5% раствор NaCl, газовая фаза - (3,0±0,5)MПаСO+(7,0±0,5)МПаN, давление (10,0±0,5)МПа, температура (110±3)°С в течение 240 часов. Результаты испытаний показали, что наплавленный слой коррозионно-стойкого сплава обеспечивает надежную защиту сварного соединения от коррозионного разрушения, о чем свидетельствует отсутствие разрушений в виде растрескиваний, отслаиваний, точечной коррозии.
Выполнение на концах трубы защитного покрытия, наплавленного в виде слоя коррозионно-стойкого сплава, и термочувствительного слоя, нанесенного частично с перекрытием на коррозионно-стойкий сплав, при эксплуатации обеспечивает эффективную антикоррозионную защиту сварного соединения труб с внутренним покрытием. Трубопровод, изготовленный из труб с предлагаемым защитным покрытием, имеет надежное покрытие по всей длине, при этом не происходит потери несущей способности труб, увеличивается срок эксплуатации нефтегазопроводных труб.