Анализ влияния холодной пластической деформации, возникающей в процессе изготовления, на механические свойства основного металла и металла сварных соединений отводов холодного гнутья из спиральношовных труб

УДК 621.643.2

Т.С. Есиев, К.А. Войдер, М.Г. Глухов

Анализ влияния холодной пластической деформации, возникающей в процессе изготовления, на механические свойства основного металла и металла сварных соединений отводов холодного гнутья из спиральношовных труб

Ключевые слова:

магистральный

газопровод,

строительство,

холодная гибка,

изготовление

отводов,

кривая холодного гнутья,

рабочее давление, спиральношовная труба.

Keywords:

trunk gas pipeline, construction, cold bending, branch manufacture, cold bending curve, operating pressure, helical pipe.

В настоящее время отечественной нормативной документацией (ГОСТы, СНиПы) и стандартами ОАО «Газпром» (СТО Газпром, Р Газпром) не регламентировано изготовление отводов холодной гибки из спиральношовных труб.

В ОАО «Газпром» состоялось совещание по вопросу рассмотрения возможности использования спиральношовных труб при изготовлении холодногнутых отводов, предназначенных для магистральных газопроводов на рабочее давление до 9,8 МПа. По итогам совещания ООО «Газпром ВНИИГАЗ» было поручено проведение необходимых испытаний. Испытания проводились ООО «Газпром ВНИИГАЗ» совместно с ОАО «Волжский трубный завод». Предварительно была разработана Программа исследования технологического процесса изготовления и оценки эксплуатационных свойств кривых холодного гнутья, изготовленных из спиральношовных труб с диаметрами 1020-1420 мм, которая была утверждена постоянно действующей комиссией ОАО «Газпром» по приемке новых видов трубной продукции.

Для решения поставленной задачи были выполнены следующие работы:

• теоретический анализ напряженно-деформированного состояния при гнутье спиральношовных труб;

• выбраны оптимальные режимы гиба на основе построенной модели с учетом конструктивных особенностей спиральношовных труб;

• изготовлены отводы по оптимальному (ОПТР) и критическому режимам гибки (КРТР);

• проведены лабораторные испытания образцов основного металла и сварных соединений;

• проведены гидростатические испытания внутренним давлением до разрушения.

Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния при гнутье спиральношовных труб был выполнен ООО «Инженерный центр «Механические испытания и расчеты» (г. Санкт-Петербург). Расчеты [3] позволили установить следующее:

• ориентация сварного шва трубы в трубогибочном станке незначительно влияет на величину остаточных деформаций в процессе гибки;

• утонение в зоне растяжения (ЗР) представляется незначительным, в момент когда в зоне сжатия (ЗС) начинается процесс образования гофр;

• вычисленные размеры зон, охваченных пластическим деформированием при единичном угле гибки в 1°, позволили оценить величину шага подачи трубы, при котором исключается наложение деформаций друг на друга на последующих шагах гибки.

По результатам проведенного математического моделирования и аналогичных предыдущих исследований для изготовления отводов с углом гибки 6° (максимально допустимый по ГОСТ 24950-81 [1]) из труб класса прочности К60 и диаметром 1420 мм были определены основные расчетные параметры гнутья:

• для ОПТР шаг гибки - 330 мм, единичный угол гиба - 0,4°;

• для КРТР шаг гибки - 830 мм, единичный угол гиба - 1°.

№ 1 (17) / 2014

Управление техническим состоянием и целостностью газопроводов

99

Для изготовления отводов ООО «Газпром ВНИИГАЗ» были разработаны операционнотехнологические карты холодной гибки труб по ОПТР и КРТР.

На испытания были представлены три спиральношовные трубы (по ТУ 14-156-76-2007

[4]) без изоляционного покрытия, диаметром 1420 мм, с толщиной стенки 21,6 мм, класса прочности К60 производства ОАО «Волжский трубный завод». Из труб были изготовлены 2 отвода по ОПТР и 1 отвод по КРТР гибки, на которых сравнивали механические свойства основного металла и спиральных сварных соединений в ЗР и ЗС относительно недеформированной зоны (НЗ).

Один отвод, изготовленный по ОПТР, был предназначен для проведения гидроиспытаний до разрушения и определения его конструкционной прочности.

Для определения продольных деформаций при ОПТР и КРТР, возникающих в результате изготовления отводов, на трубы перед гибкой наносили кернение на наружную поверхность вдоль оси с шагом 50 мм с двух диаметрально противоположных сторон. При проведении гибки трубы ориентировали таким образом, чтобы кернения располагались в области максимальных растягивающих и сжимающих деформаций.

Отводы были изготовлены ЗАО «Соединительные детали трубопроводов» (г. Челябинск) на итальянском трубогибочном станке Pipe Bending Machines для диаметров от 12001500 мм (48-60"). Для уменьшения овальности на торцах отвода применяли распорки. Следует отметить, что расчетные параметры ОПТР и КРТР гибки были несколько скорректированы исходя из фактических возможностей трубогибочного оборудования. При изготовлении отводов как по оптимальному, так и по критическому режимам образования гофр, имеющих размеры сверх допустимых норм, не произошло. Результаты измерений расстояний между кернениями, выполненных после гибки, показали, что продольная деформация в зонах сжатия и растяжения практически одинаковая и составляет в среднем около 1,5 %. При этом в отводе, изготовленном по ОПТР, максимальная продольная деформация составила в ЗР 2,20 %, в ЗС - 2,56 %, а в отводе, изготовленном по КРТР, в ЗР - 2,60 %, в ЗС - 3,02 %. На отводах была нанесена разметка зон вырезки темплетов для проведения

механических испытаний (были проведены ОАО «РосНИТИ») [5].

Для анализа влияния холодной пластической деформации на свойства отводов, изготовленных по разным режимам, были выполнены следующие виды механических испытаний: на растяжение, ударный изгиб, статическую трещиностойкость, статический изгиб. Образцы для данных испытаний были изготовлены из темплетов, вырезанных из трех зон (НЗ, ЗС, ЗР). Образцы отбирались в поперечном и продольном направлениях относительно оси отводов.

Испытания на растяжение основного металла отводов проводились на плоских пропорциональных образцах типа I при температуре +20 °С, согласно ГОСТ 1497-84 [6]. Пределы прочности (стД и текучести (ст02) и относительное удлинение (55) определялись на образцах из темплетов, вырезанных из отводов с максимальными пластическими деформациями в ЗР и ЗС. На рис. 1, 2 представлены отклонения прочностных и пластических свойств (в %) основного металла в ЗР и ЗС относительно НЗ в поперечном и продольном направлениях, в отводах после процесса гибки по ОПТР и КРТР.

В результате гибки в обоих отводах наблюдаются следующие тенденции изменения механических свойств:

• предел прочности независимо от зоны и направления вырезки образцов изменяется незначительно - до 12 % по отношению к НЗ;

• предел текучести в поперечном направлении увеличивается как в ЗР, так и в ЗС от 1 до 23 % по отношению к НЗ;

• в продольном направлении в ЗР предел текучести увеличивается до 10 %, а в ЗС снижается до 10 %;

• относительное удлинение в поперечном направлении обоих отводов снижается. Максимальное снижение - до 17,7% - происходит в ЗР отвода, изготовленного по КРТР.

В отводе, изготовленном по КРТР, все тенденции изменения прочностных свойств более выражены.

Испытания на растяжение сварных соединений проводились на плоских образцах типа XIII и цилиндрических пятикратных типа III (по ГОСТ 6996-66 [7]) при температуре +20 °С. При испытании поперечных плоских образцов со сварным соединением разрушение происходило по основному металлу. Независимо от режима гнутья в ЗС и ЗР наблюдалась тенденция

№ 1 (17) / 2014

100

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

% 24 20 16 12 8 4 0 -4 -8 -12 -16

% 24 20 16 12 8 4 0 -4 -8 -12 -16

11,00 %

8,38 %

2,58 %

1

т

-2,63 %

а

22,53 %

12,05 %

9,28 %

-15,56 %

Оо,2

% 24 20 16 12 8 4 0 -4 -8 -12 -16

% 24 20 16 12 8 4 0 -4 -8 -12 -16

14,86 %

9,34 %

5,21 %

-8,75 %

6,11 % 5,75 %

0,34 %

-1,27 %

Оо,2/ов  65

б

в

г

Рис. 1. Отклонение прочностных и пластических показателей основного металла в ЗР и ЗС в поперечном направлении:

а - НЗ и ЗР отвода из трубы № 1384

отвода из трубы № 1428

GS П ^0,2  &о,2^В  S5

Рис. 2. Отклонение прочностных и пластических показателей основного металла в ЗР и ЗС в продольном направлении:

а - НЗ и ЗР отвода из трубы № 1384

№ 1 (17) / 2014

Управление техническим состоянием и целостностью газопроводов

101

к незначительному увеличению предела прочности как в продольном, так и поперечном направлениях (рис. 3, 4). В продольном направлении предел прочности шва увеличивается меньше, чем в поперечном. Отмеченные изменения прочностных свойств сварных швов укладываются в среднестатистическое отклонение и, вероятно, не являются следствием влияния деформации на их свойства.

Испытания на ударный изгиб основного металла отводов проводились на продольных и поперечных образцах типа II (по ГОСТ 9454-75 [8]) при температуре -20 °С. Результаты испытаний на ударную вязкость основного металла показали, что основной металл отводов имеет разный уровень ударной вязкости (рис. 5). Ударная вязкость основного металла трубы отвода, изготовленного по КРТР, выше, чем ударная вязкость исходного металла отвода, изготовленного по

ОПТР. Это обусловлено различием свойств исходной заготовки для трубы, т.е. листа. Анализ результатов испытаний поперечных и продольных образцов свидетельствует о том, что направление вырезки образцов не оказывает существенного влияния на величину ударной вязкости основного металла отводов.

Красной линией отмечено требование к ударной вязкости по техническим условиям на спиральные трубы. После гибки ударная вязкость основного металла отвода из трубы, изготовленного по ОПТР, в ЗС и ЗР практически не изменилась. В отводе, изготовленном по КРТР, ударная вязкость снизилась во всех направлениях. При этом более интенсивное снижение ударной вязкости наблюдается в ЗС. Несмотря на снижение ударной вязкости, ее величина с большим запасом удовлетворяет предъявляемым требованиям к данным трубам.

ЗР  ЗС

Рис. 3. Отклонения прочностных свойств сварного шва (cg) в ЗР и ЗС относительно НЗ

в поперечном направлении:

а - из трубы № 1384

ЗР  ЗС

Рис. 4. Отклонения прочностных свойств сварного шва (cg) в ЗР и ЗС относительно НЗ

в продольном направлении:

а - из трубы № 1384

№ 1 (17) / 2014

102

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

240 220 200 Ъ 180 Й 160

О 140

Р

120

100

80

400 360 320 -а 280 й 240

р 200

Р

160

120

80

плавка № 572176 134,3 ♦ плавка № 572175 189,3 ♦ плавка № 572176 160,7 ♦

НЗ ЗР а ЗС

плавка № 572588 310,7 ♦ плавка № 572583 274,0 ♦ плавка № 572583 188,0 ♦

' НЗ ЗР ЗС

80

80

плавка № 572176 173,7 ♦ плавка № 572175 185,3 ♦ плавка № 572176 148,0 ♦

НЗ ЗР б ЗС

плавка № 572588 270,7 ♦ плавка № 572583 233,7 ♦ плавка № 572583 208,7 ♦

+ среднее значение KCV

НЗ

требования ТУ

ЗР

ЗС

в

г

Рис. 5. Ударная вязкость основного металла: а - отвод из трубы № 1384 (ОПТР), поперечное направление; б - отвод из трубы № 1384 (ОПТР), продольное направление; в - отвод из трубы № 1428 (КРТР), поперечное направление; г - отвод из трубы № 1428 (КРТР), продольное направление

Испытания на ударный изгиб спирального сварного соединения проводились на поперечных образцах по центру шва и линии сплавления (по ГОСТ 9669-66 [9]) при температуре -20 °С. Результаты испытаний на ударную вязкость сварного соединения представлены на рис. 6. После деформации наблюдается, что ударная вязкость по центру сварного шва снижается и находится на границе допустимых требований. Испытания показали, что значение ударной вязкости в начальном состоянии и после операции гибки по линии сплавления выше, чем по центру сварного соединения. После деформации ударная вязкость по линии сплавления снижается в большей степени, нежели по центру шва, но остается в пределах допустимых норм.

При проведении испытаний образцов основного металла и сварных соединений на трещиностойкость определялось критическое раскрытие в вершине трещины (CTOD) при температуре -20 °С (в соответствии с требованиями BS 7448-1:1991 [10] и BS 7448-2:1997 [11] соответственно). Испытания основного металла показали, что при изначально низких зна-

чениях параметра трещиностойкости (менее 0,20 мм) в отводе, изготовленном по ОПТР, после гибки в зонах сжатия и растяжения данный параметр практически не меняется. Иная картина наблюдается отводе из трубы, изготовленном по КРТР. При изначально высоких значениях раскрытия в вершине трещины (более 0,87 мм до деформации) в обоих направлениях после операции гибки показатель резко снижается. Испытания образцов сварных соединений с расположением надреза с трещиной по центру шва и по линии сплавления показали, что после гибки происходит падение показателя трещиностойкости, причем большее падение происходит в отводе, изготовленном по КРТР.

Испытания спиральных сварных соединений отводов на статический изгиб проводились в соответствии с ГОСТ 6996-66 [9] при температуре +20 °С как для наружного, так и для внутреннего швов. Все образцы, отобранные из спиральношовного соединения отводов, показали положительные результаты испытаний на статический загиб, т.е. на внутреннем и наружном швах после изгиба на 180° трещин не обнаружено.

№ 1 (17) / 2014

Управление техническим состоянием и целостностью газопроводов

103

s

(J

240

220

200

180

160

140

120

tc 100 80 60 40 20 0

240 220 200 180 160 I 140 120 100 80 60 40 20 0

плавка № 572175 84,3 ♦ плавка № 572176 50,7 плавка № 572176 49,3

НЗ ' ЗР ' зс

а

" плавка плавка плавка № 572583/ 572588 109,0

№ 572583 № 572583 ♦

69,7 63,7

♦ ♦

НЗ ' ЗР ' зс

240

220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

240

220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

плавка

№ 572175 181,3 ♦ плавка № 572176 94,0 ♦ плавка № 572176 60,7 ♦

НЗ ЗР ЗС

б плавка

№ 572583/

572588

193,0

- плавка ф

№ 572583

134,0 плавка

♦ № 572583

89,3

♦

НЗ ЗР ЗС

^ среднее значение KCV —— требования ТУ

в г

Рис. 6. Ударная вязкость сварного соединения в поперечном направлении: а - отвод из трубы № 1384 (ОПТР), центр шва; б - отвод из трубы № 1384 (ОПТР), линия сплавления; в - отвод из трубы № 1428 (КРТР), центр шва; г - отвод из трубы № 1428 (КРТР), линия сплавления

Гидравлическое испытание до разрушения третьего спиральношовного соединения отвода, изготовленного по ОПТР, проводилось на ОАО «Трубодеталь». Испытание внутренним гидростатическим давлением отвода проводили до разрушения, которое произошло при давлении 19,8 МПа по основному металлу в стороне от области гибки посредством образования продольной трещины в вершине выпучины.

Общая длина разрушения по траектории распространения трещины составила 3350 мм, вдоль оси отвода - 2610 мм. Трещина не пересекла сварной шов, а распространилась вдоль зоны термического влияния. Разрушение произошло вязко при напряжениях, превышающих предел прочности (около 650 МПа). На рис. 7 представлены результаты гидравлических испытаний.

200

150

S 100

S

50

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Время, с

Рис. 7. Результаты гидравлических испытаний

0

№ 1 (17) / 2014

104

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

Возможность изготовления отводов холодной гибки в соответствии с требованиями нормативных документов подтверждена практически.

Операция гибки приводит к увеличению прочностных и снижению вязко-пластических свойств основного металла спиральношовной трубы, не оказывая существенного влияния на качество сварных соединений.

Г идравлические испытания показали,

что разрушение отвода произошло на прямом участке по основному металлу отвода при напряжениях в стеке трубы, превышающих предел прочности.

На основании анализа результатов проведенных испытаний при выборе спиральношов-

Список литературы

1. ГОСТ 24950-81. Отводы гнутые и вставки кривые на поворотах линейной части стальных магистральных трубопроводов. Технические условия.

2. СНиП III-42-80. Магистральные трубопроводы.

3. Проведение теоретического анализа напряженно-деформированного состояния при гнутье спиральношовных труб и лабораторных исследований основного металла и сварного соединения испытаний кривых холодного гнутья изготовленных из спиральношовных труб: отчет по этапу № 1. - ООО ИЦ «МИР».

4. ТУ 14-156-76-2007. Трубы стальные электросварные спиральношовные диаметром 1420 мм для работы под давлением до 9,8 МПа (100 кгс/см2).

5. Технологическое сопровождение процесса изготовления кривых холодного гнутья, изготовленных из спиральношовных труб диаметром 1420 мм с толщиной стенки

21,6 мм, класса прочности К60: отчет о НИР. -РосНИТИ.

ных труб класса прочности К60 для изготовления отводов холодной гибки рекомендуется руководствоваться следующими критериями:

• предел текучести основного металла трубы должен быть не более 520 Н/мм2;

• относительное удлинение основного металла должно быть не менее 23 %;

• ударная вязкость по центру шва и линии сплавления должна быть не менее 80 Дж/см2.

При выполнении перечисленных условий (в случае правильного выбора режима гибки) механические свойства отводов в деформируемых зонах будут соответствовать требованиям нормативных документов на трубы, из которых они изготовлены.

6. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение.

7. ГОСТ 6996-66. Сварные соединения.

Методы определения механических свойств.

8. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженых, комнатной и повышенных температурах.

9. ГОСТ 6996-66. Сварные соединения.

Методы определения механических свойств.

10. BS 7448-1:1991. Fracture mechanics toughness tests. Method for determination of K1C, critical CTOD and critical J values of metallic materials.

11. BS 7448-2:1997. Fracture mechanics toughness tests. Method for determination of K1C, critical CTOD and critical J values of welds in metallic materials.

№ 1 (17) / 2014