Условия эксплуатации труб различного назначения.

Газонефтепроводные трубы во время эксплуатации работают в условиях, которые отличаются от работы других металлических конструкций. Это связанно с природно-климатическими условиями их применения, воздействием постоянных газов или нефти. Запас внутренней упругой энергии магистрального газопровода возрастает с увеличением диаметра трубы и рабочего давления транспортируемого газа (рис. 1)

Рис. 1 Влияние энергии газа в газопроводе на величину поглощенной энергии разрушения А_н образцов DWTT:

1 – D = 1020 мм, Р = 5,5 МПа, 2 – D = 1220 мм, Р = 55, МПа, 3 – D = 1420 мм, Р = 7,5 Мпа, 4 – D = 1420 мм, Р = 10 Мпа, 5 – D = 1420 мм, Р = 12 Мпа

В таких условиях при наличии дефекта или при зарождении в металле трубы трещины может происходить разрушение трубопровода лавинного типа. В целях предупреждения разрушений предъявляются требования к механическим свойствам, сопротивлению зарождения и распространению разрушений.

Прочность трубопроводов и их эксплуатации определяются уровнем свойств и качества труб и уровнем нагрузок, вызванных внутренним давлением. Существует метод расчета труб, отражающий работоспособность трубопроводов; это подтверждается тем, что разрушение, как правило связанно с недостатком прочностью металла, а с недостатком вязкости или его коррозионной стойкостью.

Для строительства магистральных труб требуется не только высокое качества труб, но и дешевые.

За последние 10-15 лет достигли большой достаточно прогресс в области обновления и совершенствования технологии производства металлопродукции для труб большого диаметра.

Известно, что с понижением температуры у низколегированных стадий ухудшается вязкость, пластичность и сопротивление хрупкому разрушению. Если возникают трещины, то даже при напряжениях происходит быстрое распространение трещин.

Для повышения плотности газа в современных газопроводах его охлаждают до определенной температуры в, и в таком состоянии транспортируют на большие расстояния. В этом случае кроме предупреждения образования дефектов требуется определенная хладостойкость для эксплуатационной надежности. Такие опасение после транспортировке нефти не возникает, поскольку в северных районах ее подогревают и основная сводится к применению мер, предотвращающих образование дефектов сварки в процессе строительства. Если в нефтепроводе образуется трещина, то разрушение обычно носит локальный характер. На участке разрушения происходит утечка нефти, в результате чего давление снижается, причем снижается быстрее, чем распространяется трещина и дальнейшее разрушение приостанавливается. В противоположность этому в газопроводах снижение давления при разрушении (декомпрессия) в связи с высоким коэффициентом сжимаемости газа происходит медленнее, чем распространяется трещина, поэтому разрушение происходит практически мгновенно, лавинно и имеет большую протяженность. Это обстоятельство позволило обосновать в последние годы жесткие требования, предъявляемые к вязкости стали.

Разрушения, вызванные внутренним давлением, разделяются на хрупкие при скорости распространения его более 500 м/си вязкие – при скорости менее 300 м/с. При скоростях распространения разрушения в интервале 500 - 300 м/с – переходное разрушение. Хрупкие разрушения иногда происходит при сравнительно низких напряжениях и распространяются на большие расстояния.

Хрупкие (лавинные) разрушения в газопроводах распространяются без снижения давления газа в вершине движущейся трещин, так как скорость их распространения превышает скорость декомпрессии более чем в 1,5 раза. Они распространяются по траектории типа «синусоида» вдоль оси трещины, обычно с ответвлениями, под действием упругой энергии металла труб вследствие недостаточного сопротивления его хрупкому разрушению. Образование такой трещины связано с внутренним либо с внешним дефектом. Излом металла характеризуется кристаллическим узором типа «ёлочки».

Большую опасность для свариваемых мощных магистральных газопроводов представляют вязкие разрушения, характеризуется большой протяженностью. Такие разрушения распространяются строго прямолинейной траектории вдоль оси газопровода с гофрированием кромок разрыва примерно со скорости 100 – 300 м/с. Это свидетельствует о сильной пластической деформации вдоль кромок. Причиной возникновения вязкого разрушения является недостаточно высокая ударная вязкость материала труб. Движущей силой такого разрушения в газопроводах служат упругая энергия металла труб и сжатого газа. С увеличением скорости разрушения трещины при вязком разрушении возрастает его протяженность, поскольку в меньшей мере снижается давление в вершине трещины. В связи с этим совершенно обоснованно предъявляются жесткие требования к вязкости металла газовых магистральных трубопроводов. В нефтепроводах снижение давления в трубах происходит быстрее, чем распространяется трещина, поэтому вязкое разрушение в них носит локальный характер. Однако в этом случает происходит ильное загрязнение окружающей среды, поэтому следует принимать меры по предупреждению разрушений нефтепроводов.

В настоящее время оценка проверки труб вязкому разрушению производится косвенными методами по величине работы разрушения образцов DWTT, илиударной вязкости образцов с острым надрезом. Расчетные методы определения вязкости стали газопроводов для предупреждения перехода вязкого разрушение в хрупкое разработаны различными организациями, причем считается, наибольшие результаты, по крайне мере для труб диаметром мм,дает формула, разработанная институтом нефти и газа Баттеля (США):

KCV = 2,38 • 10^-5 σ_н (R • t)^1/3,

где KCV – ударная вязкость на образцах с острым надрезом, необходимая для предупреждения перехода вязкого разрушения в квазихрупкое; R – радиус трубы, t – толщина стенки трубы, мм; σ_{н –} номинальные кольцевые напряжения стенки труб при рабочем давлении.

ВНИИСТом предложена расчетная формула для определения скорости вяского разрушения в зависимости от диаметра трубы, рабочего давления и вязкости стали:

А_н = 1,760 + 0,326 Р + 0,0026 D – 0,0164 v,

где А_н – энергия вязкого разрушения полнотолщинного образца при ударных испытаниях, кДж; Р – рабочее давление в газопроводе, Мпа; D – наружный диаметр газопровода, мм; v – скорость разрушения, м/с.

Из сопротивления расчетных данный, полученных с помощью уравнения, с результатом натуральных испытаний было установлено, что оно с удовлетворительной скоростью определяет сопротивление разрушения.

Результаты испытаний образцов DWTT наиболее близко коррелируют с результатами пневматических испытаний труб. Из числа известных свойств работа разрушения образцов DWTT наиболее правильно отражает сопротивление труб вязкому разрушению и ее работоспособность. Приведенные данные позволяют установить требования, предъявляемые к вязкости стали, исключающие возможность распространения вязкого по газопроводу.

Нормативные требования, предъявляемые к трубам диаметром 1420 мм для газопроводов с рабочим давлением 7,5 МПа, были разработаны на основе лабораторных и натурных пневматических испытаний полноразмерных труб до разрушения.

Для разработки требований предложен расчетно-экспериментальный метод определения необходимого уровня вязких свойств металла.

Металлоемкость магистральных трубопроводов при постоянных диаметров и давлении значительно снижается с увеличением прочности применяемой стали, сохраняя остальные показатели на достигнутом высоком уровне (таб. 1). Исключительно важно то, чтобы увеличение уровня прочности труб не вызвало ухудшения других требуемых свойств.

Таблица 1 . Экономия металла за счет увеличения прочности труб диаметром 1420 мм при давлении 7,5 МПа

В ряде случаев возникает необходимость транспортировки газа или нефти с большим содержанием сероводорода, содержащего влагу, поэтому требуется принятие мер по повышению коррозионной стойкости металла трубопровода. Влияние влажного сероводородного газа ли нефти проявляется в образовании по толщине стенки трубы параллельных трещин, которые соединяются между собою и образуют сквозные повреждения. Атомарный водород диффундирует внутрь стали, концентрируется в дефектных местах или около неметаллических включений и вызывает сероводородное растрескивание.