Спиральношовные трубы для МТ

Спиральношовные трубы большого диаметра стали использовать при строительстве трубопроводов высокого давления около 40 лет назад. В настоящее время Спиральношовные трубы большого диаметра производятся практически во всех развитых странах. Качество их не вызывает сомнения, и те достаточно длительный срок эксплуатации трубопроводов из спиральношовных труб позволяет сделать вывод о высоком уровне их надежности на опасных производственных объектах - магистральных нефтегазопроводах.

В 1964 г. спиральношовная труба была использована для строительства трубопровода в Германии. Первый немецкий стандарт для трубопроводов высокого давления, включающий прямошовные и Спиральношовные трубы, - DIN 17172 был выпущен в 1966 г. Параллельно в США в 1967 г. были приняты технические условия API 5LS на Спиральношовные трубы, которые в 1980 г. были объединены с документацией на прямошовные трубы (API 5LX) в единый технический документ - API 5L, регламентирующий требования к нефтегазопроводным трубам и в настоящее время.

Спиральные трубы, изготовленные в Германии на заводах Estel и Salzgitter, одними из первых в мировой практике получили монограмму API в 1967 г. На сегодняшний день крупнейшими производителями спиральношовных труб большого диаметра являются ведущие мировые фирмы-изготовители трубной продукции, среди которых известные японские компании ("Ниппон Кокан", "Ниппон Стил", "Кавасаки"), немецкие (Salzgitter Grossrohre GmbH, Bender-Ferndorf, GHS), итальянские ("Новый Италсидер", TUBIFICIO LOMBARDO SRL). Турецкие трубные фирмы производят практически только Спиральношовные трубы как для нефтегазового сектора, так и для водогазопроводных систем. Отметимкрупнейшиекомпании: Borusan Mannesmann, Noksel, Hatboru, Erciyas Steel Pipe Ind., Umran Steel Pip. Китайские производители труб для нефтяной и газовой промышленности в последние годы активно наращивают мощности по производству спиральношовных труб из рулонной стали (преимущественно собственного изготовления) категории прочности до Х70 включительно. В 2000-2001 гг. в КНР введены в действие линии по производству спиральношовных нефтегазопроводных труб на заводах в городах Баоджи, Хайбее, Цибо и Шаши. Трубы предназначены главным образом для нужд китайского газопроводного проекта "Запад - Восток". В настоящее время существуют два вида труб большого диаметра: прямошовные и Спиральношовные. Если начало применения прямошовных труб для строительства объектов газовой и нефтяной отраслей относится к середине XIX в., то Спиральношовные трубы стали применяться как газонефтепроводные только с 60-х гг. прошлого столетия. Это объясняется неудовлетворительным качеством формовки и сварки в то время. Лишь с введением двухсторонней электродуговой сварки под флюсом удалось получить высококачественное сварное соединение спиральношовной трубы, равноценное сварному соединению прямошовной. Улучшение технологии прокатки исходной заготовки, усовершенствование машин и механизмов, применение эффективных сварочных технологий, а также использование современных методов и средств неразрушающего контроля позволили поднять статус спиральношовной трубы. На примере крупнейшего производителя спиральношовных труб в Турции - компании Borusan Mannesmann прослеживаются основные тенденции, положительные результаты и преимущества производства и применения спиральношовных труб в мировой практике. Компания Borusan Mannesmann имеет три трубных завода в Турции и один в Италии. Турецкие предприятия (заводы "Халкали", "Гемлик", "Измит") расположены в районе города Истанбул. Завод "Вобарно" расположен на северо-востоке Италии, в провинции Ломбардия. Совокупная годовая мощность всех заводов фирмы превышает 750 тыс. т/год, половина указанного количества труб идет на экспорт. На заводе "Измит" производятся Спиральношовные трубы для нефтепроводов, газопроводов, водопроводов и строительных целей (для свай) в количестве 150 тыс. т/год диаметрами от 355 до 2540 мм, с толщиной стенки от 4,5 до 23 мм, длиной от 6 до 16 м из стали Х70 (API 5L). По мнению компании Borusan Mannesmann, спирально-шовные трубы не только являются эквивалентной заменой прямошовным, но и дополнительно имеют ряд преимуществ:

- не требуется калибровочных процедур (холодное экспандирование или калибровка на вальцах);

- механические свойства соответствуют показателям исходного металла, в то время как любое холодное экспандирование приводит к потере механических свойств, прежде всего пластичности и вязкости, поэтому спиральношовные трубы более надежны;

- при проведении гибки спиральношовных труб в полевых условиях, что является общепринятой мировой практикой, нет необходимости контролировать положение сварного шва;

- ориентация сварного шва и направления прокатки рулона в высшей степени благоприятны относительно главных действующих напряжений.

Спиральношовные трубы подтвердили высокие эксплуатационные свойства, необходимые для высокопрочных нефтегазопроводов. Трубы фирмы Borusan Mannesmann использовались в крупных международных газовых трубопроводных проектах в Алжире, Турции, Иране, Тунисе и странах Ближнего Востока. Одним из крупнейших поставщиков спиральношовных труб в Турции является фирма Nok-sel, основанная в 1987 г. как специализированный производитель труб для транспортировки природного газа, нефти, воды, а также для портовых свай и строительных целей. Noksel производит спиральношовные трубы на двух заводах: в городах Хендеке и Искендерун. Оба предприятия имеют практически одинаковые производственные мощности и выпускают один и тот же сортамент труб. Заводы ориентированы главным образом на выпуск труб по API 5L для нефтяной и газовой промышленности. Используются также стандарты DIN 17172, TS 6047 и российский ГОСТ 20295. Оба завода обладают мощностями для нанесения широкого спектра защитных покрытий на эпоксидной, битумной, бетонной, полиэтиленовой основе в соответствии с требованиями нормативной документации и заказчиков. Производительность каждого завода составляет 200 тыс. т/год. Трубы поставляются длиной от 6 до 24 м, наружные диаметры - от 219 до 3048 мм, толщины стенок - от 4 до 26 мм. Нефтегазопроводные трубы изготавливаются из горячекатаной рулонной стали групп прочности В, Х42-Х70 включительно (по API 5L) с использованием двухсторонней электродуговой сварки под флюсом. Noksel имеет сертифицированную систему контроля качества, охватывающую все производственные процессы, начиная от контроля исходных материалов, включая сварочные материалы, до транспортировки готовой продукции. Система управляется из единого компьютерного центра с помощью специальной программы, называемой SAP, которая способна нивелировать в широких пределах последствия ошибок персонала, тем самым практически исключить влияние человеческого фактора на качество готовой продукции. Экспортная география поставок фирмы весьма обширна. Из последних крупных нефтегазовых проектов фирмы следует отметить поставки в Тунис по заказу Ассоциации газа и электричества (20 тыс. т), в Кувейт для Нового нефтяного проекта (20 тыс. т), в Алжир (около 50 тыс. т) и Иран (12 тыс. т). В 80-90-е гг. продукция фирмы поставлялась в Российскую Федерацию для нужд нефтегазового комплекса. Следует отметить, что турецкая часть международного проекта ОАО "Газпром" "Голубой поток" укомплектована спиральношовными трубами турецких производителей (Noksel, Borusan Mannesmann). Вопросов относительно целесообразности их использования для строительства газопроводов высокого давления у турецкой стороны не возникало. Крупнейшим европейским производителем спиральношовных труб большого диаметра является промышленная группа Salzgitter Grossrohre GmbH. Уже более 35 лет завод по производству спиральношовных труб в г. Зальцгиттер (Центральная Германия) занимает лидирующие позиции в Европе по выпуску данного вида продукции. Современная технология и оборудование позволяют фирме производить высококачественные спиральношовные трубы большого диаметра для мощных газопроводов, трубы для обустройства газовых хранилищ, нефте- и нефтепродуктопроводов и водопроводов. Более 95 % продукции фирмы производится из высокопрочных трубных сталей. Процесс производства спиральношовных включает две стадии:

- формовку спиральношовной трубы с наложением технологического шва;

- электродуговую сварку под флюсом рабочих швов (внутреннего и наружного) на отдельном сварочном агрегате.

Указанной технологии присущи следующие преимущества:

- высокая скорость формовки благодаря скоростной технологической сварке (до 12 м/мин);

- улучшение геометрии труб (точности формовки) в формующем устройстве путем устранения препятствий со стороны электродуговой сварки под флюсом, которая производится отдельно;

- стабильное качество труб за счет комплексной автоматизации технологии электродуговой сварки под флюсом и отсутствия влияния процесса формовки на сварочный процесс. Фирма Salzgitter Grossrohre GmbH имеет собственный завод по изоляции труб, который обеспечивает высококачественное нанесение покрытий (наружного и внутреннего) на спиральношовные трубы в соответствии с требованиями заказчика. Внутреннее покрытие не только гарантирует противокоррозионную защиту, но и снижает сопротивление потоку газа в магистральных газопроводах.

Рулонный прокат для изготовления спирально-шовных труб осуществляется на предприятии Salzgitter Flachstahl GmbH, которое входит в промышленную группу Salzgitter. Слябы для производства рулона получают методом непрерывной разливки. Параметры прокатки, такие, как температура нагрева прокатной печи, температура нормализации (отжига), скорость и температура прокатки, величина обжатия, интенсивность водяного охлаждения и температура рулона, контролируются компьютером и доступны в режиме on line при формовке труб. Прочность используемых трубных сталей варьируется в пределах от L 245 NB (EN 10208-2) или категории В (API 5L) до высокопрочной мелкозернистой стали Х80 (L555 MB) контролируемой прокатки для газопроводов. Широкий прочностной интервал сталей, применяемых для изготовления спиральношовных труб большого диаметра, обусловлен обширной областью их применения. Все стадии процесса производства труб регламентированы сертифицированной (API 01, DIN ISO 9001:2000) системой контроля качества, которая подвергается регулярным аудитам независимых аттестационных центров. Сортамент спирально-шовных труб фирмы Salzgitter Grossrohre GmbH: толщина стенки до 21 мм, диаметр от 610 до 1676 мм, длина труб до 18,2м. Трубы из стали группы прочности Х80 (L555 MB) могут производиться на базе стандартов EN 10208-2 или API 5L Производительность завода составляет около 200 тыс. т/год. Еще один производитель прямошовных и спиральношовных труб для трубопроводов - немецкая группа Bender-Ferndorf (г. Зигерленде). Группа на протяжении более чем 80 лет специализировалась в области выпуска прямошовных труб различного назначения, разработок и изготовления агрегатов для производства трубной продукции.

 

С точки зрения производителя сварных труб с продольным швом, следующим логическим шагом для Bender-Ferndorf было направление усилий на разработку и изготовление специальных агрегатов для производства трубной продукции с учетом значительного собственного опыта в этой области. Желание двигаться дальше в соответствии с требованиями рынка в плане увеличения длины готовых труб и все большей экономической эффективности процесса их изготовления привело к решению ввести в действие линию по производству спиральношовных труб. Около 40 лет фирма Bender-Ferndorf является законодателем в области новых стандартов в этой технологии, особенно в плане проектирования оборудования и испытаний, которые апробируются собственной практикой компании.

Технологический процесс Bender-Ferndorf (BF), как и описанные выше, использует горячекатаную рулонную полосу. Процессы формовки и сварки совмещены. В автоматизированном процессе, управляемом с помощью компьютера, основной акцент делается на точность по геометрии готовых труб. Общепризнанный факт, что спиральношовная труба компании Bender-Ferndorf является совершенно круглой (с минимальной овальностью) по всей длине и не требует никакой дополнительной калибровки, причем качество труб гарантируется технологией и оборудованием. Отличная геометрия готовых труб является важным преимуществом при строительстве трубопроводов.

С 1957 г. спиральношовные трубы доминируют в продукции компании. Сортамент спиральношовных труб: от 500 до 1800 мм по диаметру, от 6 до 25 мм по толщине стенки, до 35 м по длине, прочность труб - от категории В до Х70 включительно, по API 5L. Область применения труб: газопроводы и нефтепроводы; технологические трубопроводы для газовых и нефтяных хранилищ; водопроводы; протяженные линии энергетических коммуникаций; трубы для химической промышленности; бытовые нужды; для свай и строительных нужд; трубопроводы связи; специального применения. На трубы могут наноситься противокоррозионные покрытия самого современного образца, в частности наружные - полиэтиленовое и бетонное, внутренние - бетонное и эпоксидное. Высокое качество готовой продукции фирмы обеспечивается системой управления качеством, сертифицированной ведущими мировыми центрами (API, TUV). Тщательно выбираются поставщики рулонной стали, используется сталь только высокого качества известных европейских производителей. На всем протяжении производственного цикла трубы подвергаются автоматизированному контролю и испытаниям. Трубная промышленность Китая, которая в настоящее время бурно развивается и в ближайшей перспективе, несомненно, окажет влияние на расстановку сил трубного рынка, также преимущественно ориентирована на выпуск спиральношовных труб. Китайские трубные предприятия (на примере завода Baoji) производят спиральношовные трубы 508 -1420x7-21 мм, Х70 (API 5L), длиной 8-15 м для нефтяной и газовой промышленности.

На ОАО "Волжский трубный завод" (ВТЗ) используются два типа трубоэлектросварочных станов для автоматической сварки спиральношовных труб под флюсом: - стан производства "Витковице" (Чехия), на котором в качестве заготовки применяется рулонная сталь с шириной полосы 900-1800 мм; девять станов (из них работают четыре стана) производят трубы 530 -1420x6-16 мм;

- стан производства "Блом и Фосс" (Германия), на котором в качестве заготовки используется листовая сталь шириной 2500-4300 мм, может производить трубы 1420 x15,7-21,6 и 1620-2520x14-25 мм. При производстве спиральношовных труб для магистральных трубопроводов применяют (как и при производстве прямошовных) электродуговую сварку под слоем флюса. Сварка спирального шва труб осуществляется одновременно с процессом формовки и может выполняться двух- или трехслойной. В процессе изготовления спиральношовных труб сварка второго шва происходит пока первый еще горячий. Таким образом, сварка второго шва способствует отжигу и снятию напряжений первого шва, что повышает надежность сварного соединения. Сварка внутреннего технологического шва производится одной дугой в среде углекислого газа или под слоем флюса. Наружный шов выполняется одно- или двухдуговой сваркой. Внутренний рабочий шов при двух- и трехслойной сварке выполняется двумя дугами. Газонефтепроводные трубы сваривают с применением керамического флюса. В этом случае получается узкий по ширине сварной шов с плавным переходом к основному металлу и высокая ударная вязкость по металлу шва.

На ОАО "ВТЗ" качество спирального шва в процессе сварки контролируется по всей длине установкой автоматического ультразвукового контроля (АУЗК), расположенной на выходной стороне стана. После гидравлических испытаний качество каждого сварного соединения проверяют на стендах, оснащенных автоматизированными ультразвуковыми дефектоскопами. Одна поточная линия контроля была разработана, смонтирована и освоена специалистами завода; вторая - фирмой "Нординкрафт" совместно со специалистами завода. Обе линии прошли аттестацию. Концевые участки сварного шва на длине 200 мм контролируют на установках радиационного контроля с чувствительностью 2 % и с записью видеоизображения. Концы труб и зона фаски контролируются на стендах, оснащенных ультразвуковыми дефектоскопами.

Технические средства неразрушающего контроля, имеющиеся в настоящее время в трубоэлектро-сварочном цехе, обеспечивают выполнение требований международных стандартов и спецификации большинства потребителей к достаточности и достоверности контроля. Реализация программы развития и модернизации этих средств значительно расширила технологические возможности цеха и позволяет производить трубы большого диаметра для самых взыскательных потребителей.

Волжский трубный завод с 1977 г. осуществляет нанесение на трубы наружных защитных антикоррозионных покрытий: одно- и двухслойное эпоксидное, трехслойное полиэтиленовое, двух- и трехслойное полипропиленовое. Покрытие в процессе эксплуатации выдерживает температуру окружающей среды от -40 до 80 °С. Срок службы покрытий не менее 30 лет. Основные потребители спиральношовных труб с покрытием - ОАО "Газпром", ОАО "АК "Транснефть" и другие крупные нефтяные компании. На ВТЗ имеется уникальная, единственная в мире установка для термической обработки спиральношовных труб, благодаря которой появляется возможность изготовления труб класса прочности Х42-Х80 по стандарту API с исключительно высокими пластическими свойствами, в том числе с высокими показателями сопротивления металла ударным нагрузкам при минусовых температурах. Объемная термообработка (закалка плюс отпуск) обеспечивает высокий уровень прочностных и вязкостных характеристик металла трубы, выравнивание механических свойств основного металла, зоны термического влияния сварки и сварного шва трубы. Объемная термообработка позволяет получать трубы классов прочности от К52 до К65 (Х56-Х80, по API 5L).

Термическая обработка труб осуществляется по режиму:

- закалка - нагрев до (920 + 10) °С и охлаждение со скоростью не менее 70 °С/с;

- отпуск - нагрев до (650 + 20) °С и охлаждение в воде.

После улучшающей термообработки (закалка плюс отпуск) микроструктура металла приобретает однородное строение по всему телу трубы. Основной металл, металл шва, зона термического влияния сварки становятся однородными по структуре. При этом устраняются различия в механических характеристиках элементов конструкции трубы, происходит одновременное повышение прочностных и вязкопластических характеристик металла. В процессе нагрева под закалку полностью устраняются внутренние напряжения в трубах, связанные с формовкой и сваркой, а напряжение от закалки устраняется последующим отпуском, измельчается зерно в стали, что положительно сказывается на сопротивлении хрупкому разрушению. Улучшающая термообработка позволяет получить более высокий показатель ударной вязкости основного металла и сварного соединения при низких температурах у труб из обычных низколегированных сталей (17Г1С, 17Г1С-У, 13ГС, 13Г1С-У), не прибегая, таким образом, к использованию более дорогостоящих сталей при строительстве трубопроводов в северных регионах. Термообработанные трубы обладают существенно более высокими пластическими свойствами и показателями сопротивления ударным нагрузкам.

При обсуждении недостатков спиральношовных труб всегда указывалось на большую протяженность сварных швов по сравнению с одношовными прямошовными трубами. Однако благоприятное расположение сварных швов к направлению главных напряжений от внутреннего давления, что снижает напряжение в них на 30-40 %, улучшение структуры металла шва и зоны термического влияния при термообработке делают сварные соединения надежными. В практике трубопроводного строительства широко применяются гнутые отводы, получаемые путем холодной гибки и с нагревом токами высокой частоты. До недавнего времени для их изготовления использовались только прямошовные трубы. Возможность использования для этих целей спиральношовных труб появилась после проведения комплексных исследований и отработки технологии гнутья как за рубежом, так и в России.

ОАО "ВНИИСТ" проделало большую работу по определению возможности изготовления вставок кривых холодного гнутья из спиральношовных труб производства ОАО "Волжский трубный завод". Испытания и исследования гнутых отводов из спиральношовных труб производства ВТЗ в ОАО "Трубодеталь" показали, что при гибке спиральношовных труб с индукционным нагревом полностью выполняются все требования, изложенные в ТУ 102-488-95, и что эти отводы могут применяться при строительстве магистральных трубопроводов наряду с отводами, изготовленными из прямошовных труб. Немецкая фирма Stahlwerke Peine - Salzgitter AG проводила сравнительные испытания на изгиб в полевых условиях одинаковых по размеру 36-дюймовых прямошовных и спиральношовных труб с поперечным швом из стали класса Х60. Испытания проводились на гибочном станке с внутренней оправкой. Средний радиус загиба составил 1,83/D, овальность -ниже 1 % в зоне загиба, что меньше допустимого предела овальности в 2 раза. При испытаниях ориентация сварного шва спирально-шовных труб не учитывалась, в то время как в прямошовных трубах шов устанавливался в нейтральную позицию. Испытания показали, что овальность у прямошовных труб значительно выше, чем у спиральношовных.

Мировой опыт применения спиральношовных труб для трубопроводов в Германии, Перу, Канаде и других странах, где рельеф местности обязательно сопровождается изгибом чуть ли не каждой третьей трубы, показал, что не существует проблем с холодным загибом спиральношовных труб.

Полученные положительные результаты производства и испытаний гнутых отводов из спиральношовных труб производства ВТЗ явились основанием для разработки технических условий ТУ 146930-02-01297858-99 на изготовление вставок кривых холодного гнутья из спиральношовных труб для нефтепроводов ОАО "АК "Транснефть", а также внесения в Инструкцию по применению стальных труб в газовой и нефтяной промышленности PSI-31323949-58-2000 п. 2.1.3 о том, что спиральношовные трубы с заводской изоляцией, сделанные из рулона, допускается использовать для изготовления гнутых отводов и вставок кривых при строительстве магистральных газопроводов.

Анализ мирового опыта применения спиральношовных труб большого диаметра для магистральных трубопроводов высокого давления показывает, что данный вид труб благодаря непрерывному совершенствованию технологии формовки и сварки, улучшению металлургического качества трубной заготовки (рулона, листа) соответствует высоким требованиям безопасности, предъявляемым к трубам для магистральных газонефтепроводов. Спирально-шовные трубы даже с поперечным швом в предельных условиях сложного напряженного состояния удовлетворительно реализуют прочностные и пластические свойства как основного металла, так и спирального и поперечного швов и могут применяться для строительства магистральных нефтегазопроводов.

Сравнительные результаты по циклическим и статическим испытаниям прямошовных и спиральношовных труб (производства ВТЗ) показали:

- при одинаковых, искусственно нанесенных дефектах сварного шва циклическая долговечность спиральношовной трубы в 2,7 раза выше, чем прямошовной;

- статическая трещиностойкость спиральношовной трубы в 1,7 раза выше, чем прямо-шовной.

Таким образом, результаты многолетних аттестационных испытаний газонефтепроводных труб подтверждают, что спиральношовные трубы большого диаметра по работоспособности не уступают, а в ряде случаев и превосходят прямошовные трубы аналогичного сортамента. Сравнительный анализ возможностей трубных заводов показывает, что ОАО "Волжский трубный завод" по своим техническим показателям не уступает крупнейшим мировым производителям спиральношовных труб большого диаметра. Преимуществами технологического процесса производства на ВТЗ являются возможность изготавливать спиральношовные трубы из толстого листа, а также применение объемной термообработки труб. Оценка работоспособности труб производства Волжского трубного завода, произведенная специалистами ВНИИГАЗа и других организаций, свидетельствует о достаточном уровне надежности труб при эксплуатации. Опыт работы газотранспортной системы СССР и России позволяет положительно оценить использование спиральношовных труб при строительстве газопроводов и перспективность их применения на газопроводах и нефтепроводах при рабочем давлении до 9,8 МПа включительно.