ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Описание к ИЛ № 11-012-00

Результат выполнения научно-исследовательской работы.

Проведены исследования прочности труб большого диаметра разной технологии изготовления на раз­личных этапах разрушения, в условиях повторно-статического нагружения внутренним давлением: инкубационного периода за­рождения трещины; развития трещины до критических размеров; инициирования трещины с потерей герметичности трубы.

К испытанию были приняты штатные трубы без специального отбора:

- труба Волжского трубного завода, диаметром 720 мм, с толщиной стенки 10,5 мм, из стали 17Г1С, класса прочности К60;

- труба Выксунского металлургического завода, диаметром 720 мм с толщиной стенки 9,2 мм, из стали 17Г1С-У, класса прочности К52.

Из каждой трубы изготовлялись по два стенда одинаковой длины (5м) для проведения циклических и статических испытаний.

Испытательные нагрузки при циклических испытаниях выби­рались по расчетным зависимостям СНиП 2.05.06-85 с учетом нор­мативных механических свойств материала и толщины стенки. По­вышенный режим испытания спиральношовной трубы по испытатель­ному циклическому давлению (2 ё95 бар), по сравнению с прямо-шовной (2 ё72 бар), обусловлен большей толщиной стенки (10,5 мм против 9,2 мм - на 10 бар) и более высокими нормативными ме­ханическими характеристиками, получаемыми в результате термо­обработки, (60 кгс/мм ² против 52 кгс/мм ² - на 13 бар), всего на 23 бар. Условия нагружения испытываемых труб эквивалентны по отношению к назначаемому нормативному рабочему по СНиП 2.05.06-85 давлению для трубопроводов 1-2 категории.

Перед испытаниями все сварные соединения, включая завод­ской шов и монтажные кольцевые швы, прошли 100% ультразвуко­вой контроль на наличие дефектов. Ультразвуковой контроль ос­новного металла труб на наличие несплошностей проводился с ис­пользованием координатной сетки с шагом 100 мм. Дефектов свар­ных швов и основного металла обнаружено не было.

Назначенный режим испытаний на базе 10000 циклов соответ­ствовал эксплуатационному ресурсу нефтепроводов (33 года) с десятикратным запасом по долговечности.

Обе трубы выдержали базу нагружения без разрушения.

После завершения испытаний был проведен 100% УЗК завод­ских сварных швов, отрезаны герметизирующие днища и проведена визуальная дефектоскопия заводских сварных швов с внутренней поверхности на предмет наличия повреждений, не зафиксирован­ных УЗК. Повреждений в околошовной зоне не обнаружено.

Отсутствие видимых малоцикловых повреждений в испытанных трубах связано с достаточно высоким качеством формирования сварных швов и низким расчетным коэффициентом концентрации напряжений в околошовной зоне: спиральный шов - 2,72; продольный шов - 2,08. Расчетная долговечность для этих сварных соединений в условиях испытаний составляет порядка 10 циклов нагружения.

Для изучения вопроса скорости возникновения и развития эксплуатационных усталостных трещин при возможном нарушении технологии формирования сварных швов на испытанных трубах были нанесены одинаковые искусственные концентраторы напряже­ний в виде надрезов по околошовной зоне на внутренней поверх­ности стенки труб.

Испытания труб с надрезами проводились на тех же режимах (давление в спиральношовной трубе - 2 ё95 бар, в прямошовной трубе - 2 ё72 бар) малоциклового нагружения.

Прямошовная труба выдержала до разрушения 1627 циклов. Спиральношовная - 4407 циклов нагружения. Разрушение обеих труб реализовалось в виде свища с видимой на наружной поверх­ности труб волосяной трещиной.

Проведены статические испытания вторых отрезков труб с искусственными дефектами, имитирующими такие трещины.

На стендах вдоль кромки швов, в средней части отрезков труб, нанесены надрезы с использованием шлифмашинки с пара­метрами: длина надрезов - 450±.5 мм; длина по уровню максималь­ной глубины - 400 мм; глубина надреза на спиральношовной тру­бе - 7,1±.0,1 мм; глубина надреза на прямошовной трубе - 6,3±0,1 мм; ширина надрезов - 3±.0,3 мм.

Глубина надрезов выбиралась из условия их эквивалентнос­ти (глубина надреза равна 0,7 от толщины стенки).

Нагружение внутренним давлением проводилось установками на малоцикловое испытание в ручном режиме.

Прямошовная труба разрушилась при давлении 60 бар при расчетном значении 60,4 бар.

При расчетном значении разрушающего давления для продоль­ного дефекта 63,0 бар, спиральношовная труба выдержала дву­кратное нагружение внутренним давлением до 100 бар без разрушения.

Для выявления фактической несущей способности спирально­шовной трубы углубили надрезы до 8,3 мм. После углубления стенд из спиральношовной трубы был разрушен при давлении 77 бар при расчетном значении для продольного надреза 44 бар.

Влияние структуры зон сварного соединения сказалось на характере разрушения. В прямошовной трубе малоцикловая тре­щина имеет ветвистый характер и распространяется, главным об­разом, по зоне сплавления. В спиральношовной трубе, за счет структурной однородности сварного соединения, магистральная трещина ответвлений не имеет и распространяется перпендику­лярно стенке трубы.

Основным фактором образования усталостных трещин как в прямошовных, так и в спиральношовных трубах является перемен­ное эксплуатационное внутреннее давление.

В процессе испытаний было выявлено, что обе трубы вы­держали назначенный режим испытаний на базе 10000 циклов, соответствующий эксплуатационному ресурсу нефтепроводов (33 года) на участках всех категорий с десятикратным запасом по долговечности.

При наличии одинаковых дефектов сварного шва, цикли­ческая долговечность спиральношовной трубы в 2,7 раза выше, чем прямошовной.

При наличии эквивалентных протяженных дефектов сварного шва, статическая трещиностойкость спиральношовной трубы в 1,7 раза выше, чем прямошовной.

Проведение испытаний позволило определить, что спиральношовные трубы обладают более высокой циклической долговеч­ностью и трещиностойкостью.