ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Трубы с повышенным сопротивлением продольным трещинам и образованию складок

Рекомендуемая область пременения

Магистральные нефте- и газопроводы.

Назначение, цели и задачи проекта

Замена дорогих импортных труб из вязких сталей трубами из материалов с меньшей вязкостью разрушения, в которых сопротивление распространению продольных – наиболее опасных – трещин обеспечивается за счет конструктивных особенностей (ребер). Обеспечение безопасности эксплуатации трубопроводов в районах с возможными большими смещениями грунта (сейсмичность и т.п.).

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Хорошо известно, что для магистральных трубопроводов особую опасность представляют продольные трещины, способные достигать значительной длины – до нескольких километров – и приводящие к тяжелым экономическим и экологическим потерям из-за разлива значительного количества нефти или возгорания (взрыва) большого объема газа. Для предотвращения таких трещин в настоящее время используются трубы из материалов с высокой вязкостью разрушения. Такие трубы импортируются из-за рубежа либо изготавливаются в России из импортного листа (штрипса) и потому достаточно дороги. Трубы из российских материалов с повышенной вязкостью разрушения также существенно дороже труб из традиционных трубных сталей. Поэтому существует практика чередования при сооружении трубопровода труб из разных материалов – после нескольких «обычных» устанавливается труба с высокой вязкостью разрушения, ограничивающая длину возможной трещины и предотвращающая возможность катастро­фического разрушения.

Создание подобной «ловушки» для трещины возможно не только за счет изменения свойств материала, но и за счет местного изменения тол­щины стенки трубы – кольцевого ребра (рис. 1). Ребро должно иметь достаточно плавную форму, чтобы не создавать концентрации напряжений. Ребра могут быть выполнены как на трубах стандартной длины, так и на отдельных деталях – вставках.

Другой возможной областью применения оребренных труб является замена труб сейсмического класса безопасности, применяемых при строительстве трубопроводов в районах, где возможны значительные смещения грунта (районы геологических разломов). В настоящее время для строительства таких трубопро­водов используются трубы с увеличенной (до 30 мм) толщиной стенки, которые способны нести значительные нагрузки и хорошо сопротивляются образованию складок (которые могут  приводить к исчерпанию ресурса пластичности, образованию трещин и разгерметизации), но достаточно дороги. Использование труб с ребрами позволяет управлять картиной образования складок, значительно снижая их опасность за счет замены одной складки с большими деформациями множеством более мелких – и, соответственно, менее опасных складок.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Изготовление кольцевых ребер – утолщений на трубах большого диаметра с помощью традиционных технологий было бы чрезвычайно дорогим: осевое сжатие трубы для создания утолщений или изготовление ребер как отдельных деталей с последующей приваркой к трубе требует специального оборудования.

ТВЧ, газовые горелки и т.п.) и охлаждения (водяные спрееры).

Особенностью прогрессирующего формоизменения является сложная зависимость накопления деформаций от вида циклически меняющегося температурного поля. Выполненные теоретические работы позволили опреде­лить вид полей, приводящих к требуемому результату. Было показано, что рост ребер может быть получен при температурах ниже тех, которые вызывают фазовые превращения в материале; таким образом структура металла не будет нарушена. Полученные теоретические результаты были подвергнуты проверке в лабораторных условиях, пример полученных в опыте ребер показан на фото 2. Производительность процесса достаточно высока: на трубе из стали 20 диаметром 80 мм с толщиной стенки 6 мм кольцевое ребро высотой 6 мм вырастает за три минуты при макси­мальной температуре нагрева 550° (при изготовлении стандартных деталей процесс формоизменения не может конкурировать по производительности с процессами типа штамповки, однако он позволяет получать детали, получение которых иным способом невозможно).

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Основными потребителями труб большого диаметра (600…1420 мм) в России являются компании Газпром и Транснефть. Трубы водоводов в данном проекте не рассматриваются, поскольку эксплуатируются при значительно более низких давлениях, чем газо- и нефтепроводы и поэтому не подвержены опасности возникновения протяженных разрушений.

Потребность в трубах определяется двумя факторами – строительством новых трубопроводов и ремонтом старых. В настоящее время только ремонтные потребности в трубах диаметром 420…1220 составляют: для Транснефти около 1500 км в год, для Газпрома – примерно в 3 раза больше. Потребность в трубах в ближайшее время будет возрастать, поскольку растет как объем транспортировки, так и потребность в ремонте вследствие исчерпания ресурса. По официальным оценкам, для покрытия растущих потребностей Старого Света к 2020г. потребуется поставлять до 800 млрд. м³ газа против нынешних 550 млрд. м³. Кроме того, к 2020 г. доля газопроводов, прослуживших более 30 лет (плановый ресурс), возрастет до 46%, доля нефтепроводов - до 64%.

Потребность в трубах покрывается за счет российского производства и импорта. В России производство труб большого диаметра сосредоточено на Челябинском, Волжском и Выксунском трубных заводов. При этом ЧТПЗ является основным производителем труб нефтепроводов, практически полностью обеспечивая потребности Транснефти. В 2005 году ЧТПЗ выпущено около 865 тыс. тонн труб, в т.ч. более 400 тыс. тонн – больших диаметров (830, 1020, 1220 мм). На Выксунском заводе линия по производству прямошовных одношовных труб диаметром 530-1420 мм введена в эксплуатацию в апреле 2005 г., проектная мощность линии составляет 450 тыс. тонн труб диаметром до 1420 мм. Волжский трубный в 2005 году выпустил около 300 тыс. тонн труб 1420 для Газпрома. Это спиральношовные трубы, применение которых Газпромом ограничено.

В мировом производстве труб доля России составляет в настоящее время около 11% (хотя в начале 90-х гг. по этому показателю страна занимала первое место). Россия поставляет на мировой рынок до 19% произведенных труб и импортирует до 16% их внутреннего потребления. В этой последней цифре не учтен «скрытый» импорт, заключающийся в производстве трубы на российских заводах (в частности, Выксунском) трубы из импортной заготовки – штрипса. Таким образом, не менее 200 тысяч тонн труб в год импортируется для удовлетворения потребности в трубах с высокой вязкостью разрушения.

Ориентировочные цены на трубы больших диаметров в настоящее время составляют:

-    для прямошовных труб из стали 20, 17Г1С   – 37 тыс. руб. за тонну,

-    для импортных труб по стандарту API 5L     – 54 тыс. руб. за тонну.

Отметим еще раз, что, в то время как прочностные характеристики (предел прочности, предел текучести) импортных и российских труб близки, их деформационные характеристики заметно отличаются. Таким образом, указанная выше разница в ценах есть плата не за прочность, а за повышенную трещиностойкость. Российские трубы из вязких сталей также заметно дороже труб из традиционных материалов типа 17ГС – тонна трубы из стали 10Г2ФБ стоит 46 тыс. руб.

Выпускаемые в настоящее время ЧТПЗ трубы диаметром 1220 мм с толщиной стенки 15 мм весят около 5.4 тонны (при длине 12 м), в этом случае разница в цене между российскими и импортными трубами составляет 90 тыс. рублей за 1 трубу.

Затраты на изготовление ребер на трубе сложатся из стоимости оборудования, затрат на электроэнергию для нагрева трубы и воду для ее охлаждения, заработной платы, налоговых отчислений. Грубая оценка себестоимости изготовления ребер на трубе приведена ниже.

-       Примем, что процесс производства 1 ребра займет 30 минут (в лабораторных условиях – 3 минуты). Из условия удобства транспортировки на трубе необходимо изготовить 2 ребра (хотя для торможения трещины достаточно одного). Для управления процессом образования складок при сейсмических воздействиях число ребер должно быть увеличено до 8 на 12-метровую трубу.

-       Если принять, что к.п.д. процесса получения ребер за счет формоизмене­ния в производственных условиях будет в 10 раз ниже, чем в лабора­торных (оценка с ошибкой «в запас»), то расход энергии на получение одного ребра составит 480 кВт^.час. С учетом необходимости изготовления 2 ребер и затрат на воду (при использовании оборотной воды) можно принять, что эти расходы составят 1000 руб. на 1 трубу.

-       Цена генератора ТВЧ необходимой мощности – порядка 350 тыс. руб. Примем, что дополнительное оборудование (для подачи трубы и т.п.) увеличит эту цену в 4 раза. Примем срок амортизации 10 лет (на самом деле генераторы ТВЧ используются на всех трубных заводах и реальный срок эксплуатации нередко составляет 30 лет). Тогда амортизация оборудования за время выпуска одной трубы даже при односменной работе оборудования составит 44 рубля.

-       Считая, что установку обслуживают 3 человека, и приняв, что зарплата каждого составляет 14 тыс. руб. в месяц, в расчете на 1 трубу получим вместе с налогами 410 руб.

Таким образом, себестоимость создания ребер на одной трубе оказывается равной 1500 руб. для 2 ребер («ловушки для трещин») или, соответственно, 6000 руб. для 8 ребер (управление образованием складок), в то время как отличие цены на трубу с повышенной трещиностойкостью от цены «обычной» трубы – от 48 до 90 тыс. руб. (48 тыс. – для труб из стали 10Г2ФБ, 90 – для импортных труб).

Использование одной установки (при коэффициенте использования 0.8) позволит изготавливать ребра на 1600 трубах в год, что составляет менее 1% от закупаемых в настоящее время импортных труб. При этом, даже с учетом того, что импортные трубы используются вместо российских по целому ряду причин кроме повышенной трещиностойкости, можно ожидать, что предлагаемые оребренные трубы будут проданы все вследствие их дешевизны по сравнению с импортными. Если принять, что прибыль от одной трубы составит 1 тыс. руб. (т.е. не более 1/30 от существующей разницы в ценах на трубы с повышенной и «обычной» трещиностойкостью), годовая прибыль такого предприятия будет составлять 1.6 млн. руб.

Приведенные оценки являются очень упрощенными, не учитывающими, в частности, разновременность вложения денег при покупке оборудования и получения прибыли. Однако они доказывают экономическую целесообразность создания подобного предприятия.

Использование одной установки позволит занять малую (как указано выше, менее 1%) долю рынка и, таким образом, оставляет возможности для последующего развития. Следует еще учесть, что в перспективе прибыль может быть получена и на экспортируемых трубах (а, как указано выше, доля экспорта превышает долю импорта) или за счет продажи лицензий произ­водителям труб в Европе и Азии (Mannesmann, EuroPipe, «Ниппон Стил», «Сумитомо», «Кавасаки Стил», «Ниппон Коккан», «ЖТС», «Клекнер» и др.).

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Энерго- и природосбережение, связанное с предлагаемой технологией, определяется заменой труб из вязких легированных сталей на трубы из сталей обыкновенного качества или – для труб сейсмического класса – заменой труб с большой толщиной стенки трубами с меньшей средней толщиной стенки. Снижение металлоемкости и расхода легирующих элементов составляет, по оценкам, около 30%.

Новые потребительские свойства продукции

Предлагаемая технология позволяет обеспечить существующий уровень безопасности эксплуатации трубопроводов при существенно меньших расходах на изготовление труб.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Процедура создания ребер может быть реализована для стандартных серийно выпускаемых труб магистральных нефте- и газопроводов.

Стадия и уровень разработки

Выполнены теоретические исследования и лабораторные эксперименты на малых образцах (трубы ?80).
Переход на трубы больших диаметров требует некоторых дополнительных расчетов и экспериментальной отработки.
Экспериментальная отработка может быть выполнена на оборудовании, имеющемся на ЧТПЗ и ОАО «Трубодеталь» с небольшими доработками.

Предлагаемые инвестиции

1,8 млн. руб.

Рынки сбыта

Оценка возможного рынка приведена выше в разделе 10 «Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии». Основной проблемой организации сбыта предлагаемой продукции является ее новизна и отсутствие стандартов, регламентирующих использование оребренных труб при сооружении магистральных трубопроводов. Поэтому могут быть рассмотрены варианты, включающие либо соответствующую процедуру сертификации внутри страны, либо патентование за рубежом и экспорт.

Возможность и эффективность импортозамещения

Замена закупаемых в настоящее время германских и японских труб большого диаметра доработанными отечественными. В настоящее время импорт труб для удовлетворения потребности в трубах с высокой вязкостью разрушения превышает 200 тысяч тонн в год.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

25.09.2007