Нормирование качества трубной продукции для магистральных трубопроводов является ключевым инструментом, влияющим на системную надежность и стоимость всего объекта трубопроводного транспорта. На сегодняшний день в отрасли действуют два альтернативных стандарта на трубы для магистральных трубопроводов, различающиеся принципами классификации труб по классам прочности и категориям качества: ГОСТ 31447-2012, основанный на отечественных принципах классификации, и ГОСТ ИСО 3183-2012, идентичный зарубежному стандарту ISO 3183:2007. Примером нормативного документа федерального уровня, частично устраняющего эти противоречия, является новый ГОСТ Р 56403-2015, относящийся к магистральному транспорту нефти и нефтепродуктов. ГОСТ Р 56403-2015 разработан на основе отечественных подходов к оценке прочности и принципах классификации труб, что особенно актуально в условиях реализуемой в стране политики импортозамещения.
Сварные трубы большого диаметра для магистральных трубопроводов являются базовым элементом системы объектов трубопроводного транспорта углеводородов. От качества труб и трубной продукции зависит системная надежность магистрального трубопровода. Стоимость строительства объекта трубопроводного транспорта в значительной степени определяется стоимостью используемых труб, которая, в свою очередь, зависит от количества нормируемых параметров трубной продукции и уровня требований, определяющих качество изготовления. Таким образом, нормирование в области производства труб для магистральных трубопроводов должно
основываться не только на классификации труб по классам прочности, но
и включать классификационные признаки по категориям качества.
Дифференциация труб для магистральных трубопроводов по категориям качества впервые была представлена в СНиП 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы». В зависимости от технологии изготовления, способа сварки и методов неразрушающего контроля все используемые трубы были разделены на четыре группы качества, для каждой из которых был установлен свой коэффициент надежности по материалу k1. Коэффициент надежности по материалу k1 входит в группу коэффициентов запаса при расчете требуемой толщины стенки труб при проектировании трубопровода. Чем выше номер группы по качеству труб, тем меньше значение k1, тем больше расчетное сопротивление трубной стали и, соответственно, меньше расчетная толщина стенки трубы. С другой стороны, чем выше категория качества, тем больше стоимость труб. Однако за счет уменьшения коэффициента запаса k1 для высших категорий качества и, соответственно, уменьшения расчетной толщины стенки труб снижается металлоемкость всего трубопровода, что в конечном итоге снижает общую стоимость объекта. При этом системная надежность магистрального трубопровода повышается.
Национальный стандарт ГОСТ Р 52079-2003 «Трубы стальные сварные для магистральных газопроводов, нефтепроводов и нефтепродуктопроводов. Технические условия» ввел понятия двух категорий качества изготовления труб: обычного и хладостойкого исполнения, отличающихся уровнем требований по ударной вязкости (KCU и KCV) и проценту волокна в изломе (DWTT) при нулевой и отрицательных температурах. 1 января 2015 года действие национального стандарта ГОСТ Р 52079-2003 на территории Российской Федерации было прекращено.
Взамен в качестве национального стандарта Российской Федерации 1 января 2015 года был введен в действие межгосударственный стандарт ГОСТ 31447-2012 «Трубы стальные сварные для магистральных газопроводов, нефтепроводов и нефтепродуктопроводов. Технические условия», сохранивший преемственность предыдущего стандарта ГОСТ Р 52079-2003. Однако за год до этого 1 января 2014 года также в качестве национального стандарта Российской Федерации был введен в действие другой межгосударственный стандарт ГОСТ ИСО 3183-2012 «Трубы стальные для трубопроводов нефтяной и газовой промышленности. Общие технические условия», представляющий собой копию зарубежного стандарта ISO 3183:2007 «Petroleum and Natural Gas Industries - Steel Pipes for Pipeline Transportation Systems».
По принципам классификации труб, оценке прочности и качества изготовления отечественный и зарубежный стандарты принципиально различаются. В отечественной практике расчета труб на статическую прочность традиционно сложился подход, основанный на предельном состоянии достижения максимальными расчетными напряжениями значения расчетного сопротивления, определяемого величиной временного сопротивления трубной стали. Этот метод расчета применяется преимущественно в строительной отрасли и называется методом расчета по расчетным сопротивлениям. В трубопроводном транспорте метод расчета по расчетным сопротивлениям регламентирован в СНиП 2.05.06-85* «Магистральные трубопроводы». На сегодняшний день действует актуализированная версия, имеющая федеральный статус свода правил СП 36.13330.2012 (СНиП 2.05.06-85*) «Магистральные трубопроводы».
В большинстве зарубежных стандартов (включая ISO 3183:2007) использован метод расчета по допускаемым напряжениям, где в качестве предельного состояния принимается момент возникновения текучести в опасных точках, а в качестве критерия - величина предела текучести. В отечественной практике расчетов стальных конструкций на прочность метод расчета по допускаемым напряжениям применяется преимущественно в машиностроительной отрасли.
Различие прочностных подходов в отечественных и зарубежных стандартах на трубы приводит к различным принципам классификации труб по классам прочности, что делает невозможным совмещение требований по всем характеристикам трубной продукции и номенклатуре труб отечественной и импортной поставки. В табл. 1 представлена отечественная классификация труб для магистральных трубопроводов по классам прочности К34 ... К60 в соответствии с ГОСТ 31447-2012.
Цифры в обозначении класса прочности соответствуют нормативному значению временного сопротивления трубной стали в кгс/мм2. В табл. 2 приведены значения механических характеристик и классификация труб по зарубежному стандарту ГОСТ ИСО 3183-2012 (ISO 3183:2007).
Стандарт классифицирует трубы по группам прочности: L175 ... L830. Цифры в обозначении группы прочности соответствуют нормативному значению предела текучести в МПа, величину которого определяют по величине полной деформации 0,5 %. В отечественных же нормативных документах значение предела текучести всегда задается как условный (технический) предел текучести s0,2, определяемый по величине остаточной деформации 0,2 %.
Таким образом, корректное сопоставление значений механических характеристик труб по стандартам ГОСТ 31447-2012 и ГОСТ ИСО 3183-2012 (ISO 3183:2007) возможно только по параметру временное сопротивление sВ. Как видно из сравнения соответствующих значений табл. 1 - 2, зарубежный стандарт регламентирует применение труб в более широком диапазоне классов прочности. Отечественный стандарт ГОСТ 31447-2012 устанавливает ограничение на применение труб классов прочности не выше К60 (временное сопротивление 590 МПа). Зарубежный стандарт ГОСТ ИСО 3183-2012 (ISO 3183:2007) допускает использование высокопрочных труб групп прочности до L830 включительно (временное сопротивление 915 МПа). Последнее обстоятельство делает стандарт ISO 3183:2007 более прогрессивным в этой части, так как в отечественной нефтегазовой отрасли давно уже используют трубы классов прочности выше К60 (высокопрочные трубы К65 и К70). В качестве примера можно указать на использование этих труб при прокладке на участках с повышенным рабочим давлением магистрального нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан (ВСТО)».
В последние десятилетия многие отечественные нефтегазовые компании в соответствии с Федеральным законом РФ № 184-ФЗ «О техническом регулировании» разрабатывали собственные нормативные документы по трубам на основе классификации, принятой в стандарте Американского нефтяного института API Specification 5L. В табл. 3 приведены значения механических характеристик и классификация труб по стандарту API Specification 5L: 2012.
Стандарт классифицирует трубы по маркам: Х42 ... Х120. Цифры в обозначении марки трубы соответствуют значению предела текучести в Фунтах на кв. дюйм ´ 10-3. Причем значение предела текучести также как и в Европейском стандарте ISO 3183:2007 определяют по величине полной деформации 0,5 %.
Как видно из табл. 3, Американский стандарт API Specification 5L: 2012 устанавливает предельную прочность используемых труб по аналогии с Европейским стандартом на уровне значения временного сопротивления 915 МПа (марка трубы X120).
Подытоживая анализ различных систем классификации труб для магистральных трубопроводов (табл. 1 - 3) можно сформулировать следующие выводы.
Ø Актуализация и разработка новых федеральных нормативных документов на трубы для магистральных трубопроводов должна осуществляться на основе принципов отечественной классификации труб по классам прочности в развитие ГОСТ 31447-2012 «Трубы стальные сварные для магистральных газопроводов, нефтепроводов и нефтепродуктопроводов. Технические условия»
Ø Необходимо расширить перечень разрешенных к применению труб в части использования высокопрочных труб классов прочности К65 и К70, а также предусмотреть применение труб нового поколения класса прочности К80 с целью гармонизации федеральных нормативных документов по трубам с зарубежными стандартами с учетом мирового опыта
Ø При дальнейшей актуализации ГОСТ 31447-2012 «Трубы стальные сварные для магистральных газопроводов, нефтепроводов и нефтепродуктопроводов. Технические условия» следует расширить классификацию труб по категориям качества, основываясь на отечественном опыте применения труб с повышенными эксплуатационными характеристиками
В качестве примера успешного решения последней из указанных задач рассмотрим новый национальный стандарт РФ ГОСТ Р 56403-2015 «Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Трубы стальные сварные. Технические условия», который вводится в действие 1 января 2016 г. Стандарт распространяется на трубы стальные сварные прямошовные наружным диаметром от 114 мм до 1220 мм, предназначенные для строительства, ремонта и реконструкции магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов, транспортирующих некоррозионноактивные нефть и нефтепродукты при рабочем давлении до 9,8 МПа.
Стандарт основан на отечественных принципах классификации труб по классам прочности и в этой части идентичен действующему межгосударственному стандарту ГОСТ 31447-2012 (табл. 1). Однако по сравнению с ГОСТ 31447-2012, новый национальный стандарт ГОСТ Р 56403-2015 расширяет перечень категорий качества труб по уровню исполнения и устанавливает три уровня качества:
- уровень качества I - трубы в обычном исполнении;
- уровень качества II - трубы в хладостойком исполнении;
- уровень качества III - трубы с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Новый национальный стандарт ГОСТ Р 56403-2015 «Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Трубы стальные сварные. Технические условия» впервые устанавливает соответствие между классами прочности и категориями качества труб (табл. 4). Данная классификация была опробована в ряде отраслевых нормативных документах - технических требованиях на трубы большого диаметра, в том числе на трубы для магистрального нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан (ВСТО)».
Аналогично действующему межгосударственному стандарту ГОСТ 31447-2012, новый ГОСТ Р 56403-2015 по способу изготовления подразделяет трубы на два типа:
- тип 1 - трубы диаметром от 114 мм до 630 мм, сваренные высокочастотной сваркой, с одним продольным швом;
- тип 2 - трубы диаметром от 530 мм до 1220 мм, сваренные дуговой
сваркой под флюсом, с одним или двумя продольными швами.
Трубы высшей категории качества III - с повышенными эксплуатационными характеристиками относятся к типу 2 и свариваются только дуговой сваркой под флюсом.
Как следует из табл. 4, высшие категории качества соответствуют трубам более высоких классов прочности: уровень качества III соответствует трубам классов прочности К56 ... К60, уровень качества II - трубам классов прочности К50 ... К60.
Новый национальный стандарт РФ ГОСТ Р 56403-2015 впервые вводит дифференцированные требования по химическому составу и свариваемости в зависимости от уровня качества труб (табл. 5).
Показатели свариваемости: эквивалент углерода Сэкв и параметр стойкости против растрескивания Pcm, вычисляют по формулам:
Сэкв = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15; (1)
Pcm = C + (Mn + Cr + Cu)/20 + Si/30 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B, (2)
где C, Mn, Cr, Мо, V, Cu, Ni, Si и B - массовые доли, соответственно, углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, меди, никеля, кремния и бора, %.
Как известно, традиционные способы повышения прочности стали за счет увеличения процентного содержания углерода не позволяют существенно повысить прочностные характеристики без заметного снижения запаса пластичности и вязкости разрушения. В последние годы в металлургической отрасли были освоены другие способы достижения высокой прочности листового проката трубных сталей, в частности за счет
применения упрочняющей термообработки листа в процессе прокатки (так называемые, стали контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением). Для того чтобы увеличить «лимит» на легирующие добавки, необходимые для достижения эффекта упрочняющей термообработки, и при этом не ухудшить показатели свариваемости (которые регламентируются ограничением значений эквивалента углерода Сэкв и параметра стойкости против растрескивания Pcm), процентное содержание углерода пришлось понизить до 0,08 - 0,12 % .
Ограничение процентного содержания углерода обеспечивает сохранение запаса пластичности и вязкости разрушения, а термообработка - достижение высокой прочности листового проката. Такой подход позволяет получить сочетание высоких значений характеристик прочности, пластичности и вязкости разрушения, как основного металла труб, так и сварных соединений.
Многолетний опыт проведения научно-исследовательских работ в области материаловедения показал, что параметры микроструктуры напрямую влияют на характеристики прочности, пластичности и вязкости разрушения. Так, например, мелкозернистая структура низкоуглеродистой стали соответствует, как правило, высокой пластичности и высокой вязкости разрушения. Аналогичным образом на пластичность и вязкость разрушения влияет снижение загрязненности стали неметаллическими включениями. С другой стороны, такой параметр как полосчатость (а этот признак - суть проявление эффекта раздавливания и удлинения зерен при прокатке), влияет на прочностные характеристики металла: предел текучести и временное сопротивление.
Новый национальный стандарт ГОСТ Р 56403-2015 впервые для труб диаметром 530 мм и более вводит дифференцированные требования по параметрам микроструктуры: полосчатости, зернистости и загрязненности стали неметаллическими включениями (табл. 6 - 8).
В табл. 7 - 8 использованы следующие обозначения: ОС - оксиды строчечные; ОТ - оксиды точечные; СН - силикаты недеформирующиеся; СП - силикаты пластичные; СХ - силикаты хрупкие. Регламентируемые значения параметров микроструктуры также были опробованы в ряде отраслевых нормативных документах на трубы большого диаметра.
Основным технологическим требованием, предъявляемым к механическим свойствам металла труб и сварных соединений, является сохранение запаса пластичности металла после всех операций технологического передела при изготовлении труб на трубных заводах (после формовки, сварки, экспандирования, гидроиспытаний и т.п.), а также при выполнении сварочно-монтажных работ при строительстве и ремонте. В табл. 9 представлены новые требования, оценивающие запас пластичности основного металла и сварных соединений труб после всех операций технологического передела, которые также впервые регламентированы в ГОСТ Р 56403-2015.
Впервые в отечественной практике технического регулирования новый стандарт ГОСТ Р 56403-2015 вводит дифференцированные требования по ударной вязкости и проценту волокна в изломе основного металла труб и сварных соединений (KCV и DWTT) в зависимости от диаметра труб и уровня качества. В табл. 10 - 11 представлены соответствующие требования для труб с толщиной стенки 6,0 мм и более.
Определение ударной вязкости и процента волокна в изломе основного металла и сварных соединений труб уровня качества I проводится при температуре минус 5 0C, труб уровня качества II - при температуре минус 20 0C, труб уровня качества III - при температуре минус 40 0C.
К числу новых требований к качеству труб нового поколения - с повышенными эксплуатационными характеристиками относятся требования к вязкости разрушения металла труб и сварных соединений (трещиностойкости). Стандартные механические характеристики: ударная вязкость и процент волокна в изломе являются качественными показателями и могут использоваться только для сравнительного анализа. Для количественной оценки сопротивляемости металла труб и сварных соединений развитию трещин от трещиноподобных дефектов используют критерии статической трещиностойкости: коэффициент интенсивности напряжений KC или пластическое раскрытие у вершины трещины COD.
В новом национальном стандарте ГОСТ Р 56403-2015 принята консервативная оценка критерия статической трещиностойкости COD для основного металла и металла сварных соединений труб уровня качества III для магистральных нефтепроводов и нефтепродуктопроводов. Величина пластического раскрытия у вершины трещины COD, определенная в соответствии с ГОСТ 25.506-85 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении» при температуре минус 20 0C на компактных лабораторных образцах, изготовленных из основного металла и металла сварных соединений труб, должна быть: не менее 0,2 мм для основного металла и не менее 0,15 мм для сварного соединения.
Подводя итог рассмотрению особенностей нового национального стандарта ГОСТ Р 56403-2015 «Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Трубы стальные сварные. Технические условия» следует отметить значительный прогресс в части совершенствования классификации труб по качеству изготовления. Использование труб повышенных категорий качества с большим количеством нормируемых параметров обеспечивает повышение системной надежности трубопровода, в том числе при прокладке в сложных природно-геологических условиях. В дальнейшем при актуализации стандарта необходимо учесть мировой опыт использования высокопрочных и высоковязких труб и расширить классификацию труб по классам прочности.
При разработке стандартов на трубы расширенной области применения (включающей магистральные газопроводы, продуктопроводы и т.п.) необходимо ориентироваться на отечественные подходы к оценке прочности труб и использовать в качестве прототипов межгосударственный стандарт ГОСТ 31447-2012 и национальный стандарт РФ ГОСТ Р 56403-2015.
