Сегодня в России сложилась ситуация, когда нефтегазовые компании, ориентированные на разные рынки сырья или сбыта, производят трубную продукцию, руководствуясь различными нормативно-техническими комплексами. Одни компании – мейджеры отрасли - разрабатывают их самостоятельно, другие опираются на отечественную документацию, третьи пользуются международными стандартами. Такая разноплановость порождает ряд проблем, т.к. в оценке прочности и классификации труб для магистральных трубопроводов отечественные и зарубежные подходы не совпадают.
В соответствии с Федеральным законом РФ № 184-ФЗ «О техническом регулировании», крупные отечественные нефтегазовые компании разработали собственные нормативно-технические комплексы, регулирующие качество трубной продукции для магистральных трубопроводов. Компании, которые изначально были сориентированы на отечественных поставщиков, сформировали требования к качеству труб и соединительных деталей на основе отечественных нормативных документов (ГОСТ, СНиП, ВСН и др.). Нефтегазовые компании, которые в больших объемах закупали импортную продукцию, построили свои системы технического регулирования на основе зарубежных стандартов (API, ISO, ASTM и др.). В условиях импортозамещения проблема для последних заключается в несовместимости отечественных и зарубежных подходов к оценке прочности и классификации труб для магистральных трубопроводов. В отечественной практике традиционно сложился подход, основанный на предельном состоянии достижения максимальными рабочими напряжениями значений расчетных сопротивлений, определяемых величиной временного сопротивления трубной стали. В большинстве зарубежных стандартов 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. Различие подходов 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 (рис. 1).
В отечественной практике метод расчета по допускаемым напряжениям традиционно применяется в машиностроении и смежных отраслях. В строительстве, а также в трубопроводном транспорте используют метод расчета по расчетным сопротивлениям. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость выполняют по СНиП 2.05.06-85* (СП 36.13330.2012). Расчетную толщину стенки трубы для конкретного участка магистрального трубопровода определяют по формуле:
В зарубежной практике, как правило, расчет трубопроводов выполняют по предельному состоянию наступления текучести.
Максимальное расчетное напряжение при этом подсчитывают как максимальное окружное напряжение в стенке трубы.
Принципиальное различие отечественных и зарубежных подходов к оценке прочности труб для магистральных трубопроводов приводит и к различным принципам классификации труб и трубных сталей. В табл. 1 представлена отечественная классификация труб для магистральных трубопроводов по классам прочности.
Трубы классов прочности К34 ... К60 выпускают по ГОСТ 31447-2012. Трубы высокопрочные К65 и К70 поставляют по отраслевым требованиям. Цифры в обозначении класса прочности соответствуют нормативному значению временного сопротивления трубной стали в кгс/мм2. В табл. 2 приведены значения механических характеристик и классификация трубных сталей по Американскому стандарту API 5L.
Цифры в обозначении марки трубной стали: X42 ... X100 соответствуют значению предела текучести в Фунт / кв. дюйм ´ 10-3. Причем значение предела текучести определяют по величине полной деформации 0,5 %. Аналогичная классификация принята в Европейском стандарте ISO 3183-1:1996. В табл. 3 приведены механические характеристики и классификация трубных сталей по группам прочности: L175 ... L555.
Цифры в обозначении группы прочности соответствуют нормативному значению предела текучести в МПа, величину которого также определяют по величине полной деформации 0,5 %. В отечественных нормативных документах значение предела текучести всегда задается как технический (условный) предел текучести, определяемый нормативной величиной упругой деформации 0,2 %.
Таким образом, полное несовпадение принципов классификации труб и трубных сталей для магистральных трубопроводов в отечественных и зарубежных стандартах делает невозможным совмещение требований по характеристикам трубной продукции и номенклатуре труб отечественной и импортной поставки.
На сегодняшний день разработана более полная отечественная классификация труб по классам прочности и категориям качества (табл. 4). Категории качества A, B, C, D и соответствующие им коэффициенты надежности по материалу: 1,55 ... 1,34 взяты из СНиП 2.05.06-85* (СП 36.13330.2012). Высшие категории качества E* и F* соответствуют перспективным трубам нового поколения – с повышенными эксплуатационными характеристиками. Табл. 4 также включает перспективные трубы повышенных классов прочности: К65, К70 и К80.
Технические требования на трубы нового поколения – высокопрочные и с повышенными эксплуатационными характеристиками помимо ужесточения требований к существующим показателям включают также дополнительные требования, ранее не входившие в паспорта на трубную продукцию.
Ø Требования по микроструктуре
· Полосчатость
· Зернистость
· Наличие неметаллических включений
Ø Требования по пластичности и хладостойкости
· Относительное поперечное сужение
· Критическая температура хрупкости
Ø Требования по вязкости разрушения
· Статическая трещиностойкость
· Динамическая трещиностойкость
Трубы нового поколения повышенных категорий качества E* и F* позволят в дальнейшем уменьшить величину коэффициентов надежности по материалу для этих категорий труб (ориентировочно до значений, соответственно: 1,26 и 1,18). При проектировании трубопроводов из этих труб при прочих равных условиях требуемая по расчету толщина стенки труб уменьшится на 5-10%.
Применение высокопрочных труб для магистральных трубопроводов связано со стремлением повысить производительность перекачки транспортируемого продукта за счет повышения рабочего давления. 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 свариваемость (которая регламентируется ограничением эквивалента углерода и параметра стойкости против растрескивания), процентное содержание углерода пришлось понизить до 0,07-0,09 % (табл. 5 - 6).
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 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 это – проявление эффекта раздавливания и удлинения зерен при прокатке), влияет на прочностные характеристики металла: предел текучести и временное сопротивление.
Основным технологическим требованием, предъявляемым к механическим свойствам металла труб и сварных соединений, является сохранение запаса пластичности после всех операций технологического передела при изготовлении труб на трубопрокатных заводах (после вальцовки, сварки, экспандирования, гидроиспытаний и т.п.), а также при выполнении сварочно-монтажных работ при строительстве и ремонте. В табл. 7 представлены требования, определяющие показатели пластичности металла и сварных соединений труб нового поколения после всех технологических операций.
К числу новых требований к качеству труб для магистральных трубопроводов относятся требования к вязкости разрушения (трещиностойкости). Известные механические характеристики ударной вязкости: KCU, KCV, DWTT носят качественный характер и не могут использоваться при прочностных расчетах. Новые количественные показатели вязкости разрушения необходимы для выполнения прочностных расчетов при проектировании и оценке технического состояния трубопроводов. Параметром статической трещиностойкости является критическая величина пластического раскрытия у вершины трещины COD. Этот параметр ответственен за сопротивляемость металла возникновению трещины от дефекта. На сегодняшний день принята консервативная оценка статической трещиностойкости трубных сталей для магистральных трубопроводов. Величина пластического раскрытия у вершины трещины COD, определенная в соответствии с ГОСТ 25.506-85 при температуре минус 20 0С на компактных лабораторных образцах, изготовленных из основного металла и металла сварных соединений труб повышенных категорий качества, должна быть не ниже 0,2 мм.
Требования к динамической трещиностойкости (сопротивляемости протяженным разрушениям) относятся к магистральным газопроводам, а также к трубопроводам, подвергаемым пневматическим испытаниям. В табл. 8 приведены дифференцированные требования по значению параметра - пластическое раскрытие у вершины трещины для труб магистральных газопроводов при подземной прокладке на участках I – II категорий.
Подтверждение соответствия труб по параметру динамической трещиностойкости (сопротивляемости протяженным разрушениям) необходимо проводить путем натурного испытания реальных труб на разрыв внутренним гидростатическим давлением. Определение фактических значений требуемых механических свойств металла труб, обеспечивающих сопротивляемость протяженным разрушениям, ввиду сложности механизма деформирования стенки трубы при протяженном безостановочном разрушении в принципе невозможно осуществить в лабораторных условиях на каких-либо образцах. Адекватное воспроизведение механизма деформирования стенки трубы в области вершины, стационарно движущейся по трубе продольной трещины при протяженном разрушении трубопровода возможно только на реальной трубе при разрыве ее внутренним давлением газа или жидкости. Натурные испытания труб поставляемой партии на разрыв внутренним давлением с регистрацией величины пластического раскрытия у вершины трещины следует проводить при температуре, равной минимальной температуре стенки трубы при эксплуатации.
Подводя итог вышесказанному, следует сформулировать приоритеты при разработке нормативной документации федерального и отраслевого уровня в условиях импортозамещения. При актуализации нормативных документов на трубы для магистральных трубопроводов должна использоваться отечественная классификация труб по классам прочности и категориям качества (в развитие ГОСТ 31447-2012). Для оценки прочности труб магистральных трубопроводов должен применяться метод расчета по расчетным сопротивлениям в соответствии со СНиП 2.05.06-85* (СП 36.13330.2012). Расширение перечня нормируемых параметров труб должно проводиться с учетом новых требований по микроструктуре, пластичности и трещиностойкости трубных сталей и сварных соединений.
