Составная труба для трубопроводов и способ ее изготовления

Изобретение относится к области строительства трубопроводов. Технический результат изобретения - повышение эксплуатационных характеристик трубопровода при снижении стоимости строительства и эксплуатации. В составной трубе для трубопроводов, состоящей, по крайней мере, из трех металлических частей, соединенных между собой кольцевыми сварными швами, средняя часть выполнена из серого чугуна или из чугуна с шаровидным графитом, а длина каждой крайней части составляет 100-250 мм. В способе изготовления составной трубы для трубопроводов, включающем соединение между собой кольцевыми сварными швами, по крайней мере, трех металлических частей, средняя из которых выполнена из серого чугуна или из чугуна с шаровидным графитом, сварку частей между собой кольцевыми швами, кольцевые швы выполнены электроконтактной сваркой непрерывным оплавлением с коэффициентом экспоненты температурного поля К, равным 0,7-0,9. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к трубопроводному транспорту, которому в стране уделяется все большее внимание из-за его высокой производительности, поточности, гигиеничности, возможности полной автоматизации и высокой экономической эффективности.

В нефтяной и газовой промышленности по трубопроводам транспортируется нефть, газ и нефтепродукты. По трубопроводам тепловых и атомных электростанций транспортируется пар, вода, жидкое топливо, масло, энергетический газ.

Используются трубопроводы в химической промышленности для транспортировки кислот, щелочей, разного рода пульпы и других сред.

В зависимости от транспортируемой среды трубы, из которых сооружается трубопровод, в процессе эксплуатации подвергаются воздействию высокого давления (до 100 атм.), положительной (до 800°С) и отрицательной (до -45°С) температур, агрессивных сред (кислот, щелочей, сероводорода, морской воды и др.), а при транспортировке пульпы внутренняя поверхность труб подвергается значительному абразивному износу.

Огромный объем строительно-монтажных работ по сооружению трубопроводов, большой запас аккумулирующей энергии у газопроводов, радиоактивность рабочей среды трубопроводов атомных электростанций, огромные убытки в народном хозяйстве, связанные с авариями трубопроводов, с одной стороны, предъявляют к трубопроводам повышенные требования в части его надежности и долговечности, а с другой стороны, требуют снижения затрат в процессе строительства и эксплуатации. Огромная протяженность трубопроводов (сотни тысяч километров) требуют использования для труб металла, который бы при минимальном содержании дорогих дефицитных легирующих добавок и более дешевой технологии изготовления труб обеспечивал необходимую надежность и долговечность трубопроводов.

Массовое производство труб, различные характеристики транспортируемой по трубопроводу среды требуют для повышения экономической эффективности трубопровода использования меньшего количества сплавов и металла, удовлетворяющего большим требованиям транспортируемой по трубопроводу среды.

Таким образом, разумная политика в области совершенствования трубопроводного транспорта заключается в оптимальном сочетании стоимости сооружения трубопровода с себестоимостью его эксплуатации.

Известны чугунные трубы с раструбом (см. ГОСТ 9583-75, ГОСТ 21053-75). Основное преимущество чугунных труб перед стальными - малый передел металла в технологии производства труб (жидкий чугун - трубная заготовка). В настоящее время в отечественной металлургии создано значительное количество марок чугуна с различными свойствами. Например, алюминиевый чугун/ ЧЮ22Ш ГОСТ 4779-82/ практически не окисляется при температуре 1100°. Его высокая жаростойкость сохраняется в ряде агрессивных сред, в особенности в печных и сернистых газах и перегретом водяном паре. Кремнистый чугун ЧС13 (ГОСТ 7769-82) имеет высокую коррозионную стойкость в щелочах и кислотах различной концентрации, а высокопрочный чугун марки ВЧ100 имеет условный предел текучести σ_0,2=70 кгс/мм² (ГОСТ 7293-85).

Термическая обработка белого чугуна с инвертированной структурой карбидной эвтектики, легирование марганцем и ванадием в определенном сочетании позволяют получать необычно высокие для чугунов прочностные свойства (σ_в до 100 кгс/мм²), вязкость, износостойкость.

Особый интерес представляет чугун с шаровидным графитом (См. Н.П.Лякишев и др. Чугун с шаровидным графитом (ЧШГ) - уникальный конструкционный материал для изделий ответственного назначения, "Литейное производство", №10, 2002 г., стр.6-7). Обладая высокими механическими и литейными свойствами и относительно низкой стоимостью, изделия из ЧШГ, в том числе ответственного назначения, используются практически во всех промышленно развитых странах. Главное достоинство труб, изготовленных из ЧШГ, в сравнении со стальными - большая коррозионная стойкость.

По многочисленным данным скорость питтинговой коррозии ЧШГ в морской воде на порядок ниже, чем у стали. По коррозионной стойкости трубы теплоцентралей из ЧШГ сопоставимы со сталью Х18Н10Т и в 8 раз превосходят стойкость низкоуглеродистых стальных труб.

Трубопроводы из упомянутых выше труб, выполненных из одного чугуна, используются, в основном, в водопроводном и канализационном хозяйствах страны при давлении рабочей среды не более 0,6 МПа, что связано с конструктивными особенностями концов труб и их уплотнением. Раньше в кольцевой зазор между внутренним диаметром раструба и наружным диаметром стыкуемого конца другой трубы в расплавленном состоянии заливался свинец, который после затвердевания тщательно зачеканивался. Срок службы чугунного трубопровода с упомянутым уплотнением составлял более 50 лет. В настоящее время, учитывая вредное воздействие свинца на организм человека, его использование для уплотнения кольцевых стыков чугунных труб запрещено. Для уплотнения кольцевых зазоров чугунных труб в настоящее время используются резиновые манжеты или сальниковые набивки, которые требуют механической обработки соответствующих поверхностей концов чугунных труб и резко сужают область их применения (не могут быть использованы для транспортировки среды с давлением выше 1 МПа, температурой ниже -30°С и выше +80°С и содержанием агрессивных сред). Поэтому, несмотря на известные преимущества чугунных труб в части их стоимости, высокой жаростойкости, коррозионной стойкости, износостойкости из-за существующей разъемной конструкции уплотнительного узла их концов, они не нашли применение в нефтяной, газовой промышленности, в тепловой энергетике, химической промышленности. В этих отраслях при необходимости используются трубы из высоколегированных сталей, содержащих значительное количество хрома, никеля и других дорогостоящих элементов.

При стыковке цилиндрического конца одной чугунной трубы с раструбом другой образуется кольцевая канавка, которая в трубопроводе создает дополнительное сопротивление транспортируемой жидкости и газу (создаются турбулентные потоки).

Эти канавки при транспортировке газа представляли бы большую опасность с точки зрения коррозии, так как в них скапливалась бы конденсированная влага с растворенными в ней углекислым газом и сероводородом.

Наличие раструба в трубе не только усложняет и удорожает технологию изготовления этих труб, но и требует дополнительного расхода металла на каждой трубе.

Известна составная труба для трубопроводов и способ ее изготовления, состоящая, по крайней мере, из трех металлических частей, соединенных между собой кольцевыми сварными швами (см. а.с. СССР №688754, М.кл. F 16 L 9/02, заявл. 17.04.78 г., опубл. 30.09.79 г.). Все части трубы выполнены стальными. В средней части труба по длине имеет один или несколько участков кольцевой формы повышенной прочности. Участок кольцевой формы выполнен многослойным и имеет, по крайней мере, один кольцевой шов, сваренный на глубину от половины до целой толщины многослойной стенки. Труба предназначена для транспортировки газа давлением 7,5-10 МПа при эксплуатации газопровода в условиях низких температур.

Основной недостаток этих труб заключается в их высокой стоимости, что связано с производством обечаек со сплошной стенкой, производством многослойных обечаек, производством труб из однослойных и многослойных обечаек.

Другим недостатком многослойных труб из малолегированных конструкционных сталей является ограниченная область их применения. Эти трубы не могут быть использованы для транспортировки агрессивных сред с температурой выше +100°С.

Выполнение этих труб из высоколегированных сталей экономически нецелесообразно. Наличие межслойных зазоров в многослойных обечайках резко снижает срок службы трубопровода из-за его меньшей коррозионной стойкости.

Выполненный на многослойном участке в его средней части кольцевой шов с глубиной провара от половины до целой суммарной толщины многослойной стенки, является участком повышенной межслойной коррозии.

При транспортировке газа по трубопроводу диаметром от 820 до 1420 мм при давлении 7,5-10 МПа важнейшим параметром становится уровень сопротивления конструкции трубы процессу "лавинного" (продольного) разрушения (разрушение трубопровода при авариях на длине до 10 км).

Из известных составных труб для трубопроводов и способов ее изготовления наиболее близкими по технической сущности является составная труба для трубопроводов и способ ее изготовления, описанные в патенте Англии №1376731, М.кл. F 16 L 9/00, заявл. 1.04.71 г., опубл. 11.12.74 г. Составная труба состоит из множества металлических частей, соединенных между собой кольцевыми сварными швами и имеющих ориентировку кристалла, параллельно продольной оси трубной части и введенные с промежутками между упомянутыми следующие трубные части (ограничители разрыва), имеющие ориентировку кристалла под углом 70-90° к продольной оси упомянутых частей трубы.

В данном случае материалом частей трубопровода служит сталь.

В горячекатаных стальных трубах изменения ориентации кристалла в отрезках, служащих ограничителями разрыва, может быть выполнено за счет локальной термообработки этого отрезка. В сварных прямошовных трубах ограничители разрыва могут быть выполнены за счет электронно-лучевой или фрикционной (сварка трением) сварки обечайки, в которой кристаллы металла сориентированы по отношению к кристаллам прямошовного отрезка под углом 90°. Материал ограничителей разрыва может иметь различный химический состав.

Недостаток известной конструкции трубы для трубопроводов и способа ее изготовления заключается в том, что материалом трубы является железо или сталь со всеми их недостатками.

По литературным данным скорость питтинговой коррозии стали 20 в морской воде составляет 0,5 мм в год (при скорости движения воды 1,5 м/с). При питтинговой коррозии трубы из конструкционной стали в грунтовых водах ее скорость в зависимости от вида грунтовых вод составляет 0,45-2,3 мм в год.

Вторым недостатком трубы является ее низкая стойкость к абразивному износу внутренней поверхности. Не обеспечивает сталь хорошую защиту и от радиационных излучений. Не обеспечивают стальные трубы достаточной стойкости при транспортировке по ним природного газа с высоким содержанием сероводорода (Н₂S). Антикоррозионные покрытия стальных труб при значительном удорожании увеличивают срок службы трубопроводов не более, чем в 1,5-2 раза.

Кроме того, недостатками известной конструкции составной трубы для трубопроводов и способа ее изготовления является узкая область применения и высокая стоимость изготовления трубопроводов из-за трудоемких способов производства, а также значительная стоимость антикоррозионных покрытий.

Задача настоящего изобретения состоит в создании составной трубы для трубопроводов и способа ее изготовления, позволяющего снизить стоимость строительства и эксплуатации трубопроводов, а также повысить эксплуатационные характеристики трубопровода в части повышения давления, стойкости к температуре, коррозии, увеличения срока их службы, снижения сопротивления транспортируемой среде.

Поставленная задача достигается тем, что в составной трубе для трубопроводов, состоящей, по крайней мере, из трех металлических частей, соединенных между собой кольцевыми сварными швами, согласно изобретению, средняя часть выполнена из серого чугуна или из чугуна с шаровидным графитом, а длина каждой крайней части составляет 100-250 мм.

Кроме того, в составной трубе обе крайние части выполнены из антикоррозионной стали.

Обе крайние части могут быть выполнены из стали с внутренним и наружным антикоррозионным покрытием.

Обе крайние части выполнены из белого чугуна с эвтектической волокнистой композицией.

Одна крайняя часть составной трубы выполнена из белого чугуна с эвтектической волокнистой композицией, а вторая крайняя часть - из стали с внутренним и наружным антикоррозионным покрытием.

Одна крайняя часть выполнена из белого чугуна с эвтектической волокнистой композицией, а вторая крайняя часть - из антикоррозионной стали.

Поставленная задача достигается также тем, что в способе изготовления составной трубы для трубопроводов, включающем соединение между собой кольцевыми сварными швами, по крайней мере, трех металлических частей, средняя из которых выполнена из серого чугуна или из чугуна с шаровидным графитом, сварку частей между собой кольцевыми швами, согласно изобретению, кольцевые швы выполнены электроконтактной сваркой непрерывным оплавлением с коэффициентом экспоненты температурного поля К, равным 0,7-0,9.

Такое выполнение составной трубы для трубопроводов и способ ее изготовления позволит сократить стоимость изготовления и эксплуатации трубопроводов при одновременном повышении эксплуатационных характеристик трубопроводов.

Это достигается тем, что средняя часть трубы, которая, в основном, определяет длину трубы, выполняется чугунной. Марки чугуна, в которых большей частью не содержатся дорогостоящие легирующие элементы, выбираются, исходя из характеристик и вида транспортируемой среды. Малый передел металла в технологии изготовления чугунных частей, отсутствие раструба в значительной мере уменьшают стоимость труб и, как следствие, сооружения трубопроводов.

Наличие двух стальных частей длиной 100-250 мм обусловлено возможностью использования как дуговой, так и электроконтактной сварки непрерывным оплавлением при сооружении трубопроводов, а также возможности в случае необходимости размещения необходимой стальной арматуры или строительства трубопроводов одновременно с двух сторон (вварка "захлеста", соединяющего отрезка). Длина этих частей выбрана, исходя из возможности размещения токосъемников при дуговой сварке и токоподводящих и зажимных башмаков существующего оборудования электроконтактной сварки. Кроме того, крайние части трубы, выполненные из стали и высокопрочного чугуна с высокой ударной вязкостью и относительным удлинением, обеспечивают участку трубопровода длиной 100-150 метров необходимую пространственную гибкость (возможность деформироваться), что крайне необходимо при укладке (опускании) сваренного участка трубопровода с помощью трубоукладчиков в подготовленную траншею.

Химический состав и технология изготовления крайних частей из белого чугуна и стали, а также внутренняя и наружная изоляция стальных частей выбираются, исходя из параметров и вида транспортируемой среды, условий эксплуатации трубопровода и срока службы средних частей из серого чугуна или чугуна с шаровидным графитом.

Высокая коррозионная стойкость чугуна по сравнению со сталью увеличит в 3-5 раз срок службы трубопровода, что значительно снизит стоимость эксплуатационных расходов трубопровода.

Скорость питтинговой коррозии ЧШГ в морской воде составляет 0,03 мм в год, что на порядок ниже, чем у стали 20.

По коррозионной стойкости трубы теплоцентралей из ЧШГ сопоставимы со сталью Х18Н10Т и в 8 раз превосходят стойкость низкоуглеродистых стальных труб.

Наличие в металлической матрице чугуна графита обеспечивает лучшую, чем другие сплавы, защиту от радиационных изменений и дает возможность использовать чугунные трубы в атомных электростанциях.

Наличие надежных кольцевых швов позволит успешно использовать предлагаемую составную трубу для сооружения трубопроводов в нефтяной, газовой, химической промышленности, в тепловых и атомных электростанциях, а также для транспортировки пульпы и других сред.

Способ соединения частей труб электроконтактной сваркой непрерывным оплавлением с коэффициентом экспоненты температурного поля К, равным 0,7-0,9, обеспечивает получение качественных сварных соединений чугуна с чугуном и чугуна со сталью.

Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором изображена составная труба для трубопроводов в разрезе.

Составная труба для трубопроводов состоит из одной или нескольких средних частей 1, выполненных из серого чугуна или из чугуна с шаровидным графитом, и двух крайних частей 2, выполненных или из антикоррозионной стали, или из стали с внутренним и наружным антикоррозионным покрытием, или из белого чугуна с эвтектической волокнистой композицией. Кроме того, одна крайняя часть может быть выполнена из белого чугуна с эвтектической волокнистой композицией, а вторая крайняя часть - из стали с внутренним и наружным антикоррозионным покрытием или из антикоррозионной стали.

Марки серого чугуна, чугуна с шаровидным графитом, белого чугуна и сталей, их технология изготовления выбирается, исходя из параметров транспортируемой по трубопроводу среды, технологии строительства, условий эксплуатации и срока службы трубопровода.

С учетом перечисленных выше условий выбирается вид наружного и внутреннего антикоррозионного покрытия. Средние части 1 соединяются между собой и с крайними частями 2 кольцевыми сварными швами 3, выполненными электроконтактной сваркой непрерывным оплавлением с учетом того, что осуществляется сварка серого чугуна или чугуна с шаровидным графитом, с белым чугуном, с обычной или антикоррозионной сталями, технологические параметры электроконтактной сварки непрерывным оплавлением соответствуют зоне, определяемой коэффициентом экспоненты К температурного поля, равным 0,7-0,9.

Средние части 1 имеют длину "l_cp", которая может колебаться в широких пределах и обуславливается стоимостью изготовления и технологическими особенностями производства частей труб.

Крайние части составной трубы имеют длину "l_к", которая в соответствии с требованиями дуговой и электроконтактной сварки непрерывным оплавлением, а также исходя из ее минимальной стоимости находится в пределах 100-250 мм.

Длина предлагаемой составной трубы для трубопроводов "L", таким образом, определяется из выражения:

L=2l_к+n·l_ср,

где L - общая длина составной трубы;

l_к - длина крайней части;

l_ср - длина средней части;

n - число средних частей.

Предлагаемая составная труба для трубопроводов по сравнению с известными конструкциями труб позволяет снизить стоимость изготовления труб (стоимость строительства трубопроводов), а также стоимость эксплуатации трубопровода.

Кроме того, предлагаемая составная труба для трубопроводов позволяет повысить эксплуатационные характеристики (давление, температуру, агрессивность транспортируемой среды, срок службы), а также расширить область ее применения. Предлагаемую трубу экономически целесообразно использовать в нефтяной, газовой, химической промышленности, в энергетике (тепловые, атомные электростанции), водопроводном и канализационном хозяйствах страны, для транспортировки разного рода пульпы в горнодобывающей промышленности, а также для транспортировки других сред.

1. Составная труба для трубопроводов, состоящая, по крайней мере, из трех металлических частей, соединенных между собой кольцевыми сварными швами, отличающаяся тем, что средняя часть выполнена из серого чугуна или из чугуна с шаровидным графитом, а длина каждой крайней части составляет 100-250 мм.

2. Составная труба по п.1, отличающаяся тем, что обе крайние части выполнены из антикоррозионной стали.

3. Составная труба по п.1, отличающаяся тем, что обе крайние части выполнены из стали с внутренним и наружным антикоррозионным покрытием.

4. Составная труба по п.1, отличающаяся тем, что обе крайние части выполнены из белого чугуна с эвтектической волокнистой композицией.

5. Составная труба по п.1, отличающаяся тем, что одна крайняя часть выполнена из белого чугуна с эвтектической волокнистой композицией, а вторая крайняя часть - из стали с внутренним и наружным антикоррозионным покрытием.

6. Составная труба по п.1, отличающаяся тем, что одна крайняя часть выполнена из белого чугуна с эвтектической волокнистой композицией, а вторая крайняя часть - из антикоррозионной стали.

7. Способ изготовления составной трубы для трубопроводов, включающий соединение между собой кольцевыми сварными швами, по крайней мере, трех металлических частей, отличающийся тем, что при выполнении средней части из серого чугуна или из чугуна с шаровидным графитом кольцевые швы выполнены электроконтактной сваркой непрерывным оплавлением с коэффициентом экспоненты температурного поля К, равным 0,7-0,9.