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 σ0,2=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 (σв 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 "lcp", которая может колебаться в широких пределах и обуславливается стоимостью изготовления и технологическими особенностями производства частей труб.
Крайние части составной трубы имеют длину "lк", 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=2lк+n·lср,
где L - общая длина составной трубы;
lк - длина крайней части;
lср - 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.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
КОМБИНИРОВАННАЯ ТРУБА | 1999 |
|
RU2156910C1 |
МНОГОСЛОЙНЫЙ ТРУБОПРОВОД | 2001 |
|
RU2183784C1 |
ТРУБОПРОВОД (ВАРИАНТЫ) | 2002 |
|
RU2213286C1 |
ТРУБА ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ С КОНЦЕВЫМИ СТАЛЬНЫМИ ПАТРУБКАМИ | 2002 |
|
RU2230968C1 |
ФАСОННАЯ ДЕТАЛЬ ТРУБОПРОВОДА (ВАРИАНТЫ) | 1993 |
|
RU2087788C1 |
УЗЕЛ ТРУБОПРОВОДА | 2003 |
|
RU2249147C1 |
СПОСОБ СВАРКИ КОЛЬЦЕВЫХ СТЫКОВ ТРУБ | 2006 |
|
RU2355540C2 |
КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ И/ИЛИ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА | 2012 |
|
RU2510770C1 |
Устройство для сварных соединений труб | 2016 |
|
RU2717463C1 |
Чехол контейнера для транспортирования и хранения отработавших тепловыделяющих сборок | 2019 |
|
RU2707871C1 |
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.
GB 1376731 A, 11.12.1974 | |||
Сварная труба для магистральных газопроводов | 1978 |
|
SU688754A1 |
US 4001054 A, 04.01.1977 | |||
БОЛХОВИТИНОВ Н.И | |||
Металловедение и термическая обработка | |||
- Машгиз, 1961, с.115-120, 84. |
Авторы
Даты
2006-08-20—Публикация
2003-05-23—Подача