Дюсенова Д.Н., Туйтебаева Д.С., Канаев А.Т.

 

Казахский аграрно-технический университет им. С. Сейфуллина, Казахстан

 

 

Анализ требований к металлургическому качеству стальных труб для нефтегазового комплекса.

 

Условия эксплуатации труб различного назначения предъявляет разные требования к материалам для их производства. Так, для труб нефтяного сортамента условия эксплуатации весьма разнообразны: интервал рабочих температур от 60 до 150-220º С, знакопеременные нагрузки (бурильные и насоснокомпрессорные трубы), коррозия под напряжением в среде сероводорода. Поэтому трубы для добычи нефти и газа должны обладать высокой прочностью и пластичностью, сопротивлением усталостному и хрупкому разрушению. Для северных районов требуется высокая холодостойкость метала труб.

В настоящее время в связи с изменением условий добычи и транспортировки углеводородов существенно возросли требования к материалам для производства труб. Это связано с увеличением глубины залегания углеводородов и их добычи. Эксплуатация нефтяного оборудования и труб в условиях коррозионно-агресивных сред требует применения коррозионно-стойких сталей и сплавов. Повышение эксплуатационных давлений, класса прочности  сталей, изменения технолологических процессов требует повышения прочности и холодостойкости за счет внедрения комплекса новых металлургических технологий, обеспечивающих повышение доли высокопрочных материалов. Таким образом, всё это обуславливает необходимость разработки и внедрения новых стандартов, в которых требования были бы не ниже международных, что, в свою очередь , обуславливает новые технологий изготовления и обработки  труб и обновления производственных мощностей. Для сравнения ниже приведены требования к металлургическому качеству обсадных и насосно-комрессорных труб, предусмотренных ГОСТ 632-80, ГОСТ 633-80, а так аналогичными международными стандартами ИСО 11960/API 5СТ.

 

Таблица 1 - Требования к металлургическому качеству обсадных и насосно-компрессорных труб в действующих межгосударственных стандартах ГОСТ 632-80, ГОСТ 633-80.

Требования к металлургическому качеству сталей

- отражают уровень технологий,  доминировавших в 70-80-е годы 20 века;

- допускают снижение уровня свойств относительно базового исполнения, в том числе применения в качестве заготовки мартеновского слитка;

- высокий уровень вредных примесей S, P и другие.

Способ достижения повышенной прочности

- необходимость применения термической обработки для групп прочности выше «К» и труб высаженными концами без определения критериев;

- допускается применение упрочняющих методов термической обработки.

Специальные свойства сталей

- не указываются требования по ударной вязкости;

- не предусмотрена поставка труб, стойких к СКРН;

- не предусмотрены дополнительные повышенные

 

Таблица 2 - Требования к металлургическому качеству обсадных и насосно-компрессорных труб в международном стандарте ИСО 11960/API 5CT.

Требования к металлургическому качеству сталей

- соответствуют современным металлургическим технологиям;

- целесообразно применение качественной заготовки, современного прокатного оборудования, способов термической обработки;

- дифференциация содержания вредных примесей (S, P) и других требований для различных классов и групп прочности и исполнений.

Способ достижения повышенной прочности

- необходимость применения упрочняющей термической обработки для классов прочности 2, 3, 4;

- строго определенные требования к качеству термической обработки.

Специальные свойства сталей

- определены требования к ударной вязкости, по Шарпи ДВС при комнатной и пониженной температуре

 

 

От качества труб нефтяного сортамента зависят безаварийная эксплуатация скважин и масса колонны. Замена толстостенных труб более низкой группы прочности на тонкостенные, но более прочные приводит к облегчению массы колонны, а также и возможности более глубокого бурения.

Механические свойства обсадных и насосно-компрессорных труб ( ГОСТ 632 – 80 для обсадных, ГОСТ 633-80 для насосно-компрессорных труб) приведены ниже:

Таблица 3 - Механические свойства обсадных и насосно-компрессорных труб

Группа прочности

Д

Е

Л

М

Р

Т

 

655

689

750

862

1000

1103

 

379-552

552-758

655-862

758-965

930-1137

1034-1741

 

14,3

13,0

12,3

10,8

9,5

8,5

 

В таблицах 4 и 5 приведены для сравнения требования к металлургическому качеству труб для магистральных газо и  нефтепроводов по ГОСТ 8731, ГОСТ 8732, ГОСТ 10706 и ГОСТ 52079 и аналогичных международных стандартов серии ИСО 3183. В международных стандартах видны более жесткие требования по содержанию вредных примесей  для хладостойких сталей и кислых сред. Предусмотрена также  применение  только кислородно-конверторной стали или стали, выплавленной в электропечах. Существенно отличаются способы достижения повышенной прочности, в частности, детерминация требований по химическому составу и способов термической обработки для различного применения и группы прочности.

 

Таблица 4 - Требования к металлургическому качеству труб для магистральных газо и нефтепроводов по ГОСТ 8731, ГОСТ 8732, ГОСТ 10706 и ГОСТ 52079

Требования к металлургическому качеству сталей

-Соответствуют металлургическим технологиям 70-80 г.г. прошлого века

-Относительно высокий уровень содержания S, P и других примесей

- Существенные отличия требований в технических условиях  на трубы для нефтяной и газовой промышленности.   

Способы достижения повышенной прочности

-Без определенных  требований  К прочности

-Требования ST / SB находятся в противоречий современными эффективными методами упрочнения.

Специальные свойства сталей

- Не предусмотрена изготовление и поставка труб, стойких к “кислым” средам.

 

Для примера приведены механические свойства труб размером 820х9 мм низколегированных сталей 17 Г1С и 17Г2Ф, закаленных соответственно 900-940˚С, 895-925˚С, отпущенных с температур 630-645˚С, 700-730˚С. Охлаждение осуществлено в спрейере со скоростью 45ºС/с

 

Таблица 5 - Механические свойства труб

Марка стали

Основной метал

Сварочное соединение

 

 

 

 

 

 

 

17Г1С

549-764

353-647

14,5-30,3

36-64

0,39-0,69

559-735

0,37-0,40

17Г2Ф

647-921

442-647

15,0-30,0

22-58

0,35-0,74

627-314

0,46-0,93

 

 

Таблица 6 - Требования к трубам для магистральных газо и нефтепроводов в международных стандартах серии ИСО 3183. 

Требования к металлургическому качеству сталей

- отражают развитие металлургических технологий

- жесткие требования по содержанию S, P для хладостойких сталей и “кислых” сред

- применение кислородно-конверторной стали или электропечной стали для кислых сред, морского применения и др.

Способ достижения повышенной прочности

- детерминация требования по химическому составу и способам термической обработки для различного применения и группы прочности.

Специальные свойства сталей

- предусмотрены все современные тесты для материала труб и сварочных соединений, включая ВР, СКРН, СР и др.

 

Для выполнения требований международных стандартов на сталь  для  магистральных газо и нефтепроводов,  в частности,  достижения повышенной прочности, разработан  метод деформационно-термической обработки, совмещающий пластическую деформацию с последующей упрочняющей  термической обработкой. В результате такой обработки предел текучести  низкоуглеродистой стали повышается от 300 до 600 МПа. Разработаны также методы локальной деформационно-термической обработки сварных соединений большого диаметра для магистральных газо и нефтепроводов. С целью повышения прочности и пластичности горячекатаных труб между раскатным и калибровочным станами установлены закалочные устройства и печь для отпуска труб. После раскатки трубы с обжатием 20% закаливаются в спрейерных установках, совмещенных с оборудованием выходной стороны раскатных станов. Таким образом за очагом деформаций начинается одновременное двухстороннее   ( снаружи и внутри ) охлаждение трубы в процессе  ее интенсивного вращательно- поступательного перемещения. После такой  деформационно- термической обработки механические свойства готовых труб определяются величиной обжатия и температурой отпуска.

Технология локальной деформационно- термической обработки сварных соединений предусматривает нагрев сварного соединения до 950-1060˚С, деформацию шва на 20% до толщины стенки трубы из основного металла, закалку с определенной скоростью и отпуска с индукционного нагрева при температуре 650-700˚С  выдержкой в течение 5 мин . Эксперименты показывают, что применение  локальной деформационно-термической обработки позволяет снизить критическую температуру хрупкости металла шва.

 

Литература:

1.                               СТ РК ИСО 3183-1-2004 «Трубы стальные для трубопроводов. Технические условия. Часть 1. Требования к трубам класса А»

2.                               СТ РК ИСО 3183-1-2004 «Трубы стальные для трубопроводов. Технические условия. Часть 2. Требования к трубам класса В»

3.                               СТ РК ИСО 3183-1-2004 «Трубы стальные для трубопроводов. Технические условия. Часть 3. Требования к трубам класса С»