Способ монтажа трубопровода для транспортировки агрессивных сред

 

Изобретение относится к строительству и используется при сооружении и эксплуатации трубопроводов в нефтегазодобывающей промышленности. К концам полученных из углеродистой или низколегированной стали труб приваривают металлические обечайки определенной длины с одним слоем из углеродистой или низколегированной стали и одним слоем из коррозионно-стойкой стали, наносят на внутреннюю поверхность каждой трубы и сопрягаемые с ней обечайки покрытие из коррозионно-стойкого неметаллического материала и осуществляют монтажную сварку стыка. Длину обечаек назначают равной 100-200 мм, а внутренний слой обечайки выполняют толщиной не менее 0,5 мм из ферритной коррозионно-стойкой стали, содержащей приведенные компоненты. Даны соотношения между количествами различных компонентов. Повышает надежность трубопровода. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области сварки труб и строительства трубопроводов и может быть использовано для монтажной сварки труб с коррозионно-стойкими неметаллическими покрытиями, предназначенных для транспортировки агрессивных сред в нефте- и газодобывающей промышленности.

Использование коррозионно-стойких неметаллических покрытий, например эпоксидных, позволяет обеспечить высокую коррозионную стойкость тела трубы. Однако их применение при строительстве протяженных трубопроводов, где основным видом соединения является сварка, затруднено тем, что в процессе монтажной сварки значительная зона покрытия в области сварного шва выгорает. То есть для широкого использования труб с неметаллическими покрытиями требуется разработка технологических приемов, направленных на обеспечение коррозионной стойкости зоны сварных швов.

Известен способ соединения труб с внутренним защитным покрытием, включающий нанесение на концевые части внутренней поверхности труб покрытия, например, путем наплавки нержавеющего материала толщиной 0,5-1,5 мм и последующую сварку. Сначала выполняют корневой шов из нержавеющего металла, соответствующего материалу покрытия, затем сваривают основной металл трубы (патент США 4611833, НКИ 285-55, опубл. 16.09.1986 г.). Способ может обеспечить коррозионную стойкость трубопровода в зоне монтажных швов. Однако при осуществлении этого способа трудно обеспечить стабильное качество наплавляемого слоя без сложных механических или электронных систем управления. Кроме того, после наплавки из-за формирования литой структуры в наплавленном слое и структурных изменений в самом теле трубы необходимо проведение термической обработки трубы в зоне наплавки, что усложняет способ и приводит к снижению надежности соединения.

Известен способ соединения труб с внутренним антикоррозионным покрытием, при котором изготавливают наконечники из трубных заготовок, материал и диаметр которых соответствуют материалу и диаметру соединяемых труб. На внутреннюю поверхность наконечников наносят коррозионно-стойкое металлическое термостойкое покрытие. Покрытие наносят с одного торца до заданной величины, оставляя непокрытым другой конец. Наконечники приваривают к каждой из соединяемых труб. Затем производят покрытие внутренней поверхности труб полимерным покрытием, частично перекрывая термостойкое металлическое покрытие, а соединение труб выполняют сваркой наконечников. Способ используют при изготовлении трубопроводов для транспортирования различных агрессивных сред, в том числе нефти, нефтепродуктов, газов, воды и т.д. (патент РФ 2062199, МПК В 23 К 31/02, опубл. 20.06.1996 г.). При этом не требуется проведение операций по наплавке, калибровке и термообработке. Однако в процессе монтажной сварки температуры в зоне стыков настолько высоки, что могут приводить к нарушению металлического покрытия и его частичному переходу в сварной шов. При этом снижается коррозионная стойкость шва и околошовной зоны, а также происходит охрупчивание металла шва.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ монтажа трубопровода для транспортировки агрессивных сред, включающий получение труб из углеродистой или низколегированной стали, приварку к их концам биметаллических обечаек длиной не менее 30 мм с одним слоем из углеродистой или низколегированной стали и по меньшей мере одним слоем из коррозионно-стойкой стали с содержанием хрома не менее 8%, с толщиной коррозионно-стойкого слоя обечайки не менее 5% от общей толщины ее стенки, нанесение, по крайней мере, на внутреннюю поверхность каждой трубы и сопрягаемых с ней обечаек покрытия из коррозионно-стойкого неметаллического материала, при этом участки поверхности обечаек в зоне стыка определенной длины оставляют свободными от покрытия, и последующую сварку стыка. При этом сварку стыка выполняют присадочным материалом из коррозионно-стойкой стали, содержание хрома в которой определяется в зависимости от его содержания в коррозионно-стойком слое обечайки согласно формуле: Сr(э.)>Сr(к.с.), где Сr(э.) - содержание хрома в электроде,%; Сr(к.с.) - содержание хрома в коррозионно-стойком слое обечайки, % (патент РФ 2137010, МПК F 16 L 13/02, опубл. 10.09.1999 г. - прототип). Способ обеспечивает высокую стойкость трубопровода против общей коррозии. Однако стойкость зоны монтажных швов против питтинговой и межкристаллитной коррозии оказывается недостаточной.

Задача, решаемая с помощью данного изобретения, заключается в обеспечении высокой коррозионной стойкости и механических свойств сварных соединений труб с неметаллическими покрытиями при низкой стоимости трубопровода.

Техническим результатом данного изобретения является повышение коррозионной стойкости (против общей и локальной коррозии) сварных соединений труб с неметаллическими покрытиями при сохранении механических характеристик и стоимости трубопровода.

Технический результат достигается тем, что в известном способе монтажа трубопровода для транспортировки агрессивных сред, включающем получение труб из углеродистой или низколегированной стали, приварку к их концам металлических обечаек определенной длины с одним слоем из углеродистой или низколегированной стали и, по крайней мере, одним слоем из коррозионно-стойкой стали, нанесение, по крайней мере, на внутреннюю поверхность каждой трубы и сопрягаемых с ней обечаек покрытия из коррозионно-стойкого неметаллического материала и последующую монтажную сварку стыка, согласно изобретению длину обечаек назначают 100-200 мм, а, по крайней мере, внутренний слой обечайки выполняют толщиной не менее 0,5 мм из ферритной коррозионно-стойкой стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, железо и неизбежные примеси, в том числе, серу и фосфор в следующем соотношении, мас.%: Углерод - 0,01-0,08 Марганец - 0,20-0,80 Кремний - 0,2-2,5 Хром - 11-15 Сера - Не более 0,007 Фосфор - Не более 0,035 Железо и неизбежные примеси - Остальное при этом содержание хрома, кремния и углерода соответствует условию: [Cr]+4[Si]-20[C]=12-20 мас.%, (1)
где [Cr], [Si] и [С] - содержание хрома, кремния и углерода, соответственно, мас. %, также тем, что сталь дополнительно содержит молибден в количестве 0,5-2,5 мас.%, также тем, что сталь дополнительно содержит ниобий в количестве, определяемом из условия:
8[C]≤[Nb]≤1,5 мас.%, (2)
где [С] и [Nb] - содержание углерода и ниобия соответственно, маc.%,
или титан в количестве, определяемом из условия:
4[C]≤[Ti]≤1,0 мас.%, (3)
где [С] и [Ti] - содержание углерода и титана соответственно, маc.%,
также тем, что сварка стыка представляет аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом с использованием, по крайней мере, для корневого слоя шва присадочной проволоки из стали, содержащей хром и кремний при выполнении условия:
[Cr]+5[Si]=15-25 мас.%, (4)
или тем, что сварка стыка представляет ручную дуговую сварку при использовании, по крайней мере, для корневого слоя шва покрытого расходуемого электрода из стали, содержащей хром и кремний при выполнении условия:
[Cr]+5[Si]=15-25 мас.%.

Использование двухслойных металлических обечаек с внутренним слоем из коррозионно-стойкой стали толщиной не менее 0,5 мм обеспечивает при определенном химическом составе стали коррозионную стойкость сварных соединений и прилегающих к ним участков трубопровода, свободных от неметаллических покрытий, со стороны внутренней поверхности. При использовании трехслойных металлических обечаек с внутренним и наружным слоями толщиной не менее 0,5 мм из коррозионно-стойкой стали определенного химического состава обеспечивается коррозионная стойкость сварных соединений и прилегающих к ним участков трубопровода, свободных от неметаллических покрытий, как со стороны внутренней, так и со стороны наружной поверхностей.

Ограничение минимальной длины обечайки - 100 мм диктуется необходимостью соблюдения указанного расстояния для двух соседних сварных швов в трубопроводе. При меньшем расстоянии между соседними сварными швами возможно снижение механических свойств трубопровода. Использование обечаек длиной более 200 мм нецелесообразно, так как приводит к удорожанию трубопровода и создает дополнительные трудности при монтажных работах.

Получение высокой стойкости сварных соединений и прилегающих к ним участков обечаек, в которых при монтажной сварке происходит нарушение неметаллического покрытия, против различных видов общей и локальной коррозии достигается соблюдением определенного химического состава стали коррозионно-стойкого слоя обечайки.

Содержание углерода в предлагаемых пределах позволяет обеспечить требуемое сочетание коррозионной стойкости и механических свойств, определяющих оптимальную технологичность стали. При более высоком содержании углерода снижается стойкость стали против межкристаллитной и питтинговой коррозии. При более низком содержании углерода происходит резкое повышение склонности к росту зерна, что негативно сказывается на характеристиках пластичности и вязкости.

Содержание марганца не ниже предложенного обеспечивает требуемую степень раскисленности стали, что положительно влияет на ее коррозионную стойкость. Дальнейшее увеличение содержания марганца снижает стойкость против питтинговой коррозии из-за появления в структуре стали мартенситной составляющей и выделения сульфидных неметаллических включений.

Предложенное содержание хрома обеспечивает высокую стойкость стали против общей коррозии во многих средах. При меньшем содержании хрома коррозионная стойкость будет недостаточна. Дальнейшее увеличение его содержания выше предложенного уровня приводит к удорожанию стали, а соответственно, и трубопровода в целом.

Содержание кремния в предлагаемых пределах позволяет при данном уровне хрома дополнительно повысить коррозионную стойкость стали. Дальнейшее увеличение содержания кремния приводит к появлению в стали ликвационных зон с повышенным его содержанием, при этом усиливается структурная неоднородность и снижается стойкость против локальной коррозии. Более низкое содержание кремния, чем предложенное, не приводит к повышению коррозионной стойкости стали.

Ограничение содержания примесей - серы и фосфора - положительно влияет на стойкость стали и изделий из нее против точечной коррозии.

Дополнительное ограничение содержания хрома, кремния и углерода в соответствии с выражением (1) обеспечивает формирование в стали однородной ферритной структуры, что позволяет повысить стойкость против питтинговой коррозии. При более низких значениях данного выражения возможно присутствие в структуре других фаз, отрицательно влияющих на коррозионную стойкость стали. При более высоких значениях выражения (1) возможно образование σ-фазы, отрицательно влияющей не только на коррозионную стойкость стали, но и приводящей к ее охрупчиванию и снижению технологичности при изготовлении изделий.

Дополнительное введение молибдена в предлагаемых пределах позволяет еще больше повысить стойкость против питтинговой коррозии, а также против общей коррозии в ряде сред окислительно-восстановительного характера.

Предложенные содержания ниобия и титана, а также их регламентация в зависимости от содержания углерода в соответствии с выражениями (2) и (3) позволяют обеспечить стойкость стали против межкристаллитной коррозии независимо от содержания углерода в стали плакирующего слоя обечайки.

Использование аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом или ручной дуговой сварки покрытым расходуемым электродом позволяет получить качественное сварное соединение.

Использование, по крайней мере, для корневого слоя шва сварочных материалов из стали, содержащей хром и кремний при выполнении условия (4), обеспечивает химический состав сварного шва со стороны внутренней поверхности трубопровода, близкий к химическому составу плакирующего слоя по суммарному содержанию основных легирующих элементов, определяющих коррозионную стойкость стали, - хрому и кремнию. Повышенное значение суммарного содержания хрома и кремния в сварочных материалах по сравнению с их содержанием в плакирующем слое связано с необходимостью компенсировать перемешивание сварочного материала с основным слоем биметаллической обечайки. Это приводит к дополнительному повышению коррозионной стойкости зоны сварного шва.

Примеры конкретного выполнения предложения
Металлические обечайки диаметром 426 мм с толщиной стенки 10 мм длиной 150 мм были изготовлены из двухслойной листовой стали с основным слоем из стали 20сп по ГОСТ 1050 и пятью вариантами стали внутреннего плакирующего слоя толщиной 1,0-1,5 мм. Химический состав стали основного слоя, маc.%:
Углерод - 0,18
Кремний - 0,31
Марганец - 0,48
Сера - 0,007
Фосфор - 0,015
Хром - 0,10
Никель - 0,08
Медь - 0,05
Алюминий - 0,04
Железо - Остальное
Были опробованы следующие варианты стали плакирующего слоя:
вариант 1 - ферритная коррозионно-стойкая сталь, содержащая 0,02% углерода, 0,58% марганца, 1,3% кремния, 12,9% хрома, 0,003% серы, 0,012% фосфора, остальное - железо и неизбежные примеси, при этом значение [Сr] +4[Si] -20[С] составило 17,7%, что соответствует выражению (1) (вариант соответствует п.1 формулы изобретения);
вариант 2 - ферритная коррозионно-стойкая сталь, содержащая 0,02% углерода, 0,51% марганца, 1,6% кремния, 13,0% хрома, 0,003% серы, 0,014% фосфора, 1,3% молибдена, остальное - железо и неизбежные примеси, при этом значение [Сr] +4[Si]-20[С] составило 19,0%, что соответствует выражению (1) (вариант соответствует п.2 формулы изобретения);
вариант 3 - ферритная коррозионно-стойкая сталь, содержащая 0,04% углерода, 0,55% марганца, 0,4% кремния, 9,2% хрома, 0,004% серы, 0,011% фосфора, остальное - железо и неизбежные примеси, при этом значение [Сr]+4[Si] -20[С] составило 10,0%, что не соответствует выражению (1) (вариант не соответствует формуле изобретения);
вариант 4 - ферритная коррозионно-стойкая сталь, содержащая 0,06% углерода, 0,60% марганца, 1,7% кремния, 12,5% хрома, 0,003% серы, 0,016% фосфора, 0,8% ниобия, остальное - железо и неизбежные примеси, при этом значение [Сr] +4[Si]-20[С] составило 18,1%, что соответствует выражению (1) (вариант соответствует п.3 формулы изобретения);
вариант 5 - ферритная коррозионно-стойкая сталь, содержащая 0,06% углерода, 0,56% марганца, 1,2% кремния, 13,1% хрома, 0,004% серы, 0,009% фосфора, 0,5% титана, остальное - железо и неизбежные примеси, при этом значение [Сr] +4[Si]-20[С] составило 16,7%, что соответствует выражению (1) (вариант соответствует п.4 формулы изобретения).

Обечайки всех пяти вариантов приваривали к трубам размерами 426•10 мм из стали 20сп, содержащей, маc.%:
Углерод - 0,20
Кремний - 0,27
Марганец - 0,51
Сера - 0,010
Фосфор - 0,014
Хром - 0,11
Никель - 0,10
Медь - 0,09
Алюминий - 0,05
Железо - Остальное
Технология приварки биметаллической обечайки к трубе из стали 20сп заключалась в следующем. Выполняли Х-образную несимметричную разделку кромок, обеспечивая глубину внутренней фаски 2 мм с притуплением по центру 3 мм (типа С50 по ГОСТ 16037-80). Сначала выполняли сварку корневого шва в месте притупления феррито-перлитными электродами типа Э50А-Б диаметром 2,5 мм марок МТГ-01К или УОНИ 13/55. При этом величину зазора между привариваемыми торцами поддерживали на уровне 2-2,5 мм. Затем сваривали заполняющий и облицовочный слои шва теми же феррито-перлитными электродами, но диаметром 3,2 мм. В последнюю очередь сваривали изнутри корневой слой шва электродами аустенитного типа ОЗЛ-6 или ОК 67.75 (ЭСАБ, Швеция) диаметром 2,5 мм.

На трубы с приваренными обечайками наносили внутреннее эпоксидное покрытие.

Монтажная сварка (сварка биметаллических обечаек от двух соседних труб) представляла собой ручную дуговую сварку по следующей технологии. У свариваемых обечаек выполняли стандартную V-образную разделку с углом и притуплением 1^+0,5 мм. Сварку всех слоев шва для вариантов 1-4 выполняли высоколегированными электродами марок ОЗЛ-6 (или ОК 67.75), для варианта 5 - специально изготовленными электродами из стали, содержащей 0,03% углерода, 17% хрома, 1,05% кремния, остальное - железо и неизбежные примеси (соответствует п. 6 формулы изобретения - значение выражения (4) равно 22,25%). При этом сварку корневого слоя выполняли электродами диаметром 2,5 мм при зазоре после сборки 3,0-3,5 мм. Сварку заполняющего и облицовочного слоев выполняли электродами тех же марок диаметром 3,0-3,2 мм.

От сварных стыков (от зоны шва и околошовной зоны) для всех полученных вариантов отбирали образцы для испытаний на стойкость против общей, питтинговой и межкристаллитной коррозии.

Коррозионные испытания проводили по следующим методикам:
Методика 1 - определяли скорость общей коррозии сталей в неокислительных кислых средах (1,0 н. H₂SО₄; 0,1 н. H₂SО₄; 0,1 н. H₂SО₄ + 0,9 н. Na₂SO₄; рН 0,5-2,5) при комнатной температуре и длительности испытаний 90 суток. Гравиметрическим методом определяли потери массы образцов за время испытаний и рассчитывали скорость общей коррозии. При этом условием обеспечения требуемой коррозионной стойкости считали получение значений скорости коррозии - не более 1 мм/год.

Методика 2 - определяли стойкость против питтинговой коррозии в водной среде, содержащей 0,17 моль/л NaCl + 0,13 моль/л КСl + 0,008 моль/л Na₂SО₄ + 0,008 моль/л NaHCO₃, при температуре 10-30^oС и длительности экспозиции 90 суток. После испытаний с использованием с оптической микроскопии определяли наличие, размеры и количество питтингов, образовавшихся на поверхности сталей. Основным критерием стойкости против питтинговой коррозии считали отсутствие питтингов на поверхности сталей после испытаний.

Методика 3 - определение стойкости против питтинговой коррозии электрохимическими методами по ГОСТ 9.912-89 в растворах: 1 - модель оборотной воды; 2 - модель морской воды. Условием обеспечения требуемой стойкости против питтинговои коррозии является положительное значение разности между критическим потенциалом питтинговой коррозии и потенциалом свободной коррозии при испытаниях в каждой из указанных сред.

Методика 4 - стойкость против межкристаллитной коррозии определяли по ГОСТ 6032.

Кроме коррозионных испытаний, на образцах, вырезанных из сварных соединений обечаек с трубами и из сварных стыков труб, проводили механические испытания по ГОСТ 6996. Для всех исследованных вариантов получены высокие механические характеристики: временное сопротивление разрыву - 580-670 Н/мм², ударная вязкость на образцах с острым надрезом для центральной зоны шва, а также для зоны термического влияния - не менее 100 Дж/см². Сварные образцы выдерживали испытания на холодный изгиб на угол 160^o без трещин и расслоений.

Испытания сварного шва показали удовлетворительную коррозионную стойкость для всех исследованных вариантов.

Результаты коррозионных испытаний образцов, вырезанных из околошовной зоны, для пяти исследованных вариантов приведены в таблице.

Видно, что варианты 1, 2, 4 и 5, соответствующие формуле изобретения, обеспечивают высокую стойкость против всех рассматриваемых видов коррозии. Особенно высокую стойкость против общей и питтинговой коррозии имеют образцы, полученные по варианту 2 - с молибденом, а также по варианту 5 - полученные при использовании дуговой сварки электродом из стали с хромом и кремнием в соответствии с условием (4). Введение в сталь ниобия и титана позволяет гарантированно получать сталь, стойкую против межкристаллитной коррозии, даже при сравнительно высоком содержании углерода - 0,06% (варианты 4 и 5).

При пониженных значениях [Cr]+4[Si]-20[С] для варианта 3 резко снижается коррозионная стойкость, в первую очередь, стойкость против питтинговой коррозии; при этом для стали варианта 3, не содержащей титана или ниобия, получены неудовлетворительные результаты испытаний на стойкость против межкристаллитной коррозии.

Таким образом, использование настоящего предложения существенно повышает коррозионную стойкость стальных трубопроводов с неметаллическими покрытиями при сохранении их механических характеристик и стоимости.

Формула изобретения

1. Способ монтажа трубопровода для транспортировки агрессивных сред, включающий получение труб из углеродистой или низколегированной стали, приварку к их концам металлических обечаек определенной длины с одним слоем из углеродистой или низколегированной стали и, по крайней мере, одним слоем из коррозионно-стойкой стали, нанесение, по крайней мере, на внутреннюю поверхность каждой трубы и сопрягаемых с ней обечаек покрытия из коррозионно-стойкого неметаллического материала, последующую монтажную сварку стыка, отличающийся тем, что длину обечаек назначают 100-200 мм, по крайней мере, внутренний слой обечайки выполняют толщиной не менее 0,5 мм из ферритной коррозионно-стойкой стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, маc.%:

Углерод 0,01-0,08

Марганец 0,20-0,80

Кремний 0,2-2,5

Хром 11-15

Сера Не более 0,007

Фосфор Не более 0,035

Железо и неизбежные примеси Остальное

при этом содержание хрома, кремния и углерода соответствует условию

[Cr]+4[Si]-20[C]=12-20 маc.%,

где [Сr], [Si] и [С] - содержание хрома, кремния и углерода соответственно, маc.%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ферритная коррозионно-стойкая сталь дополнительно содержит молибден в количестве 0,5-2,5 маc.%.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что ферритная коррозионно-стойкая сталь дополнительно содержит ниобий в количестве, определяемом из условия

8[С]≤[Nb]≤1,5 маc.%,

где [С] и [Nb] - содержание углерода и ниобия соответственно, маc.%.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что ферритная коррозионно-стойкая сталь дополнительно содержит титан в количестве, определяемом из условия

4[С]≤[Ti]≤1,0 мас.%,

где [С] и [Ti] - содержание углерода и титана соответственно, маc.%.

5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что сварка стыка представляет аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом с использованием, по крайней мере, для корневого слоя шва присадочной проволоки из стали, содержащей хром и кремний при выполнении условия

[Cr]+5[Si]=15-25 мас.%.

6. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что сварка стыка представляет ручную дуговую сварку при использовании, по крайней мере, для корневого слоя шва покрытого расходуемого электрода из стали, содержащей хром и кремний при выполнении условия

[Cr]+5[Si]=15-25 мас.%.

РИСУНКИ

Рисунок 1