2. Стали для труб газонефтепроводов

Во второй половине XX в. магистральные трубопроводы динамично развивались по всем основным параметрам; диаметру труб, величине рабочего давления, дальности перекачки. Заметно снизилась температура транспортируемого газа, резко возросла мощность газопроводов.

В короткий исторический срок была создана новая, важная отрасль народного хозяйства — трубопроводный транспорт, предназначенный для доставки нефти, газа и их продуктов на дальние расстояния. Причем нефть и газ становятся одним из основных источников энергии и сырья для многих отраслей народного хозяйства, а их доля в топливно-энергетическом балансе страны составляет примерно 70 %.

Бурное развитие трубопроводного транспорта потребовало высоконадежных труб и соответствующего развития металлургической промышленности, как в количественном, так и в качественном отношении.

Влияние магистральных трубопроводов на развитие металлургической промышленности особое. Можно без большого преувеличения сказать, что требования, выдвигаемые этой отраслью, способствовали коренному усовершенствованию технологии производства стали в части методов ее легирования и очистки от вредных примесей и разработки нового процесса прокатки. Применение контролируемой прокатки обеспечило широкую возможность управлять структурной и свойствами стали.

Нефтяная и газовая отрасли промышленности как ведущие в народном хозяйстве являются крупными потребителями стали и труб. Надежная работа магистральных трубопроводов оказывает большое влияние на многие отрасли промышленности, особенно на работу предприятий с непрерывным циклом производства, потребляющих транспортируемые по трубопроводам продукты в качестве сырья и источников энергии. Разрушения трубопроводов крайне опасны для близко расположенных сооружений, людей и окружающей природы. Например, разрушение нефтепровода может нарушить экологическое равновесие крупного района на продолжительный срок.

Все изложенное обусловливает особо жесткие требования, которые предъявляются к надежной, безотказной работе магистральных трубопроводов в течение многих лет их эксплуатации. Большое народнохозяйственное значение магистральных газонефтепроводов, необходимость исключения хрупких разрушений «лавинного» типа и протяженных вязких разрывов потребовали производства стали высокой вязкости и хладостойкости. Таких требований не предъявляли к металлургической промышленности никакие другие потребители.

Сложность производства высококачественных сталей усугублялась большой потребностью нефтяной и газовой отраслей промышленности в трубах, измеряемой несколькими миллионами тонн в год. Необходима не только качественная, по и дешевая массовая сталь, которую можно поставлять в больших количествах, не прибегая к ее легированию дорогостоя­щими и дефицитными элементами.

Примерно до 1960 г., когда диаметр магистральных трубопроводов не превышал 820 мм, а рабочее давление — 5,5 МПа и строительство осуществлялось в средней и южной полосе страны, производство сталей для труб не представляло особой сложности. Трубы изготавливали при диаметре менее 500 мм из стандартных углеродистых сталей различных марок, а при диаметре 530—820 мм — из простых горячекатаных низколегированных или нормализованных сталей. Много внимания уделяли получению наиболее дешевых труб, в частности труб из полуспокойных сталей и наиболее простых по составу марганцевистых сталей типа 19Г. В этот период требования по вязкости сталей для труб не предъявлялись. Однако с конца 50-х годов после широкого распространения метода производства прямошовных труб на прессах и правки их в экспандерах когда наклеп и связанное с ним повышение предела текучести и временного сопротивления разрыву рассматривали как способ повышения прочности стали труб, резко возросло число разрушений по основному металлу труб при испытании их на прочность и в процессе эксплуатации. С увеличением диаметра газонефтепроводов до 1020 мм потребовалось повысить надежность труб, повысить прочность и вязкость стали, так как простые марганцевистые стали, не позволили надежно решить эту проблему.

В 60-70 х. годах прошлого столетия были проведены большие работы по созданию недорогих низколегированных сталей с гарантированной вязкостью на основе легирования их марганцем и кремнием. Лучшей из них была сталь типа 17Г1С и ее модификации. Были улучшены методы выплавки и раскисления стали в целях повышения ее однородности и снижения вредных примесей. Листопрокатные цехи перешли на поперечную прокатку металла, когда лист раскатывался в направлении, перпендикулярном к оси слитка. Была разработана технология обработки стали синтетическими шлаками, что значительно повышало характеристики ее по вязкости и пластичности. В это же время были разработаны и опробованы при производстве труб первые нормализованные дисперсионно-упрочненные стали типа 15Г2СФ и другие, однако для их выплавки уже требовался ванадий и другие карбидо- и нитридообразующие элементы.

В результате проведенных работ временное сопротивление разрыву металла труб было повышено с 480 до 520—540 МПа, введены сдаточные требования по ударной вязкости (KCU-₄₀≥0,3 МДж/м²). Полученные стали, позволили достаточно надежно обеспечить работоспособность труб диаметром до 1020 мм при положительной температуре перекачки газа.

Однако даже высококачественные нормализованные стали не обеспечивали удовлетворительное сопротивление хрупкому распространению разрушений по газопроводу при температуре эксплуатации от —5 до —15 °С, что необходимо для газопроводов, эксплуатирующихся в северных районах страны. В связи с переходом в начале 70-х годов на строительство газопроводов диаметром 1420 мм с рабочим давлением 7,5 МПа потребовалась разработка принципиально новых типов сталей, получаемых методом контролируемой прокатки. В настоящее время это основной тип стали для труб диаметром 1020— 1420 мм при давлении 7,5 МПа.

Изложенное показывает, что стали, применяемые для изготовления труб магистральных газонефтепроводов и промысловых сетей, можно укрупнено свести к трем основным типам:

углеродистые;

низколегированные на базе марганца и кремния;

стали контролируемой прокатки.

В настоящей главе показаны технические возможности различных типов сталей и рациональные области их применения в газонефтепроводах.