2.7. Некоторые требования к кольцевым швам магистральных трубопроводов

Согласно техническим условиям и стандартам на трубы, заводы-поставщики могут поставлять часть труб с одним поперечным кольцевым стыком, а некоторые заводы изготавливают трубы, сваренные из двух частей длиной примерно 6 м. Применяющиеся, в настоящее время методы и технология сварки труб на заводах и при строительстве трубопроводов обеспечивают равнопрочность поперечных кольцевых стыков, однако даже единичные разрушения поперечных стыков современных мощных газонефтепроводов весьма опасны. В трубопроводах диаметром менее 1020 мм, построенных до 1970 г., наблюдалось довольно большое число разрушений поперечных стыков.

Величины и характер напряжений, действующих на поперечные стыки трубопровода, определяются температурным режимом его работы относительно температуры укладки и заварки захлесточных швов в нитке трубопровода, наличием изгибных напряжений и собственных напряжений на отдельных участках.

В газопроводах диаметром до 1020 мм температурный режим фактически определяется температурой грунта на глубине укладки трубопровода, поскольку грунт способен быстро отбирать из газопровода тепло, вносимое газом при его сжатии на КС. В трубопроводах диаметром более 1020 мм грунт не может отвести тепло, вносимое газом в газопровод, и температура газопровода определяется наличием и режимом работы холодильных установок и аппаратов воздушного охлаждения. Поэтому трубопроводы диаметром менее 1020 мм в зимнее время обычно испытывают растягивающие напряжения, а летом — сжимающие.

Вызываемые перепадом температур напряжения, суммируясь с остаточными напряжениями в трубопроводе, могут на отдельных участках приводить к накоплению пластических деформаций в некачественно выполненных поперечных стыках и вызывать их разрушение. Трубопроводы диаметром менее 1020 мм хорошо защемляются в грунте, и разрывы дефектного стыка позволяют снять напряжения на коротком участке трубопровода (примерно 5 — 100 м).

Причины разрушения поперечных стыков наиболее удобно проследить на трубопроводах диаметром менее 1020 мм. Влияние длительности эксплуатации и температуры трубопровода на число разрушений поперечных стыков рассмотрим на примере отказов стыков трубопроводов диаметром менее 720 мм, находившихся в эксплуатации от 10 до 30 лет, распределенных условно по годам:

	I	II	III	IV	V	VI
При продолжительности эксплуатации трубопровода около 30 лет	27	14	13	11	10	25
То же около 10 лет	48	9	18	2	9	14
Общее количество отказов, %	37,5	11,5	15,5	6,5	9,5	19,5

Среднее число отказов стыков в различное время года:

	Декабрь	Январь	Февраль	Март	АпрельНоябрь
При продолжительности эксплуатации трубопровода около 30 лет	12,5	25	31	12,5	19
То же 20 лет	10	30	15	25	20
10 лет	9	30	35	9	17
Общее количество отказов, %	10,5	28,4	27,0	15,5	18,6

Анализ приведенных данных говорит о том, что разрыва стыков наблюдались на протяжении всех анализируемых лет на всех трех трубопроводах, эксплуатирующихся от 10 до 30 лет. Число разрывов увеличивалось в годы с особо холодными зимами (37,5 и 19,5 %) всех зарегистрированных разрывов. На остальные четыре года приходится 43 % всех наблюдавшихся: в этот период разрушений, или менее 11 % в год.

Разрывы поперечных стыков связаны с действием низких температур, т. е. с действием дополнительных растягивающих напряжений. Об этом же свидетельствует распределение разрывов по месяцам года. На наиболее холодные месяцы (январь, февраль) пришлось 56, 45 и 65 % от зарегистрированных разрушений, а на восемь теплых месяцев (апрель — ноябрь) только 19, 20 и 17 %. В актах расследования .причин разрушения стыков трубопроводов часто имелись записи, что разрушения произошли при сильных морозах или вскоре после их окончания.

О влиянии продольных температурных напряжений на разрывы стыков свидетельствует расхождение кромок стыков вдоль трубопровода на 3—5 мм, которые в ряде случаев сопровождались поперечным смещением кромок на 5—8 мм. Это говорит о том, что разрушения происходили под действием продольных растягивающих напряжений или под совместным действием продольных и изгибающих поперечных напряжений.

Для ускорения ремонта и уменьшения простоя трубопровода при разрушении поперечных стыков последние обычно не вырезают. Поэтому имеется ограниченное число данных о качестве и свойстве таких стыков, причем большинство данных относятся к трубопроводам, построенным до 1970 г. В исследованных стыках разрушения имели хрупкий характер, трещины проходили по оси шва. Начало трещин совпадало с участками стыка, имевшими непровар корня шва. Разрушения приходились на стыки, сваренные на трассе с одной стороны, т. е. без подварки корня.

В исследованных стыках наблюдались:

непровары корня, превышающие 10—15 % толщины стенки труб, а в отдельных случаях достигавшие 30 %. Значительные смещения кромок;

швы, сваренные с недостаточным или завышенным зазором между кромками.

Исследования свойств металла шва на образцах, вырезанных из неразрешенной части стыков, показали, что временное сопротивление шва ниже сопротивления основного металла труб. Это было вызвано как ослаблением сечения шва дефектами, так и недостаточной его прочностью.

В современных мощных газопроводах диаметром 1420 мм поперечные стыки проходят 100 %-ный контроль физическими неразрушающими методами, и возможность наличия дефектов сведена к минимуму. Появление дефектов в стыках и их разрушение часто связано с особенностями сварки при низких температурах, нарушением режима подогрева и реже с трещинами сварочного происхождения. Многие из этих дефектов обнаруживаются при контроле швов неразрушающими методами или выявляются при гидравлических испытаниях построенных газопроводов.

Изучение условий равнопрочности поперечных стыков проводили на трубах диаметром 150—200 мм из углеродистой и низколегированной стали. Работу сварных кольцевых швов изучали при испытании полноразмерных труб со стыками в горизонтальной разрывной машине мощностью 30 МН на растяжение с одновременной подачей внутреннего давления, а также на растяжение в условиях отрицательных температур при —10,. —20 °С.

Исследованиями установлено, что деформации в металле' стыков и основном металле труб происходят неравномерно. Деформации при наличии дефектов или недостаточной прочности металла шва сосредоточиваются в узкой зоне поперечного стыка, что приводит к исчерпанию его несущей способности и разрушению. В условиях испытания поперечных стыков на растяжение при положительной температуре разрывы имели вязкий характер. При одновременном действии растяжения и внутреннего давления или растяжения и низкой температуры наблюдались, как правило, хрупкие разрушения.

Из выявленных причин разрушения необходимо обратить внимание на возможность сосредоточения в металле поперечного кольцевого стыка пластических деформаций в условиях эксплуатации трубопровода, накопления деформаций в шве и, как следствие, охрупчивания металла стыка, зарождение и накопление в нем дефектов типа трещин, развитие которых ускоряется в условиях низких температур.

В зависимости от соотношения прочностных свойств сварного стыка и основного металла труб, наличия и величины дефектов в сварном шве разрушение поперечных стыков может наблюдаться как в первые годы эксплуатации трубопровода, так и через десятки лет при относительно «удовлетворительном качестве и свойствах шва». Возможность сосредоточения пластических деформаций в металле поперечного стыка, их суммирование во время эксплуатации трубопровода вследствие периодического увеличения и уменьшения продольных напряжений1 (в связи с сезонными изменениями температуры грунта) позволяют объяснить причину разрывов поперечных стыков по истечении многих десятков лет эксплуатации трубопроводов.

Все изложенное определяет необходимость обеспечения равнопрочности поперечных кольцевых стыков труб при любых возможных рабочих параметрах газонефтепроводов, для чего-сварное соединение кольцевых стыков должно удовлетворять ряду специальных требований:

Равнопрочность кольцевых стыков должна обеспечиваться соответствующим выбором технологии сварки, сварочных материалов, режимов подогрева, точностью сборки под сварку. Основные требования к технологии ручной и автоматической дуговой сварки кольцевых стыков труб из малоуглеродистых и низколегированных сталей, к контролю качества сварных соединений регламентированы специальной инструкцией по технологии сварки магистральных трубопроводов.