Единая система газоснабжения (ЕСГ) России является уникальным объектом по объему и дальности транспортировки газа, особенностям ее формирования и функционирования. На сегодня это весьма динамичная структура, которая в процессе деятельности преобразуется и совершенствуется с целью более полного соответствия стратегическим задачам и текущим потребностям отрасли. Ее перспективное развитие, предполагает сооружение новых газотранспортных объектов с использованием последних достижений науки и техники, применением новейших технологий и материалов [1 – 4].

Одновременное увеличение двух ключевых параметров газопровода максимального диаметра 1420 мм: рабочего давления и категории прочности труб, используемых для его строительства,– не имеет прямых аналогов в мире и требует особого внимания. При этом резко повышает потенциал опасности разрушений ввиду роста запаса энергии сжатого газа, повышения действующих в стенке труб напряжений, естественного снижения ресурса пластичности основного металла трубы, осложнения его свариваемости и изменения ряда других принципиальных условий. Минимизация рисков возможна на основе применения труб с принципиально новыми качественными характеристиками, разработки соответствующих технологий сварки, строительства и эксплуатации. Отсутствие опыта массового производства и применения труб данной категории прочности требует большого объема аналитической и экспериментальной работы, результатами который должны стать нормативные документы, определяющие технические требования к трубам, технологические инструкции по сварке, строительству, ремонту, определению допустимых и недопустимых дефектов различного происхождения [1 – 2].

В связи с созданием новых газодобывающих центров на полуострове Ямал, в шельфе арктических морей, в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке предусматривается сооружение мощных газотранспортных систем нового поколения с использованием новых видов высокопрочных труб. Очевидна и необходимость продолжения работ по реконструкции существующей газотранспортной системы, суммарная протяженность которой уже превысила 158 тыс. км.

Необходимость повышения экономической эффективности транспортировки газа на рынки сбыта инициирует активные исследования крупных энергетических компаний. Они включают транспортировку жидкого газа (LNG–liquefied natural gas), конверсию газа в жидкость, строительство генерирующих мощностей и линий электропередач постоянного тока высокого напряжения и, естественно, газопроводов высокого давления.

Повышение высокого давления за счет применения высокопрочных сталей, cпособных работать в сложных климатических условиях, несомненно, перспективно.

Производство и использование нового вида труб из высокопрочной стали требует разработки и апробации новых решений в металловедении, освоения новых технологий в сталеплавильном, трубопрокатном и сварочном производстве. Основные направления работы при внедрении высокопрочных труб для строительства газопроводов охватывают широкий комплекс технологий и подразумевают интенсивное межотраслевое взаимодействие.

Очевидным преимуществом применения высокопрочных труб является снижение металлоемкости (толщины стенки трубы). Замена стали Х70 на Х120, по мнению участников исследовательского проекта Х120 компании Exon Mobil, обеспечивает снижение массы труб, что с учетом разницы цен на материал в 30 – 40% оценивается приблизительно в 7% экономии. Эффект, достигаемый от снижения стоимости материалов, транспортных и операционных расходов, сокращения сроков строительства и других преимуществ применения сталей групп прочности Х100 – Х120, оценивается в 5 – 15% от стоимости трубопровода. Кроме этого, экономия достигается при сварке более тонкого материала (3%), а расходы по транспортировке материалов до места строительства снижаются пропорционально массе. При равном наружном диаметре проходное сечение более тонкостенных высокопрочных труб увеличивается, а энергетические затраты и интенсивность падения давления уменьшается, что эквивалентно в целом 105% снижения затрат на транспортировку.

До настоящего времени применение наивысшей стандартной группы прочности Х80 (К65) ограничивалось трубами относительно небольших диаметров. Успешный опыт строительства протяженных газопроводов из труб данной группы прочности уже получен в Европе, Северной Америке. Эффективная эксплуатация с 1995 г. компанией «Трансканада» в условиях вечной мерзлоты около 400 км трубопроводов дала до 12% экономии за счет применения высокопрочных сталей Х80.

Фактором, долгое время сдерживающим повышение группы прочности труб, являлось уменьшение пластичности и трещиностойкости стали с увеличением ее прочностных характеристик [3]. Высокая пластичность крайне важна при эксплуатации в суровом климате, на участках с большой просадочностью, при оттаивании и высокой подвижности, т.е. в условиях прокладки и эксплуатации современных газопроводов.

Ключевой проблемой, сдерживающей широкое применение высокопрочных труб, являлось отсутствие обоснованных и опробованных решений по трещиностойкости. Критерии зарождения и развития трещины до критической длины должны отличаться от используемых в настоящее время. Это обусловлено как особенностями свойств и микроструктуры новых высокопрочных труб, так и рабочими давлениями. Применение высоких давлений значительно увеличивает риск распространения протяженных вязких разрушений, которые практически устранены в действующих трубопроводах за счет нормирования ударной вязкости металла. По мере увеличения давления закономерно возрастает энергия упругой деформации стенки труб и энергия сжатого газа, увеличивается инерционная сила раскрытия берегов трещины при ее распространении.

Традиционно для оценки трещиностойкости трубных сталей используют универсальный, стандартизированный и широко применяемый метод испытания образца Шарпи с острым V–образным надрезом на ударный изгиб. Этот метод оценки трещиностойкости основного металла трубных сталей успешно используется много десятилетий и отражен в международном стандарте ИСО 3183:2007.

Значения, рассчитанные по данным методикам, соответствуют среднему уровню вязкости, при котором не менее 50% труб в партии способны противостоять распространению трещины. При этом повышение фактической вязкости по сравнению с расчетной увеличивает вероятность остановки трещины в пределах фиксированного числа труб. В соответствии с вероятностным подходом, к современным надежным трубам следует относить трубы, обеспечивающие остановку трещины в пределах трех труб.

Однако результаты многочисленных экспериментов показали, что рассчитанные методы дают надежную оценку лишь для определенного класса труб и параметров их нагружения. Условной границей принято считать расчетное значение энергии разрушения 100 Дж, выше которого разброс поля допустимых и недопустимых значений существенно расширяется. Таким образом, вероятностное предсказание поведения труб в составе газопроводов высокого давления ограничено давлениями, категориями прочности и не может быть напрямую распространено на перспективные трубы для проектов нового поколения без дополнительных исследований и корректировок. В связи с этим очевидна необходимость исследования способности сталей нового поколения сопротивляться осевому вязкому разрушению.

С этой целью в марте–мае 2008 г. на опытном полигоне ООО "Газпром" проведена серия полигонных пневматических испытаний труб группы прочности Х80 (К65) для магистрального трубопровода. Проведенные испытания опытных труб и последующие исследования позволили установить ряд характерных особенностей разрушения и определить минимальные требования к основным их характеристикам.

Выявленной закономерностью явилась связь способности основного металла труб тормозить разрушение с объемом пластически деформированного металла вблизи распространяющейся трещины и соответственно, величиной удельной (на единицу длины) энергии распространения трещины. Объем пластически деформированного металла зависит от утяжки (утонения стенки перед разрушением) и ширины зоны пластических деформаций в кольцевом направлении. Трубы группы прочности Х80 (К65), в которых при распространении трещины ширина зоны пластических деформаций составляла 400 – 500 мм и максимальная утяжка 35 – 40%, успешно выдержали испытание. Вязкая трещина в них остановилась в пределах одной трубы. В трубах, не выдержавших испытание, в которых трещина прошла три испытуемые трубы, ширина зоны пластических деформаций составляла 250 – 300 мм, утяжка по толщине стенки 10 – 20%. Таким образом, количество работы пластической деформации стенок трубы является основным параметром, отражающих способность испытуемых труб останавливать вязкое осевое разрушение.

Анализ результатов полигонных испытаний показал, что удельная работа разрушения труб, выдержавших и не выдержавших испытание, находится на различных уровнях, отличаясь в несколько раз. Следует отметить, что данная величина не является постоянной и изменяется по длине трещины. В трубах, успешно прошедших испытания и остановивших трещину в первой трубе, происходит очень энергоемкая удельная пластическая деформация. В трубах, не прошедших испытания, этот процесс менее интенсивен [4].

Несмотря на принципиальные различия уровня удельной энергоемкости разрушения металла труб, выдержавших и не выдержавших испытание на остановку осевого разрушения, удельная вязкость образцов основного металла по Шарпи при температуре эксплуатации (– 20°С) у всех партий труб была высокой и удовлетворяла первоначальным техническим требованиям на трубы: KCV – 20> 180 Дж/кв.см.

Различие в величине ударной вязкости труб, выдержавших и не выдержавших испытания с остановкой трещины в первой трубе, составляла около 20 – 25%. Однако при полигонных испытаниях трещина одинаково стабильно распространялась как в трубах с ударной вязкостью 176 Дж/кв.см., так и в трубах, имеющих ударную вязкость около 220 – 290 Дж/кв.см. Таким образом, возникла проблема работоспособности критерия трещиностойкости металла труб, который можно использовать при контроле качества проката, и труб в условиях металлургических и трубных предприятий. Для этого потребовалась модификация известных подходов, учитывающая современный уровень металлургического производства, особенности микроструктуры стали Х80 (К65) и другие факторы, определяющие особенности нового вида труб.

Анализ топологических особенностей поверхностей разрушения ударных образцов из сталей, продемонстрировавших недостаточную трещиностойкость при полигонных испытаниях, показал подобие характеров разрушения образцов и трубы. В изломе образцов обнаружено два его характерных элемента излома: сдвиг под углом около 45° и скол в плоскостях, параллельных плоскости прокатки.

В областях сдвига на микроскопическом уровне обнаружен ямочный излом, являющийся основным признаком вязкого разрушения. В продольных трещинах отчетливо видны фасетки скола, которые доминируют в изломе. Максимальные трещины наблюдаются в центре всех образцов независимо от места отбора их по толщине стенки трубы. Это позволяет считать определяющим влияние механических эффектов на положение и размер трещин, а их наличие отнести к особенностям технологии упрочнения сталей при контролируемой термомеханической прокатке. Важно, что при низкой температуре (– 40°С и ниже) испытания по Шарпи в образцах из сталей с высоким сопротивлением распространению магистральной трещины, начинают проявляться отдельные продольные трещины. Однако они не регулярны. Таким образом, можно полагать, что в данных условиях испытания при распространении магистральной трещины в трубах с недостаточной трещиностойкостью реализуются две модели разрушения. Первая является основной и соответствует на макроскопическом и микроскопическом уровнях вязкому разрушению. Вторая (вторичная) модель – микро– и макроскопически хрупкое разрушение в плоскости прокатки.

Повышение трещиностойкости сталей данного класса может быть обеспечено мероприятиями, направленными на минимизацию второй (вторичной) модели разрушения и повышения хладостойкости. В связи с этим, требования по ударной вязкости труб категории прочности К65 (Х80), предназначенных для строительства магистрального газопровода, целесообразно установить на уровне 250 Дж/кв. см. при температуре испытания – 40°С. Таким образом, эффективной и закономерной модификацией критерия трещиностойкости основного металла труб категории прочности К65 (Х80) для данных условий эксплуатации стало ужесточение требований по хладноломкости для устранения возможного проявления хрупкой модели разрушения.

Проведенные исследования показали, что нормирование трещиностойкости труб для новых газопроводов можно проводить по величине ударной вязкости образцов Шарпи, с учетом особенностей, выявленных при полигонных пневматических испытаниях.

Выводы

Дальнейшее увеличение доли высокопрочных труб закономерно в силу их экономической эффективности и очевидных технологических преимуществ. Достигнутый уровень металлургических, трубных и сварочных технологий позволяет обеспечить высокую прочность в относительно толстостенных трубах при гарантированных высоких показателях пластичности и трещиностойкости, что, в свою очередь, способствует расширению перспектив их использования. Актуальными остаются задачи установления технических требований к категориям высокопрочных труб для определенных условий эксплуатации и, в частности, определение обоснованных теоретически и подтвержденных экспериментально критериев оценки трещиностойкости. Для этого проведено уникальное комплексное исследование работоспособности труб категории прочности К65 (Х80) в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным. Это позволило оценить применимость высокопрочных труб, технологичность строительства (монтаж, сварка, транспортировка и т.п.) и установить способность основного металла труб сопротивляться осевым вязким разрушениям. Установлены характерные для К65 (Х80) общие закономерности и особенности вязкого разрушения, которые расширили представления о физических основах осевого вязкого разрушения газопровода. Отмеченные закономерности позволяют разработать надежные и физически обоснованные численные модели динамического вязкого разрушения труб большого диаметра. Проведенные исследования показали качественное подобие механизмом разрушения образцов при испытаниях по Шарпи и опытных партий труб при натурных полигонных пневматических испытаниях. Экспериментально подтверждена работоспособность критерия оценки трещиностойкости по испытаниям образца Шарпи для данной категории прочности и условий эксплуатации труб.

Библиографический список

1. Мелькумов, В.Н. Прогнозирование фильтрации газа в грунте при его утечке из подземного газопровода / В.Н. Мелькумов, С.Н. Кузнецов, С.П. Павлюков, А.В. Черемисин // Известия Орловского гос. техн. ун–та. Серия: Строительство и транспорт. – 2008. – № 3. – С. 61–65.
2. Мелькумов, В.Н. Нестационарное поле концентраций природного газа в скважине при его утечке из подземного газопровода / В.Н. Мелькумов, С.Н. Кузнецов, С.П. Павлюков, А.В. Черемисин // Приволжский научный журнал. – 2008. – № 4. – С. 98–103.
3. Мелькумов, В.Н. Определение оптимального маршрута трассы газопровода на основе карт стоимости влияющих факторов / В.Н. Мелькумов, И.С. Кузнецов, Р.Н. Кузнецов // Научный вестник Воронеж. гос. арх.–строит. ун–та. Строительство и архитектура. – 2009. – № 1. – С. 21–27.
4. Мелькумов, В.Н. Расчет аварийного поступления природного газа в производственное помещение / В.Н. Мелькумов, В.И. Лукьяненко, С.Н. Кузнецов, А.В. Черемисин // Вестник Воронеж. гос. техн. ун–та. – 2007. – Т. 3, № 1. – С. 222–223.