Оптимизация технологий строительства для обеспечения нормативных требований к сварным соединениям магистральных газопроводов ( на примере магистрального газопровода бованенково-ухта)
На правах рукописи
Беспалов Владимир Иванович
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НОРМАТИВНЫХ ТРЕБОВАНИЙ К СВАРНЫМ СОЕДИНЕНИЯМ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
(НА ПРИМЕРЕ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА
БОВАНЕНКОВО-УХТА)
Специальности:
25.00.19 – Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ
05.02.10 – Сварка, родственные процессы и технологии
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2010
Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий – Газпром ВНИИГАЗ».
Научный руководитель: доктор технических наук,
САМСОНОВ Роман Олегович
Официальные оппоненты: доктор технических наук
САЛЮКОВ Вячеслав Васильевич
доктор технических наук, профессор
ЗОРИН Евгений Евгеньевич
Ведущее предприятие: Общество с ограниченной ответственностью
"Газпром трансгаз Ухта"
Защита диссертации состоится «28» апреля 2010 г. в 13:30 часов на заседании диссертационного совета Д.511.001.02, созданного при ООО «Газпром ВНИИГАЗ».
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, пос. Развилка.
Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, с подписью составителя, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.
Автореферат разослан 25 марта 2010 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук И.Н.Курганова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
В соответствии со стратегией развития энергетического сектора экономики РФ основным направлением научно-технической политики освоения новых газовых месторождений является строительство магистральных газопроводов (МГ) нового поколения диаметром 1420 мм с рабочим давлением до 11,8 МПа из высокопрочных сталей класса прочности К65 с внутренним покрытием. Данное направление в развитии трубопроводного транспорта обеспечивает следующие преимущества: снижение металлоемкости газопроводов за счет уменьшения толщины стенки; снижение объемов сварочных, строительно-монтажных и транспортных работ; повышение пропускной способности и увеличение расстояния между компрессорными станциями при высоких давлениях перекачки газа; снижение эксплуатационных расходов и энергоемкости транспортировки газа.
При строительстве магистральных газопроводов основными элементами, обеспечивающими надежность их эксплуатации, являются сварные соединения. Для обеспечения прочности и надежности сварных соединений магистральных газопроводов нового поколения необходимо оптимизировать технологии их строительства в части обоснования комплекса мероприятий, включающих в первую очередь технологии сварки кольцевых стыковых соединений труб.
В связи с отсутствием в отечественной практике опыта строительства магистральных газопроводов из высокопрочных сталей типа К65, применительно к строительству МГ Бованенково-Ухта, возникает необходимость в разработке, научном обосновании и экспериментальном подтверждении оптимизации технологий строительства и сварки кольцевых стыковых соединений магистрального газопровода Бованенково-Ухта из труб класса прочности К65, обеспечивающих его надежную эксплуатацию.
Цель работы
Оптимизация технологии строительства МГ Бованенково-Ухта за счет разработки и научного обоснования требований к технологиям и контролю сварки кольцевых стыковых соединений труб класса прочности К65 с толщинами стенки 23,0 мм, 27,7 мм и 33,4 мм.
Задачи исследования
1. Провести анализ технологических процессов строительства магистральных газопроводов, включая сварку и контроль качества сварных соединений, при разработке основных элементов системы обеспечения качества и алгоритма взаимодействия структур управления на всех уровнях сварочного производства применительно к строительству МГ Бованенково-Ухта для обеспечения надежности сварных соединений при эксплуатации.
2. Разработать критерии квалификационных испытаний сварочных материалов, оборудования и технологий сварки для обеспечения нормативных характеристик строящегося МГ Бованенково-Ухта на основе имеющегося в мировой практике опыта строительства магистральных трубопроводов из сталей класса Х80 и результатов расчетных и экспериментальных исследований влияния технологических параметров процессов сварки на механические свойства кольцевых стыковых сварных соединений труб класса Х80.
3. Апробировать предложенные критерии квалификационных испытаний для оптимизации технологий строительства МГ Бованенково-Ухта на основе научного обоснования оптимизации технологий сварки кольцевых стыковых соединений труб класса прочности К65 диаметром 1420 мм.
4. Обосновать и разработать методику выбора оптимального соотношения между параметрами технологии укладки подземного газопровода, и технологией сварки, обеспечивающую надежность его эксплуатации применительно к МГ Бованенково-Ухта.
Научная новизна работы
На основе проведенных исследований технологий строительства магистральных газопроводов из высокопрочных сталей применительно к МГ Бованенково-Ухта установлены критерии квалификационных испытаний технологий сварки, обеспечивающие нормативные требования к свойствам кольцевых стыковых сварных соединений труб класса прочности К65, которые корректируются по разработанному алгоритму в зависимости от толщины и диаметра свариваемых труб, геометрических параметров разделки кромок, способа сварки, применяемых сварочных материалов и оборудования.
Доказано, что качество и стабильность свойств сварных соединений при строительстве магистральных газопроводов из сталей класса прочности К65 в значительной степени обеспечиваются квалификационными испытаниями сварочных материалов, оборудования и технологий сварки.
Расчетно-экспериментальными методами установлено, что при строительстве магистральных газопроводов из сталей класса прочности К65 параметром оптимизации технологий сварки является величина погонной энергии сварки, определяющая такие конструктивно-технологические параметры строящегося газопровода, как прочность и вязко-пластические характеристики металла шва и зоны термического влияния сварных соединений, что определяет необходимость включения этого показателя дополнительно к основным критериям квалификационных испытаний технологий сварки.
Расчетно-аналитическим путем получена взаимосвязь между прочностными характеристиками металла сварного соединения, зависящими от выбранной технологии сварки, допустимыми параметрами размеров дефектов и технологией строительства применительно к МГ Бованенково-Ухта.
Практическая значимость работы
Применительно к строительству МГ Бованенково-Ухта на основе анализа отраслевой структуры управления и схемы взаимодействия в многоуровневой инспекции в сварочном производстве, с целью применения корректирующих и предупреждающих действий, направленных на обеспечение качества сварочных работ и стабильности свойств сварных соединений, разработана схема взаимодействия структур, осуществляющих контроль на всех уровнях сварочного производства.
Основные критерии квалификационных испытаний технологий сварки для строительства магистральных газопроводов из труб класса прочности К65 применены при оценке соответствия сварочных материалов и оборудования для автоматической, механизированной, ручной дуговой сварки.
Результаты квалификационных испытаний учтены при оптимизации технологий строительства магистральных газопроводов из труб класса прочности К65 с применением автоматической, механизированной, ручной дуговой сварки, формировании технических требований к параметрам и свойствам кольцевых стыковых сварных соединений и при проведении полномасштабных полигонных испытаний трубных секций из опытных партий труб диаметром 1420 мм из стали класса прочности К65 для МГ Бованенково-Ухта по оценке стойкости к протяженному разрушению.
Результаты работы нашли отражение в части требований и рекомендаций ряда нормативных и технологических документов ОАО «Газпром», регламентирующих сварку магистральных газопроводов (СТО Газпром – 1, Р Газпром – 2, СТУ – 1, Инструкции – 1), а также в работе «Комплексные исследования эксплуатационной надежности высокопрочных труб нового поколения класса прочности К65 (Х80)», удостоенной Первой премии ОАО «Газпром» в области науки и техники за 2009 г.
Основные положения, выносимые на защиту
– критерии квалификационных испытаний технологий сварки для строительства магистральных газопроводов из труб класса прочности К65;
– результаты квалификационных испытаний технологий автоматической, механизированной и ручной дуговой сварки для строительства магистральных газопроводов из труб диаметром 1420 мм класса прочности К65;
– основные элементы системы обеспечения качества в сварочном производстве применительно к строительству МГ Бованенково-Ухта, базирующиеся на отраслевой структуре управления сварочным производством и схеме взаимодействия в многоуровневой инспекции сварочного производства.
– методика оптимизации технологии строительства на основе показателей, характеризующих выбранную технологию сварки и механические свойства сварных соединений.
Апробация результатов диссертации
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях:
– международная научно-техническая конференция «Целостность и прогноз технического состояния газопроводов (PITSO-2007)», г. Москва, 2007 г.;
– совместное заседание проблемного научно-технического совета Российского союза нефтегазостроителей и Российского научно-технического сварочного общества, г. Москва, 2007;
– международная научно-техническая конференция «Сварочные и родственные технологии при строительстве и реконструкции нефтегазопроводов», г. Москва, 2007 г.;
– международная конференция «Путь инноваций и новые технологии в газовой промышленности», (INNOTECH-2008) г. Москва, 2008 г.;
– отраслевое совещание-конференция «Состояние и основные направления развития сварочного производства ОАО «Газпром», Москва, 2008 г.;
– отраслевое совещание-конференция «Состояние и основные направления развития неразрушающего контроля сварных соединений объектов ОАО «Газпром», Саратов, 2009 г.;
– международная конференция «Газотранспортные системы: настоящее и будущее», (GTS-2009) Москва, 2009.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 3 в журналах, которые входят в «Перечень …» ВАК Минобрнауки РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, изложенных на 187 страниц машинописного текста, содержит 58 рисунков, 45 таблиц. Список литературы включает 79 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность исследуемой в диссертации проблемы, сформулирована цель исследования, приведены методы исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ отечественных и международных требований к свойствам сварных соединений при строительстве магистральных газопроводов из высокопрочных сталей, к квалификации и аттестации сварочных процедур, а также отраслевой структуры управления и инспекции на всех уровнях сварочного производства применительно к строительству МГ Бованенково-Ухта.
Анализ отечественных и международных стандартов (ISO 13847, API 1104, BP: GIS 43331, DNV OSF101, СТН 08.060.30.00-КТН025105 и др.), регламентирующих требования к механическим свойствам кольцевых стыковых сварных соединений трубопроводов из сталей класса Х80 (К65), показал, что стандартами регламентируются различные требования к значениям твердости, ударной вязкости, температуре испытаний на ударный изгиб и испытаниям на статический изгиб.
Международными стандартами по строительству магистральных трубопроводов регламентируется обязательная квалификация сварочных процедур по характеристикам свариваемых труб, сварочным материалам и оборудованию, способам сварки и другим технологическим параметрам.
Сварочное производство в РФ функционирует в законодательно регулируемой сфере применения и требует комплексной оценки соответствия согласно Федеральному закону о промышленной безопасности опасных производственных объектов.
Управление и регулирование комплексной оценкой соответствия сварочного производства обеспечивается структурами Национального агентства контроля и сварки (НАКС) в соответствии с требованиями руководящих и методических документов системы аттестации сварочного производства (САСв). Большой вклад в создание САСв внесли Н.П. Алешин, В.Ф. Лукьянов, А.И. Прилуцкий, А.Н. Жабин, Е.М. Вышемирский, С.А. Курланов, С.В. Головин, Н.Г. Блехерова и др.
При проведении комплексной оценки сварочного производства организаций-участников строительства магистральных газопроводов устанавливается соответствие свойств сварных соединений национальным и отраслевым нормативным стандартам.
В связи с тем, что на момент исследований требования к свойствам кольцевых монтажных сварных соединений МГ Бованенково-Ухта не регламентированы национальными и отраслевыми стандартами, оценка соответствия сварочного производства возможна на основе научно-обоснованных и экспериментально подтвержденных технических требований.
Экспериментальной составляющей оценки соответствия сварочного производства являются квалификационные испытания сварочных материалов, оборудования и технологий сварки в объеме требований к исследовательской аттестации технологий сварки согласно руководящим и методическим документам САСв.
Анализ отраслевой структуры управления и инспекции в сварочном производстве показал возможность разработки для строительства МГ Бованенково-Ухта оптимизированных технологий сварки, подтвержденных квалификационными испытаниями элементов сварочного производства, и схемы взаимодействия структур на всех уровнях сварочного производства.
На основе проведенного в первой главе анализа отечественных и международных требований к свойствам сварных соединений при строительстве магистральных газопроводов из высокопрочных сталей и оценки соответствия элементов сварочного производства, а также отраслевой структуры управления и инспекции в сварочном производстве сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе, в связи с отсутствием на момент исследований опытных партий труб класса прочности К65 диаметром 1420 мм с толщинами стенки от 23,0 до 33,4 мм соответствующих отраслевым техническим требованиям применительно к МГ Бованенково-Ухта, приведены результаты первых этапов исследований контрольных сварных соединений, выполненных из труб класса Х80 по API 5L диаметром 1220 мм с толщинами стенки от 15,9 до 27,0 мм.
По результатам оценки механических характеристик контрольных сварных соединений труб класса Х80, выполненных двух- и односторонней автоматической сваркой в защитных газах в специальную узкую разделку автоматическими комплексами для строительства МГ в трассовых условиях, а также ручной дуговой сваркой на подъем покрытыми электродами в стандартную заводскую разделку кромок (таблица 1), установлено, что сварные соединения, выполненные ручной дуговой сваркой, характеризуются нестабильностью значений ударной вязкости, преимущественно в корневой части шва, и показателями твердости в зоне термического влияния (ЗТВ) шва при сравнении со сварными соединениями, выполненными автоматической двух- и односторонней сваркой.
Таблица 1 – Ударная вязкость и твердость кольцевых стыковых сварных соединений труб класса Х80 по API 5L, выполненных автоматической и ручной дуговой сваркой
| Технологии сварки | Диаметр толщина стенки, мм | Ударная вязкость (КCV-40), Дж/см2 | Твердость (HV10) | |
| минимальное | среднее | |||
| Требования международных стандартов | ||||
| 37,5–56,3 | 50,0–75,0 | 275–350 | ||
| Автоматическая двухсторонняя сварка | 122015,9 | 63–96 | 109–171 | 212–272 |
| Автоматическая односторонняя сварка | 122027,0 | 58-74 | 83–190 | 209–340 |
| Ручная дуговая сварка покрытыми электродами | 122020,0 | 138 | 148–229 | 241–283 |
| 60 | 65–135 | 261–344 | ||
| 32 | 34–59 | 243–267 | ||
Нестабильность характеристик сварных соединений труб класса Х80, выполненных ручной дуговой сваркой, определила необходимость провести расчеты и экспериментальные исследования по влиянию параметров и режимов ручной дуговой сварки на ударную вязкость, твердость металла шва и ЗТВ.
Для оценки влияния погонной энергии ручной дуговой сварки (режимов и параметров) на ударную вязкость на уровне корневого и первых заполняющих слоев шва и твердость ЗТВ, погонная энергия при ручной дуговой сварке определялась по формуле:
, (1)
где: К – коэффициент полезного действия сварочной дуги (для ручной дуговой сварки К=0,65); Iсв – сварочный ток, А; Uд – напряжение на дуге, В; Vсв – скорость сварки, мм/мин.
С целью обеспечения значений твердости сварных соединений в интервале нормативных требований (таблица 1), с помощью инженерного программного комплекса МГТУ им. Н.Э. Баумана «Свариваемость легированных сталей», выполнено моделирование металлургических процессов и определены допустимые параметры погонной энергии ручной дуговой сварки на подъем покрытыми электродами. Установленная по результатам моделирования зависимость твердости ЗТВ от скорости охлаждения в диапазоне температур от 600 °С до 500 °С приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Твердость металла ЗТВ при сварке труб класса Х80 в зависимости от скорости охлаждения в диапазоне температур от 600 °С до 500 °С
На основании полученных данных установлено, что при значениях погонной энергии в интервале от 0,8 до 1,2 кДж/мм, при условии обеспечения предварительного подогрева в интервале от +100 °С до +150 °C и скорости охлаждения металла в ЗТВ в диапазоне температур 600–500 °С (6/5) 100 °С/с, обеспечиваются значения твердости ЗТВ сварных соединений не более нормативных значений (325 HV10).
Моделирование металлургического процесса ручной дуговой сварки показало, что для обеспечения значений ударной вязкости (KCV-40) сварных соединений в интервале нормативных требований (таблица 1), контрольные сварные соединения (КСС) необходимо выполнять ручной дуговой сваркой на подъем электродами с основным видом покрытия без раскладки валиков на погонной энергии 1,56 кДж/мм и с раскладкой валиков начиная со второго заполняющего слоя шва на погонной энергии 1,04 кДж/мм (рисунок 2).
Рисунок 2 – Геометрические параметры заводской разделки кромок (а)
и макрошлиф КСС, выполненного ручной дуговой сваркой электродами с основным видом покрытия на подъем с раскладкой валиков (б)
При погонной энергии 1,04 кДж/мм с раскладкой валиков достигнуты значения ударной вязкости (KCV-40) на уровне корневого слоя шва и первых заполняющих слоев в интервале от 48 до 54 Дж/см2 (таблица 2), что не ниже нормативных требований по минимальному и среднему значениям.
При погонной энергии 1,56 кДж/мм без раскладки валиков достигнуты значения ударной вязкости (KCV-40) на уровне корневого слоя шва и первых заполняющих слоев в интервале от 31 до 52 Дж/см2 (таблица 2), что ниже нормативных требований по минимальному и среднему значениям.
При анализе полученных результатов путем интерполяции и экспертной оценки установлено, что при значениях погонной энергии ручной дуговой сварки в интервале от 0,8 до 1,2 кДж/мм с раскладкой валиков и предварительным подогревом от +100 °С до +150 °C обеспечиваются средние значения ударной вязкости на уровне корневого и первых заполняющих слоев шва не ниже нормативных требований (50 Дж/см2).
Таким образом, полученные во второй главе результаты исследований позволили установить интервал значений погонной энергии для ручной дуговой сварки покрытыми электродами на подъем корневого и первых заполняющих слоев шва в интервале от 0,8 до 1,2 кДж/мм и обеспечить нормативные требования к ударной вязкости и твердости сварных соединений при температуре предварительного подогрева от +100 °С до +150 °C.
Таблица 2 – Ударная вязкость сварных соединений труб 122020,0 мм класса прочности Х80, выполненных ручной дуговой сваркой электродами с основным видом покрытия на подъем
| Погонная энергия, кДж/мм | Ударная вязкость (КСV-40), Дж/см2 | |||
| Место вырезки образцов | ||||
| Верх шва | Низ шва | Верх ЗТВ | Низ ЗТВ | |
| Нормативные требования | ||||
| среднее 50,0 min 37,5 | среднее 50,0 min 37,5 | среднее 50,0 min 37,5 | среднее 50,0 min 37,5 | |
| Фактические значения | ||||
| 1,56 (в один валик) | 31,09 34,52 43,37 | 31,88 52,19 43,02 | 97,19 97,59 90,90 | 51,13 64,62 43,36 |
| среднее 36,33 | среднее 42,36 | среднее 95,23 | среднее 53,04 | |
| 1,04 (в два валика) | 80,64 83,37 83,61 | 54,34 47,98 52,87 | 105,33 107,02 111,83 | 114,64 115,85 121,75 |
| среднее 82,54 | среднее 51,73 | среднее 108,06 | среднее 117,41 | |
В третьей главе рассмотрены признаки определения основных критериев квалификационных испытаний сварочных материалов, оборудования и технологий сварки при строительстве магистральных газопроводов из труб класса прочности К65, принципы формирования методик квалификационных испытаний, а также результаты квалификационных испытаний технологий сварки опытных партий труб класса прочности К65 для МГ Бованенково-Ухта.
На основании анализа международных стандартов, регламентирующих требования к квалификации сварочных процедур, а также отраслевых и национальных стандартов, регламентирующих требования к исследовательской и производственной аттестации технологий сварки при строительстве МГ Бованенково-Ухта, определены основные критерии квалификационных испытаний технологий сварки, которые определяются классом прочности металла труб, толщиной стенки и геометрическими параметрами разделки кромок труб, применяемыми сварочными материалами и оборудованием, способами и технологиями сварки.
К критериям квалификационных испытаний технологий сварки кольцевых стыковых соединений для строительства МГ из труб класса прочности К65 целесообразно добавить определение критериев, позволяющих:
– расчетно и экспериментально определить допустимые параметры погонной энергии сварки для обеспечения нормативных значений твердости и ударной вязкости;
– расчетно и экспериментально оценить склонность к образованию холодных трещин;
– экспериментально определить полярность сварочного тока для обеспечения нормативных значений ударной вязкости.
В основу формирования методики квалификационных испытаний взяты процедуры исследовательской аттестации технологий сварки, рекомендованные методическими документами САСв на соответствие отраслевым нормативным требованиям по сварке магистральных газопроводов.
Процедуры проведения квалификационных испытаний сварочных материалов, оборудования и технологий определяются программой испытаний, которая должна содержать виды испытаний, объекты испытаний, условия проведения и определяемые параметры.
Проведение квалификационных испытаний по одному из основных критериев невозможно без других основных критериев в совокупности. Применительно к строительству МГ Бованенково-Ухта квалификационные испытания технологий сварки являются совокупностью следующих критериев:
1) толщина стенки – 23,0; 27,7; 33,4 мм;
2) разделка кромок – стандартная (заводская) ломанная для ручной, механизированной, автоматической односторонней сварки, специальная зауженная для одно- и двухсторонней автоматической сварки, специальная ломанная для двухсторонней поворотной автоматической сварки;
3) сварочные материалы – марки сварочных электродов, проволок, флюсов, состав защитных газов,
4) сварочное оборудование - источники сварочного тока тиристорного, инверторного типа для ручной дуговой сварки; марки механизмов подачи сварочных проволок для механизированной сварки; марки сварочных головок, для автоматической сварки;
5) способы и технологии сварки:
– ручная дуговая сварка электродами с основным видом покрытия на подъем корневого слоя шва и на подъем или на спуск с раскладкой валиков заполняющих и облицовочного слоев шва;
– механизированная односторонняя сварка проволокой сплошного сечения в среде углекислого газа (СО2) с мелкокапельным управляемым переносом наплавляемого металла корневого слоя шва в комбинации с автоматической односторонней сваркой порошковой проволокой в смеси защитных газах (Ar+CO2) или проволокой сплошного сечения под флюсом (керамическим) заполняющих и облицовочного слоев шва;
– автоматическая одно- или двухсторонняя одно- или двухдуговая сварка проволокой сплошного сечения в смеси защитных газов (Ar+CO2) всех слоев шва;
– автоматическая двухсторонняя сварка проволокой сплошного сечения под флюсом (керамическим) всех слоев шва.
Квалификационные испытания включают стандартные методы определения механических характеристик (временное сопротивление разрыву, угол загиба, ударная вязкость, твердость) и оптической металлографии контрольных сварных соединений опытных партий труб класса прочности К65 для МГ Бованенково-Ухта диаметром 1420 мм.
Квалификационные испытания проводятся по предварительным спецификациям сварочных процедур, в которых приводятся диапазоны предполагаемых параметров режимов сварки контрольных сварных соединений. Режимы и параметры сварки фиксируются в актах аттестации сварочных процедур и по завершению квалификационных испытаний вносятся в окончательные спецификации сварочных процедур с указанием допускаемых отклонений. С целью документальной регистрации квалификационных испытаний сварочных процедур разработаны формы спецификаций и актов, гармонизированные с требованиями международных документов по строительству магистральных трубопроводов
Акты аттестации и окончательные спецификации сварочных процедур являются документальным подтверждением квалификационных испытаний и являются основой для разработки технологических документов на сварку при строительстве магистральных газопроводов.
С целью подтверждения работоспособности и сварочно-технологических свойств сварочного оборудования при строительстве МГ в трассовых условиях проводятся испытания в климатических камерах при отрицательных температурах до 40 °С и на объектах строительства трубопроводов.
По результатам климатических и трассовых испытаний сварочного оборудования для автоматической, механизированной сварки определяется оптимальное количество технологических операций каждого сварочного комплекса, количество сварочных комплексов в технологическом потоке строительства, обеспечивающих заданную производительность работ.
С целью подтверждения стабильности металлургических и сварочно-технологических свойств сварочных материалов проводятся испытания на содержание диффузионного водорода в наплавленном металле и экспериментальную оценку склонности к образованию холодных трещин путем сварки технологических проб. По результатам испытаний сварочных материалов на содержание диффузионного водорода в наплавленном металле определяется склонность трубных сталей к образованию холодных трещин.
Квалификационные испытания технологий автоматической, механизированной, ручной дуговой сварки кольцевых стыковых соединений труб класса прочности К65 проведены по всем основным критериям квалификационных испытаний на трубах диаметром 1420 мм с толщинами стенок 23,0; 27,7; 33,4 мм одного из отечественных заводов-производителей до начала полномасштабных полигонных испытаний по определению стойкости к протяженному разрушению опытных партий труб для МГ Бованенково-Ухта. В последствии квалификационные испытания технологий сварки были проведены на трубах остальных отечественных и зарубежных заводов-изготовителей (всего 5 заводов).
На первоначальном этапе квалификационных испытаний выполнена расчетная оценка стойкости сварных соединений трубной стали класса прочности К65 к образованию холодных трещин по разнице критической и максимальной реальной концентрации диффузионного водорода в наплавленном металле (таблица 3), и экспериментальная оценка склонности к холодных трещинам при ручной дуговой сварке покрытыми электродами технологических проб повышенной жесткости. Полученные результаты, позволили сделать вывод о высокой стойкости сварных соединений к образования холодных трещин.
Таблица 3 – Критические концентрации диффузионного водорода в наплавленном металле при ручной дуговой сварке трубных сталей класса прочности К65
| Способ сварки | q/V, кДж/мм | Тпод, °С | Ншо кр, см3/100 г ме | Ншо max, см3/100 г ме | Запас стойкости против ХТ, см3/100г ме |
| Ручная дуговая электродами с основным видом покрытия (РД) | 2,016 | 100 | 6 | 4 | +2 |
Квалификационные испытания технологий сварки проведены на производственных базах 3-х строительных организаций, 1-ом заводе по изготовлению узлов трубопроводов и в 1-ом техническом центре.
При квалификационных испытаниях технологий сварки выполнено 66 КСС, применены 5 автоматических, 6 комбинированных, 2 ручных технологий сварки, а также технологий ремонта ручной дуговой сваркой, испытаны 20 марок новых сварочных материалов.
В таблице 4 приведены результаты механических испытаний на статическое растяжение, статический изгиб, ударный изгиб, измерение твердости КСС. По результатам квалификационных испытаний из применения исключены три марки сварочных материалов (электроды, флюс, проволока).
Результаты квалификационных испытаний технологий сварки учтены при формировании окончательных требований к свойствам кольцевых стыковых сварных соединений труб класса прочности К65 для строительства МГ Бованенково-Ухта (таблица 5).
По результатам анализа квалификационных испытаний технологий сварки труб класса прочности К65 для МГ Бованенково-Ухта (таблица 4) установлено, что в КСС, выполненных ручной дуговой сваркой электродами с основным видом покрытия корневого слоя шва на обратной полярности, значения ударной вязкости (KCV-40) на уровне корневого и первых заполняющих слоев шва нестабильны по минимальным и средним значениям.
С целью повышения стабильности и гарантированного обеспечения нормативных значений ударной вязкости, дополнительно, на основе квалификационных испытаний, проведена оптимизация технологии ручной дуговой сварки электродами с основным видом покрытия с выполнением корневого и первого заполняющего слоев шва на прямой полярности сварочного тока с применением электродов той же марки. Установлено, что ударная вязкость (KCV-40) металла шва на уровне корневого и первых заполняющих слоев шва находится в интервале от 61 до 96 Дж/см2 – при сварке корневого слоя шва на прямой полярности, первого заполняющего слоя на обратной полярности, и от 62 до 69 Дж/см2 – при сварке корневого слоя шва и первого заполняющего слоя на прямой полярности.
По результатам квалификационных испытаний технологии ручной дуговой сварки дополнительно сформулированы требования к полярности сварочного тока и технике выполнения корневого и первого заполняющего слоев шва, интервалам параметров и режимов сварки, температурам предварительного и сопутствующего (межслойного) подогрева.
В четвертой главе на основе анализа отраслевой структуры управления и инспекции в сварочном производстве при строительстве магистральных газопроводов выполнено построение основных элементов системы обеспечения качества в сварочном производстве, учитывающее основные требования к элементам системы менеджмента качества международных стандартов серии ISO, европейских норм серии EN, российских стандартов серии ГОСТ Р, руководящих документов Ростехнадзора и методических документов НАКС к порядку аттестации сварщиков и специалистов сварочного производства, сварочных материалов, сварочного оборудования и технологий сварки, персонала и лабораторий неразрушающего контроля серии ПБ, РД.
Таблица 4 – Механические свойства контрольных сварных соединений труб класса прочности К65, выполненных при квалификационных испытаниях сварочных материалов и оборудования для строительства МГ Бованенково-Ухта
| Технология сварки | Диаметр толщина стенки, завод-изготовитель труб | в, МПа | Угол изгиба, ° | Ударная вязкость KCV-40, Дж/см2 | Твердость, HV10 | |
| МШ | ЗТВ | |||||
| Нормативные требования | ||||||
| 610 | 180 | 50 – среднее; 37,5 – min | 300, 325* | 325, 350** | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Результаты испытаний | ||||||
| Автоматическая двухсторонняя одно- и двухдуговая сварка проволокой сплошного сечения в защитных газах сварочным комплексом CRCEvans AW | 1420 33,4 мм | 630-656 | 180 | 92- 213 | 264-295 | 266- 358 |
| Автоматическая односторонняя двухдуговая сварка проволокой сплошного сечения в защитных газах сварочным комплексом "Saturnax" | 1420 27,7 мм | 690-704 | 180 | 78- 346 | 239-282 | 257- 345 |
| Автоматическая односторонняя однодуговая сварка проволокой сплошного сечения в защитных газах сварочным комплексом "CWS.02" | 1420 27,7 мм | 684-708 | 180 | 50- 195 | 237-271 | 250- 338 |
| Механизированная сварка проволокой сплошного сечения в углекислом газе методом STT корневого слоя шва и автоматическая сварка порошковой проволокой в защитных газах заполняющих и облицовочного слоев шва сварочными головками "М300С" | 1420 33,4 мм | 642-718 | 180 | 47- 246 | 212-250 | 247- 342 |
Окончание таблицы 4
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Ручная дуговая сварка электродами с основным видом покрытия корневого слоя шва и автоматическая сварка порошковой проволокой в защитных газах заполняющих и облицовочного слоев шва сварочным комплексом "ПРОТЕУС" | 1420 27,7 мм | 617-700 | 180 | 38- 360 | 219-244 | 217- 279 |
| Автоматическая двухсторонняя сварка проволокой сплошного сечения под флюсом на трубосварочной базе БТС-142 | 1420 27,7 мм | 725-747 | 180 | 62- 182 | 235-242 | 227- 243 |
| Ручная дуговая сварка электродами с основным видом покрытия корневого слоя шва и автоматическая односторонняя двухдуговая сварка под флюсом заполняющих и облицовочного слоев шва на трубосварочном комплексе ТСК-142 | 1420 23,0 мм | 705-724 | 180 | 14- 193 | 247-282 | 243- 255 |
| Ручная дуговая сварка электродами с основным видом покрытия на подъем корневого, заполняющих, облицовочного слоев шва | 1420 33,4 мм | 639-730 | 180 | 42- 326 | 185-343 | 234- 332 |
| Ручная дуговая сварка электродами с основным видом покрытия на подъем корневого слоя шва и на спуск заполняющих, облицовочного слоев шва | 1420 33,4 мм | 633-730 | 180 | 42- 317 | 197-346 | 195- 341 |
| * Для сварных соединений, выполненных ручной дуговой сваркой. ** Для облицовочного и подварочного слоев шва. Примечание – Принятые сокращения: МШ – металл шва, ЛС – линия сплавления, ЗТВ – зона термического влияния | ||||||
Таблица 5 – Требования к механическим свойствам кольцевых стыковых сварных соединений МГ Бованенково-Ухта из труб класса прочности К65, подтвержденные результатами квалификационных испытаний технологий сварки
| Механические свойства | ||||||
| Временное сопротивление разрыву | Угол изгиба, град. | Твердость HV10 | Ударная вязкость по Шарпи (KCV), Дж/см2 | |||
| металл шва | ЗТВ | Среднее значение | Min значение одного образца | Температура испытаний | ||
| Не ниже нормативного значения основного металла труб в продольном направлении | 180 | 300, ( 325*) | 325, ( 350**) | 50,0 | 37,5 | Т= Тmin 20 °С, но 40 °С |
| * Для сварных соединений, выполненных ручной дуговой сваркой, включая специальные сварные соединения и участки сварных соединений, отремонтированных ручной дуговой сваркой. ** Для облицовочного слоя шва и участков корневого слоя шва, выполненных с подваркой. | ||||||
На основе процессного подхода определены основные элементы системы менеджмента качества, напрямую относящиеся к сварочному производству на стадии строительства МГ: процесс сварочно-монтажных работ, процесс контроля качества сварных соединений, процесс статистической оценки качества сварочных работ. В качестве критериев статистической оценки качества сварных соединений газопроводов приняты согласно ГОСТ 25997 показатели качества и уровни качества сварочных работ по результатам неразрушающего контроля физическими методами.
Отмечено, что согласно определениям международных стандартов серии ISO 9000 сварку при строительстве магистральных газопроводов следует отнести к числу специальных процессов, конечный результат которых нельзя в полной мере проверить и гарантировать контролем после сварки и испытаниями в процессе строительства. В связи с этим, обеспечение качества и стабильности свойств сварных соединений при строительстве МГ из труб класса прочности К65, а также повышение эффективности и надежности МГ возможно в рамках комплексного подхода, включающего обязательное участие организации разработчика нормативных, технологических и методических документов по сварке и неразрушающему контролю в:
–квалификационных испытаниях материалов, оборудования и технологий сварочного производства;
–специальной подготовке (переподготовке, повышении квалификации) сварщиков и специалистов сварочного производства, технического надзора организаций-участников строительства магистральных газопроводов;
–технологическом сопровождении и методическом обеспечении аттестации сварщиков и специалистов сварочного производства, производственной аттестации технологий сварки;
–экспертизе и согласовании производственно-технологических документов по сварке и контролю качества сварных соединений;
– технологическом сопровождении сварочно-монтажных работ, контроле качества сварных соединений.
К ключевым элементам комплексного подхода по обеспечению качества в сварочном производстве применительно к строительству МГ Бованенково-Ухта относится специальная подготовка (переподготовка, повышение квалификации) сварщиков, специалистов организаций-подрядчиков по строительству, техническому надзору, занятых выполнением подготовительных, сборочных, сварочных работ и контролем за их качеством. С этой целью разработан и предложен учебно-методический комплекс, учитывающий особенности технических требований к производству сварочных работ и контролю качества сварных соединений при строительстве МГ Бованенково-Ухта.
Для реализации комплексного подхода по обеспечению качества разработана схема взаимодействия структур на всех уровнях сварочного производства при строительстве МГ Бованенково-Ухта (рисунок 4).
В результате анализа и исследований, приведенных в четвертой главе, предложена программа конкретных мероприятий обеспечения качества в сварочном производстве организаций-участников строительства МГ Бованенково-Ухта. Согласно программе конкретных мероприятий обеспечения качества в сварочном производстве в период строительства МГ Бованенково-Ухта с 08.2008 г. по 05.2009 г. в 11 организациях-участниках строительства прошли специальную подготовку и аттестацию 1194 сварщиков и специалистов сварочного производства, 111 представителей технического надзора за качеством строительства, а также выполнена 51 производственная аттестация технологий сварки.
В пятой главе приведены результаты расчетов, выполненных с целью обоснования выбора оптимального соотношения между тремя группами показателей, характеризующих технологии сварки, механические свойства металла сварных соединений и технологию строительства участка магистрального газопровода.
Показатели, характеризующие технологию сварки, были рассмотрены во второй и третьей главах.
В качестве механических характеристик металла сварных соединений были приняты предел прочности, предел текучести и ударная вязкость металла сварного шва, т.е. совокупность показателей, входящих в расчетные критерии, используемые при оценке опасности дефектов.
В качестве показателя, интегрально характеризующего технологию строительства участка магистрального газопровода, было принято значение максимальных продольных (фибровых) напряжений в трубопроводе на этапе строительства. Значения максимальных продольных напряжений были оценены с учетом их зависимости от специализированных технологических параметров, в перечень которых были включены количество, схема расстановки и режимы работы трубоукладчиков, глубина траншеи и ряд других факторов.
Функциональная связь между перечисленными выше характеристическими параметрами определяется на основе формализаций конкретного расчетного критерия, в который входят эти характеристические параметры. В качестве базового при выполнении расчетов был использован двухпараметрический критерий нелинейной механики разрушения, позволяющий учесть два альтернативных механизма разрушения сварного шва с дефектами – хрупкое разрушение и исчерпание несущей способности по пластическому типу. Аналогичные по структуре критерии применяются в нормативных документах ОАО "Газпром" и международных стандартах.
По результатам расчетно-аналитических исследований была проанализирована логическая взаимосвязь между прочностными характеристиками металла сварных соединений для конкретных технологий сварки, допустимыми параметрами размеров дефектов сварных соединений и технологией строительства МГ.
Рассмотрены два возможных варианта оптимизации технологий строительства, отличающихся друг от друга выбором независимых и зависимых управляющих параметров.
Первый вариант предусматривает реализацию следующей схемы действий: квалификационные испытания сварочных материалов, оборудования и технологий сварки для обеспечения нормативных свойств сварных соединений и далее формирование требований к технологии строительства МГ.
Второй вариант предполагает в качестве исходного независимого управляющего параметра применять величину максимальных растягивающих напряжений, определяемую технологией строительства. Далее при заданных требованиях к допустимым параметрам дефектов формируются требования к прочностным свойствам сварных соединений, на основе которых назначаются и проводятся квалификационные испытания технологий сварки.
Приведены примеры оптимизационных расчетов применительно к строительству участка магистрального газопровода Бованенково-Ухта.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Проведен анализ технологических процессов строительства магистральных газопроводов, сварки и контроля качества сварных соединений, алгоритма взаимодействия структур управления сварочным производством применительно к строительству МГ Бованенково-Ухта.
2. Разработаны основные и дополнительные критерии квалификационных испытаний технологий сварки для строительства МГ Бованенково-Ухта из труб класса прочности К65 для обеспечения нормативных требований к свойствам сварных соединений.
3. По результатам расчетно-экспериментальных исследований подтверждены виды испытаний, объекты испытаний, условия проведения и определяемые параметры по основным и дополнительным критериям квалификационных испытаний технологий сварки труб класса прочности К65 для строительства МГ Бованенково-Ухта.
4. Проведена апробация предложенного подхода, по результатам которой экспериментально подтверждено, что проведение квалификационных испытаний технологий сварки кольцевых стыковых соединений труб до начала проведения полномасштабных натурных испытаний опытных партий труб по определению стойкости к протяженному разрушению позволяет обеспечить требуемые свойства кольцевых стыковых сварных соединений испытуемых плетей.
5. Обосновано применение комплексного подхода по обеспечению качества в сварочном производстве при строительстве магистральных газопроводов нового поколения в рамках многоуровневой структуры управления и инспекции в сварочном производстве.
6. Результаты расчетов, экспериментальные исследования и квалификационные испытания технологий сварки опытных партий труб класса прочности К65 использованы при разработке стандарта ОАО «Газпром»: «Инструкция по производству сварочных работ при строительстве сухопутных и подводных газопроводов из сталей Х80, Х100»; рекомендаций ОАО «Газпром»: «Технические требования к сварным соединениям при строительстве газопроводов из сталей Х80, Х100», «Технические требования к сварочным материалам и сварочному оборудованию для строительства газопроводов из сталей Х80, Х100»; специальных технических условий на проектирование МГ Бованенково-Ухта с рабочим давлением 11,8 МПа; инструкции по сварке МГ Бованенково-Ухта с рабочим давлением до 11,8 МПа.
7. Разработана методика оптимизации показателей, характеризующих технологии сварки, механические свойства металла сварных соединений, технологию строительства применительно к магистральному газопроводу Бованенково-Ухта.
Основные положения диссертации опубликованы в работах
- Беспалов В.И. Реализация «Целевой комплексной научно-технической программы развития сварочного производства ОАО "Газпром"» // Состояние сварочного производства газотранспортных, газодобывающих обществ ОАО «Газпром». Сб. материалов семинара-совещания (Москва, 22-26 октября 2002 г.). – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2003. – Т. 1. – С. 21-27.
- Беспалов В.И., Курланов С.А., Земляков С.Н. Предварительные результаты работы рабочей группы НАКС по порядку проведения аттестации технологий сварки, сварочных материалов и оборудования // Состояние сварочного производства газотранспортных, газодобывающих обществ ОАО «Газпром». Сб. материалов семинара-совещания (Москва, 22-26 октября 2002 г.). – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2003. – Т. 1. – С. 27-32.
- Вышемирский Е.М. Новые технологии сварки при строительстве и ремонте газопроводов / Е.М. Вышемирский, А.В. Шипилов, В.И. Беспалов, Д.Г. Будревич // Наука и техника в газовой промышленности. – 2006. – №2. – С. 27-34.
- Беспалов В.И., Артеменко Т.В. Программа по обеспечению качества в сварочном производстве ОАО «Газпром». Научно-исследовательские работы ООО «ВНИИГАЗ» по сварке и неразрушающему контролю качества сварных соединений при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов // Целостность и прогноз технического состояния газопроводов (PITSO-2007): Тез. докл. Международной научно-технической конференции. – М: Изд-во ООО «ВНИИГАЗ», 2007. – С. 86.
- Беспалов В.И., Будревич Д.Г. Технические требования к сварным соединениям при строительстве газопроводов высокого давления из высокопрочных сталей» // Проблемы системной надежности и безопасности транспорта газа. – М.: ВНИИГАЗ, 2008. – С. 123-139.
- Головин С.В., Беспалов В.И., Артеменко Т.В. Обеспечение качества сварочных работ при строительстве уникальных газонефтепроводных систем // Состояние и основные направления развития сварочного производства ОАО «Газпром»: Материалы отраслевого совещания-конф., 11-13 ноября 2008 г., Москва – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2009. – С. 18.
- Беспалов В.И. Особенности требований «Инструкции по сварке МГ Бованенково-Ухта» при применении технологий автоматической, механизированной, ручной сварки для строительства МГ Бованенково-Ухта / В.И. Беспалов, Д.Г. Будревич, Н.Г. Блехерова, В.В. Прохоров // Состояние и основные направления развития сварочного производства ОАО «Газпром»: Материалы отраслевого совещания-конференции, 11-13 ноября 2008 г., Москва – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2009. – С. 53.
- Беспалов В.И. Методы оценки стабильности свойств кольцевых сварных соединений газопроводов // Наука и техника в газовой промышленности. – 2009. – №4. – С. 49-56.
- Макаров Э.Л., Королева А.Б., Беспалов В.И. Свариваемость низкоуглеро-дистой трубной стали класса прочности К65 (Х80) // Наука и техника в газовой промышленности. – 2009. – №1. – С. 74-79.
- Bespalov V.I., Budrevich D.G., Vyshemirskiy E.M. Technical specifications for welded joints during high-pressure high-strength steel gas pipeline construction // Science & Technology in the Gas Industry. – 2009. – №1. – P. 68-73.
