Расчет и проектирование сварных конструкций нефтегазового профиля

Г. И. Макаров 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 
НЕФТЕГАЗОВОГО ПРОФИЛЯ 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 
 
 

УДК 621.79 
ББК 34.641 
М15 
Р е ц е н з е н т :
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры сооружения  
и ремонта газонефтепроводов и хранилищ РГУ нефти и газа (НИУ)  
им. И. М. Губкина Иванцова Светлана Георгиевна 
Макаров, Г. И. 
М15  
Расчет и проектирование сварных конструкций нефтегазового 
профиля : учебник / Г. И. Макаров.  Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021.  344 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0638-3 
Изложена теория расчета и проектирования сварных конструкций 
нефтегазового профиля. Показаны все виды расчетов сварных конструкций – 
на прочность, жесткость, выносливость, устойчивость, сопротивляемость 
разрушению и т. п. Рассмотрены вопросы концентрации напряжений в сварных соединениях, образования сварочных напряжений и деформаций после 
сварки, трещиностойкости и сопротивляемости распространению протяженных разрушений  в трубопроводах. Дана методология расчета и проектирования основных типов элементов сварных конструкций. Приведены примеры 
расчетов. 
Для студентов машиностроительных направлений подготовки. Может 
быть полезно специалистам в области сварки. 
 
УДК 621.79 
ББК 34.641 
ISBN 978-5-9729-0638-3  
” Г. И. Макаров, 2021 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 7 
 
ГЛАВА 1. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СВАРНЫХ  
КОНСТРУКЦИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА .... 9 
1.1. Стали и цветные сплавы 
.............................................................................. 9 
1.2. Сортамент 
.................................................................................................... 21 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 38 
 
ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ  
И ВИДЫ СВАРНЫХ ШВОВ ................................................................................... 39 
2.1. Соединения, выполненные сваркой плавлением 
.................................... 39 
2.1.1. Общие понятия и определения ........................................................ 39 
2.1.2. Соединения, выполненные дуговой сваркой ................................. 41 
2.1.3. Соединения при электрошлаковой сварке ..................................... 50 
2.2. Соединения, выполненные контактной сваркой .................................... 51 
2.3. Соединения, выполненные специальными способами сварки 
.............. 57 
2.3.1. Сварка трением 
.................................................................................. 57 
2.3.2. Высокочастотная сварка 
................................................................... 58 
2.3.3. Электронно-лучевая сварка ............................................................. 59 
2.3.4. Лазерная сварка ................................................................................. 60 
2.4. Соединения при сварке пластмасс ........................................................... 60 
2.4.1. Сварка нагревательным элементом 
................................................. 60 
2.4.2. Ультразвуковая сварка ..................................................................... 61 
2.5. Обозначения сварных соединений на чертежах ..................................... 62 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 66 
 
ГЛАВА 3. КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ  
В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ .............................................................................. 67 
3.1. Причины возникновения концентрации напряжений ............................ 67 
3.2. Распределение напряжений в стыковых швах ........................................ 70 
3.3. Распределение напряжений в лобовых швах .......................................... 71 
3.4. Распределение напряжений во фланговых швах  
и в соединениях с накладками 
.................................................................. 73 

3.5. Распределение напряжений в соединениях,  
выполненных контактной сваркой. 
.......................................................... 77 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 80 
 
ГЛАВА 4. ОСНОВЫ РАСЧЕТА СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ  
И СООРУЖЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ  
И ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗКАХ С УЧЕТОМ СПЕЦИФИКИ РАБОТЫ  
ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВОГО ПРОФИЛЯ ........................................................ 82 
4.1. Принципы расчета сварных конструкций и сооружений ...................... 82 
4.2. Соединения, работающие на изгиб и сложное сопротивление 
............. 87 
4.3. Сопротивление усталости сварных соединений 
................................... 104 
4.3.1. Прочность основного металла при переменных нагрузках 
........ 105 
4.3.2. Прочность сварных соединений из стали при переменных  
нагрузках ......................................................................................... 113 
4.3.3. Методы повышения сопротивления усталости  
сварных соединений 
....................................................................... 117 
4.3.4. Расчет сварных соединений, работающих  
при переменных нагрузках ............................................................ 119 
Контрольные вопросы .................................................................................... 125 
 
ГЛАВА 5. СОБСТВЕННЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ  
ПРИ СВАРКЕ........................................................................................................... 127 
5.1. Понятие о собственных напряжениях и их классификация ................ 127 
5.2. Деформации и напряжения при неравномерном нагреве  
и остывании .............................................................................................. 131 
5.3. Сварочные напряжения и деформации 
.................................................. 140 
5.4. Определение деформаций конструкций балочного типа..................... 151 
5.5. Экспериментальные методы определения сварочных напряжений. .. 162 
5.6. Методы снижения остаточных напряжений и деформаций. ............... 164 
Контрольные вопросы .................................................................................... 167 
 
ГЛАВА 6. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАРНЫХ БАЛОК ................... 169 
6.1. Сведения о балках, схема расчета .......................................................... 169 
6.2. Расчет балок на прочность и жесткость................................................. 171 
6.2.1. Определение расчетных усилий в балках  
с помощью линий влияния ............................................................ 171 
4 

6.2.2. Определение требуемой высоты сечения балки  
из условия жесткости и условия наименьшего веса ................... 176 
6.2.3. Подбор сечения балки .................................................................... 180 
6.2.4. Проверка максимальных напряжений  
в опасных точках сечения 
.............................................................. 181 
6.3. Общая устойчивость балок ..................................................................... 183 
6.4. Местная устойчивость балки и расстановка ребер жесткости 
............ 186 
6.5. Сварные соединения балок ..................................................................... 189 
6.5.1. Расчет поясных швов ...................................................................... 189 
6.5.2. Стыки балок 
..................................................................................... 191 
6.6. Опорные части балок ............................................................................... 192 
6.7. Пример расчета и проектирования сварной балки ............................... 194 
Контрольные вопросы .................................................................................... 202 
 
ГЛАВА 7. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАРНЫХ СТОЕК 
.................... 204 
7.1. Сведения о стойках, типы поперечных сечений 
................................... 204 
7.2. Расчет прочности и устойчивости стоек со сплошными  
и составными поперечными сечениями ................................................. 206 
7.2.1. Расчет стоек со сплошными поперечными сечениями  
при центральном сжатии ............................................................... 206 
7.2.2. Расчет стоек со сплошными поперечными сечениями  
при эксцентрическом сжатии ........................................................ 209 
7.2.3. Расчет стоек с составными поперечными сечениями ................. 213 
7.3. Соединительные элементы стоек ........................................................... 215 
7.4. Базы и оголовки стоек ............................................................................. 218 
7.5. Пример расчета и проектирования сварной стойки ............................. 220 
Контрольные вопросы .................................................................................... 229 
 
ГЛАВА 8. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАРНЫХ ФЕРМ 
...................... 231 
8.1. Понятие о фермах 
..................................................................................... 231 
8.2. Элементы строительной механики стержневых систем ...................... 234 
8.2.1. Геометрическая неизменяемость и статическая  
определимость ................................................................................ 234 
8.2.2. Определение расчетных усилий в стержнях ферм ...................... 236 
8.3. Подбор сечений растянутых и сжатых элементов ферм 
...................... 248 
8.4. Узлы ферм ................................................................................................. 251 
5 

8.5. Примеры расчета и проектирования конструкции сварной фермы 
.... 254 
Контрольные вопросы .................................................................................... 283 
 
ГЛАВА 9. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕФТЕГАЗОВЫХ  
СООРУЖЕНИЙ ОБОЛОЧКОВОГО ТИПА 
......................................................... 285 
9.1. Классификация сооружений оболочкового типа 
.................................. 285 
9.2. Стальные вертикальные цилиндрические резервуары 
......................... 286 
9.3. Цистерны и сферические резервуары .................................................... 291 
9.4. Трубопроводы 
........................................................................................... 295 
Контрольные вопросы .................................................................................... 300 
 
ГЛАВА 10. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАРНЫХ ДЕТАЛЕЙ  
МАШИН 
................................................................................................................... 301 
10.1. Примеры сварных деталей машин ....................................................... 301 
10.2. Сварные барабаны лебедок грузоподъемных машин ........................ 303 
10.3. Сварные корпуса редукторов 
................................................................ 306 
10.4. Сварные рамы и станины ...................................................................... 307 
10.5. Зубчатые колеса, шестерни, шкивы ..................................................... 309 
Контрольные вопросы .................................................................................... 312 
 
ГЛАВА 11. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ НЕФТЕГАЗОВЫХ СВАРНЫХ  
КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ 
.................................................................... 313 
11.1. Сопротивление разрушению сварных конструкций  
и сооружений 
............................................................................................ 313 
11.2. Основные положения и критерии механики разрушения 
.................. 314 
11.3. Протяженные разрушения магистральных газопроводов ................. 323 
Контрольные вопросы .................................................................................... 340 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
....................................................................................... 341 
 
6 

ВВЕДЕНИЕ 
Расчет и проектирование сварных конструкций нефтегазового профиля 
имеют свою специфику в виду особых условий эксплуатации объектов нефтегазового комплекса. Расчеты сварных конструкций и сооружений нефтегазового 
профиля на прочность, жесткость, выносливость, устойчивость, трещиностойкость, сопротивляемость разрушению и т. п. выполняют по расчетным сопротивлениям в соответствии со строительными нормами и правилами в отличие 
от машиностроительных конструкций, которые рассчитывают по допускаемым 
напряжениям. 
За последние десятилетия сильно изменились рабочие параметры многих 
нефтегазовых объектов: вертикальных стальных цилиндрических резервуаров, 
сосудов давления, магистральных трубопроводов. Стремление увеличить производительность перекачки продукта по магистральным трубопроводам (при 
ограничении максимальных диаметров труб: 1220 мм для нефтепроводов  
и 1420 мм для газопроводов) привело к росту величины номинального рабочего 
давления с 5,4െ7,4 МПа до значений 9,8െ14,0 МПа. При таких высоких значениях рабочего давления использование листового проката трубных сталей 
прежних классов прочности К52–К55 потребовало бы увеличения толщины 
стенки труб до 35െ40 мм. Увеличение металлоемкости конструкций (в том 
числе соединительных деталей, задвижек, арматуры и т. п.) осложнило бы технологию сварки кольцевых монтажных стыков, а также потребовало бы разработки принципиально нового парка техники и оборудования для выполнения 
строительных и сварочно-монтажных работ. В настоящее время при строительстве магистральных трубопроводов нового поколения применяют трубы повышенных классов прочности: К56, К60, К65 и К70, использование которых позволяет ограничить толщину стенки труб значениями 27െ30 мм. 
Помимо высокой прочности листовой прокат трубных сталей должен обладать высоким уровнем пластических и вязкостных свойств во всем диапазоне 
температур эксплуатации трубопровода, что необходимо для обеспечения статической трещиностойкости металла и сварных соединений (предотвращения 
развития трещин от дефектов всех типов), а также обеспечения сопротивляемости магистральных газопроводов распространению протяженных разрушений. 
Обеспечение сочетания высоких значений прочностных характеристик: предела 
текучести и временного сопротивления, и характеристик вязкости разрушения: 
коэффициента интенсивности напряжений и пластического раскрытия у вершины 
7 

трещины, 
является 
сложной 
технологической 
задачей, 
и 
относится  
к приоритетным направлениям научных исследований в области создания высокопрочных и высоковязких труб нового поколения. Как известно, традиционные способы повышения прочности стали за счет увеличения процентного  
содержания углерода не позволяют существенно повысить прочностные характеристики металлопроката без одновременного снижения пластичности и вязкости разрушения. За последние годы в металлургической отрасли были освоены другие способы достижения высокой прочности листового проката трубных 
сталей с сохранением высокой пластичности и вязкости разрушения, в частности за счет применения упрочняющей термообработки листа в процессе прокатки (так называемые, стали «контролируемой прокатки» с ускоренным охлаждением). Для того чтобы увеличить «лимит» на легирующие добавки, необходимые для достижения эффекта упрочняющей термообработки, и при этом не 
превысить нормативные значения показателей свариваемости (эквивалент углерода и параметр стойкости против растрескивания), процентное содержание 
углерода в стали пришлось понизить до 0,07െ0,09 %. 
Ограничение процентного содержания углерода обеспечивает сохранение 
запаса пластичности и вязкости разрушения, а проведение термообработки листа в процессе прокатки позволяет получить высокую прочность листового 
проката. Такая технология производства трубных сталей обеспечивает сочетание высоких значений показателей прочности, пластичности и вязкости разрушения, как основного металла труб, так и их сварных соединений. 
Помимо традиционных разделов, касающихся методов расчета и проектирования сварных конструкций нефтегазового профиля, учебник содержит дополнительный раздел по методам оценки статической и динамической трещиностойкости конструкций оболочкового типа (сосудов давления). Отдельно 
представлен новый метод расчета магистральных газопроводов на сопротивляемость протяженным разрушениям и процедура подтверждения соответствия 
труб по нормируемому значению величины пластического раскрытия у вершины трещины в зависимости от диаметра и толщины стенки труб, рабочего давления газа, класса прочности труб, категории участка газопровода и способу 
прокладки. 
Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений нефтегазового профиля. При подготовке учебника использован многолетний опыт 
автора преподавания соответствующих дисциплин на кафедрах сварки МВТУ 
им. Н. Э. Баумана и РГУ нефти и газа (НИУ) им. И. М. Губкина. 
8 

ГЛАВА 1. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ  
В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ  
НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА 
1.1. Стали и цветные сплавы 
Для изготовления сварных конструкций применяют различные виды 
стального проката углеродистых и легированных конструкционных сталей.  
В строительных конструкциях чаще всего применяют низкоуглеродистые стали 
обыкновенного качества, в трубопроводном транспорте – углеродистые качественные и низколегированные конструкционные стали. В сварных конструкциях и сооружениях нефтегазового комплекса применяют также коррозионностойкие (нержавеющие) стали, а также цветные сплавы на основе алюминия  
и титана. 
Углеродистые стали обыкновенного качества выпускают по Межгосударственному стандарту ГОСТ 380-2005. В табл. 1.1 приведен перечень марок 
сталей и их химический состав. В обозначении марки стали буквы «Ст» обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки стали в зависимости от химического состава. Степень раскисления стали определяется буквами: «кп» – 
кипящая, «пс» – полуспокойная, «сп» – спокойная. Буква «Г» указывает на повышенное содержание марганца. Для всех марок стали (кроме марки Ст0) ограничения по содержанию вредных примесей составляют: серы – не более 0,050 %, 
фосфора – не более 0,040 %. 
Таблица 1.1 
Марки и химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества  
(ГОСТ 380-2005) 
Марка стали 
Массовая доля химических элементов, % 
Углерод 
Марганец 
Кремний 
Не более 0,23 
0,06–0,12 
0,06–0,12 
0,06–0,12 
0,09–0,15 
0,09–0,15 
0,09–0,15 
0,14–0,22 
0,14–0,22 
െ 
Не более 0,05 
0,05–0,15 
0,15–0,30 
Не более 0,05 
0,05–0,15 
0,15–0,30 
Не более 0,05 
0,05–0,15 
െ 
0,25–0,50 
0,25–0,50 
0,25–0,50 
0,25–0,50 
0,25–0,50 
0,25–0,50 
0,30–0,60 
0,40–0,65 
Ст0 
Ст1кп 
Ст1пс 
Ст1сп 
Ст2кп 
Ст2пс 
Ст2сп 
Ст3кп 
Ст3пс 
9 

Окончание таблицы 1.1 
Марка стали 
Массовая доля химических элементов, % 
Углерод 
Марганец 
Кремний 
0,15–0,30 
Не более 0,15 
0,15–0,30 
Не более 0,05 
0,05–0,15 
0,15–0,30 
0,05–0,15 
0,15–0,30 
Не более 0,15 
0,05–0,15 
0,15–0,30 
0,40–0,65 
0,80–1,10 
0,80–1,10 
0,40–0,70 
0,40–0,70 
0,40–0,70 
0,50–0,80 
0,50–0,80 
0,80–1,20 
0,50–0,80 
0,50–0,80 
0,14–0,22 
0,14–0,22 
0,14–0,20 
0,18–0,27 
0,18–0,27 
0,18–0,27 
0,28–0,37 
0,28–0,37 
0,22–0,30 
0,38–0,49 
0,38–0,49 
Ст3сп 
Ст3Гпс 
Ст3Гсп 
Ст4кп 
Ст4пс 
Ст4сп 
Ст5пс 
Ст5сп 
Ст5Гпс 
Ст6пс 
Ст6сп 
Углеродистые качественные нелегированные конструкционные стали 
выпускают по Межгосударственному стандарту ГОСТ 1050-2013. В табл. 1.2 
приведены перечень марок сталей и их химический состав. Цифры в обозначении марки стали примерно соответствуют содержанию углерода в сотых долях 
процента. Степень раскисления стали определяется буквами: «кп» – кипящая, 
«пс» – полуспокойная, без индекса – спокойная. Для всех марок стали ограничения по содержанию вредных примесей составляют: серы – не более 0,040 %, 
фосфора – не более 0,035 %. 
ГОСТ 1050-2013 регламентирует также механические свойства проката из 
углеродистой качественной нелегированной конструкционной стали. В табл. 1.3 
приведены нормативные значения механических характеристик проката в нормализованном состоянии: характеристики прочности (предел текучести и временное сопротивление) и пластичности (относительное удлинение и относительное 
поперечное сужение). Как видно из табл. 1.2–1.3, с увеличением содержания 
углерода в стали повышается прочность, и снижается пластичность. 
Таблица 1.2 
Марки и химический состав углеродистых качественных нелегированных  
конструкционных сталей (ГОСТ 1050-2013) 
Марка 
стали 
Массовая доля химических элементов, % 
Углерод 
Марганец 
Кремний 
Хром, не более 
05кп 
08кп 
Не более 0,06 
0,05–0,12 
Не более 0,40 
0,25–0,50 
Не более 0,03 
Не более 0,03 
0,10 
0,10 
10