Термическая обработка сварных соединений труб

В. П. Тимошенко, М. В. Радченко 
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА 
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ 
Учебное пособие  
Москва     Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 
1 

УДК 621.791.7(075.8) 
ББК 30.61 
Т41 
Р е ц е н з е н т ы :
доктор технических наук, профессор, советник генерального директора  
по науке ЗАО «Региональный центр лазерных технологий» С. М. Шанчуров; 
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, главный сварщик 
ООО «Производственно-строительное объединение “Алтай”» В. Г. Пинаев 
Тимошенко, В. П.  
Т41   
Термическая обработка сварных соединений труб : 
учебное пособие / В. П. Тимошенко, М. В. Радченко. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 152 с.: ил., 
табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-0656-7 
Освещены вопросы материаловедения, даны основы физики  
и электротехники, раскрыта физическая сущность индукционного 
нагрева. Показан порядок термической обработки теплостойких ста- 
лей и сплавов, рассмотрены средства контроля температуры нагрева 
термообрабатываемых изделий, а также устройство и принцип действия передвижных установок для термообработки. 
Для термистов-операторов, работающих на передвижных термических установках при монтаже, ремонте и реконструкции опасных 
производственных объектов. Может быть полезно студентам технических вузов, учащимся колледжей и техникумов. 
УДК 621.791.7(075.8) 
ББК 30.61 
ISBN 978-5-9729-0656-7 
” Тимошенко В. П., Радченко М. В., 2021 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
2 

 
 
1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 
 
Металлами называются вещества, атомы которых располагаются в определённом геометрическом порядке, образуя при 
этом кристаллы.  
Им присущ специфический металлический блеск. Кроме 
того, металлы обладают хорошей пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью. Это дает возможность 
обрабатывать их под давлением (прокатка, ковка, штамповка, 
волочение). Металлы обладают хорошими литейными свойствами, а также, свариваемостью, способны работать при низких и 
высоких температурах. Металлические изделия и конструкции 
легко соединяются с помощью болтов, заклепок и сварки. Наряду с этим металлы обладают и существенными недостатками: 
имеют большую плотность, при действии различных газов  
и влаги подвергаются коррозии, а при высоких температурах 
значительно деформируются. 
Существует такое определение как «чистый металл» оно 
является условным, так как любой чистый металл содержит примеси, а потому его следует рассматривать как сплав. Под термином «чистый металл» всегда понимается металл, содержащий 
примеси в пределах 0,01…0,001 %. Современная металлургия 
позволяет получать металлы высокой чистоты (99,999 %). Однако, примеси даже в малых количествах могут оказывать существенное влияние на свойства металла. 
Чистые металлы обладают высокой пластичностью и низкой прочностью, что не обеспечивает требуемых физикохимических и технологических свойств. Поэтому их применение в строительстве и технике в качестве конструкционных материалов сильно ограничено. Наиболее широко используют 
сплавы, обладающие более высокой прочностью, твердостью  
и износостойкостью и т. д. 
Сплавы – это системы, состоящие из нескольких металлов 
или металлов и неметаллов, служебные свойства которых зависят 
от процентного содержания углерода и легирующих элементов.  
3 
 

Все металлы и образованные из них сплавы делят на две 
группы: черные и цветные. 
К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе – стали и чугуны, остальные металлы являются цветными. 
В строительстве в основном применяют черные. 
К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на 
основе алюминия, меди, цинка, титана. Цветные металлы являются более дорогостоящими и дефицитными. 
Чугуны в зависимости от состава и структуры подразделяются на серые (углерод в виде цементита и свободного графита) и белые (углерод в виде цементита). В зависимости от 
формы графита и условий его образования различают: серый, 
высокопрочный и ковкий чугуны. 
Сталью называют сплав железа с углеродом и другими 
элементами с содержанием углерода до 2,14 %.  
Стали можно подразделить на две основные группы – углеродистые и легированные. 
Углеродистые стали – основной конструкционный материал, который используется в различных областях промышленности. Они дешевле легированных и проще в производстве.  
В углеродистой стали свойства зависят от количества углерода, 
поэтому эти стали классифицируются на низкоуглеродистые, 
средне– и высокоуглеродистые. 
Углеродистые стали относятся к железоуглеродистым 
сплавам с содержанием углерода от 0,05 до 1,35 % С. Углеродистые конструкционные стали содержат до 0,65 % С, инструментальные – более 0,65 % С.  
Кроме вышеуказанной классификации, углеродистые стали 
подразделяются по содержанию углерода, по структуре, по 
назначению.  
По содержанию углерода углеродистые стали делятся: 
 низкоуглеродистые до 0,25 % С; 
 среднеуглеродистые – 0,3…0,45 % С; 
 высокоуглеродистые – > 0,45 % С.  
По структуре стали подразделяются на: 
 доэвтектоидные – до 0,8 % С; 
4 
 

 эвтектоидные – 0,8 % С; 
 заэвтектоидные – более 0,8 % С. 
Углерод является важнейшим элементом, определяющим 
структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на 
свойства стали. 
С ростом содержания углерода увеличивается твердость  
и прочность, однако уменьшается вязкость и пластичность стали. Рост прочности происходит при содержании углерода в стали до 0,8…1,0 %. При увеличении содержании углерода бо- 
лее 0,8 % уменьшается не только пластичность, но и прочность 
стали.  
Углерод оказывает также существенное влияние на технологические свойства стали – свариваемость, обрабатываемость 
резанием и давлением. 
Легированные стали – это стали, в которые специально 
вводят химические элементы для получения заданных служебных свойств. 
 
1.1. Классификация и маркировка легированных сталей 
  
Классификация по химическому составу предполагает разделение легированных сталей (в зависимости от вводимых элементов) на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, 
хромоникельмолибденовые и т. д. Согласно той же классификации, стали подразделяют по общему количеству легирующих 
элементов в них на: 
 низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов); 
 легированные (от 2,5 до 10 %); 
 высоколегированные (более 10 %).  
Разновидностью классификации по химическому составу 
является классификация по качеству. Качество стали – это комплекс свойств, обеспечиваемых металлургическим процессом, 
таких 
как 
однородность 
химического 
состава, 
строения  
и свойств стали, ее технологичность. Эти свойства зависят от 
содержания газов (кислород, азот, водород) и вредных приме5 
 

сей – серы и фосфора. По качеству легированные стали подразделяют на: 
 качественные (до 0,04 % S и до 0,035 % Р); 
 высококачественные (до 0,025 % S и до 0,025 % Р); 
 особовысококачественные (до 0,015 % S и до 0,025 % Р). 
По назначению стали подразделяются на три группы: конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.  
Конструкционные углеродистые стали содержат углерод 
в количестве 0,02…0,7 %. Низкое содержание углерода обусловлено тем, что различного рода конструкции соединяются 
сваркой, а углерод ухудшает свариваемость.  
Инструментальные стали, содержащие углерод в пределах 0,7…1,5 %, используют для изготовления режущего и ударного инструмента.  
К группе сталей и сплавов с особыми свойствам относятся коррозионностойкие, нержавеющие и кислотоупорные, жаропрочные и жаростойкие стали и т. д.  
На свойства стали значительное влияние оказывают постоянные (нежелательные) примеси (сера, фосфор, газы), а также 
технологические добавки (кремний, марганец и др.).  
Углерод оказывает основное влияние на свойства углеродистой стали, находится в ее составе главным образом в связанном состоянии в виде цементита Fe3C. С увеличением содержания углерода в стали повышаются ее твердость и прочность, 
уменьшаются пластичность и вязкость. 
Сера является нежелательной примесью, образует с железом сульфид железа FeS, который находится в стали в виде эвтектики Fe–FeS по границам зёрен с температурой плавления 
985 °С. 
При нагреве стали до температуры 1000…1200 °С эвтектика плавится, что приводит к нарушению связи между зернами, 
повышению хрупкости, разрушению при деформации вследствие образования внутренних трещин и надрывов. Это явление 
называют красноломкостью (горячие трещины). Содержание 
серы в стали не должно превышать 0,06 %. 
Фосфор ухудшает пластичность стали и вызывает явле- 
ние хладноломкости (холодные трещины), является нежела6 
 

тельной примесью, содержание которой в сталях должно быть 
менее 0,08 %. 
Азот, кислород присутствуют в сплавах в составе оксидов, 
нитридов – хрупких неметаллических соединений (включений), 
которые создают дефекты кристаллической структуры. Они являются концентраторами напряжений и могут понизить механические свойства (прочность, пластичность). 
Водород поглощается сталью в атомарном состоянии при 
её плавлении. При охлаждении сплава растворимость водорода 
снижается, он накапливается в микропорах создавая высокое 
давление. Это может привести к образованию в материале внутренних напряжений и, как следствие, трещин. 
Марганец и кремний – полезные примеси. Их добавляют  
в сталь при выплавке.  
Марганец существенно снижает красноломкость, увеличивает твердость, прочность и износостойкость стали. При его содержании более 1,5 % снижается пластичность стали. 
Кремний понижает склонность стали к хладноломкости, 
способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих характеристиках.  
Обычное содержание кремния в углеродистой стали –  
не более 0,4 %, марганца – 0,8 %. 
По качеству различают:  
 стали обыкновенного качества; 
 качественные; 
 высококачественные; 
 особо высококачественные.  
Стали обыкновенного качества имеют повышенное содержание нежелательных примесей – до 0,06 % серы и до 0,08 % 
фосфора, их механические свойства ниже, чем у сталей других 
групп. Качественные стали содержат серу и фосфор в концентрации менее 0,035 % каждого элемента. Высококачественные 
стали, выплавляемые в электропечах, содержат менее 0,025 % 
серы, и фосфора. Особо высококачественные стали, подвергнутые электрошлаковому переплаву с вакуумированием, содержат 
серу и фосфор в концентрации, не превышающей 0,015 %. 
7 
 

Согласно ГОСТ 380-94 конструкционные стали обыкновенного качества обозначаются (маркируются) буквами, символами и цифрами: 
1) Символ «Ст» – сокращенное наименование стали. 
2) Цифра, следующая за символом – условный номер марки 
стали. 
3) Символы «кп», «пс» и «сп» обозначают степень раскисления стали: кипящая, полуспокойная и спокойная. 
4) Цифра обозначает категорию качества (т. е. нормируемые показатели свойств стали в группе, от 1 до 6). 
Пример обозначения: Ст3сп5, Ст3пс. 
Конструкционные углеродистые качественные стали поставляются по ГОСТ 1050-88 двух групп: 
 с нормальным содержанием марганца; 
 с повышенным содержанием марганца. 
Их обозначают (маркируют) следующим образом: 
1) «Сталь» – полное наименование материала. 
2) Двузначное число, обозначающее среднее содержание 
углерода в сотых долях процента. 
3) Буква «Г», обозначающая повышенное содержание марганца. 
4) Символы, обозначающие степень раскисления. 
Пример обозначения: Сталь 05, Сталь 08кп, Сталь 15Г. 
Низколегированные и среднелегированные стали маркируются следующим образом: 
1) Двузначное число, обозначающее среднее содержание 
углерода в сотых долях процента. 
2) Буква, условно обозначающая название химического 
элемента, являющегося легирующим компонентом. 
3) Цифра за буквой, обозначающая среднее содержание легирующего элемента в процентах. 
4) Буква «А» в конце марки стали, обозначающая повышенный уровень качества, т. е. пониженное содержание серы  
и фосфора (S <0,035 %). 
Большая часть низколегированных сталей с целью повышения уровня механических свойств поставляется в термически 
обработанном (улучшенном) состоянии. 
8 
 

Улучшение стали – вид термической обработки стали,  
заключающийся в закалке и последующем высоком отпуске 
(при 550…650 °С). В результате достигается однородная и дисперсная структура сорбита, обеспечивающая хорошее сочетание 
прочности, пластичности, ударной вязкости и критической температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое.  
Пример обозначения: 09Г2С, 15ХСНД, 12МХ, 16Г2АФ, 
30ХМА. 
Отдельная группа низко– и среднелегированных сталей для 
сварных конструкций, поставляемых по ГОСТ 4543-71, термически обрабатывается на высокий уровень прочности. Эта группа сталей получила условное название высокопрочных. 
Пример обозначения: 14ХГ2МР, ЗОХГСНА, 42Х2ГСНМА. 
Высоколегированные стали и сплавы, часто называются 
специальными. В основу их обозначения положен принцип  
указания химического состава. Все они относятся к качествен- 
ным или особо качественным. Дополнительными информационными признаками для них является разделение по назначению 
(коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, хладостойкие и т.п.) и структуре в состоянии поставки (мартенситные, 
мартенситно-ферритные, ферритные, аустенитно-ферритные 
и аустенитные). 
Мартенситная сталь – легированная сталь, основной 
структурой которой после нормализации является мартенсит. 
Мартенситно-ферритные стали. К этому классу относят 
стали, в которых при температурах >600 оС при низкой скорости 
охлаждения возможно образование ферритной составляющей 
структуры.  
Ферритная сталь – это сталь со структурой легированного феррита с некоторым количеством карбидов. Ферритная 
сталь образуется при низком содержании углерода и большом 
количестве легирующего элемента (08Х13, 08Х17Т). 
Аустенитно-ферритная сталь – это высоколегированная 
сталь, основу структуры которой составляют двe фазы: аустенит 
и феррит. Количество каждой фазы составляет от 40 до 60 %.  
9 
 

Аустенитная сталь. К аустенитному классу относятся 
высоколегированные стали, образующие пpи кристаллизации 
преимущественно однофазную аустенитную структуру. 
Марки углеродистой стали. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые и легированные.  
Для сварных конструкций основное применение находят 
низкоуглеродистые стали.  
К сталям обыкновенного качества относятся стали марок 
Ст0; Ст1; Ст2; Ст3; Ст4; Ст5; Ст6. Цифра в маркировке таких 
сталей указывает на порядковый номер марки стали и не связана 
с её химическим составом. 
По степени раскисления сталь марок Ст1; Ст2; Ст3; Ст4 
выплавляют спокойной, полуспокойной и кипящей, сталь марок 
Ст5 и Ст6 – полуспокойной и спокойной. Сталь марки Ст0 по 
степени раскисления не разделяют. 
Стали обыкновенного качества являются наиболее дешевыми и широко применяются в тех случаях, когда к материалу 
не предъявляются повышенные требования. По сравнению с качественными сталями они содержат больше серы, фосфора, неметаллических включений вследствие менее тщательной очистки в процессе выплавки.  
Промежуточное положение по раскислению и качеству занимает полуспокойная сталь. 
К качественным углеродистым сталям относятся стали марок 08; 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55 и т. д. до 85. Цифры 
указывают на среднее содержание в них углерода в сотых долях 
процента. 
Все примеси, содержащиеся в сталях, делят на четыре 
группы: 
1) постоянные или обыкновенные (кремний, марганец, 
алюминий); 
2) скрытые (кислород, водород, азот); 
3) случайные (попадающие из шихтовых материалов); 
4) легирующие элементы (вводят в сталь специально с целью изменения её строения и свойств). 
10