Сварка и ремонт металлических конструкций по противокоррозионным покрытиям

 
А.П. Шатов, И.О. Стеклов, 
В.П. Ступников 
 
 
 
СВАРКА и РЕМОНТ 
металлических 
 конструкций  
по противокоррозионным 
покрытиям 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
подготовки 150700 «Машиностроение» 
 
 
Издание 2-е, исправленное 
 
 
 

 

 
 
Москва 2014 

УДК 621.791:620.197 
ББК 34.641 
        Ш28 

Р е ц е н з е н т ы: 

д-р техн. наук, заведующий отделом экспертизы металлов  
ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова» В.М. Горицкий 
д-р техн. наук, профессор кафедры «МиАСП» Донского  
государственного технического университета В.А. Ленивкин 

Шатов А. П. 
Ш28 
  Сварка и ремонт металлических конструкций по противо- 
коррозионным покрытиям : учеб. пособие / А. П. Шатов, 
О. И. Стеклов, В. П. Ступников. – 2-е изд., испр. – М. : 
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. – 148, [4] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-3875-4 

Рассмотрены механизмы коррозии, вопросы технологии сварки и ремонта металлических конструкций по противокоррозионным покрытиям, составы и способы нанесения противокоррозионных покрытий. 
Проанализирован и обобщен большой объем фактического материала, полученного с использованием современных технологических методов и измерительной аппаратуры. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по 
направлению «Машиностроение».  
УДК 621.791:620.197 
                                                                         ББК 34.641 

 
© Шатов А.П., Стеклов О.И., 
 
    Ступников В.П., 2014 
 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-3875-4 
    МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 

Введение 

 
3 

ПРЕДИСЛОВИЕ  

Создание сварной конструкции с противокоррозионными 
покрытиями, 
полностью 
отвечающей 
своему 
служебному 
назначению и требованиям эксплуатации, представляет собой 
комплексную задачу, которая включает в себя проектирование, 
прочностной расчет и рациональную технологию ее изготовления. В процессе эксплуатации и реновации (ремонта) остро 
встает проблема коррозии сварных соединений различных конструкций, решение которой связано как с выбором рациональной 
технологии сварочного процесса, так с выработкой рекомендаций 
с учетом влияния типа защитного покрытия, его толщины и места 
расположения относительно свариваемых кромок, оказывающих 
влияние как на физические и технологические, так и эксплутационные свойства сварных соединений.  
Для защиты несущих сварных конструкций от коррозии применяют различные противокоррозионные покрытия (лакокрасочные, 
металлические из цинка и алюминия, силикатно-эмалевые и т. п.), 
однако сложность состоит в том, что в процессе эксплуатации 
сварной конструкции происходит ее коррозия и старение совместно с защитными покрытиями. В связи с этим остро встает вопрос 
мониторинга такой сварной конструкции не только на стадии проектирования, изготовления и эксплуатации, но и последующего 
ремонта. Решение этой проблемы, например, на нефтегазовых сооружениях является комплексной задачей. 
Содержание предлагаемого учебного пособия «вооружает» будущих конструкторов и технологов необходимой информацией и 
методологией ее использования для решения задач по рациональному выбору антикоррозионного покрытия на свариваемых элементах металлических конструкций. Принципиальным отличием 
предлагаемого пособия является ориентированность на комплексное решение задач выбора (критерии и правила выбора, обосно

Предисловие 

 
4 

ванное решение и т. д.) с позиций жизненного цикла эксплуатации 
изделия в целом. 
Пособие может быть использовано студентами конструкторских и технологических специальностей при выполнении курсовых и дипломных работ, связанных с технической подготовкой 
производства и ремонта металлических конструкций различного 
функционального назначения. 
В пособии рассматривается современное состояние этих задач, 
однако его материал не исчерпывает всей сложности поставленной 
проблемы технологии сварки, коррозии и старения сооружений. 
Представлена разработанная авторами феноменологическая модель влияния антикоррозионных покрытий (лакокрасочных, металлических из цинка и алюминия и силикатно-эмалевых) на процессы сварки таких конструкций и последующей защиты сварного 
шва, например, на нефтегазовых сооружениях. 
Рассмотрены проблемы старения и коррозии нефтегазовых сооружений, сформулированы причины и механизмы отказов, а также основные направления комплексного решения проблемы с позиций физико-химической механики свариваемых материалов и 
конструкций. Представлены различные способы ремонта стальных 
конструкций, имеющих антикоррозионные покрытия и рассмотрены преимущества и недостатки каждого из способов. 

1.2. Старение и коррозия сварных соединений 

 
5 

1. СВАРКА И РЕМОНТ НЕСУЩИХ  
СВАРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ  
С ПРОТИВОКОРРОЗИОННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ 

1.1. Несущие сварные конструкции с противокоррозионными  
покрытиями и области их применения 

Провести единую классификацию несущих сварных конструкций довольно затруднительно ввиду большого разнообразия. Они 
могут быть классифицированы по методу получения заготовок 
(листовые, сварно-литые, сварно-кованые, штампосварные), по 
целевому назначению (вагонные, судовые, авиационные и т. п.), в 
зависимости от толщины свариваемых элементов (тонко- и толстостенные) или по применяемым материалам (стальные, алюминиевые, титановые и т. п.). При рассмотрении вопросов проектирования, изготовления и ремонта сварных конструкций более рациональной представляется их классификация по характерным 
особенностям работы. Можно выделить следующие типы сварных 
элементов и конструкций. 
Балки – конструктивные элементы, работающие преимущественно на поперечный изгиб. Жестко соединенные между собой 
балки образуют рамные конструкции. 
Колонны – элементы, работающие преимущественно на сжатие 
или сжатие с продольным изгибом. 
Решетчатые конструкции – системы стержней, соединенных в 
узлах таким образом, что стержни испытывают преимущественно 
растяжение или сжатие. К ним относятся фермы, мачты, арматурные сетки и каркасы. 
Оболочечные конструкции – различные емкости, сосуды и 
трубопроводы, как правило, испытывающие внутреннее давление 
и отвечающие требованиям герметичности соединений. К ним, в 
частности, относятся магистральные и промысловые трубопроводы, резервуары для хранения и транспортировки нефти и нефтепродуктов, морские нефтегазовые сооружения, несущие конструкции нефтеперерабатывающих заводов. 
Корпусные транспортные конструкции – корпуса судов, вагонов, кузова автомобилей, подвергающиеся динамическим нагруз

1. Сварка и ремонт несущих сварных металлических конструкций 

 
6 

кам. К ним предъявляют требования высокой жесткости при минимальной массе. 
Детали машин и приборов – элементы (например, станы, валы, 
колеса), работающие в основном при переменных, многократно 
повторяющихся нагрузках. Характерным для них является требование точных размеров, которое обеспечивается главным образом 
механической обработкой заготовок или готовых деталей [9]. 

1.2. Старение и коррозия сварных соединений 

В настоящее время проблема коррозии усугубляется старением основного металлофонда, его износом, совершенно недостаточной степенью возобновляемости и реновации. Бóльшая 
часть из 800 млн т потенциально опасных конструкций России 
выработала свой плановый ресурс на 50...70 %. Значительная 
часть сооружений полностью исчерпала свой плановый ресурс и 
вступает в период интенсификации отказов. Жизненный цикл 
конструкции подразделяется на четыре основные стадии: проектирование, изготовление, эксплуатация и реновация (реконструкция, ремонт).  
По интенсивности отказов на стадии эксплуатации можно выделить три характерных периода: 
I – приработка, или период ранних отказов, когда выявляются 
недостатки проектирования и изготовления; 
II – нормальная работа при практически постоянной интенсивности отказов по причинам преимущественно случайного характера; 
III – интенсификация отказов, обусловленная старением и усугубляемая коррозией. 
Рассмотрим оболочковые конструкции, к которым относятся 
различные нефтегазовые сооружения (НГС): магистральные и 
промысловые трубопроводы, резервуары, морские НГС, несущие 
конструкции нефтеперерабатывающих установок и заводов и т. д. 
Это сложные крупногабаритные сварные геотехнические сооружения, эксплуатируемые в условиях воздействия углеводородных 
продуктов (добываемых, транспортируемых, перерабатываемых, 
хранимых) и коррозионных сред. Значительная часть этих со

1.2. Старение и коррозия сварных соединений 

 
7 

оружений выработала плановый ресурс на 60...70 %. Например, 
газопроводы и резервуары с временем эксплуатации 20 лет и более исчерпали свой ресурс более чем на 70 %. Большинство НГС 
вступило в III период эксплуатационной стадии жизненного 
цикла – период интенсификации отказов (рис. 1.1). 

Рис. 1.1. Изменение интенсивности отказов магистральных  
нефтепроводов во времени (I–III – периоды эксплуатационной  
стадии жизненного цикла нефтепроводов) 

Основными причинами отказов в III периоде становятся коррозия и старение [18, 19]. Например, старение НГС оказывает 
существенное влияние на сопротивляемость разрушению после 
10...15 лет эксплуатации в связи с протеканием процессов деградации (охрупчивания) металла и защитных покрытий. Анализ 
комплекса факторов, действующих на различные конструкции, 
позволяет выделить три основных процесса, приводящих к 
охрупчиванию и старению металла: 
1) деформационное старение, особенно значимое для сварных 
соединений, испытывающих термодеформационное воздействие 
и находящихся в вызванном им повышенном напряженном состоянии. Оно связано с изменениями в распределении атомов 

1. Сварка и ремонт несущих сварных металлических конструкций 

 
8 

внедрения углерода, кислорода и азота в ферритной матрице и 
частичным распадом цементитной фазы при технологических 
воздействиях в процессе эксплуатации. Следствием деформационного старения является уменьшение статической и циклической трещиностойкости; 
2) насыщение металла реагентами среды и прежде всего водородное охрупчивание, связанное с изменением напряженного состояния структуры матрицы и уменьшением ее трещиностойкости 
из-за ослабления границ зерен (рост доли межзеренного разрушения) при эксплуатации; 
3) повторно-циклическое действие нагрузок и термоциклирование в диапазоне климатических температур. Они вызывают 
микропластические деформации и локализуют концентрации 
напряжений, ускоряя эксплуатационную повреждаемость металла. 
Перечисленные процессы обусловливают повышение склонности стали к трещинообразованию и хрупкому разрушению по мере 
приближения температуры хрупкости стали к температуре эксплуатации объекта. Главное влияние старение оказывает не на изменение стандартных механических характеристик материала, а на 
снижение сопротивляемости хрупкому разрушению в связи с изменениями тонкой структуры и охрупчиванием, особенно в присутствии водорода. 
К настоящему времени в России, несмотря на наличие крупных строительных объектов, в силу экономической ситуации отмечается приоритет реновации металлофонда перед новым строительством. Комплекс технологических конструкторских и организационных мероприятий направлен на увеличение ресурса 
объекта реновации или его составляющих, на использование по 
новому назначению либо на вторичное использование конструкторского материала. 
К началу ХХI в. доля нефтепроводов с возрастом старше  
20 лет составила более 70 %, а старше 30 лет – более 40 %. Превысило 20-летний срок эксплуатации 70 % резервуарного парка 
в ОАО «Транснефть» (г. Альметьевск). Известны многочисленные случаи преждевременных отказов НГС, представляющие 
огромную экологическую опасность и непосредственную угрозу 
жизни людей. Поскольку металлофонд НГС составляет значи

1.2. Старение и коррозия сварных соединений 

 
9 

тельную часть (15...20 %) общего металлофонда страны, перед 
нефтегазовой отраслью чрезвычайно остро стоит проблема  
мониторинга и оценки прогнозируемого ресурса сооружений в 
целях определения плановых сроков эксплуатации, прогнозирования и оценки экономического риска, аварий, проверки соответствия сооружений законодательным требованиям и административным решениям. 
Основными причинами отказов НГС являются коррозия, дефекты сварки и материала, брак строительно-монтажных работ, 
механические повреждения, стихийные бедствия. В III периоде 
стадии эксплуатации жизненного цикла возрастает значимость 
деградации материала вследствие деформационного старения, 
водородного охрупчивания и повторно-статического действия 
нагрузок, что приводит к уменьшению трещиностойкости, а при 
ремонтных работах – к ухудшению свариваемости материала 
[18]. 
Анализ причин отказов НГС свидетельствует о превалирующем влиянии коррозионного фактора. Например, в случае промысловых трубопроводов (нефти, воды, газа) 95 % отказов приходится на коррозию внутренней и наружной поверхностей труб. 
Результаты анализа отказов сооружений подтверждают преимущественное зарождение разрушений в зонах сварного соединения. Резко возросла опасность коррозионного растрескивания 
под напряжением (или, другими словами, «стресс-коррозии»). 
Отказы, вызванные «стресс-корозией», например, на газопроводах диаметром 1220...1420 мм на протяжении последних трех лет 
составили более 54 % общего объема отказов (как на отечественных, так и на импортных трубах с инкубационным периодом до 
отказа 10 лет). Серьезной проблемой остается реальная оценка 
несущей способности и остаточного ресурса по результатам диагностики. 
Основными путями решения проблемы надежности НГС, связанной со старением и коррозией, являются: 
1) установление причин, механизмов и закономерностей, определяющих коррозионно-механическую прочность НГС и их отказы, а также создание базы данных и базы знаний; 
2) создание системы мониторинга НГС на всех стадиях жизненного цикла; 

1. Сварка и ремонт несущих сварных металлических конструкций 

 
10

3) оптимизация конструкционных материалов, технологий и 
комплексной защиты от коррозии проектируемых, строящихся и 
реновируемых объектов; 
4) нормативное сертификационное обеспечение проблемы 
надежности НГС с учетом их старения и коррозии; 
5) кадровое обеспечение.  

1.3. Модель коррозионно-механической прочности  
крупногабаритных конструкций 

Физико-химическая модель сопротивляемости разрушению 
крупногабаритных конструкций, эксплуатируемых в условиях воздействия коррозионных сред, базируется на комплексной оценке 
условий и факторов в 9-параметрической системе материал – 
напряженно-деформируемое состояние – среда (М–Н–С) с учетом 
эксплуатационной деградации материалов, эксплуатационных и 
региональных условий, превалирующего типа отказа. Для оценки 
состояния и изменения системы М–Н–С на компьютере используют программные комплексы.  
Изучение влияния различных условий и факторов системы 
М–Н–С на сопротивляемость разрушению крупногабаритных конструкций, эксплуатируемых в условиях воздействия коррозионных 
сред, на разных стадиях жизненного цикла позволяет провести их 
классификацию согласно данным табл. 1.1. 
В системе М–Н–С сопротивляемость разрушению R(τ) можно 
символически представить в следующем виде: 

 

и
т
э

p
т
э

и
т
э

M( )
M
M
M

( )
H( )
H
H
H
,

C( )
C
C
C

R

 
 
 

 
 
 
 

 
 
 

 
 

где τ – время; Ми, Нр, Си – исходные проектные значения составляющих М, Н, С; ∆Мт, ∆Нт, ∆Ст – технологические изменения М, 
Н, С; ∆Мэ, ∆Нэ, ∆Сэ – эксплуатационные изменения (возмущения) 
М, Н, С.