Технология производства сварных труб

Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

А. В. Серебряков, Д. А. Павлов

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА  

СВАРНЫХ ТРУБ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета 

для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки 

22.03.02 — Металлургия

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2020

УДК 621.774.2(075.8)
ББК 34.641я73
           С32

Рецензенты:
Смирнов С. В., д‑р техн. наук, директор Института машиноведения 

УрО РАН;

Выдрин А. В., д‑р техн. наук, проф., заместитель генерального директора по научной работе Российского научно‑исследовательского 
института трубной промышленности

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. С. И. Паршаков

На обложке использовано изображение с сайта https://clck.ru/NMGV8

С32

Серебряков, А. В.
Технология производства сварных труб : учеб. пособие /  

А. В. Серебряков, Д. А. Павлов ; Мин‑во науки и высшего образования РФ. — Екатеринбург: Изд‑во Урал. ун‑та, 2020. — 104 с.

ISBN 978‑5‑7996‑3007‑2

В учебном пособии рассмотрены физические основы сварки металлов. Представлены способы электросварки труб. Описаны типы калибровки валков и представлен 
расчет калибровки валков непрерывного формовочного стана. Рассмотрено производство труб малого и среднего диаметра на непрерывных ТЭСА, производство прямошовных труб большого диаметра и труб со спиральным швом.

Библиогр.: 9 назв. Табл. 3. Рис. 78.

УДК 621.774.2(075.8)
ББК 34.641я73

ISBN 978‑5‑7996‑3007‑2
© Уральский федеральный
     университет, 2020

ВВЕДЕНИЕ

И

сторическая справка. Исторически сварные трубы появились 
раньше бесшовных. Первая стальная труба была изготовлена 
в первой половине XIX в. методом кузнечной сварки. Качество таких труб было низким. Бесшовные трубы стали изготавливать 
после изобретения в 1886 г. братьями Маннесман способа винтовой 
прошивки, а затем способа пилигримовой раскатки. На тот период 
качество бесшовных труб было выше, чем сварных, из‑за отсутствия 
«слабого» места — шва. Так было до 30–40‑х гг. XX в., когда появились 
новые способы сварки, обеспечившие повышение прочности сварных труб. Начиная с этого момента доля сварных труб в общем мировом производстве стальных труб растет: 1940 г. — 40 %; 1985 г. — 60 %; 
1990 г. — 75 %; 2017 г. — 76 %.

Производство и потребление стальных труб [1]. В 2017 г. в мире выпущено свыше 174 млн т стальных труб. Выпуск бесшовных труб составил 
42 млн т, выпуск сварных труб малого и среднего диаметра (до 406 мм) 
составил 109 млн т, труб большого диаметра — около 23 млн т (рис. 1). 
В мировой трубной промышленности доминирует Китай. На его долю 
приходится 54–56 % мирового производства стальных труб.

Нефтегазовая отрасль является ключевой для трубников. На нее 

приходится половина мирового потребления стальных труб (рис. 2). 
Этот сектор включает трубы нефтегазового сортамента для обустройства скважин: бурильные, обсадные и насосно‑компрессорные трубы (OCTG) — и трубы большого диаметра для магистральных нефтеи газопроводов.

В настоящее время все шире используется горизонтальное бурение, 

требующее значительно большего расхода труб на одну скважину, чем 
при использовании традиционных технологий. Например, по данным 
американской дистрибьюторской компании Eagle Pipe, в США на одну 
скважину используется в среднем 479 т нефтегазовых труб в месяц.

ВВЕДЕНИЕ

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

2016
2017

Трубы сварные большого диаметра
Трубы сварные малого и среднего диаметра

Трубы бесшовные

Рис. 1. Мировое производство труб

Нефтегазовая отрасль

Прочие отрасли

Строительство

Химия и нефтехимия

Электроэнергетика

Автомобилестроение

Машиностроение

Рис. 2. Мировое потребление труб по отраслям

Традиционно важными потребителями трубной продукции являются энергетическая, химическая и нефтехимическая промышленность. 
На энергетический сектор приходится около 10 % мирового спроса 
на трубы, на химию и нефтехимию — порядка 8 %.

К благоприятным рынкам для производителей труб относится автомобилестроение, доля которого составляет 8 %. Здесь рост обусловлен как общим увеличением мирового производства автомобилей, так 

Сортамент и область применения сварных труб 

и расширением масштабов использования труб в конструкциях современных машин.

Еще около 14 % труб в мире используется в машиностроении при 

выпуске других видов промышленной продукции.

Строительный сектор, на который сейчас приходится не более 5 % 

глобального спроса на трубы, быстро прибавляет. При этом наиболее 
перспективным направлением признается применение трубной продукции в металлоконструкциях.

Сортамент и область применения сварных труб. Сварные трубы изготовляют малых (5–114 мм), средних (114–480 мм) и больших (480–
2520 мм) диаметров с толщиной стенки 0,5–48 мм [2].

Трубы малых диаметров применяют в автомобильной и тракторной промышленности, сельскохозяйственном, энергетическом, химическом и нефтяном машиностроении, а также для изготовления 
трубчатых электронагревателей, велосипедов и в других конструкциях.

Трубы средних диаметров 159–480 мм используют для паропроводов низкого давления, для газопроводов и нефтепроводов, а также 
для трубопроводов, при изготовлении деталей конструкций различного назначения для мелиорации, водоснабжения, в коммунальном 
хозяйстве и т. д.

Прямошовные и спиралешовные трубы большого диаметра предназначены для магистральных трубопроводов газа, нефти, нефтепродуктов, а также для водои паропроводов низкого давления.

Сопоставление размеров сварных и горячекатаных труб представлено в табл. 1.

Таблица 1

Сопоставление размеров сварных и горячекатаных труб

Параметр
Сварные
Горячекатаные

D, мм
4…2500
 (18) 25…550

S, мм
0,10…50
2,5…75

 (D/S)max
200
50

Как видно, размерный ряд сварных труб шире: от капиллярных труб 

до труб большого диаметра. Но следует отметить, что марочный сортамент сварных труб ограничен, т. к. существует проблема сварки сталей 
с повышенным содержанием % С и легирующих элементов.

ВВЕДЕНИЕ

Преимущества сварных труб
1. Более простое оборудование трубоэлектросварочного агрегата 

(ТЭСА) по сравнению с трубопрокатным агрегатом (ТПА). Меньше 
технологических операций при производстве сварных труб по сравнению с производством бесшовных труб.

2. Более высокие технико‑экономические показатели:
— производительность выше, т. к. процесс непрерывный за счет 

стыковой сварки отдельных бунтов;

— ниже расходный коэффициент металла;
— стоимость сварных труб на 15…20 % ниже, чем бесшовных;
— организация производства возможна в более короткие сроки 

и при меньших капитальных затратах;

— сварные трубы практически не имеют эксцентричной разностенности.

3. Более высокое качество поверхности, особенно внутренней (нет 

плён). Для бесшовной трубы зона ликваций и рыхлости слитка находится на внутренней поверхности трубы, а у сварной зона — в середине толщины стенки (рис. 3).

а
б

Рис. 3. Зона ликваций и рыхлости слитка:

а — бесшовная труба; б — сварная труба

4. Более высокая точность размеров труб. Практически отсутствует поперечная (эксцентричная) разностенность труб.

Недостаток сварных труб

Недостаток сварных труб: наличие сварного шва. Считают, что шов 

уменьшает допустимое напряжение на 10 …15 %.

На современных трубоэлектросварочных станах получают трубы 

с высокой прочностью шва. Стандарты APJ предусматривают одинаковые технические требования как для бесшовных, так и для сварных 
труб нефтяного сортамента. За рубежом сварные трубы используют 
вместо бесшовных в нефтедобывающей, энергетической промышленности и в машиностроении.

Основные способы повышения прочности шва: холодная пластическая деформация; термообработка (трубы или зоны шва); легирование 
металла шва; удаление грата (наружного, внутреннего). Грат — местное утолщение в зоне сварного соединения, связанное с выдавливанием металла при сдавливании (осаживании) свариваемых кромок. 
В грат выдавливаются окислы Fe, образующиеся при нагреве металла.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  О СВАРКЕ МЕТАЛЛОВ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  
О СВАРКЕ МЕТАЛЛОВ

1.1. Основные способы соединения металлов
С

варка трением — разновидность сварки давлением, при которой нагрев осуществляется трением при скольжении поверхностей друг относительно друга. При этом происходит пластическая деформация микровыступов с образованием ювенильных 
участков, между которыми формируются металлические связи. Используется для присоединения фитингов (ниппели, муфты) обсадных, 
бурильных, насосно‑компрессорных труб.

Пайка — заполнение зазора между поверхностями легкоплавким 

металлом, обладающим хорошей адгезией к свариваемому металлу. 
Например, свертно‑паяные трубы изготавливают путем сворачивания омедненной стальной ленты в трубу с последующим нагревом.

Холодная сварка — сварка давлением (статическим, вибрационным) 

с пластическим деформированием соединяемых поверхностей заготовок без дополнительного нагрева внешними источниками тепла. Этот 
способ сварки основывается на пластической деформации металлов 
в месте их соединения. Сварка происходит при нормальных температурах в результате схватывания — образования металлических связей. 
Холодная сварка применяется в электротехнической промышленности для соединения алюминиевых и медных проводов. Как разновидность холодной сварки применяется ультразвуковая — сварка давлением с приложением ультразвуковых колебаний.

Сварка давлением с нагревом и сварка оплавлением широко применяются при производстве сварных труб. Физические основы и применение их при производстве сварных труб подробно рассмотрены далее.

1.2. Физические основы сварки металлов

1.2. Физические основы сварки металлов

Согласно ГОСТ 2601–84, сварка — это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве, или пластическом 
деформировании, или совместном действии того и другого.

Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании 

связей между атомами на соединяемых поверхностях заготовок. Любой металл можно представить как совокупность положительно заряженных ионов (расположенных в узлах кристаллической решетки) 
и свободных (валентных, «коллективизированных») электронов, находящихся во взаимодействии с ионами. Это взаимодействие (металлические связи) и определяет прочность металлического тела.

При сближении поверхностей двух металлических тел под действием 

внешних сил возможно возникновение такого взаимодействия между 
этими поверхностями, т. е. возникновение металлических связей. В результате возможно получение соединения, не уступающего по прочности основному металлу.

Процесс создания сварного соединения протекает в две стадии. 

На первой стадии необходимо обеспечить образование физического контакта между соединяемыми поверхностями, т. е. сблизить поверхности на расстояние действия сил межатомного взаимодействия 
(около 3 Ао, 1 Ао = 10–7 мм). Образование физического контакта между 
поверхностями достигается либо за счет расплавления металла, либо 
в результате его пластической деформации. На второй стадии осуществляется электронное взаимодействие между атомами соединяемых поверхностей. В результате образуется металлическая связь и поверхность раздела исчезает.

Исходя из физической сущности процесса образования сварного 

соединения, различают два основных вида сварки: сварка давлением 
и сварка плавлением.

Механизм сварки давлением включает несколько стадий: соприкосновение свариваемых поверхностей; разрушение на поверхностях 
окисных и адсорбированных пленок; активирование поверхностных 
слоев (за счет деформации и/или нагрева свариваемых металлов); образование металлических связей между атомами на соединяемых поверхностях. Схема образования соединения при сварке давлением 
представлена на рис. 4.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРКЕ МЕТАЛЛОВ 

 
 
а 
 
 
 
 
б

Δ

Рис. 4. Схема образования соединения двух монокристаллов  

с идеально чистыми и гладкими поверхностями:

а — кристаллы до соединения; б — кристаллы после соединения

Механизм сварки плавлением. При сварке плавлением установление 

металлической связи между атомами происходит в момент образования общей ванны жидкого металла между свариваемыми поверхностями. Затем в результате охлаждения жидкий металл кристаллизуется, 
причем в первую очередь вблизи стенок, отводящих тепло. В процессе кристаллизации металлические связи между основным металлом 
и закристаллизовавшимся металлом сварочной ванны сохраняются. 
Схема сварки плавлением представлена на рис. 5.

а
б

Рис. 5. Схема сварки плавлением:

а — исходное сопряжение торцов двух металлических кусков (пунктирная линия)

и область их местного расплавления (заштрихованная зона);  

б — сварное соединение после затвердевания (кристаллизации) жидкого металла