Сварка и монтаж магистральных трубопроводов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Томский государственный архитектурно-строительный университет»

СВАРКА И МОНТАЖ 

МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Томск

Издательство ТГАСУ

2022

Авторы: С.В. Мелентьев, В.А. Литвинова, А.А. Клопотов, 

Н.М. Кондратьева, С.А. Глотов

УДК 622.692.4:621.791.7(075.8)
ББК 34.748.141я73

С24

Сварка и монтаж магистральных трубопроводов : 

учебное пособие / С.В. Мелентьев, В.А. Литвинова, А.А. Клопотов, Н.М. Кондратьева, С.А. Глотов. – Томск : Изд-во Том. гос. 
архит.-строит. ун-та, 2022. – 164 с. – Текст : непосредственный.

ISBN 978-5-6049093-4-8

Учебное пособие содержит материал для освоения основных закономерно
стей сварки при сооружении трубопроводов и других объектов нефтегазового комплекса. Приведена информация по технике проведения сварочных работ при монтаже трубопроводов и других объектов нефтегазового комплекса.

Рассмотрены вопросы теоретических основ сварки плавлением, марки
ровки сварочных электродов, источников питания сварочной дуги, технологии 
ручной дуговой сварки металлоконструкций и трубопроводов, оценки технического состояния и контроля качества сварных соединений.

Учебное пособие предназначено для студентов очной, очно-заочной и за
очной форм обучения по направлениям: 21.03.01 «Нефтегазовое дело», 08.03.01 
«Строительство», 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства», 
23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

УДК 622.692.4:621.791.7(075.8)
ББК 34.748.141я73

Рецензенты:
Ю.А. Абзаев, докт. физ.-мат. наук, профессор кафедры «Высшая математика» ТГАСУ;
Ю.В. Иванов, докт. физ.-мат. наук, профессор кафедры «Наноматериалы и нанотехнологии» НИ ТПУ.

ISBN 978-5-6049093-4-8
© Томский государственный

архитектурно-строительный
университет, 2022

© Мелентьев С.В., Литвинова В.А.

Клопотов А.А., Кондратьева Н.М.
Глотов С.А., 2022

С24

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие..................................................................................... 5
Введение............................................................................................ 6
1. Основные металлургические процессы в сварочной 
ванне.................................................................................................. 7

1.1. Металлургические процессы................................................ 8
1.2. Формирование и кристаллизация металла 
сварного шва ............................................................................... 12
1.3. Строение сварочной ванны................................................. 16

2. Дефекты и классификация сварных соединений............... 23

2.1. Классификация дефектов.................................................... 24
2.2. Влияние дефектов на прочность сварных соединений........ 30

3. Контроль качества соединений стальных 
трубопроводов ............................................................................... 33

3.1. Неразрушающий метод контроля ...................................... 35

3.1.1. Радиографический контроль сварных стыков......... 37
3.1.2. Акустический контроль............................................. 39
3.1.3. Магнитный контроль ................................................. 41
3.1.4. Течеискание ................................................................ 42

3.2. Разрушающие методы контроля ........................................ 43

4. Способы устранения дефектов сварных швов ................... 46
5. Сварочные материалы ............................................................ 48

5.1. Сварочные электроды ......................................................... 49
5.2. Присадочный пруток – сварочная проволока................... 61
5.3. Сварочная проволока .......................................................... 62
5.4. Угольные электроды............................................................ 66
5.5. Порошковая сварочная проволока..................................... 67
5.6. Флюсы для сварки плавлением .......................................... 72
5.7. Защитные газы для дуговой сварки ................................... 79
5.8. Керамические подкладки.................................................... 82

6. Источники питания.................................................................. 84

6.1. Сварочные трансформаторы............................................... 98
6.2. Сварочные выпрямители .................................................. 102

6.3. Инверторы .......................................................................... 106
6.4. Сварочные генераторы и агрегаты................................... 109
6.5. Сварочные полуавтоматы ................................................. 113

7. Аппараты и приспособления 
для сварочно-монтажных работ на нефтегазопроводах ..... 114

7.1. Орбитальная сварка........................................................... 114
7.2. Приспособления для сварочно-монтажных работ.......... 117

7.2.1. Центраторы ............................................................... 117
7.2.2. Троллейные подвески .............................................. 124
7.2.3. Траверсы.................................................................... 125
7.2.4. Подогреватели стыков труб .................................... 127
7.2.5. Машины для обработки торцов 
металлических труб............................................................ 129

8. Сварка магистральных трубопроводов............................. 131

8.1. Сварка неповоротных сварных стыков 
трубопроводов........................................................................... 133
8.2. Сварка поворотных стыков магистральных 
трубопроводов........................................................................... 136

9. Трубосварочные базы ............................................................ 141
10. Порядок выполнения сварочно-монтажных работ ....... 147
11. Нормативная документация............................................... 152

11.1. Перечень нормативной документации по сварке......... 152
11.2. Газовое оборудование (ГО) ............................................ 154
11.3. Нефтегазодобывающее оборудование (НГДО) ............ 155
11.4. Инструкция по технологии стыковой сварки 
полиэтиленовых труб (ПТ) ...................................................... 156
11.5. Нефтепроводы из полиэтиленовых 
и полипропиленовых труб ....................................................... 156
11.6. Нормативная база сварки встык..................................... 157

Контрольные вопросы............................................................... 158
Заключение .................................................................................. 161
Список рекомендуемой литературы....................................... 162

ПРЕДИСЛОВИЕ

В течение последнего столетия сварка стала одним из 

наиболее распространенных технологических процессов.

В настоящее время сварка применяется для решения техни
ческих проблем, там, где можно получить сварные соединения, 
способные работать в различных условиях, в том числе экстремальных, а также обеспечивать короткие сроки изготовления, ремонта, восстановления и модернизации конструкций при большой 
экономии труда и металла.

Увеличение технологических мощностей стало результатом 

предпринимаемых в последние годы усилий по модернизации 
нефтеперерабатывающих предприятий и строительству новых 
НПЗ, включая малые предприятия, а также возрастающей коммерческой привлекательности нефтегазопереработки.

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие подготовлено в полном соответствии с програм
мой курса «Сварочно-монтажные работы при сооружении трубопроводов 
и конструкций объектов нефтегазового комплекса» и предназначено для 
студентов очной, очно-заочной и заочной форм обучения по направлениям: 21.03.01 «Нефтегазовое дело», 08.03.01 «Строительство», 23.05.01 
«Наземные транспортно-технологические средства», 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

Предметом освоения дисциплины являются следующие объекты:
– физико-химические процессы при сварке;
– дуговые способы сварки плавлением, контактная стыковая 

сварка оплавлением;

– магистральные и технологические трубопроводы;
– сферические и вертикальные цилиндрические резервуары.
После изучения дисциплины обучающийся должен освоить ком
петенции и демонстрировать следующие результаты:

знать:
– перспективы развития и особенности строительства нефтегазо
провода;

– особенности физико-химических процессов, возникающих при 

сварке трубопроводов и резервуаров;

– сварочные технологии, применяемые при монтаже трубопрово
дов и резервуаров;

– используемые сварочные материалы и оборудование;
уметь:
– разрабатывать схему расстановки оборудования и сварщиков 

при сооружении трубопроводов;

– назначать параметры режимов применяемых способов сварки 

и выбирать сварочные материалы;

владеть:
– навыками применения принципов планирования и организации 

сварочно-монтажных работ при сооружении трубопроводов;

– навыками оценки свариваемости трубных сталей и расчета па
раметров режима сварки.

Учебное пособие содержит вопросы для самопроверки, список 

литературы. Используемый иллюстративный материал взят из открытых интернет-источников.

1. ОСНОВНЫЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 

В СВАРОЧНОЙ ВАННЕ

В технике при изготовлении машин и механизмов широко 

используются различные виды соединений деталей. Одни детали 
соединяют так, чтобы их можно было разобрать и собрать вновь. 
Такие соединения называются разъемными. Другие детали соединяют «раз и навсегда», получая неразъемные соединения. При 
разрушении такого соединения, как правило, нарушается целостность входящих в него деталей.

Среди неразъемных соединений выделяются монолитные 

(сплошные) соединения, получаемые, например, сваркой, и немонолитные (заклепочные).

В ГОСТ 2601–84 дается следующее определение сварки: свар
кой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми 
частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании.

При соединении сваркой сварной шов имеет те же физиче
ские и механические свойства, что и соединяемые детали.

Сваркой соединяют детали как из чёрных, так и цветных ме
таллов и сплавов. В настоящее время существует большое разнообразие способов сварки, но даже при хорошо отработанной технологии выполнения соединений могут возникать различного рода дефекты, приводящие к снижению их надежности и долговечности.

При изготовлении и монтаже нефтегазопровода преимуще
ственно применяется электродуговая сварка. Кроме электродуговой сварки применяются также электрошлаковая, контактная, 
сварка трением, лучевая и другие виды сварки.

При соблюдении технологии и при высокой квалификации 

сварщика обеспечивается высокое качество и надежность сварного соединения.

К недостаткам ручной дуговой сварки следует отнести низ
кую производительность труда, зависимость качества сварки от 
квалификации сварщика, вредные условия труда.

По своей природе сварка является металлургическим про
цессом, протекающим в сварочной зоне и сопровождающимся 
физико-химическими процессами.

1.1. Металлургические процессы

Металлургические процессы при сварке металлических 

труб и конструкций представляют собой сложный процесс с физико-химическими явлениями при образовании сварочной ванны.
Эти процессы протекают при расплавлении металла и взаимодействуют при этом с окружающей средой, шлаками расплавленного 
покрытия и основным металлом.

В процессе сварки происходят окислительно-восстанови
тельные процессы различных элементов в сварочной ванне, легирование сварного шва, а также диссоциация газов. Металлургические процессы обеспечивают получение наплавленного металла 
с требуемыми механическими свойствами, необходимой макрои микроструктурой и с заданным химическим составом.

Сварочная ванна – это небольшой объём основного расплав
ленного металла, перемешанного с электродным (или присадочным) металлом, как правило, сверху, в передней части, с газовой 
атмосферой дуги, в хвостовой части – со слоем расплавленного 
шлака, снизу и с боков – с твердым холодным основным металлом.

Процесс плавления происходит за счёт движения вдоль кро
мок сварного шва источника теплоты в передней части ванны 
и процесса кристаллизации в хвостовой части ванны.

Длина сварочной ванны зависит:
– от теплофизических свойств свариваемого материала;
– тепловой мощности дуги;
– режимов сварки.
Сварочный шов устанавливается после протекания метал
лургических процессов в результате контакта с газовой и шлаковой фазами.

Химический состав сварочной ванны в первую очередь опре
деляется химическим составом основного металла при сварке конструкций, нефтегазовых труб и составом электродной проволоки 
и зависит от доли их участия в шве.

Взаимодействие расплавленного металла с газовой фазой 

определяется составом атмосферы дуги и химическими свойствами элементов, содержащихся в расплавленном металле. Газовая фаза дуги состоит из смеси газов: О2, N2, H2, СО, СО2 и паров воды H2О, а также продуктов их диссоциации и паров металла и шлака. Из воздуха и из сварочных материалов (сварочной 
проволоки, покрытий электродов, флюсов и защитных газов) попадают в зону сварки О2, N2, H2.

В сварочной ванне кристаллизация расплавленного металла 

сопровождается процессами зарождения и роста кристаллов из 
жидкого состояния. Этот процесс называют первичной кристаллизацией. Образующуюся структуру – первичной.

Происходит образование первичных кристаллов фазы Al3Fe 

в форме игл. Причем эти кристаллы в длину могут достигать размера порядка 500 мкм и более. Надо отметить, что в сплавах с таким составом, выплавленных по традиционным технологиям, 
стараются не допустить образования этой фазы. Другой вариант
образования первичных кристаллов фазы Al6(Fe,Mn) – в виде неправильных многогранников. Причем в них часто наблюдается 
внутренняя полость [1].

В процессе кристаллизации литого металла в обычных усло
виях при затвердевании происходит зародышеобразование с центрами кристаллизации (зародышей) с последующим ростом кристаллов за счет контактирования с расплавленным металлом. 
В сварочной ванне процесс кристаллизации осложнен особенностями создания расплава и его кристаллизации. Расплавленный 
металл в сварочной ванне в результате перемещения источника 
теплоты находится в непрерывном движении и перемешивании, 
жидкий металл из сварочной ванны всегда вытесняется в направлении, противоположном движению источника теплоты, и в месте 
вытеснения образуется углубление, называемое кратером.

Исходная концентрация любого элемента в сварном шве 

складывается из долей участия основного металла, присадочного 
материала и защитного покрытия.

В сварочной ванне протекают сложные физико-химические 

процессы в результате взаимодействия жидкого металла с газами 
и шлаками. Эти процессы происходят во время плавки электродного покрытия в самой ванне, а также охлаждением и кристаллизацией металла шва и превращениями основного металла в зоне термического влияния. При этом происходят металлургические реакции с образованием различных оксидных включений: SiO2-Mn-FeO; 
SiO2-Mn-Al2O3; SiO2-Fe-Al2O3, а также зародышей оксидов: 
Al2O3, SiO2, MgO, TiO2, CaO и других.

Сварочная ванна образуется в результате расплавления выше 

температуры плавления металла и перемешивания основного 
и электродного (или присадочного) металлов.

Количественное соотношение и парциальное давление га
зов зависят от вида сварки и применяемого способа защиты сварочной ванны. При высокой температуре дуги основная часть газов диссоциирует и переходит в атомарное состояние. При этом 
их химическая активность и способность к растворению в расплавленном металле повышаются.

Взаимодействие расплавленного металла с газовой фазой 

может приводить к следующим отрицательным последствиям:

– «выгоранию» легкоокисляющихся элементов, а следова
тельно, к снижению их содержания в сварочной ванне по сравнению с содержанием в сварочной проволоке;

– снижению прочностных и главным образом пластических 

свойств при наличии в шве оксидов, нитридов и водорода (растворенного или скопившегося в микронесплошностях металла);

– образованию пор в шве вследствие задержки выхода пу
зырьков газов (N2, H2, СО) в процессе кристаллизации сварочной ванны.

Основные способы предотвращения отрицательного влия
ния газов: