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 закономерностей 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, маркировки 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 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». 
 
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 технических 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 программой 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 компетенции и демонстрировать следующие результаты: 
знать: 
– перспективы развития и особенности строительства нефтегазопровода; 
– особенности физико-химических процессов, возникающих при 
сварке трубопроводов и резервуаров; 
– сварочные технологии, применяемые при монтаже трубопроводов 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 параметров 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: сваркой 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 физические и механические свойства, что и соединяемые детали. 
Сваркой соединяют детали как из чёрных, так и цветных металлов 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 преимущественно 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 низкую производительность труда, зависимость качества сварки от 
квалификации сварщика, вредные условия труда. 

По своей природе сварка является металлургическим процессом, 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-восстановительные процессы различных элементов в сварочной ванне, легирование сварного шва, а также диссоциация газов. Металлургические процессы обеспечивают получение наплавленного металла 
с требуемыми механическими свойствами, необходимой макро- 
и микроструктурой и с заданным химическим составом. 
Сварочная ванна – это небольшой объём основного расплавленного 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 кромок 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 металлургических процессов в результате контакта с газовой и шлаковой фазами. 

Химический состав сварочной ванны в первую очередь определяется 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 условиях 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 газов 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 следовательно, 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 пузырьков газов (N2, H2, СО) в процессе кристаллизации сварочной ванны. 
Основные способы предотвращения отрицательного влияния газов: