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. Клопо-
тов, 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 «На-
номатериалы 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 макро-
и 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:

– создание эффективной защиты дуги и сварочной ванны 

(покрытие электродов, флюсы, защитные газы, вакуум);

– тщательная очистка свариваемой поверхности, прово-

локи, прокалка сварочных материалов и осушка защитных газов;

– введение в состав сварочных материалов необходимого 

количества элементов раскислителей, способных связать попавший 
в сварочную ванну кислород в нерастворимые оксиды (для 
стали Mn, Si, Ti);

– применение сварочных материалов с повышенным содер-

жанием легкоокисляющихся элементов, с учетом их выгорания 
при сварке.

Взаимодействие расплавленного металла и шлака определя-

ется составом шлака и условиями перераспределения растворимых 
соединений между контактирующими жидкими фазами. 
Шлаки образуются в результате расплавления покрытий электродов 
или флюсов. Они состоят из смеси оксидов, фторидов, хлоридов 
различных элементов и чистых металлов.

В результате взаимодействия со шлаком происходят: раскис-

ление металла сварочной ванны; удаление вредных примесей путем 
связывания их в нерастворимые соединения и вывода в шлак; 
легирование шва определенными элементами для восполнения их 
выгорания при сварке или придания шву специальных свойств.

При сварке сталей раскислителями служат Mn и Si, которые 

восстанавливают FеО, а их нерастворимые оксиды выводятся 
в шлак. Кроме того, марганец нейтрализует вредное действие 
растворенной в железе серы, связывая ее в нерастворимый и тугоплавкий 
сульфид по реакции FeS+Mn→Fe+MnS. Мелкие частицы 
нерастворимых оксидов и сульфидов остаются в металле 
шва в виде неметаллических включений. Однако их вредное влияние 
существенно меньше, чем FеО и FеS. Через шлак шов можно 
легировать различными элементами.

Кристаллизация сварного шва (рис. 1) начинается от границ 

оплавленных зерен основного металла и протекает путем роста 
столбчатых кристаллитов к центру шва. При этом оси кристал-

лита, как правило, остаются перпендикулярными к поверхности 
движущейся сварочной ванны, в результате чего кристаллиты изгибаются 
и вытягиваются в направлении сварки.

Рис. 1. Столбчатые кристаллиты в сварном шве:

1 – сварочная ванна; 2 – изотерма кристаллизации шва; 3 – столбчатый 
кристаллит

Вследствие междендритной ликвации примеси располага-

ются по границам кристаллитов, где они могут образовать легкоплавкие 
эвтектики и неметаллические включения. Это снижает 
механические свойства шва и в отдельных случаях может быть 
причиной образования горячих трещин.

1.2. Формирование и кристаллизация металла

сварного шва

Дуга в процессе сварки оказывает давление на сварочную 

ванну. Это приводит к тому, что жидкий металл из-под основания 
дуги вытесняется, дуга несколько погружается. При ручной 
сварке толстопокрытыми электродами глубина погружения дуги 
составляет 3–4 мм, при сварке под флюсами – 8–10 мм. По мере 
продвижения дуги в хвостовой части зоны плавления металла 
происходит интенсивный отвод тепла в массу холодного металла. 
Кристаллиты растут в направлении, перпендикулярном к поверхности 
теплоотвода. Кристаллизация металла шва, т. е. переход из