Проектирование сварочных электродов для нефтегазового комплекса

С. В. Михайлицын, И. Н. Зверева, М. А. Шекшеев 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
СВАРОЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ  
ДЛЯ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА 

Монография 

Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 

УДК 621.791:621.643.053
ББК 34.641:39.71

М69

Михайлицын, С. В.

М69
Проектирование сварочных электродов для нефтегазового 

комплекса : монография / С. В. Михайлицын, И. Н. Зверева, 
М. А. Шекшеев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. –
196 с. : ил., табл. 

ISBN 978-5-9729-0398-6

Исследованы проблемы проектирования сварочных электродов 

с заданными свойствами, в частности для монтажной сварки стыков магистральных трубопроводов.

Для специалистов и исследователей сварочного производства, 

а также обучающихся в магистратуре и бакалавриате по направлению 
«Машиностроение» по профилю «Оборудование и технология сварочного производства», молодых специалистов, изобретателей и учёных.

УДК 621.791:621.643.053
ББК 34.641:39.71

ISBN 978-5-9729-0398-6 Ó С. В. Михайлицын, И. Н. Зверева, М. А. Шекшеев, 2020

Ó Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
Ó Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие .................................................................................... 5 
Введение .......................................................................................... 6 
Глава 1.  Анализ данных по сварке сверху вниз 

электродами с основным видом покрытия .......... 10 

1.1.  Базовые характеристики целлюлозных и основных 

электродов, актуальность и преимущества сварки 
сверху вниз ............................................................................ 10 

1.2.  Сравнительные характеристики электродов для сварки 

сверху вниз с основным и целлюлозным видами 
покрытий ................................................................................ 15 

1.3.  Определение роли составляющих системы 

газ – металл − шлак в обеспечении сварки сверху вниз 
электродами с основным видом покрытия ......................... 25 

Глава 2.  Особенности шлаковой защиты при сварке сверху 

вниз электродами с основным видом покрытия .... 38 

2.1.  Исследование вязкости расплавов сварочных шлаков 

и электродных покрытий ...................................................... 40 

2.2.  Исследование поверхностных свойств сварочных шлаков 

и электродных покрытий ...................................................... 52 

2.3.  Петрографические исследования сварочных шлаков ....... 61 
2.4.  Определение понятия «потенциал технологичности» 

сварочных электродов .......................................................... 72 

Глава 3.  Разработка электродов с основным видом 

покрытия для сварки сверху вниз и исследование 
их сварочно-технологических свойств .................. 76 

3.1.  Влияние компонентов на физические свойства покрытий 

электродов .............................................................................. 76 

3.2.  Разработка состава покрытия электродов .......................... 84 
3.3.  Особенности формирования шлака в процессе сварки 

сверху вниз ............................................................................ 89 

3.4.  Перенос электродного металла при сварке сверху вниз ... 91 
3.5.  Техника сварки сверху вниз и формирование корневого 

слоя шва ................................................................................. 94 

Глава 4. Особенности серийного производства электродов 

марки ВСО-50СК и основные результаты сварки 
этими электродами неповоротных стыков 
газонефтепроводов ..................................................102

4.1. Разработка технологии поточного промышленного 

изготовления электродов с основным видом покрытия....102

4.2. Особенности сварочно-технологических свойств новых 

электродов............................................................................114

4.3. Исследование свойств соединений, сваренных сверху вниз 

электродами с основным видом покрытия.......................118

4.4. Технико-экономические показатели сварки с применением 

электродов ВСО-50СК........................................................124

Заключение.................................................................................128
Библиографический список ....................................................131
Приложение А. Петрографический анализ сварочных 

шлаков............................................................140

Приложение Б. Регламенты электродов, применяемых 

в нефтегазовом комплексе...........................145

ПРЕДИСЛОВИЕ 

На сегодняшний день нефть и газ являются важнейшим товаром 
России на мировом рынке. Географически районы добычи и потребления нефти и газа разделены значительными расстояниями. В связи 
с этим, одной из наиболее существенной является проблема транспортировки нефти и газа. Безусловным лидером среди различных способов 
доставки является трубопроводный транспорт. 
Важнейшим процессом, значительным образом, влияющим 
на эксплуатационные характеристики будущего сооружения, являются 
сварочно-монтажные работы. К недостаткам существующих технологий следует отнести устаревшие методы сборки-сварки магистрального 
газопровода, и соответственно недостаточную техническую оснащенность. На данном производстве сварка, монтаж, ремонт магистрального 
газопровода производятся при помощи ручной дуговой сварки. 
В рассматриваемой книге изложены подходы к проектированию 
электродов с заданными свойствами на примере разработки электродов 
с основным видом покрытия для сварки сверху вниз корневого шва 
неповоротных стыков магистральных трубопроводов. 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время во всем мире непрерывно растет мощность 

стальных магистральных трубопроводов для их транспортировки от места 
добычи к центрам потребления. При этом увеличиваются диаметры труб 
и рабочее давление в трубопроводах. В настоящее время применяют в основном трубы диаметром до 1420 мм с толщиной стенки до 26 мм [1−3]. 
Нормативное временное сопротивление разрыву металла труб составляет 
490…640 МПа, рабочее давление в трубопроводах достигает 5,4…7,2 МПа 
с возможным повышением до 9,8…11,8 МПа [3], что требует производство 
новой трубы с более высокой прочностью (690…790 МПа).

При освоении новых северных месторождений нефти и газа резко 

усложняются условия работы трубопроводов, в частности сварных соединений [4, 125−130]. Опыт эксплуатации трубопроводов свидетельствует, что большинство разрушений монтажных стыков начинается 
с корня шва, в местах наибольшей концентрации напряжений у непроваров, подрезов, острых шлаковых включений и других дефектов 
[3, 5, 6]. Поэтому решающее значение в обеспечении эксплуатационной 
надежности стыков труб имеет гарантированное проплавление корневого слоя шва с образованием, как правило, плавного обратного валика. 

В настоящее время основным способом сварки неповоротных 

стыков трубопроводов всё ещё остаётся ручная дуговая сварка [1, 3]. 
Существенным её преимуществом является простота процесса и возможность выполнения работ в различных климатических условиях 
с различным темпом продвижения вдоль трубопровода при достаточно 
высоком качестве швов [3]. Кроме того, по прогнозам зарубежных специалистов [7, 8] электроды будут широко использоваться и в будущем 
и, таким образом, совершенствование технологии ручной дуговой 
сварки металлическими электродами длительно сохранит актуальность.

К электродам для сварки магистральных трубопроводов предъ
являют ряд специальных требований по сварочно-технологическим 
свойствам [3, 9, 10]:

а) высокая «монтажная технологичность», то есть лёгкое воз
буждение и стабильное горение дуги, малая чувствительность 
к возможным изменениям параметров режима сварки, лёгкая 
отделимость шлака, отсутствие «стартовых» пор, наличие постоянной прочной втулки на торце электрода и другие показатели;

б) достаточно высокая скорость сварки, что в случае соединения 
неповоротных стыков реализуется только при сварке способом сверху вниз; 
в) универсальность, то есть возможность сварки во всех пространственных положениях практически без изменения режимов; 
г) наличие определённых физико-химических свойств составляющих сварочной ванны, предотвращающих вытекание шлака 
и металла из сварочной ванны при сварке на форсированных 
режимах; 
д) достаточное проплавляющее действие, гарантирующее при 
сварке корневого слоя шва формирование обратного валика. 
В таблице В.1 приведена качественная оценка типичных сварочно-технологических свойств электродов с различными видами 
покрытий [11], при этом величина относительного показателя растёт 
с ухудшением оцениваемой характеристики. 

Таблица В.1 

Сварочно-технологические свойства электродов [11] 

Сравниваемая  
характеристика 

Относительная оценка электродов 

Основных Целлюлозных Рутиловых Кислых

Глубина проплавления
3
1
4
2

Отсутствие подрезов
2
4
1
3

Отсутствие  
разбрызгивания 
3 
4 
2 
1 

Способность выдерживать 
форсированные режимы 
сварки

1 
4 
3 
2 

Из работы [11] видно, что ни один вид покрытия электродов 
не является универсальным, при этом лишь некоторые показатели 
сварочно-технологических свойств отвечают выдвигаемым требованиям к электродам для трубопроводного строительства. В этом заключается основная сложность разработки электродов для сварки стыковых 
соединений труб. 
В сложившейся практике строительства магистральных трубопроводов для сварки неповоротных стыков обычно применяют электроды с основным или целлюлозным видами покрытий [3, 9, 10, 12, 13, 
14]. В настоящее время ручная сварка заполняющих и облицовочных 

слоёв почти на 100 % выполняется электродами с основным видом покрытия, а корневого слоя шва более, чем на 25 % – целлюлозными.

При сварке корневого слоя электродами с целлюлозным покры
тием обеспечивается требуемое проплавление кромок стыкового соединения с образованием обратного валика во всех пространственных положениях. Однако целлюлозные электроды, в силу присущих им особенностей, имеют определённые ограничения: при использовании 
в северных районах; при выполнении целого ряда специальных сварочных работ и в других случаях. Поэтому в этих условиях целесообразнее 
применять низководородистые электроды с основным видом покрытия. 
Но при сварке основными электродами, как правило, не удается обеспечить устойчивое проплавление корня шва. В связи с этим предусматривается подварка корня шва изнутри, что значительно снижает темп монтажа секций в нитку, а при сварке трубопроводов небольших диаметров 
её выполнить практически невозможно.

Установлено [6], что применение электродов общего назначения 

с основным видом покрытия при использовании обычной технологии 
и техники сварки не может надёжно обеспечить проплавление корня 
шва и, тем более, формирование обратного валика.

Поэтому представляет значительный практический интерес раз
работка принципиально новых электродов с основным видом покрытия, 
сочетающих в себе преимущества целлюлозных электродов в плане 
производительности сварки и проплавляющего действия и основных 
электродов в плане обеспечения высокого качества металла шва. 
Такими электродами могут быть электроды с основным видом покрытия, предназначенные для сварки способом сверху вниз.

В данной монографии приведены результаты комплекса исследо
ваний физико-химических и сварочно-технологических свойств электродов с основным видом покрытия для сварки сверху вниз и на основе 
проведённых исследований созданы высокоэффективные электроды 
для сварки корневого слоя шва неповоротных стыков магистральных 
трубопроводов. 

Книга состоит из четырёх глав.
В 1-ой главе показаны актуальность и преимущества сварки спосо
бом сверху вниз при использовании электродов с основным видом покрытия вместо целлюлозных электродов. Проанализировано современное 
состояние в Европе и Японии по разработке специальных основных 
электродов для сварки сверху вниз. Показана определяющая роль физикохимических свойств расплавов сварочных шлаков и покрытий электродов 
в получении необходимых сварочно-технологических свойств электродов.

Во 2-ой главе представлены результаты исследований вязкости 
и поверхностных свойств расплавов электродных покрытий и сварочных шлаков, методом петрографии определены морфологические особенности строения шлаков основных электродов для сварки сверху 
вниз, определены критерии оценки возможности сварки электродами 
способом сверху вниз. 
В 3-ей главе показано влияние компонентов на физические свойства покрытий, на основании чего разработан состав покрытия новых 
электродов с необходимыми сварочно-технологическими свойствами. 
Исследованы особенности переноса электродного металла, технологии 
сварки и формирования шлака и корневого слоя шва при сварке сверху 
вниз. 
В 4-ой главе представлены основные требования к процессу изготовления разработанных электродов. Даны практические результаты 
сварки новыми электродами и технико-экономические показатели их 
применения, а также результаты исследования свойств сварных соединений, выполненных этими электродами. 

ГЛАВА 1

АНАЛИЗ ДАННЫХ ПО СВАРКЕ 

СВЕРХУ ВНИЗ ЭЛЕКТРОДАМИ С ОСНОВНЫМ 

ВИДОМ ПОКРЫТИЯ

1.1. 
БАЗОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ 
И ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ, АКТУАЛЬНОСТЬ 
И ПРЕИМУЩЕСТВА СВАРКИ СВЕРХУ ВНИЗ

Электроды с основным и целлюлозным видами покрытий, при
меняемые в трубопроводном строительстве, характеризуются определёнными сварочно-технологическими и металлургическими особенностями. В таблице 1.1 представлены технологические показатели этих 
электродов [3, 5, 9, 10, 15, 16, 17].

Основное преимущество целлюлозных электродов заключается 

в высокой линейной скорости сварки способом сверху вниз, которая 
почти в 2 раза выше, чем основными электродами снизу вверх [3, 15, 
16, 17].

По химическому составу наплавленного металла (таблица 1.2), 

его механическим свойствам (таблица 1.3) и содержанию примесей 
в металле шва (таблица 1.4) электроды с основным видом покрытия превосходят целлюлозные [3, 10, 17].

Низкое содержание в металле шва неметаллических включений, 

особенно сульфидных, обусловливает его высокие пластические свойства и высокое сопротивление образованию горячих трещин при сварке 
основными электродами. В таблице 1.5 [3] показано отрицательное влияние сульфидных неметаллических включений на ударную вязкость 
наплавленного металла.

Таблица 1.1 

Технологические особенности электродов 

Технологические 

показатели 

Характеристика технологических показателей 

для электродов с покрытием 

Целлюлозным 
Основным 

Способ ведения сварки 

на вертикальной  
поверхности 

Сверху вниз опиранием 

на втулку с усилием  
49…78 Н без колебательных 

движений [9] 

Снизу вверх короткой 
дугой (0,5 диаметра  
электрода), удлинение 
дуги вызывает  

появление пор [9,17]

Усреднённая линейная 

скорость сварки

18…22 м/ч [16]
16…25 м/ч [10]
8…10 м/ч [16] 

Возможность  
уменьшать линейную 
скорость сварки 

Ограничена [9,17] 
Не ограничена [3] 

Возможность 

изменять толщину 
наплавленного слоя

Резко ограничена [9,17] 
Не ограничена [3] 

Сварка  
на форсированных 

режимах 

Не рекомендуется 
из-за выгорания  
целлюлозы [5,10] 

Возможна при токах 
на 15…20 % выше,  
чем для целлюлозных [3]

Чувствительность 
к следам ржавчины 

и влаги 

Малочувствительны [10] 

Очень чувствительны, 
появляются поры  
в металле шва [10] 

Проплавляющее  
действие при сварке 
корневого слоя шва 

Высокое проплавление  
с образованием обратного 

валика [6] 

Не обеспечивается 

надежное проплавление, 
необходима внутренняя 

подварка стыка [6]

Таблица 1.2 

Типичный химический состав наплавленного металла [3] 

Вид покрытия 
электрода 

Содержание химических элементов, мас. % 
C 
Mn 
Si 
S 
P 

Основный 

(УОНИ-13/55)
≤ 0,09 
0,90 
0,45 
≤ 0,03 
≤ 0,03 

Целлюлозный 

(ВСЦ-4)
≤ 0,12 
0,35…0,70 
0,20 
0,035 
0,035 

Таблица 1.3

Типичные механические свойства металла шва [10]

Вид покрытия 

электрода

σв,

МПа

σт,

МПа

δ5,
%

ψ,
%

aн Дж/см2, при t исп., °С
+20
−20
−40
−60

Основный
(УОНИ-13/55)

510…
540

392…
413

22,0…
26,0

62,0…
65,0

195…
215

127…
147

108…
127

78…
98

Целлюлозный
(ВСЦ-4)

500…
589

392…
471

18,0…
28,0

60,0…
70,0

98…
157

88…
118

68…
88
−

Примечания: 
σв − временное сопротивление разрыву; σт − предел текучести; δ5 − относительное удлинение; ψ − относительное сужение; aн − ударная вязкость на образцах Менаже (KCU)

Таблица 1.4

Типичное содержание газов и примесей 

в металле шва [10, 17]

Вид

покрытия
электрода

Содержание элементов, мас. %

[O]
[N]
[H]диф.,
см3/100г

[H]ост,

см3/100г

Неметаллические

включения

Оксидные Сульфид
ные

Основный
(УОНИ-13/55)

0,015…
0,025

0,020…
0,025
8−10
3−8
0,02…
0,03

0,041…
0,053

Целлюлозный 
(ВСЦ-4)

0,020…
0,050

0,010…
0,015
до 45
до 20
0,09…
0,11

0,08…
0,11

Таблица 1.5

Влияние серы на ударную вязкость металла шва [3]

Содержание серы 

в металле шва, мас. %

aн Дж/см2, при t исп., °С
+20
−40

0,012
0,023
0,039
0,056
0,098

182
100
83
76
41

79
59
20
15
−