CC BY
33
УДК 621.791.46
В. А. СОКОЛОВ О. М. МИРОШНИЧЕНКО
Омский государственный технический университет
ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, СВАРЕННЫХ СОЕДИНИТЕЛЬНЫМИ ДЕТАЛЯМИ С ЗАКЛАДНЫМИ НАГРЕВАТЕЛЯМИ
Рассмотрены результаты исследования причин снижения стабильности качества сварных соединений полиэтиленовых труб соединительными деталями с закладными нагревателями, предложены рекомендации по улучшению качества таких соединений при строительстве газопроводных сетей.
Ключевые слова: газопровод, фитинг с закладным нагревателем, сварное соединение, механические испытания.
Разработанный в 80-х годах способ сварки полимерных труб с применением соединительных деталей с закладными электронагревателями широкое распространение получил после того, как рядом фирм западных стран (ФРИАТЕК и ФЬЮЖЕН, ГЕОРГ ФИШЕР и др) были отработаны надежные технологии изготовления таких деталей, а также создано оборудование для осуществления автоматизированное процесса сварки.
К настоящему создана большая номенклатура соединительных деталей с закладными нагревателями, позволяющая осуществлять сварку труб диаметром от 10 мм до 630 мм и выше. Освоен выпуск соединительных деталей и некоторыми отечественными предприятиями.
Рассматриваемый способ сварки, прежде всего, привлекает простотой выполняемых операций, высокой степенью автоматизации, а также надежностью получаемых сварных соединений. Последнее качество определяется конструкцией соединения, обеспечивающей многократный запас прочности из-за соответствующего выбора площади сварного соединения. Однако, при всей надежности сварного соединения, при эксплуатации трубопроводов иногда возникает рядвопросов, таких например, как потери герметичности соединений в процессе длительной эксплуатации," хрупкий отрыв седельных отводов и т.п.
В нашей стране наибольшее применение данный способ сварки находит при строительстве подземных газопроводов из полиэтиленовых труб. Кроме того, растет его применение и при строительстве напорных водопроводных систем. Из всего многообразия выпускаемых в настоящее время соединительных деталей, для отечественных газо- и водопроводных систем находят наибольшее применение муфты для соединения прямых и поворотных участков трубопроводов, а также седельные отводы, служащие для выполнения ответвлений на строящихся, или эксплуатируемых газопроводах. Муфтовые соединения активно применяют для соединения пластмассовых труб от самых малых диаметров (20, 32 мм) до 160 мм. Трубы больших диаметров выпускают мерными отрезками, длина которых, из условий транспортировки о не превышает 12м, как правило, сваривают нагретым инстру-
ментом встык из экономических соображений, а муфтовые соединения труб таких размеров, применяют главным образом при сварке в особых условиях, в частности, труднодоступных местах, при сварке за-хлестов, при ремонте участков действующих трубопроводов.
Оценку качества получаемых при сварке этим способом соединений выполняют путем контроля правильности выполнения параметров режимов сварки (напряжение, время нагрева, время охлаждения) по данным, из распечатки автоматизированного аппарата, а также внешним осмотром полученных соединений. Механические испытания, предусматриваемые нормативными документами (СП 42-103-03) на сплющивание для муфт и отрыв для седелок, выполняются на образцах-свидетелях (контрольных сварных соединениях), которые применяются либо при аттестации сварщиков, оборудования или технологии, а также при сварке допускных стыков в начале строительства объекта. Физических же методов испытания, для таких видов соединений не предусмотрено.
Поскольку нарушение режимов сварки не может быть допущено программой, заложенной в аппарат для сварки, основными причинами неудовлетворительного качества соединений служат нарушения правил подготовки деталей и трубных заготовок к сварке, а также нарушение качества соединительных деталей при их изготовлении.
Правила подготовки труб под сварку достаточно жестко прописаны в действующих нормативных документах, поэтому ответственность за их нарушение лежит собственно на операторах- сварщиках, а также специалистах осуществляющих контроль за выполнением сварочных работ. Контроль же качества применяемых соединительных деталей обычно возлагается на предприятия- изготовители.
Для большинства предприятий, изготавливающих соединительные детали с закладными нагревателями, характерно ответственное отношение к качеству выпускаемой продукции, однако в последнее время в связи с расширением круга изготовителей и появлением на рынке изделий ряда отечественных и зарубежных фирм, конкурирующих по ценам, зачастую в ущерб качеству, встает вопрос о дополнительных
Рис. 1. Конструкция муфты с закладным нагревателем для сварки труб из полиэтилена
мероприятиях по входному контролю соединительных деталей.
В связи с изложенным, на кафедре ОиТСП ОмГТУ, совместно с АЦ НАКС ЦТБиД Полисервис и ОИ «Омск-газтехнология» была проведена оценка качества поступающих на рынок соединительных деталей различных фирм.
Анализ результатов испытаний сварных образцов показывает на следующие отклонения, которые могут наблюдаться у соединительных деталей.
Во-первых, это отклонение геометрических размеров и формы сопрягаемых поверхностей. Для муфт, это внутренний диаметр, овальность и толщина стенки, шаг расположения спирали, глубина ее залегания, положение и качество вьшодных контактов. Соотношение размеров холодных и горячих зон (рис. 1).
Для седельных врезок — это радиус поверхности прилегающей к трубе, площадь нагреваемой поверхности, жесткость детали, конструкция и качество изготовления прижимных устройств (рис. 2)
Для всех видов соединительных деталей большое значение имеет электрическое сопротивление нагревательной спирали, поскольку именно по нему и его изменениям ведется обратная связь аппаратом при контроле параметров режима сварки по программе, заложенной в его процессор. Кроме того, иногда встречают соединительные детали с несчитывающимся штрих кодом. Ручной же ввод данных влечет за собой дополнительные возможности для возникновения ошибок.
Для определения влияния указанных отклонений на качество сварных соединений, сваренные образцы муфт и трубы разрезали вдоль образующей трубы, обрабатывали поверхности среза струей горячего воздуха до возникновения усадочных явлений материала, после чего замеряли геометрические параметры соединения, а также определяли глубину проникновения расплава полимера во внутрь стенки трубы и стенки соединительной детали. Исследования проводили на образцах труб из ПЭ 100, ПЭ80 импортных марок, производства ОЗТИ, и муфт импортного производства фирм ГЕОРГ ФИШЕР, ФРИАТЕК й ФЬЮЖЕН. Определяли влияние отклонений геометрических размеров на форму взаимного расплавления материала в зоне контакта (рис. 3).
Нормативным документом зазор между муфтой и внешней поверхностью трубы регламентируется в пределах 0,1 — 0,3 мм, причем устанавливается он как свободное перемещение муфты от руки без значительного усилия и заметного люфта [ 1 ]. Поскольку диаметр внутренней поверхности муфты строго регламентирован, зазор может быть отработан путем снятия поверхностного слоя трубной заготовки.
На величину зазора по окружности дополнительное влияние оказывает также величина овальности
Рис. 2. Седельный отвод фирмы ФРИАТЕК
трубы, которая возникает при сворачивании трубы в катушку, либо в процессе хранения на стеллажах. Фирмы-изготовители соединительных деталей рекомендуют использовать специальные устройства для устранения овальности, а также применение роторных фрез для снятия поверхностных слоев трубы. В практике же строительные организации для снятия поверхностных слоев применяют лишь ручные скребки.
Особо следует отметить тот факт, что при сварке контрольных сварных соединений образцы трубы обычно имеют небольшие по длине размеры, могут поворачиваться относительно соединительной детали, легко деформироваться, и поэтому совпадения сопрягаемых поверхностей добиться достаточно легко. На практике же, когда свариваются достаточно протяженные участки трубопроводов (до 180 м), либо, к уже полностью сваренному участку трубопровода, приваривают седловые отводы, вопросы обеспечения совпадения параметров соединяемых поверхностей становятся весьма затруднительными.
В результате, зазор между муфтой и внешней поверхностью трубы, как правило, неравномерен по окружности и может меняться от 0 до 1,0— 1,5 мм.
Исследование срезов сварных соединений показывает, что при нулевом зазоре, наблюдается течение расплава полимера в осевом направлении от горячих зон к холодным, причем в крайних случаях расплав либо выходит за границы муфты и может быть обнаружен при визуальном контроле, либо выдавливается в зазор между торцами труб и остается незамеченным в процессе контроля. Само по себе выдавливание расплава из поверхности соединения в принципе не нарушает сплошности сварного соединения, и поэтому не обнаруживается и при опрессовке сваренного трубопровода. Однако выдавливание материала из плоскости соединения приводит при остывании материала к возникновению в ней растягивающих напряжений, которые в процессе длительной эксплуатации и переменных нагрузок могут привести к образованию микротрещин, со временем, перерастающих в магистральные трещины - несплошности.
Превышение же зазора относительно рекомендуемых величин, приводит к следующим нарушениям. Отсутствие контакта между муфтой и поверхностью в течение нескольких десятков секунд пока, благодаря температурному расширению трубы этот контакт не наступает, приводит к тому, что глубина проникновения теплового поля в толщину стенки муфты и стенки трубы становятся различными. По сути, это равнозначно уменьшению времени нагрева на 20 — 30%.
Рис. 3. Форма проплава материала трубы и муфты
Причем, контрольные индикаторы, выдавливаемые при достижении расплава до требуемого размера выходят на требуемую величину, поскольку полнота их выхода зависит в основном от величины давления, возникающего в детали расплава.
При крайних проявлениях повышенного зазора, глубина проникновения расплава становится столь малой, что поверхности муфты и трубы лишь слипаются и при испытаниях на смятие легко расслаиваются.
Вообще говоря, возникновение потоков расплава на микроуровнях — от горячей зоны к холодным, от малых величин зазора к большим, явление положительное, обеспечивающее перемешивание расплава в микрообъемах. Однако, начиная с определенных величин зазоров, это течение приводит к образованию вышеописанных дефектов.
Как показывают исследования, на результаты механических испытаний начинает сказываться увеличение зазоров выше 0,5..0,8 мм. Темнее менее необходимо помнить, что на длительной прочности соединений могут сказаться гораздо меньшие величины отклонений по зазору [2].
Анализ реальных размеров седельных врезок, показывает, что у седелок разных конструкций наблюдаются отклонения радиуса внутренней поверхности, как в меньшую, так и в большую стороны. При совмещении соединяемых поверхностях седелки и трубы зазоры контролируют с помощью лепестковых щупов. Отклонения, свыше допускаемых величин, устраняют путем упругой деформации при помощи специальных механических приспособлений. В случае если радиус рабочей поверхности седелки меньше радиуса внешней поверхности трубы, после сварки в плоскости соединения возникают существенные отрывающие усилия, которые не компенсируются дёйствием остающихся прижимных хомутов, или штатных струбцин. Действие этих напряжений отрицательно сказываются при переменных нагру-жениях газопровода, особенно при эксплуатации в условиях отрицательных температур, что проявляется в появлении утечек.
Обычно для определения длительной прочности материала полимерной трубы применяются методики при которых, для ускорения процесса исследований изучают действие напряжений не больших величин при повышенных температурах, с последующей экстраполяцией полученных результатов на обычные температуры и более длительные сроки. Применение таких видов испытаний для определения длительной прочности рассматриваемых видов соединений не совсем корректен. Так, в процессе эксплуатации трубопровода сварные соединения работают в упругом состоянии, тогда как в условиях испытаний материал
находится в состоянии, близком к высокоэластичному. Логичнее такие соединения подвергать динамическим переменным нагрузкам при обычных или даже пониженных температурах.
Наличие таких напряжений устанавливается при механических испытаниях седелки на отрыв, с последующей оценкой остаточных явлений деформации детали. После отрыва приваренной седелки от трубы наблюдается значительной не совпадение сопрягаемых радиусов.
Отдельные мероприятия по контролю параметров деталей с закладными нагревателями необходимо уделить проверке электрических характеристик нагревательных спиралей. У большинства выпускаемых в настоящее время соединительных деталей, параметры режима сварки определяются с помощью штрих-кода, размещенного на корпусе детали, магнитной карты, либо устанавливаются вручную согласно параметрам, размещенным на детали, или в паспорте на изделие. Во всех этих вариантах, программа автоматизированного аппарата устанавливает конкретные значения параметров режима сварки, исходя из определенных усредненных значений электрических характеристик нагревательного элемента, заложенных в технических условиях на его изготовление. Анализ же реальных значений электросопротивления конкретных муфт и седелок, показывает на их порой существенные отклонения от номинальных значений. Кроме того, на реальную величину электросопротивления влияет и качество контакта разъемов детали и соединительных проводов.
Большинство аппаратов в процессе сварки задают конкретное значение напряжения, подаваемого на нагревательный элемент, после чего, отслеживаются значения тока нагрева в течение, заданного программой времени, иногда подсчитывая затраченную на образец энергию.
Отклонения сопротивления нагревательного элемента, при таком способе регулирования, допускают отклонения его температуры от номинальных значений, как в большую, так и меньшую стороны. При этом перегрев элемента может приводить к термодеструкции полимера, а ее недогрев к недостаточному прогреву соединяемых поверхностей.
Для подтверждения данных предположений исследовали состояние полимера вблизи элемента и на различных расстояниях от него с помощью оптической и электронной микроскопии.
Таким образом, по результатам выполненных исследований могут быть сделаны следующие выводы.
1. Для обеспечения надежного качества сварных соединений, выполняемых при помощи соединительных деталей с закладными нагревателями необходимо выполнение операций входного контроля.
2. При входном контроле соединительных деталей необходимо выполнять измерения радиусов сопрягаемых поверхностей деталей и трубных заготовок с последующей оценкой и подгонкой размеров сопрягаемой части трубы.
3. Необходим входной контроль электрических параметров нагревательного элемента и их сравнение с паспортными данными.
Библиографический список
1. Соколов, В. А. Сварка полиэтиленовых газопроводов с применением фитингов с закладными нагревателями / В. А. Соколов, Е. А Бондаренко//Омский научный вестник. — 2009. — №1(77). — С. 43-45.
2. Соколов, В. А Вопросы оценки качества сварки полиэтиленовых труб с применением муфт с закладными нагревателями / В. А. Соколов, М. А. Красников // Трубопроводы и экология. -2004. - №2. - С. 7-8.
СОКОЛОВ Валерий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры Оборудования и технологии сварочного производства. МИРОШНИЧЕНКО Оксана Михайловна, студентка 2-го курса магистратуры по направлению 150400.68.06 Оборудование и технология сварочного производства. Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 31.03.2011г. © В. А. Соколов, О. М. Мирошниченко
Д. В. СТЛРШЕВ
Ижевский государственный техническим университет. Филиал в г. Воткинске
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ШЛИФОВАНИИ НА СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛИ
Показано, что в процессе шлифования на свойства поверхностного слоя обрабатываемой заготовки существенное влияние оказывает характер охлаждения. Приведены графики зависимости твердости поверхностного слоя заготовки от скорости охлаждения. Представлен график экспериментальных исследований изменения температуры в процессе шлифования. Предложен метод управления свойствами поверхностного слоя шлифуемых поверхностей.
Ключевые слова: шлифование, охлаждение, температура, твердость.
Процесс шлифования характеризуется возникновением высоких температур в зоне резания, способствующих появлению тепловых дефектов на обрабатываемых поверхностях, снижающих эксплуатационные показатели деталей.
Одним из методов снижения теплонапряженно-сти процесса является использование охлаждения [ 1 ]. Однако охлаждение способно не только снизить температуру в зоне резания, но и повлиять на физико-механические свойства поверхностных слоев. В связи с этим проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния характера охлаждения на свойства обработанных поверхностей.
В процессе охлаждения при шлифовании охлаждающие среды, во-первых, изменяют свое состояние вследствие повышения температуры. Во-вторых, наблюдается протекание физико-химических процессов, связанных с испарением среды и изменением механизма процесса охлаждения. В соответствии с этим охлаждающие среды могут быть разделены на две группы.
Для первой группы процесс охлаждения оказывается неизменным от начала до конца. При охлаждении изменяются только температуры поверхности заготовки и среды и, вследствие этого, теплофизиче-ские характеристики процесса. Процесс охлаждения описывается плавной кривой (рис. 1) и подчиняется уравнению [2]:
1 = 1н-ек< (1)
где £ — температура в момент времени г; — разность между температурами заготовки и среды в начальный момент; к — постоянная, определяемая размерами и формой заготовки, свойствами металла и охлаждающей среды.
Кривая (рис. 1), описываемая уравнением (1), относится к охлаждению в газовой среде (на воздухе), и во всех случаях, когда при контакте (среда-заготовка) не изменяется агрегатное состояние среды.
Вторая группа характеризуется изменением агрегатного состояния среды в связи с кипением (рис. 2).
Образование паровой пленки в момент взаимодействия СОТС с поверхностью резания вызывает замедленное охлаждение вследствие малой скорости теплоотвода (стадияпленочного кипения). Разрушение
/
К
Время т Рис. 1. Охлаждение в средах первой группы
