CC BY
23РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Николай Павлович Старостин,
доктор технических наук, профессор, главный научный
сотрудник лаборатории климатических испытаний Института проблем нефти и газа СО РАН - обособленного подразделения ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН» (ИПНГ СО РАН), г. Якутск
Александр Иннокентьевич Герасимов,
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории климатических испытаний ИПНГ СО РАН, г. Якутск
Елена Викторовна Данзанова,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории климатических испытаний ИПНГ СО РАН, г. Якутск
Н. П. Старостин, А. И. Герасимов |, Е. В. Данзанова DOI: 10.24412/1728-516Х-2020-2-10-13
Полимерные трубы в силу ряда преимуществ монтажно-эксплуатаци-онных и экономических показателей в некоторых сферах почти вытеснили традиционные стальные трубы. Так, в газовых сетях наибольшее распространение получили полиэтиленовые, а в сетях водоснабжения и отопления - полипропиленовые трубы. Основными способами соединения полиэтиленовых труб являются сварка нагретым инструментом встык и сварка с помощью муфт с закладным нагревательным элементом. Согласно нормативным документам, сварку полиэтиленовых труб допускается производить при температурах окружающего воздуха до минус 15 °С [1]. При соединении полипропиленовых труб сварочные работы возможны только при положительных температурах окуржающего воздуха. [2]. При температурах ниже нормативных, сварочные работы рекомендуется проводить в отапливаемых укрытиях, что значительно затрудняет и замедляет как темпы строительства, так и ремонт трубопроводов из полимерных материалов.
Ограничения по температуре наружного воздуха, при которой допускается проводить сварку полимерных труб, связаны с тем, что в условиях низких температур высокая скорость охлаждения способствует образованию большого количества центров кристаллизации, рост которых замедлен, и формируется мелкокристаллическая структура, обуславливающая пластичность сварного шва [3]. Для получения качественного сварного соединения полимерных труб при температурах воздуха ниже нормативных, необходимо обеспечить протекание сварочного процесса по закономерностям, характерным для сварки в условиях допустимых температур воздуха. Эффективными
в этом отношении являются методы управления температурным режимом на основе методов математического моделирования теплового процесса. Такие решения могут рассматриваться, как обратные задачи теплообмена [4-5]. Тем не менее, при таком подходе определяются управляющие параметры, зависящие от времени, что усложняет технологию сварки. В связи с этим управление тепловым процессом сварки полимерных труб осуществляется с применением простых устройств [6-7]. Используются, например, предварительный подогрев свариваемых концов полимерных труб нагревательным инструментом и охлаждение сварного соединения в теплоизоляционной камере, параметры которых рассчитываются из критерия допустимых скоростей нагрева и охлаждения.
Математическое моделирование позволяет описать тепловой процесс дифференциальным уравнением теплопроводности с учётом теплоты фазового перехода. Путём решения уравнения теплопроводности формируются массивы температур, характеризующие тепловое состояние во множестве точек сварного соединения в различные моменты времени. На основе анализа полученных температурных полей и их динамики определяются параметры сварки при различных температурах ниже нормативных.
Определение параметров сварки полиэтиленовых труб при низких температурах воздуха нагретым инструментом встык и с помощью закладных нагревателей рассматривалось нами ранее [8-9]. Параметры же сварки полипропиленовых труб в раструб при отрицательных температурах рассчитывались по методике, приведённой в работе [10]. Для того, чтобы оценить надёжность
Рис. 1. Охлаждение сварного соединения полиэтиленовой трубы по предлагаемой технологии
разработанных технологий сварки полимерных труб, используются различные методы испытаний сварных соединений. При этом существующие методики испытаний являются малоинформативными и в некоторых случаях объективной информации практически не дают Наиболее оптимальными при стандартизации новых технологий сварки полимерных труб являются испытания сварных соединений на длительное растяжение в среде с поверхностно-активным веществом [11].
На основе математического моделирования тепловых процессов в Институте проблем нефти и газа СО РАН разработана технология сварки нагретым инструментом встык полиэтиленовых труб. Этот способ позволяет производить сварочные работы при температурах окружающего воздуха ниже минус 15 °С без строительства временных отапливаемых укрытий [12]. Суть этого способа заключается в предварительном подогреве участка свариваемых торцов труб с длиной вылета, равной пятикратной толщине стенки труб, отдельным нагретым инструментом непосредственно перед сваркой. При предварительном подогреве распределение температуры в стенке трубы неоднородно по радиальной переменной. После подогрева выдерживается технологическая пауза, которая обеспечивает выравнивание температурного поля в допустимом для сварки диапазоне. Далее производится сварка по стандартной
технологии, как при комнатной температуре. При низких температурах возрастает скорость охлаждения сварного соединения, в связи с этим предлагается использовать теплоизоляционную камеру для понижения темпа остывания [6]. На рис. 1 показано охлаждение сварного соединения в теплоизоляционной камере после сварки по разработанной технологии.
Кратковременные испытания сварных соединений, изготовленных при низких температурах по разработанной технологии, показали, что сварные соединения по прочностным показателям не уступают сварным соединениям, изготовленным при комнатной температуре [13].
Известно, что в процессе сварки полимерных труб из-за остаточных напряжений в сварных соединениях возникают микротрещины, невидимые невооружённым глазом, которые и определяют характеристику долговечности. Срок работы сварных соединений, находящихся под напряжением, резко снижается при воздействии поверхностно-активных веществ. В связи с этим нами были проведены испытания на длительное растяжение сварных стыковых соединений (табл. 1). По нормативным документам сварные соединения, выполненные качественной сваркой, должны выдерживать более 30 часов при температуре испытательной среды с содержанием поверхностно-активного вещества +95 °С.
Суть разработанной технологии сварки с помощью муфт с закладным нагревательным элементом состоит в следующем. Перед проведением сварки на свариваемые детали (полиэтиленовая труба и электромуфта с закладным наревательным элементом) наматывается теплоизоляционный материал, толщину которого определяют расчётным путём из условия обеспечения такого же темпа охлаждения соединения в диапазоне температур окружающего воздуха от -50 до -15 °С, как и при допустимых температурах окружающего воздуха. Электромуфта с закладным нагревателем подключается к источнику питания для предварительного подогрева. Продолжительность и мощность подогрева определяются расчётами теплового процесса сварки из условия достижения однородного распределения заданной температуры в зоне расплавления детали с закладным нагревателем и трубе. Например, при температуре окружающего воздуха минус 30 °С при мощности источника питания для предварительного подогрева W = 40 Вт, расчётное время подогрева составило 13 мин. После предварительного подогрева свариваемых деталей проводится считывание штрих-кода, приложенного к электромуфте, и запуск сварки. При этом
Таблица 1
Время до разрушения сварных стыковых соединений полиэтиленовых труб, изготовленных при низких температурах окружающего воздуха
Температура окружающего воздуха при сварке Параметры сварки
Сварка с нарушением технологии Разработанная технология
-30 °С 0,9 ч 39 ч
-40 °С 1,43 ч 64 ч
-49 °С - 48 ч
Рис. 2. Процес сварки полиэтиленовой трубы с помощью муфты с закладным нагревателем
датчик температуры сварочного аппарата находится в среде, где температура поддерживается равной значению заданной температуры. Сварочный аппарат, согласно имитированной температуре воздуха, производит автоматическую сварку (рис. 2).
Контроль качества сварных муфтовых соединений полиэтиленовых труб проводится согласно действующему нормативному документу СП 42-103-2003 [2], где в перечне обязательных испытаний значатся: внешний осмотр, пневматические испытания и испытания на сплющивание, а в перечне методов рекомендованных испытаний - испытания при постоянном внутреннем давлении. Известно, что все эти испытания, включая испытание сварных муфтовых соединений на сплющивание, не выявляют нарушений технологического режима сварки и не дают практически никакой информации [14]. На практике известен метод испытаний на отслаивание ISO 13954 «Пластмассовые трубы и фитинги. Испытание на отслаивание полиэтиленовых электросварочных узлов с номинальным наружным диаметром, большим или равным 90 мм». Данный метод не предназначен для труб диаметром 63 мм., т.к. при испытаниях разрушения именно по области сварки не происходит, а идёт либо по основному материалу, либо по месту приложения нагрузки.
С целью обоснования эффективности предложенной технологии электромуфтовой сварки полиэтиленовых труб при низких температурах воздуха и определения
прочности сварного муфтового соединения, нами была разработана другая методика испытаний [15]. Результаты испытаний показали эффективность разработанной технологии сварки полиэтиленовых труб с помощью муфт с закладным нагревательным элементом [16].
При сварке нагретым инструментом в раструб полипропиленовых труб при низких температурах отдельным нагретым инструментом производился предварительный подогрев наружной стенки трубы и внутренней поверхности муфты с последующим свободным остыванием для выравнивания температурного поля в свариваемых областях. Затем производилась стандартная сварка (рис. 3). Снижение скорости охлаждения достигалось охлаждением сварного раструбного соединения в теплоизоляционной камере. Контроль качества проводился согласно ГОСТР 55142-2012. Для этого использовался стенд, в котором образцы со сварным соединением подвергались статической нагрузке при постоянной температуре в водной среде с содержанием 2 % смачивающего поверхностно-активного вещества.
Рис. 3. Сварка нагретым инструментом в раструб полипропиленовых труб при температуре воздуха -30 °С
Результаты длительных испытаний образцов сварных раструбных соединений полипропиленовых труб в среде с поверхностно-активным веществом приведены в табл. 2.
Таблица 2
Время до разрушения сварных раструбных соединений полипропиленовых труб, изготовленных при различных температурах окружающего воздуха
Режимы сварки Среднее время до разрушения образцов, час
Тов =+22 °С, стандартная сварка 174,5
Тов = -16 °С, сварка с нарушением технологии 115
Тов = -40 °С, разработанная технология 191
Время до разрушения сварных раструбных соединений, произведённых при низких температурах предлагаемой технологией, соответствует длительной прочности соединений стандартной сварки.
В условиях температур окружающего воздуха ниже нормативных можно получить качественное сварное соединение полимерных труб, используя предварительный подогрев свариваемых деталей дополнительным источником тепла и свободное охлаждение для выравнивания температурного поля непосредственно перед сваркой с последующим охлаждением полученного сварного соединения в теплоизоляционной камере.
Работа выполнена в рамках проекта Госзадания (№ гос. регистрации АААА-А21-121011590012-9)
Список литературы
1. СП 40-101-96. Проектирование и монтаж трубопроводов из полипропилена «Рандом сополимер». Своды правил по проектированию и строительству. Введ. 1996-09-04. - М.: Минстрой России, 1996. - 33 с.
2. СП 42-103-2003. Проектирование и строительство газопроводов из полиэтиленовых труб и реконструкция изношенных газопроводов. Введ. 27.11.2003. - М. : Полимергаз, ФГУП ЦПП, 2004. - 86 с.
3. Кайгородов, Г. К., Каргин, В. Ю. Влияние скорости охлаждения полиэтиленового сварного шва на его прочность//Трубопроводы и экология. - 2001. - № 2. -С.13-14.
4. Алифанов, О. М. Обратные задачи теплообмена /О. М. Алифанов. - М. : Машиностроение, 1988. -280 с.
5. Самарский, А. А. Численные методы решения обратных задач математической физики / А. А. Самарский, П. Н. Вабищевич. - М. : ЕдиториалУРСС, 2004. - 480 с.
6 Пат. 2343331 РФ. Способ сварки полимерных труб / Н. П. Старостин, А. И. Герасимов, О. А. Аммо-сова. - № 2006144681/06. - 2009. - Бюл. № 1.
7. Пат. 2450202 РФ. Способ муфтовой сварки полимерных труб / Н. П. Старостин, Г. В. Бот-вин, Е. В. Данзанова. - № 2010130131/06 ; опубл. 19.07.2010. - Бюл. № 13.
8. Старостин, Н. П. Моделирование теплового процесса сварки полиэтиленовых труб встык при низких температурах / Н. П. Старостин, О. А. Аммосо-ва // Инженерно-физический журнал. - 2016. - Т. 89. -№ 3. - С. 706-713.
9. Starostin, N. P., Danzanova, E. V., Sivtseva, V. V. Mathematical modeling of the thermal process in electro socket welding of polyethylene pipes at low temperatures // Welding international. - 26 (2012) 967-970. https://doi.org/ 10.1080/09507116.2012.694640
10. Старостин, Н. П. Тепловой процесс сварки полипропиленовых труб в раструб при низких температурах / Н. П. Старостин, О. А. Аммосова, Г. В. Бот-вин // Сварка и диагностика. - 2015. - № 6. - С. 57-61.
11. Шурайц, А. Л. Газопроводы из полимерных материалов : пособие по проектированию, строительству и эксплуатации / А. Л. Шурайц, В. Ю. Каргин, Ю. Н. Вольнов. - Саратов : Изд-во «Журнал «Волга-XXI век», 2007. - 612 с.
12. Starostin, N. P., Gerasimov, A. I., Danzanova, E.V. Welding of polymer pipes of gas pipelines at low temperatures // Welding international - 25 (2011) 981-983. https://doi.org/10.1080/09507116.2011.581442
13. Gerasimov, A. I., Danzanova, E. V., Botvin, G. V. Research methods of strength of weld seam of polymer pipes //Proceedings of the 12th International Conference on Mechanics, Resource and Diagnostics of Materials and Structures (MRDMS-2018): AIP Conference Proceedings 2053, 030018 (2018); DOI: 10.1063/1.5084379 https://doi. org/10.1063/1.5084379.
14. 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.
15. Патент РФ № 2011104771/28, 09.02.2011. Способ испытания муфтового сварного соединения полимерных труб // Патент России № 2457449. 2012. Бюл. № 21 / Г. В. Ботвин, Е. В. Данзанова, Б. И. Андреев, А. И. Герасимов.
16. Эффективность электромуфтовой сварки полиэтиленовых труб при низких температурах окружающего воздуха / Н. П. Старостин [и др.] // Сварочное производство. - 2016. - № 11. - С. 47-49.
лфшв ту^тыхшкжЯ
Вихри и водовороты образуются лишь в живом потоке... Лишь столкновение мыслей побуждает мысль.
Вивекананда
Люди мелкого ума чувствительны к мелким обидам. Люди большого ума всё замечают и ни на что не обижаются.
Франсуа де Ларошфуко
