CC BY
40
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 691.175.5/.8
И. В. Волков, В. И. Кимельблат
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И АКТУАЛЬНЫЕ НОВАЦИИ ТЕХНИКИ ДЛЯ СВАРКИ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ НАГРЕТЫМ ИНСТРУМЕНТОМ ВСТЫК
Ключевые слова: полиэтиленовые трубы, сварка, инструмент, тенденции развития
В этой статье рассмотрены тенденции инноваций различной техники для сварки полиэтиленовых труб встык
Keywords: polyethylene tubes, welding, instrument development trends
This article describes the trends of innovation various technics for butt joint welding ofpolyethylene tubes
Производство полиэтиленовых (ПЭ) труб интенсивно и устойчиво развивается в глобальном и региональном (СНГ) масштабах[1,2]. Российские производители полимерных труб осваивают новых марки ПЭ, конструкции, типоразмеры труб. Экономические успехи отрасли очевидны. Однако народнохозяйственный эффект дают не столько трубы и фитинги, сколько трубопроводные системы. Объектом эксплуатации является трубопроводная система в целом, которая собирается из отдельных труб и фитингов. Соединение является завершающей и наиболее трудоемкой стадией технологической цепочки переработки полимеров. Соединения играют исключительно важную роль в обеспечении надежности полимерных трубопроводов. Контактная сварка встык нагретым инструментом (НИ) наиболее широко применяется при сооружении трубопроводных систем из ПЭ и в практике изготовления сварных фитингов в цеховых условиях.
Принято считать, что надежность трубопроводов, в первую очередь, определяется квалификацией сварщиков: операторов сварочных машин, ИТР по надзору за строительством и технологов, регламентирующих конкретные процессы [3]. Современные тенденции развития образования в области сварки тесно связаны с эволюцией техники для сварки полимерных труб. Дифференциация необходимых компетенций сварщиков становится очевидной, если сравнить простейшие полевые машины с механическим приводом подвижной каретки торце-вателя и новейшие конфигурации техники, например, полностью механизированные, автоматизированные сварочные комплексы с программным управлением, GPS, и компьютерным протоколированием сварки.
Технические характеристики основного сварочного оборудования и технологической оснастки, а также адекватность техники условиям сварки в значительной мере определяют качество выполнения сварочных работ.
Техническое оснащение процесса сварки полимерных труб и фитингов нагретым инструментом
включает основные машины и вспомогательную оснастку. Сварочные машины состоят из центраторов, предназначенных для фиксации свариваемых заготовок и их перемещения с заданным усилием, для чего машины оснащаются гидравлическим, механическим, пневматическим или электрическим приводами и устройствами для силоизмерения. Машины комплектуются устройствами для зачистки свариваемых поверхностей и нагреваемым инструментом. Выделяют традиционные фрезы (торцева-тели) и радиальные отрезные устройства, особенно удобные для эксплуатации в палатках. Среди разнообразной вспомогательной оснастки выделяют роликовые опоры труб с постоянной или регулируемой высотой установки труб. Среди роликоопор, также, можно выделить простейшие устройства, защищающие свариваемые заготовки от повреждений при осевом перемещении, регулируемые по высоте опоры с гидроприводом и сложные механизированные рольганги фирмы McElroy.
Основные требования и допустимые варианты конфигураций сварочных машин регламентируются международным и Российским стандартами [4,5], которые, впрочем, не ограничивают эволюцию сварочной техники.
Важной тенденцией развития сварочной техники является дифференциация конструкций машин по показателям назначения.
Различают:
-жесткие, но не слишком тяжелые четырех-зажимные полевые машины, применяемые для сооружения протяженных трубопроводов,
- цеховые машины с поворотными зажимами для сварки таких фитингов, как отводы, равнопро-ходные и неравнопрходные тройники,
- сравнительно дешевые приспособления для сварки укрупненных узлов,
- облегченные, 2-х или 3-х зажимные модификации машин для работы в стесненных условиях монтажа и ремонта
- специальные устройства, применяемые при сварке фитингов предизолированных теплотрасс.
Качество центровки свариваемых заготовок и некоторые другие параметры этих машин настолько различаются, что замена одного типа на другой в конкретных технологиях недопустима поскольку не обеспечивает надлежащего качества сварки.
Очевидной тенденций развития сварочных машин является увеличение размеров свариваемых труб. В настоящее время машины для сварки труб диаметром до 1600мм изготавливают практически все крупные производители сварочной техники в Западной Европе, США, Турции и Китае, а также России. Наиболее амбициозные из них осваивают сварку прямых стыков монолитных и витых труб 02000мм и 0 2400мм с толщиной стенки превышающей 100мм. Освоено также промышленное производство машин для сварки НИ отводов и тройников 0 2400 мм в цеховых условиях. Эта тенденция, несомненно, будет сохраняться: размеры сварочных машин будут расти параллельно с освоением новых размеров труб.
На Российском рынке хорошо представлены сварочные машины основных производителей сварочной техники. Вопрос выбора сварочной машины постоянно возникает перед сварщиками трубопроводных систем и производителями фитингов и. Цены на сварочные машины значительны и могут различаться в 10-15 раз у разных производителей и поставщиков, что превращает выбор основного сварочного оборудования в серьезную проблему. Многие покупатели хотели бы довериться авторитету какого-либо производителя качественных машин. Тенденция глобализации экономики и международного разделения труда лишае их этой возможности. Так, например машина с лейблом уважаемой западноевропейской фирмы может быть изготовлена в Турции или в Китае, приобретя известные особенности, характерные для анонимной страны -фактического производителя. Таким образом, обоснованный выбор сварочной техники может быть сделан, во-первых, на основе анализа нормативных требований на машины [4,5] и, во-вторых, после тестирования машин на соответствие требованиям.
Технический осмотр сварочных машин и вспомогательного оборудования состоит из следующих стадий:
- проводится техобслуживание машин согласно инструкциям по эксплуатации, проверяется их комплектность в соответствии с паспортом, а также комплектность вспомогательной оснастки;
- проверяется соответствие функциональных возможностей машин требованиям технологии сварки в конкретных условиях сварки, путем пробной сварки труб минимального и максимального диаметра предусмотренных инструкцией эксплуатации испытываемой машины;
- для автоматизированных машин проверяют возможность программируемой оптимизации всех основных параметров сварки и составляют типовые программы для актуальных условий сварки и поли-этиленов с различными характеристиками.
Функциональные возможности машин могут быть проверены в период сварки допускных соединений.
Проверка сварочного оборудования и технологического оборудования, находящегося на сервисном обслуживании, выполняется в соответствии с рекомендациями сервисного центра.
В завершение осмотра составляется «Заключение о техническом состоянии оборудования».
Сравнивая машины разных производителей можно отметить тенденции повышения уровня механизации, автоматизации и компьютеризации машин.
Эти тенденции не являются безальтернативными. В частности многие производители качественных машин предпочитают простейшие конфигурации своей техники, имея для этого серьезные основания. Изменение конфигурации машин влечет смену концепции конструирования, замену основного оборудования и технологической оснастки, а также критическое повышение себестоимости производства. В результате неизбежно падение продаж подорожавшего оборудования. В качестве компромиссного решения производители машин оснащают их блоками автоматизации СМС. Подобную стратегию выбрал, например завод Georg Fisher Omicron.
Эта позиция не противоречит международным и новейшим Российским нормам.
Как известно основное требование, предъявляемое к сварочному оборудованию: его способность обеспечивать требования технологии сварки [6-8]. Конструкция сварочной техники должна соответствовать размерам свариваемых трубных заготовок и условиям сварки. Наиболее авторитетными документами, на которые можно опираться при оценке сварочной техники, являются международный стандарт [4] и идентичные российские ГОСТ, в частности ГОСТ 12176-1-2011 [5]. Важными положениями этого документа являются представления о равноценности всех конфигураций сварочных машин, если они обеспечивают соблюдение технологических норм. А именно допускается применение машин:
- с механическим приводом,
- ручными насосами,
- полуавтоматических,
- полностью автоматизированных систем.
ГОСТ 12176-1-2011 устанавливает требования
к времени удаления нагревателя, показателям жесткости центраторов, эксплуатационным характеристикам машин в целом и отдельных частей - торце-вателей и нагревателей. Регламентированы также методы испытаний машин, детально изложенные в ГОСТ.
Одним из трендов в развитии полевого оборудования для сварки НИ производители называют повышение мобильности сварочных комплексов.
Машины на самоходном гусеничном шасси уже много лет производят в США (McElroy) и Китае (Цзинлинский завод).
Приоритеты в развитии сварочного оборудования RITMO для стыковой сварки состоят в разра-
ботке мобильных сварочных машин "всё в одном". Конструкция сварочных аппаратов ALL TERRAIN позволяет проводить в различных условиях с помощью передвижной конструкции шасси. На самоходное шасси ALL TERRAIN устанавливается электрогенератор, передние поворотные колеса позволяют сварочной машине поворачивать при придви-жении вперед или назад.
В России спрос на мобильные колесные и гусеничные сварочные комплексы в пока невелик. Это объясняют не только их высокой ценой. Слишком высокое положение трубы над землей ухудшает условия сварки.
Есть мнение, что мобильные комплексы являются способом повышения репутации брэнда фирм. Но авторы не готовы безоговорочно согласиться с этим мнением, поскольку технологические эксперименты убеждают в значительном облегчении подготовительных работ на мобильных машинах.
Тенденция максимальной механизации
наиболее трудоемких подготовительных работ реализована на самоходных сварочных машинах, на гусеничном шасси, с гидравлическим приводом зажимов, а также гидравлическим приводом подачи торцевателя и нагревателя в зону сварки.
Производство подобных машин освоено некоторыми европейскими и китайскими производителями, но наибольшее распространение они получили в США (фирма McElroy), где сварочные машины эксплуатируются в комплексе с механизированными системами подачи трубных заготовок. В результате комплексной механизации, сварку даже самых больших труб может производить единственный сварщик.
Вместе с тем при сварке в стесненных условиях выглядит вполне логичным применение машин упрощенной конструкции.
Тенденция увеличения жесткости центраторов и усилия смыкания машин.
Современная технология сварки допускает применение нескольких процедур сварки [6-8]. Внутри каждой процедуры возможно варьирование основных параметров в широких диапазонах. Наиболее сложные задачи для конструкторов сварочных машин ставит процедура сварки под высоким давлением.
Интерес к процедуре с высоким давлением вызывает не только принятие ГОСТа по сварке в России, но и заход McElroy на Российский рынок.
Машины для реализации технологии сварки при высоком давлении и, соответственно, с наиболее высокой жесткостью центраторов, традиционно развивались в США, в частности фирмой McElroy.
Некоторые европейские производители сварочных машин, в частности KWH/Uponor, и Sauron учитывая современное разнообразие процедур сварки, также выводят на рынок машины с увеличенным в несколько раз рабочим усилием смыкания. Многие европейские производители хотят доказать, что у
нового игрока (McElroy) преимуществ нет, и они тоже могут реализовать все процедуры сварки.
Позиции производителей машин высокого давления усилятся с приходом на Российский рынок австралийской фирмы Worldpoly, с линейкой машин на высокое сварочное давление.
Впрочем, по мнению представителей фирмы Rothenberger технология сварки НИ при низком давлении пока является наиболее востребованной в России.
Тенденция удешевления машин. Совершенствуя и усложняя машины, практически все производители параллельно развивают производство бюджетных разновидностей сварочной техники, наиболее востребованных в России, за исключением самых богатых регионов.
Так Worldpoly собирается позиционироваться в России в двух сегментах. У них есть завод в Китае, который делает только машины самых востребованных конфигураций и типоразмеров и есть завод в Австралии, который делает все, включая и то, что в Китае. Работу в двух сегментах декларируют и Российские представители WIDOS.
Выбирая относительно дешевые машины, покупатель должен провести особенно тщательную проверку адекватности их основных характеристик требованиям технологии.
Тенденция автоматизации и компьютеризации наиболее эффективно реализуется в цеховых машинах по производству сварных фитингов, поскольку в заводских условиях машины самой сложной конфигурации работают надежно, существенно повышая производительность труда.
Среди факторов, стимулирующих развитие сварочной техники, выделяют развитие электроники и компьютерной техники, совершенствование и удешевление электронных комплектующих,
Результирующим вектором действия этого фактора является новый дизайн интерфейса компьютерной части машин средней и высокой степени автоматизации. На компьютерных блоках машин многих фирм появились цветные дисплеи touchscreen, выросла интуитивная составляющая управления машиной.
Тенденция локализации производства сварочной техники в России, в виду реалий международной ситуации имеет серьезные шансы развития.
Соответственно могут быть востребованы конструкторские наработки группы компаний ОАО ОЭРМЗ - ООО ТЭП [9], адаптированные к Российским погодно-климатическим условиям а также машины Тульского "АКБ Автоматики" или Петербургского "Сириус-Итона".
Растут шансы доминировать на рынке у конструкций ООО «Волжанин», которые, впрочем, пока еще нуждаются в совершенствовании. Фирма «Волжанин» уже внедрила несколько перспективных решений в части управления процессом сварки и новый ультразвуковой датчик перемещения подвижной каретки, что позволяет более объективно
контролировать процессы плавления и осадки свариваемых заготовок.
Вполне вероятно, что нынешние самые крепкие поставщики Европейских машин станут массово переходить на Российскую сборку этих машин, возможно, с постепенной заменой элементной базы.
Пока тенденция локализации производства сварочной техники в России не реализовалась, наиболее очевидно замещение поставок западной техники их китайскими аналогами, качество которых находится на хорошем уровне и постоянно растет.
Авторы благодарят коллег из ассоциации сварщиков полимерных материалов России (АСПМ) А. Жукова, А.Гапонова, Ю.Яковлева, А. Романова и Л. Павлова за полезную дискуссию.
Литература
1. Трусов К.В. Обзор рынка ПЭ труб РУБК. Материалы 8 Международной конференции. Полимерные трубы и фитинги. Апрель. 2014г.
2. В.И. Кимельблат Устойчивое развитие трубной отрасли. Пластикс, №10(128) 2013. С.40-44.
3. В.И. Кимельблат, И.В. Волков. Гармонизация образовательной деятельности в области сварки полимерных
труб с развитием материалов, техники и технологии. Вестник Казанского технологического Университета.-Изд-во Казан. гос. технол. ун-та-2013.-т.16, №7 -С.315-318.
4. ISO 12176-1:2006 «Plastics pipes and fittings - Equipment for fusion jointing polyethylene systems - Part 1: Butt fusion».
5. ГОСТ 12176-1-2011 Трубы и фитинги пластмассовые. Оборудование для сварки полиэтиленовых систем. Часть 1. Сварка нагретым инструментом встык.
6. В.И. Кимельблат Сварка ПЭ труб: тенденции развития Пластикс №6(135) 2014, с.38-43
7. ISO 21307:2011 Plastics pipes and fittings - Butt fusion jointing procedures for polyethylene (PE) pipes and fittings used in the construction of gas and water distribution systems (MOD).
8. ГОСТ Р 55276-2012(IS0 21307:2011) Национальный стандарт Российской Федерации. Трубы и фитинги пластмассовые. Процедуры сварки нагретым инструментом встык полиэтиленовых (ПЭ) труб и фитингов, используемых для строительства газо- и водопроводных распределительных систем.
9. В.И. Кимельблат, Салахов М.Ш., Надиев Ф.П. Новые установки для сварки полиэтиленовых труб встык. Трубопроводы и экология. №4 (24) 2002.с. 31, 32.
© И. В. Волков - к.т.н., доцент КНИТУ, Казань, Россия, [email protected]; В. И. Кимельблат - д.т.н., профессор КНИТУ, Казань, Россия.
© I. V. Volkov - associate professor of KNRTU, Kazan, Russia, [email protected]; V. I. Kimelblat - Ph.D., Professor of KNRTU, Kazan, Russia.
