CC BY
37
УДК 621.791.46
В. А. СОКОЛОВ Е. А. БОНДАРЕНКО
Омский государственный технический университет
СВАРКА ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ БОЛЬШИХ ДИАМЕТРОВ
Рассмотрены результаты исследований формы и размеров грата сварных соединений полиэтиленовых труб, предложены рекомендации по улучшению качества таких соединений при строительстве водопровода.
Ключевые слова: водопровод, грат, сварное соединение, механические испытания.
Сварка пластмассовых труб встык нагретым инструментом является наиболее распространенным способом сварки пластмассовых труб диаметром свыше 160 мм. Для обеспечения качества сварки в настоящее время используются установки со средней и высокой степенью автоматизации, выбор и соблюдение параметров режима сварки, при применении которых осуществляется встроенным процессором, обеспечивающим по окончании процесса, возможность распечатки параметров режима сварки, служащей в последствии свидетельством о качестве выполненной сварки. Однако, как показывает практика, при сварке труб большого диаметра (400 мм и выше), применение таких установок приводит к значительным экономическим затратам. Поскольку трубы таких диаметров применяются, как правило, при строительстве напорных водопроводов, в нашей стране такие работы выполняют в основном на установках с ручным управлением и установкой параметров режима сварки по таблицам, приводимым в технической документации на применяемое оборудование.
В таких условиях особенно остро встает вопрос о разработке методик оценки качества сварных соединений на штатных стыках строящегося трубопровода.
В настоящее время такую оценку ведут путем ви-зуально-измерительного контроля, оценивая качество шва по форме и размерам выдавленного из стыка расплава полимера — грата. Проведение механических испытаний при сварке труб больших диаметров весьма требует больших затрат времени и матери-
алов . Поэтому их применяют лишь при выполнении до-пускных стыков и при отработке технологии сварки.
В отечественной нормативной документации сведения о номинальных значениях размеров грата весьма разноречивы и, зачастую, носят приближенный характер. Между тем, исходя из вышесказанного, этот метод является на настоящий момент единственным, реально применяемым, в практике строительстве трубопроводов из пластмасс.
В связи с этим на кафедре ОиТСП ОмГТУ выполняются исследования по установлению корреляции между размерами и формой грата сварных соединений и качеством получаемых при этом соединений [ 1 ].
Наиболее тщательно проработаны рекомендации нормативных размеров грата в НТД на сварку газопроводов (СП 42-103-03), однако они ограничены рекомендациями для труб диаметрами до 315 мм и, как правило, не касаются случаев сварки косых стыков.
Исследования выполняли путем изучения стыков труб, и соединительных элементов, сваренных на ОЗТИ и ООО «Трубопластстрой». Оценки их механических показателей выполнялись в лаборатории ОИ «Омскгазтехнология».
Исследования показали, что при оценке качества шва по размерам грата необходимо учитывать ряд важных факторов. Во-первых, необходимо быть уверенным, в соблюдении в процессе сварки, принятой циклограммы изменения усилия осадки деталей за весь период сварки и, в частности, по величине усилия прижима отторцованных деталей к нагревателю. Согласно
Рис. 2. а) наружная сторона отвода, б) внутренняя сторона отвода
рекомендациям, нагрев торцов трубы должен состоять из двух этапов: оплавления и собственно нагрева.
Продолжительность оплавления определяется допуском на зазор в стыке после торцовки труб. Его назначение — обеспечить полный контакт трубы с нагревателем. На этапе оплавления к трубам прикладывают давление на уровне сварочного давления (0,2 МПа). Окончание этого этапа обычно определяют размерами расплава полимера, появляющегося по контуру трубы в месте ее контактирования с нагревателем. Необходимо отметить, что главным признаком окончания этой фазы процесса сварки, следует считать не абсолютный размер грата, а тот факт, что грат выступил по всей окружности контакта трубы с нагревателем, что свидетельствует о полном контакте всей площади торца трубы и нагревателя. После этого давление рекомендуется уменьшить для того, чтобы температурное поле могло проникнуть в обладающий низкой теплопроводностью полиэтилен на достаточную глубину без значительной деформации. Давление при этом рекомендуется снижать практически до нуля, но в силу особенностей работы гидравлической системы установки, обычно оговаривают конкретное его значение, например 0,01 МПа. Только после снижения давления до необходимой величины начинают отсчет продолжительности нагрева. Продолжительность нагрева главным зависит от толщины стенки трубы, что связано с тем, что конечной целью нагрева, является проникновение температуры расплава на такую глубину, при которой, при последующей деформации в процессе осадки, окисленные слои из центра толщины стенки трубы могут быть полностью выдавлены за ее пределы.
При сварке на машинах со средней и высокой степенью автоматизации момент переключения уровня усилия прижатия выполняет процессор машины, отслеживая его по величине осадки подвижной каретки установки. При сварке же на установках с ручным управлением, эта обязанность ложится на оператора машины. И здесь следует отметить, что по невнимательности оператора, или с целью ускорения процесса сварки возможно получение необходимой окончательной величины грата, возможно путем задержки момента снижения усилия прижатия трубы к нагревателю. Грат при этом будет соответствовать размерам, предусмотренным нормативами, а глубина проплавления окажется меньше необходимой. В результате, при всех внешних нормативных
признаках, в сварном шве остаются окисленные слои полимера, что, в конечном счете, существенно снижает качество сварного соединения.
Вторым фактором влияющим на форму и размеры грата, является положение рассматриваемой части шва в пространстве во время сварки. Поскольку время пребывания нагретого до температуры вязкотеку-чего состояния материала трубы составляет несколько минут, под действием сил тяжести происходит уменьшение размеров шва в нижнем положении и увеличению ее в потолочном положении. То есть размеры грата на внешней и внутренней сторонах стенки трубы плавно увеличиваются от нижнего положения к потолочному.
При сварке косого стыка (элементы сварного отвода), в процессе выдавливания расплава из стыка появляются дополнительные направления движения потоков. Материал, кроме движения от центра стенки к ее внешней и внутренней поверхностям, по-разному течет также и в направлении угла стыка и направлении обратном ему (рис. 1).
В результате размеры грата в направлении угла увеличиваются, а с обратной стороны, наоборот, уменьшаются.
Исследования среза шва показывают на нарушение симметричности потока расплава. Стык раскрывается в сторону угла (рис. 2).
Фактором, влияющим на форму и размеры выдавленного из стыка грата, являются также температура нагревателя и время его воздействия на кромки заготовок трубы. Известно, что с увеличением толщины стенки трубы и соответствующим ростом времени нагрева температура нагревателя должна уменьшаться с целью предотвращения деструктивных процессов в плоскости нагрева. Эксперименты показывают, что длительное воздействие чрезмерно нагретого инструмента, приводит к подплавлению кромок трубы, прилегающих к плоскости нагрева за счет излучения от плоскости нагревателя, выступающей над наружной и внутренней поверхностями стенки трубы. В результате расплав полимера при выдавливании из стыка, не сворачивается в округлый валик, а вытягивается в виде острого лепестка, не касающегося стенки трубы (рис. 3).
Одним из браковочных признаков сварного шва по внешнему виду грата является занижение линии сплавления двух валиков ниже уровня кромок трубы. Причиной такого явления может стать не правильное выполнение операции приложения усилия осадки, а
Рис. 3. Сварной стык с неправильной формой грата
конкретно скорости нарастания усилия осадки, а также чрезмерная продолжительность технологической паузы.
Задержка с завершением технологической паузы, которая нередко может произойти при сварке труб большого диаметра из-за достаточно больших размеров и веса нагревателя, при водит к тому, что на разогретой до температуры сварки плоскости заготовки образуется тонкий слой, по сути, затвердевшего полимера. Этому способствует и то, что, как указывалось выше, температура нагревателя при сварке больших толщин выбирается по нижнему возможному пределу. Далее, если оператором выбрана чрезмерная скорость нарастания усилия, расплавленный слой в процессе деформации, разделяется на два самостоятельных потока в слоях имеющих относительно высокую температуру, а следовательно, меньшую вязкость и выдавливается в виде двух раздельных валиках. При этом слой контактирования, имеющий более высокую вязкость и содержащий в своем составе окисленные в результате контакта с кислородом воздуха слои, застревает в плоскости стыка, образуя дефектное сварное соединение.
Оценку качества сварного соединения по форме и размерам грата существенно затрудняет несовпадение кромок стыкуемых труб. По требованиям НТД допускается отклонение в 10% от толщины стенки. При толщине стенки трубы в 40 мм, допускаемое отклонение может достигать 4 мм. В таких условиях
определить оптимальность размеров грата становится весьма проблематичным.
Анализ качества сварных соединений, проведенный с учетом изложенных положений показывает, что при оценке сварного соединения по внешнему виду выдавленного грата необходимо учитывать положение шва в пространстве, а также, при сварке косых стыков, учитывать направление дополнительных потоков расплава, с тем чтобы правильно оценить их номинальные размеры.
Библиографический список
1. Соколов, В. А. Сварка соединительных деталей из полиэтиленовых труб большого диаметра / В. А. Соколов, Е. А Бон-даренко // Тр. IV Международной науч.-техн. конф. — Томск : Изд-во ТПУ, 2008. - С. 434-436.
СОКОЛОВ Валерий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства». БОНДАРЕНКО Елена Анатольевна, 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 31.03.2011 г. © В. А Соколов, Е. А. Бондаренко
Книжная полка
621/К65
Копылов, Ю. Р. Кодирование деталей в машиностроении : справочник. В 2 т. Т. 2. / Ю. Р. Копылов. - М.: Технология машиностроения; Старый Оскол: ТНТ., 2011. - 471 с. - ISBN 978-5-89882-017-6. - ISBN 978-5-94178-256-7.
Во втором томе справочника рассматривается применение методов классификации и кодирования деталей для автоматизированного проектирования технологий их изготовления методом адресации, представлена нормативная база и характеристика конструкторского классификатора ЕСКД. Примеры иллюстрированны трехмерным изображением и чертежами деталей.
УДК 621/0-75
Основы технологии машиностроения и формализованный синтез технологических процессов: учеб. для вузов по направлению «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств». В 2 ч. Ч. 2. / В. А. Горохов [и др.]; под ред. В. А. Горохова. - Старый Оскол: ТНТ., 2011. - 575 с. -ISBN 978-5-94178-268-0.
Изложены теоретические понятия, структурные элементы и методика проектирования технологических процессов изготовления деталей, сборки машин, их контроля и испытания, пути обеспечения качества, надежности и снижения себестоимости изделий машиностроения.
