Журнал Полимерные трубы - Производство и качество

Нова парадигма у підготовці зварювальників та її зв'язок з розвитком техніки і технології зварювання поліетиленових труб

Галузь виробництва пластикових труб і фітингів розвивається досить стійко та успішно [1, 2]. Доречно зазначити при цьому, що кінцевою метою виробництва труб є трубопровідні системи, які утворюються внаслідок збірки труб і фітингів. З'єднання труб є завершальною і найбільш трудомісткою стадією технологічного ланцюжка переробки полімерів. З’єднанням належить винятково важлива роль у забезпеченні надійності полімерних трубопроводів [3].

Основний спосіб з'єднання поліетиленових труб, широко представлених на глобальному ринку, є зварювання в його різних формах і модифікаціях. Контактне зварювання встик нагрітим інструментом (НІ) має найширше застосування в практиці виготовлення зварних фітингів у цехових умовах і при спорудженні трубопровідних систем.

У 2013-2014 роках авторами виконаний комплекс розрахунково-аналітичних і експериментальних робіт у галузі зварювання монолітних ПЕ труб, включаючи труби великих і супервеликих діаметрів. Мета робіт: подальший розвиток і вдосконалення нормативної бази в галузі зварювання ПЕ труб. При цьому визначені межі застосування діючої документації. Виявилося, що на практиці більше половини зварювальних робіт ведеться за межами області коректного застосування надійно обґрунтованих норм. У зв'язку з цим були складені 5 порівняно простих інструкцій по зварюванню ПЕ труб встик і контролю зварювання, а також технологічного процесу в цілому. Ці інструкції неодноразово обговорювалися в колі фахівців і були схвалені. В даний час інструкції підготовлені до публікації та готуються до видання як монографія.

Прийнято вважати, що якість зварних з'єднань, отриманих методом НІ, перш за все визначається кваліфікацією зварювальників – операторів зварювальних машин, ІТП з нагляду за будівництвом і технологів, що регламентують конкретні процеси. Еволюція трубної галузі обумовлює коригування парадигми освітнього процесу зварювальників.

Система підготовки зварювальників, прийнята в багатьох країнах, включає кілька рівнів освітніх процесів.

Перший рівень передбачає первинне навчання зварювальників, які мають загальнотехнічну підготовку. Методика навчання може носити чисто інструктивний характер і спиратися на нормативи, що встановлюють конкретну процедуру зварювання та її контролю, досить вузькі межі варіювання основних параметрів зварювання та певні межі застосування технології. Область роботи випускників курсів первинного навчання повинна бути обмежена зварюванням труб малих діаметрів та іншими межами застосування порівняно простих технологій.

На другому рівні зварювальники, що раніше отримали первинну підготовку і накопичили досвід практичної роботи, можуть пройти підвищення кваліфікації за розширеною інструктивною програмою і отримати право зварювати труби й фітинги середніх діаметрів. На другому рівні зварювальники часто освоюють нові, порівняно складні зварювальні машини (фото 1).

 151 23

Фото 1. Практичні заняття з освоєнням зварювання середніх діаметрів (фото Н. Прокоп'єва) 

Для третього рівня навчання зварювальників (спеціальна підготовка) універсальні інструкції поки відсутні. Отже, зварювальники повинні засвоїти розширений теоретичний багаж, нові конкретні практичні навички та спеціальні компетенції креативного характеру. Освітня технологія, вживана на третьому рівні навчання, повинна носити конструктивний характер. При цьому зварювальники мають засвоїти актуальні положення спеціального матеріалознавства полімерних труб, знання механіки та реології полімерів, теплотехніки, хімії та кінетики термоокислювальної деградації, фізико-хімії полімерів. Ще важливіше навчити зварювальників застосовувати теоретичні положення у практиці проведення зварювальних робіт, для самостійного вирішення професійних завдань поза межами застосування добре апробованих інструкцій.

Доречно зазначити, що незнання та/або ігнорування впливу розмірів труб, погодно-кліматичних умов, варіацій реологічних властивостей ПЕ, конструктивних особливостей зварювальних машин, нюансів процедур зварювання, нюансів контролю і т.п. на якість зварювання постійно зумовлює конфлікти у практиці спорудження ПЕ трубопроводів.

Підвищення кваліфікації зварювальників для виконання конкретних робіт за межами можливості застосування надійно обґрунтованих інструкцій доцільно здійснювати у формі майстер-класів, проведених визнаними експертами в галузі зварювання. У процесі навчання перевіряються первинні знання курсанта, його практична підготовка. Потім проводиться налаштування технології зварювання. Вибирається відповідна процедура процесу, визначаються оптимальні параметри зварювання. Після візуально-вимірювального контролю та механічних випробувань, що підтверджують правильність технології, оформлюється технологічна карта для виконання конкретної роботи.

Спеціальна підготовка необхідна в таких випадках:

– реологічні характеристики сировини, з якої виготовлені труби, виходять за межі, допущені міжнародними та авторитетними національними нормами;

– геометричні розміри зварюваних заготовок виходять за визначені нормами межі; 

– умови зварювання несприятливі або незручні для роботи;

 – процедура зварювання та його основні параметри істотно відрізняю

ться від обґрунтованих норм;

– конструктивні особливості зварювального обладнання виходять за межі, допущені міжнародними та авторитетними національними нормами.

Тенденції розвитку освіти в галузі зварювання тісно пов'язані з еволюцією полімерних труб, а також техніки та технології їх зварювання [3].

Технічні характеристики основного зварювального устаткування та технологічного оснащення, а також адекватність технологічного процесу зварювання особливостям труб і умовам зварювання значною мірою визначають якість виконання зварювальних робіт. Тому розуміння сучасних тенденцій розвитку техніки та технології зварювання поліетиленових труб набуває високого ступеня актуальності.

Термін «зварювальна техніка» включає в себе основні машини та допоміжне обладнання. Зварювальні машини складаються з центраторів, призначених для фіксації зварюваних заготовок та їх переміщення з заданим зусиллям, для чого машини оснащуються гідравлічним, механічним, пневматичним або електричним приводами та пристроями для визначення зусилля. Машини комплектуються пристроями для зачистки зварюваних поверхонь і нагрівним інструментом (НІ), температура якого автоматично регулюється.

Серед допоміжної оснастки слід зазначити роликові опори труб з постійною або регульованою висотою їх установки та різноманітний контрольно-вимірювальний інструмент, що доповнює прилади основної машини, і пристосування для польових випробувань зварних з'єднань (фото 2).

 151 24 

Фото 2. Пристосування для технологічної проби на вигин (фото Н. Прокоп'єва) 

У глобальній практиці зварювання ПЕ труб, зокрема в американській, застосовуються як прості роликові опори, так і механізовані пристрої. Також виробляються досить складні комплекси для подачі і центрування труб.

Важливою тенденцією розвитку зварювального обладнання є диференціація конструкцій машин за показниками призначення. Розрізняють жорсткі чотиризатискні польові машини, що застосовуються для спорудження протяжних трубопроводів, цехові машини з поворотними затискачами для зварювання таких фітингів, як відводи та трійники, порівняно дешеві пристосування для зварювання укрупнених вузлів, полегшені, дво- або тризатискні монтажні та ремонтні модифікації машин для зварювання НІ.

Якість центрування заготовок, які зварюються,  та деякі інші параметри цих машин настільки відрізняються, що довільна заміна одного типу на інший неприпустима з технічних міркувань.

Очевидною тенденцією розвитку зварювальних машин є збільшення розмірів зварюваних труб. У даний час машини для зварювання труб діаметром до 1600 мм виготовляють практично всі великі виробники зварювальної техніки в Західній Європі, США, Туреччині та Китаї (фото 3).

 151 25

Фото 3. Машина для зварювання супервеликих труб 

Найамбітніші з них опановують зварювання прямих стиків монолітних і навитих труб діаметром 2 м і більше з товщиною стінки понад  100 мм. Освоєно також промислове виробництво машин для зварювання НІ відводів і трійників супервеликих діаметрів у цехових умовах. Ця тенденція, безсумнівно, буде зберігатися: розміри зварювальних машин будуть рости паралельно з освоєнням нових розмірів труб.

На світовому ринку добре представлені зварювальні машини основних виробників зварювальної техніки. Проблема вибору зварювальної машини постійно виникає перед виробниками фітингів і зварювальниками трубопровідних систем, оскільки ціни на зварювальні машини значні і відрізняються у різних виробників і постачальників на порядок. При цьому параметри, що характеризують якість машин, не визначені. Багато покупців хотіли б довіритися авторитету якого-небудь виробника якісних машин. Тенденція глобалізації економіки та міжнародного поділу праці позбавляє їх цієї можливості. Так, наприклад машина з лейблом шанованої західноєвропейської фірми може бути виготовлена в Туреччині або  Китаї, набувши відомих особливостей, характерних для анонімної країни – фактичного виробника. Таким чином, обґрунтований вибір зварювальної техніки може бути зроблений тільки після тестування машин на відповідність вимогам норм.

Технічний огляд зварювальних машин і допоміжного обладнання складається з наступних стадій:

– проводиться техобслуговування машин згідно з інструкціями з експлуатації, перевіряється їх комплектність відповідно до паспорта, а також комплектність допоміжної оснастки;

– перевіряється відповідність функціональних можливостей машин вимогам технології зварювання в конкретних умовах зварювання шляхом пробного зварювання труб мінімального та максимального діаметрів, передбачених інструкцією експлуатації випробуваної машини;

– для автоматизованих машин перевіряють можливість програмованої оптимізації всіх основних параметрів зварювання та складають типові програми для актуальних умов зварювання і поліетиленів з різними характеристиками.

Функціональні можливості машин можуть бути перевірені в період зварювання допускних з'єднань.

Перевірка зварювального устаткування і технологічного обладнання, що перебуває на сервісному обслуговуванні, виконується відповідно до рекомендацій сервісного центру.

На завершення огляду складається «Висновок про технічний стан устаткування». Дата технічного огляду та його результати повинні бути відображені в журналі виконання робіт.

Порівнюючи машини різних виробників, можна відзначити тенденції підвищення рівня механізації, автоматизації та комп'ютеризації машин (фото 4). 

 151 26

Фото 4. Зварювальний комплекс з високим рівнем механізації (фото Н. Прокоп'єва)

 

Втім, ці тенденції не є безальтернативними. Зокрема багато виробників машин надають перевагу найпростішим конфігураціям своєї техніки, маючи дляцього серйозні підстави. Зміна конфігурації машин зумовлює зміну концепції конструювання, заміну основного устаткування і технологічного оснащення, а також критичне підвищення собівартості виробництва. У результаті неминуче падіння продажів обладнання, що подорожчало. В якості компромісного рішення виробники машин оснащують їх блоками автоматизації СNC. Ця позиція не суперечить міжнародним нормам.

Конструкція зварювальної техніки повинна відповідати розмірам трубних заготовок, що зварюються, та умовам зварювання. Найбільш авторитетними документами, на які можна спиратися при оцінці зварювальної техніки, є міжнародний стандарт ISO 12176-1:2006 [4] і вказівки Німецьких DVS. Важливими положеннями цих документів є визначення рівноцінності усіх конфігурацій зварювальних машин, якщо вони забезпечують дотримання технологічних норм. А саме допускається застосування машин:

• з механічним приводом,

• з ручними насосами,

• напівавтоматичних,

• повністю автоматизованих систем.

Встановлені вимоги до часу видалення нагрівача, показників жорсткості центраторів, експлуатаційних характеристик машин у цілому і окремих частин – торцівників і нагрівачів. Регламентовані також методи випробувань машин [4].

Одним із пріоритетів у розвитку польового обладнання для зварювання НІ виробники в США та Австралії вважають тенденцію підвищення мобільності зварювальних комплексів. У цьому випадку на самохідне шасі розміщують усі елементи зварювальних машин. У зварювальних комплексах реалізована тенденція максимальної механізації найбільш трудомістких підготовчих робіт.

Виробництво подібних машин освоєно деякими європейськими та китайськими виробниками, але найбільше поширення вони одержали в США, де зварювальні машини експлуатуються в комплексі з механізованими системами подачі трубних заготовок. У результаті комплексної механізації зварку навіть найбільших труб може здійснювати єдиний зварювальник.

Разом з тим при зварюванні в обмежених умовах цілком логічним є застосування машин спрощеної конструкції.

Існує тенденція збільшення зусилля змикання машин. Деякі виробники зварювальних машин, враховуючи наявність варіанту технології – зварювання при високому тиску (див. нижче), виводять на ринок машини зі збільшеним у декілька разів робочим зусиллям змикання. Втім, технологія зварювання НІ при низькому тиску поки є найбільш затребуваною в глобальній практиці.

Тенденція здешевлення машин. Удосконалюючи і ускладнюючи машини, практично всі виробники паралельно розвивають виробництво бюджетних різновидів зварювальної техніки (найбільш затребуваних у вітчизняних будівельників). Вибираючи відносно дешеві машини, покупець повинен провести особливо ретельну перевірку адекватності їх основних характеристик вимогам технології.

Тенденція автоматизації та комп'ютеризації найбільш ефективно реалізується в цехових машинах з виробництва зварних фітингів, оскільки в заводських умовах машини найскладнішої конфігурації працюють надійно, підвищуючи продуктивність праці.

Технологія зварювання. В останні роки технологія зварювання НІ отримала потужні імпульси до розвитку. 

Важливими стимулами вдосконалення технології зварювання є поява супервеликих труб і розширення асортименту марок трубних поліетиленів [5, 6]. Остання причина спонукала міжнародну організацію зі стандартизації ISO зробити спробу регламентувати зварювання новітніх марок ПЕ 100, враховуючи існування трьох істотно різних процедур. У результаті створено стандарт ISO 21307: 2011, що містить додаткову четверту процедуру, корисну при зварюванні в несприятливих умовах.

Цей документ надає зварювальникам-технологам належної кваліфікації можливість вибору підходящої процедури та оптимальних параметрів зварювання.

У  ISO 21307: 2011 встановлена межа можливості застосування стандартних технологій по товщині стінки – не більше 70 мм. Для зварювання більш товстостінних труб технологам слід отримувати рекомендації виробників труб, зварювальної техніки та експертів зі зварювання. Слід додати, що вказівки авторитетного в Європі Німецького DVS встановлюють додаткові рамки у вигляді обмежень за показником текучості розплаву (ПТР) матеріалу зварюваних труб і температурі навколишнього середовища під час зварювання.

Отже, зварювальникам необхідно чітко розуміти, що стандартні режими зварювання, в тому числі записані в пам'яті автоматичних зварювальних машин, потребують коригування, якщо зварювання ведеться за межами нормативних обмежень.

Надбанням історії стають численні нормативні напрацювання минулих років, які втратили актуальність [7]. Ці міркування стосуються також принципів і методів контролю процесу зварювання та оцінки якості зварних з'єднань, що є невід'ємною частиною технології.

Контроль і оцінка якості зварювання. Загальноприйнята система контролю процесу зварювання полімерних труб включає 5 стадій. Усі вони повинні проводитися з письмовим документуванням результатів.

На першій стадії виконується вхідний контроль труб і фітингів. Розвиток вхідного контролю пов'язаний з появою труб нових конструкцій, зокрема багатошарових труб. Разом з тим численні проблеми зі зварюванням неякісних та несумісних труб [8], посилюють інтерес зварювальників до вхідного контролю.

На другій стадії перевіряється кваліфікація зварювальників з урахуванням викладених вище нових тенденцій диференціації підготовки.

На третьому – виробляється оцінка придатності зварювального обладнання для проведення майбутніх робіт. Принципова новація цієї стадії – впровадження вимог ISO 12176-1:2006  [4].

Четверта стадія – поопераційний контроль, який повинен спиратися на нові вимоги ISO 21307: 2011 у частині вибору процедур і параметрів зварювання.

П'ята стадія – контроль зварних з'єднань. Ця стадія контролю включає руйнівні методи та механічні випробування. Слід зазначити, що існуюча глобальна нормативна база в цій області зазнає серйозних змін, які ще не завершені.

Можна відзначити при цьому, що приладові руйнівні методи, такі як ультразвук (УЗК) і рентген, при оцінці якості зварювання НІ встик, визнані неефективними в нормах ISO і DVS.

Проблемою неруйнівного візуально-вимірювального контролю (ВВК) стали варіації реологічних (пластичних і пружних) властивостей розплавів різних марок трубних полімерів, а також варіації технологічних параметрів зварювання, що допускаються ISO 21307: 2011. Тому традиційний ВВК може використовуватися тільки у вузьких межах застосування. Розширення меж необхідно експериментально обґрунтувати, встановивши при цьому нові показники ВІК. Автори проводять роботи в цьому напрямку [9].

Глобальна практика механічних випробувань при оцінці зварних з'єднань передбачає найчастіше паралельні випробування на розтягування та  вигин. Проте поки не вирішена проблема гармонізації щонайменше трьох процедур випробувань на розтяг, що відрізняються формою зразків, швидкістю розтягування та оціночними параметрами. Це завдання має бути вирішене на підставі результатів трудомістких експериментів, з яких найскладнішими є тестування зварних з'єднань супервеликих труб.

З урахуванням складності контролю сучасною тенденцією організації контролю зварювання є залучення до цієї роботи спеціально підготовлених, висококваліфікованих експертів.

 

Література

1. Трусов К.В. Обзор рынка ПЭ труб РУБК. Материалы 8 Международной конференции. Полимерные трубы и фитинги. – Апрель, 2014 г.

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. Кимельблат В.И., Волков. И.В., Глухов В.В. Оптимизация технологии контактной сварки встык. Учет свойств полимеров. – Полимерные трубы. – 2(28), 2010.– С. 32-36.

6. Кимельблат В.И., Волков И.В., Чупрак А.И. Вариации реологических свойств, как стимул оптимизации основных параметров сварки нагретым инструментом встык. – Сварка и диагностика,  №2, 2012.– С.49-52.

7. Кимельблат В.И., Волков И.В. Проблемы нормативно-технической документации на контактную сварку полимерных труб встык. – Сварка и діагностика, №1, 2011. – С. 58-61.

8. Кимельблат В.И. Актуальные положения экспертизы полиэтиленовых трубопроводов. – Полимерные трубы, №1(10)/апрель, 2006. – С. 42-48.

9. Кимельблат В.И., Волков И.В., Мысяк Р.С.  Направления развития визуально-измерительного контроля сварки нагретым инструментом встык. – Вестник Казанского технологического университета.– Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2015.–Т.18, №5. – С.56-59.

 

Автор:  Професор Кімельблат В.І., доцент Волков І.В., Казанський національний дослідний технологічний університет

 

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА