ПАРАМЕТРИ ВИМІРЮВАЛЬНОГО КОНТРОЛЮ ЗВАРЮВАННЯ ВСТИК ПОЛІЕТИЛЕНОВИХ ТРУБ МАЛИХ ДІАМЕТРІВ

Журнал Полимерные трубы - Производство и качество

ПАРАМЕТРИ ВИМІРЮВАЛЬНОГО КОНТРОЛЮ ЗВАРЮВАННЯ ВСТИК ПОЛІЕТИЛЕНОВИХ ТРУБ МАЛИХ ДІАМЕТРІВ

З'єднання поліолефінових труб, широко представлених на світовому ринку, в трубопровідні системи здійснюється переважно шляхом зварювання нагрітим інструментом (НІ) встик [1].

У країнах СНД у практиці використання полімерних труб особливо важливе зварювання НІ встик труб з поліетиленів (ПЕ) за європейським стандартом ІSO 21307: 2011, який став успішною спробою усунути різночитання в технології зварювання. Технологи можуть використовувати його для усунення необґрунтованих технічних рішень, які з'явилися в нормативній технічній документації в останні десятиліття. Багатоваріантність рішень, пропонованих ІSO 21307: 2 011, створює кваліфікованим фахівцям просторе поле для маневру при складанні специфікацій на процес зварювання.

Можна додати, що в Північній Америці для зварювання ПЕ труб усіх діаметрів надають перевагу зварці НІ, але проводять її зазвичай за процедурою з «єдиним високим тиском» на машинах, що спеціально випускаються з гідравлікою, яка забезпечує більше зусилля зварювання, ніж прийнято в Європі. Зазначимо, що ця процедура також регламентована в ІSO 21307:2011 нарівні з процедурами «єдиного» та «подвійного» низького тиску.

Невід'ємною частиною технології зварювання НІ встик є система контролю якості, зокрема, візуально-вимірювальний контроль (ВВК) форми і розмірів валиків зварного грата.

В авторитетних, але сильно застарілих німецьких директивах DVS [2] наведені традиційні принципи контролю розмірів грата. Ці принципи коректно поширювати на з'єднання ПЕ труб з номінальним зовнішнім діаметром dn від 63 мм приблизно до 225 мм і номінальною товщиною стінки en від 3,6 мм до приблизно 20 мм. Цілком коректно вказівки DVS [2] поширюються на зварювання ПЕ, що характеризується наступними показниками:

– показник текучості розплаву в групі ПТР 190/5 від 0,3 до 1,2 г/10 хв. (при густині не менше 940 кг/м3) є прийнятним для першої групи ПЕВГ (ПЕ 63);

– показник текучості розплаву в групі ПТР 190/5 від 0,3 до 1,2 г/10 хв. (при густині не менше 930 кг/м3) є прийнятним для другої групи ПЕВГ (ПЕ 80);

– показник текучості розплаву в групі ПТР 190/5 від 0,2 до 0,7 г/10 хв. (при густині не менше 945 кг/м3) є прийнятним для третьої групи ПЕВГ (ПЕ 100, крім менш текучих марок і РЕ-RС).

Зауважимо, що немає великого сенсу екструдувати труби малих діаметрів з менш текучих марок ПЕ 100, однак на практиці це часто відбувається через відсутність більш придатної сировини.

При зварюванні за межами зазначених вище областей застосування зварювальникам слід користуватися спеціальними інструкціями (вказівками) виробників труб та/або розробників спеціальної технології.

У вітчизняній практиці виробництва труб застосовують унімодальний ПЕ, а також бімодальний ПЕ 100 із властивостями, що не відповідають вищевказаним вимогам. На світовому ринку також присутні численні марки трубних ПЕ, при зварюванні яких утворюється грат незвичайної форми. Ці проблеми добре відомі фахівцям високорозвинених країн Західної Європи та Америки. Тому, наприклад, у дослідницьких роботах [3], виконаних у США з метою перевірки зварювальних технологій, проводилося зварювання труб з 13-ти різних марок ПЕ. Оскільки розміри грата при зварюванні різних ПЕ сильно розрізняються, дослідники змушені обмежуватися досить лаконічними критеріями, що не містять допусків і не зв'язують розміри грата і товщину стінки (рис. 1) [3].

У традиційних німецьких нормах форма та ширина грата строго регламентувалися [2]. Відхилення розмірів грата від норм використовувалися для виявлення порушень у підготовці заготовок до зварювання та відхилення основних параметрів зварювання від оптимальних значень.

Однак цю традицію перервали результати досліджень зварних з'єднань сучасних марок ПЕ. У нових редакціях DVS [4] нерівномірний і несиметричний грат може бути забракований, а форма симетричного та рівномірного грата втратила роль критерію якості. Констатується, що у зв'язку з різноманітністю матеріалів і, відповідно, можливих форм грата (рис. 2) неможливо визначити єдині критерії оцінки [4]. Рекомендується лише порівняння грата з еталонними зразками.

Інший критерій грата – занадто великий і занадто маленький його об'єм – не визначений кількісно. Замість цього також потрібно порівнювати оцінюваний грат з контрольними зразками. У німецькій практиці існує традиція залучати авторитетних експертів для зварювання контрольних зразків, які пересічні зварювальники можуть використовувати в рутинних роботах.

У практиці приймання зварювальних робіт контролери замовника нерідко висувають вимоги до параметрів ВВК без урахування можливих об'єктивних особливостей реології розплавів ПЕ.

Тим часом формування грата зварного з'єднання НІ встик являє собою реологічний процес, який у першому наближенні може бути описаний витіканням розплаву через щілинну головку [5].

Авторами були виконані досить широкі дослідження реологічних характеристик сучасних трубних марок ПЕ, в тому числі в рамках робіт НДІ «ПОЛІПЛАСТИК» [6]. З цих даних були знайдені значення індексу течії m. Порівняно високі значення m = 2,5–3,9, особливо для полімерів градації ПЕ 100, повинні бути прийняті до уваги при аналізі перебігу розплаву ПЕ при утворенні грата.

Об'ємна витрата розплаву обернено пропорційна в'язкості розплаву, що інтуїтивно добре сприймається. Витрата розплаву також пропорційна 1/en у ступені m. Тому в загальному випадку розміри грата зварних з'єднань (висота h і ширина b) будуть нелінійно залежати від товщини стінки труби en.

Ці міркування добре узгоджуються зі спостереженнями фахівців про роль реологічних властивостей ПЕ у формуванні грата зварного з'єднання і нелінійності залежності розмірів грата від товщини стінки труби. Втім, щодо труб з малою товщиною стінки та в порівняно вузькому діапазоні варіювання en допустима, як ми покажемо нижче, лінійна інтерполяція.

Авторами проведено чимало експериментів, необхідних для уточнення вимог ВВК зварних з'єднань ПЕ труб, у тому числі малих діаметрів і товщини.

Роботи по зварюванню труб малої товщини виконувалися авторами цієї статті переважно в лабораторії ТОВ «Полімерні технології» (Казань), на об'єктах будівництва, а також на заводі Georg Fischer - Omicron (Падуя, Італія), на різних зварювальних машинах, в тому числі УСПТЕП 110, УСПТЕП 160, УСПТЕП 225, УСПТЕП Р2 160, УСПТЕП Р2 250, ТМ 160, ТМ 250.

Труби були виготовлені різними підприємствами з ПЕ 100 різних виробників сировини.

Зварювання проводилася із застосуванням трьох процедур, наведених у ІSO 21307:2011. При цьому температура нагрівача становила 220 °С. У зимовий час, відповідно до рекомендацій ІSO 21307:2011, час прогріву збільшувався в 1,5 рази.

В якості стандартного режиму прийнята процедура при «єдиному низькому тиску» за сприятливих погодно-кліматичних умов зварювання.

На зварних з'єднаннях, після зрізування валика, жодного разу не були візуально виявлені непровари. Відсутність несплавлення підтверджувалася механічними випробуваннями на вигин і розтягування.

На рис. 3 зображені дані DVS [2], прийняті для відповідальних з'єднань (жирні прямі), і результати їх екстраполяції (пунктирні лінії). Неважко помітити, що експериментальні значення ширини грата, отриманого при стандартному режимі зварювання, входять в область, що допускається нормами [2] тільки при товщині стінки труби до 20 мм.

Для більш товстостінних труб екстраполяція німецьких норм на велику товщину стінки абсолютно некоректна. У наступних публікаціях буде показано, як можна інтерполювати та екстраполювати результати зварювання товстостінних труб.


Аналогічні результати отримані для висоти грата, який у країнах СНД традиційно контролюється відповідно до ОСТ 6-19-505 (рис. 4). Легко помітити, що екстраполяція даних ОСТ прийнятна до товщини стінки труби приблизно 40 мм. Точки, помічені червоними трикутниками, стосуються труб з менш текучих марок ПЕ 100. Розплави подібних полімерів мають високу пружність і утворюють аномально високий грат при стандартному режимі зварювання тонкостінних труб як малих діаметрів, так і великих, що використовуються як оболонки попередньоізольованих теплотрас. Форма такого грата зазвичай нагадує зразок 2 на рис. 2. Якщо механічні випробування подібних з’єднань демонструють позитивні результати, то коригування витягнутої форми грата технологічними прийомами недоцільне.


Якщо зварювання проводилося за процедурою «єдиного високого тиску» або по зимовому режиму (зі збільшеним часом прогріву), ширина грата знижується на 20-40 % у порівнянні зі стандартним режимом. Висота грата при цьому зростає приблизно на 20 %.

Якщо віддати перевагу процедурі «подвійного низького тиску», то при літньому режимі зварювання можна очікувати 20 % зниження ширини грата. Втім, процедура зварювання при «подвійному низькому тиску» рекомендована для труб з товщиною стінки понад 20 мм.

Результатом розрахунково-аналітичної обробки експериментальних даних, отриманих авторами, є таблиця допустимих розмірів грата, яка пропонується в допомогу зварювальникам і контролерам (табл. 1). Дані таблиці відповідають стандартному режиму зварювання, що має найбільш широке використання в практиці спорудження ПЕ трубопроводів.
Наступні публікації будуть присвячені ВВК товстостінних і супертовстих ПЕ труб.

Таблиця 1. Допустимі розміри грата зварних з'єднань труб з ПЕ 100, отриманих за стандартною процедурою зварювання НІ встик (при «єдиному низькому тиску») для товщин стінок en від 5,4 до 18,7 мм

 
Література
1. Волков И.В., Кимельблат В.И. Процедуры и основные параметры сварки полиэтилена Вестник Казанского технологического Университета. – Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2014. Т. 17, № 14, с. 293–296.
2. DVS 2202-1:1989 Imperfections in thermoplastic welding joints: features, descriptions, evaluation.
3. Generic Butt Fusion Joining Procedure for Field Joining of Polyethylene Pipe.TR-33-12. 2012 PPI, USA.
4. DVS Technical Codes on Plastics Joining Technologies. 2015. Technical Code DVS 2202. Evaluation of imperfections in joints of thermoplastic materials to piping parts and panels heated plate welding (HS, IR).
5. Волков И.В., Кимельблат В.И., 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.
6. Кимельблат В.И., Волков И.В., Битт В.В., Калугина Е.В., Крючков А.Н. Упруго-вязкие свойства трубных полиэтиленов. – Полімерні труби–Україна, № 3 (32), 2014, с. 44–49.

Автори: В.І. Кімельблат, Н.В. Прокоп'єв, І.В. Волков
 
ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА