Журнал Полимерные трубы - Производство и качество

Задачі оптимізації зварювання нагрітим інструментом встик

При будівництві поліетиленових (ПЕ) трубопроводів найбільш широко застосовується зварювання нагрітим інструментом встик, як основний, надійний та економічний метод з'єднання полімерних труб різних діаметрів. Обсяги глобального виробництва ПЕ труб постійно зростають, досягаючи багатьох мільйонів тонн. Таким чином, зварювання поліетилену є досить поширеним технологічним процесом. Зварювання встик використовується як у польових умовах, на будмайданчиках, так і в цехах, при виготовленні зварних фітингів і укрупнених вузлів. Багаторічний (з 1981 р.) досвід спостереження за експлуатацією ПЕ трубопроводів переконав автора в надійності зварних з'єднань нагрітим інструментом (НІ) встик. За умови належної кваліфікації зварників, використанні відповідних обладнання та технології зварювання довговічність зварних з'єднань не поступається довговічності зварених труб.

Сучасний етап розвитку технології застосування ПЕ труб характеризується, зокрема, різноманітністю марок ПЕ, з яких виготовляються труби. Так, останнім часом українські виробники труб користуються сировиною багатьох виробників з Європи, Південно-Східної Азії та РФ. Крім того, змонтовані за останні 35 років трубопроводи зі старих марок ПЕ також доводиться зварювати при підключенні відгалужень і ремонті. Різноманітність реологічних властивостей зварювальних матеріалів враховується в ISO 21307: 2011, що надає кваліфікованим зварникам можливості для широкого маневру у сфері оптимізації зварювання.

Три процедури та основні параметри зварювання

У процесі зварювання попередньо підготовлені заготовки притискаються до нагрітого інструмента, а потім, після досягнення необхідної глибини проплавлення матеріалу торців, нагрівник видаляється, а заготовки з'єднуються та охолоджуються під тиском.

Основними параметрами зварювання є: Тн – температура нагрівального інструмента, Р – тиск у площині з'єднання, який нормується для кожної стадії зварювання, і τ – тривалість кожної стадії зварювання. Значення основних параметрів, що рекомендується різними міжнародними та національними нормами, можуть відрізнятися, відображаючи різноманітність національних традицій зварювання, які багато в чому (але не тільки) зумовлені погодно-кліматичними умовами зварювальних робіт у різних країнах.

У процесі зварювання Тн повинна бути практично постійна. Цей результат досягається вибором достатньої потужності тепловиділяючих елементів, а також використанням адекватних систем терморегулювання, відповідних, наприклад, до ISO 12176-1: 2006 "Plastics pipes and fittings - Equipment for fusion jointing polyethylene systems - Part 1: Butt fusion. Раніше різні норми рекомендували апріорно коригувати Тн, враховуючи температуру навколишнього середовища та товщину заготовок, що зварюються. В даний час чимало технологів схиляються до постійної температури (220 ° С), рекомендованої німецькими DVS. При цьому міжнародний стандарт (ISO 21305: 2011) та інші національні норми допускають широкі інтервали варіювання Тн.

Зусилля стиснення заготовок у процесі зварювання змінюється наступним чином. На першій стадії оплавлення, яку ще називають вирівнюванням, у площині зварювання підтримується значний тиск Р1, необхідний для досягнення щільного контакту торця заготовки з поверхнею нагрівника.

Величина Р1 не надто важлива для якості зварювання, але зазвичай рекомендується створювати тиск близько 0,15 МПа, 0,17 МПа чи близько 0,5 МПа (при зварюванні за американською технологією високого тиску). Завершується перша стадія оплавлення після появи первинного валика розплаву по всьому периметру торця заготовки. Тривалість вирівнювання позначимо τ1.

На другій стадії оплавлення, званої такж прогрівом, протягом часу τ2 підтримується порівняно низький тиск Р2, необхідний для гарантованого постійного контакту торця заготовки і нагрівника. Нормативні значення τ2 залежать від товщини зварювальних заготовок.

Відносно апріорних значень Р2 у нормах можна виявити значні відмінності. Обговорення нормативних значень Р2 виходить далеко за рамки даної статті, зазначимо лише, що надлишковий тиск Р2 збільшує радіальні зварювальні напруження, а недостатній – часто є причиною непроварів і несплавляння.

Відмінною особливістю американської процедури є контроль розмірів валика розплаву в кінці стадії прогріву. За цією процедурою прогрів торців заготовок завершується тільки після отримання валика потрібного розміру.

Після закінчення часу τ2 зусилля стиснення і, відповідно, тиск у площині з'єднання знижується, заготовки відривають від нагрівника і витягають нагрівач. Потім оплавлені заготовки з'єднують (осадка стику), плавно підвищуючи тиск у площині зварювання до рівня Р3, який зазвичай дорівнює 0,15 або 0,17 МПа. Американська процедура зварювання, передбачає втричі більші величини Р3, а англійський варіант – зниження тиску після осідання стику. Причому кожен варіант процедури зварювання має свої переваги, недоліки та хороші «послужні списки».

У практиці оптимізації зварювання ПЕ труб у різних умовах нам вдавалося досягти поліпшення якості зварювання, підібравши ту чи іншу процедуру.

Тривалість вилучення нагрівника називають технологічної паузою (τтп). Час підйому тиску (τпт) і час охолодження під тиском (τ3) також нормуються залежно від товщини стінки.

Згідно з американськими принципам тривалість охолодження під тиском пов'язують з величиною тиску: чим вище тиск охолодження, тим менше обсяг розплаву, і час охолодження можна скоротити приблизно в 2,5 рази. За цю можливість доводиться розплачуватися металлоемкістю зварювальних машин високого тиску (фото 1).

Деякі традиційні уявлення про роль реології поліетилену при зварюванні

Якість зварювання визначається теплофізичними, хімічними, а також реологічними процесами, що протікають в області зварного з'єднання. Кінетичні закономірності цих процесів та їх кінцеві результати, природно, залежать від основних параметрів зварювання, з одного боку, і властивостей поліетилену – з іншого.

У виробничій практиці для оцінки реологічних властивостей поліетиленів зазвичай використовують показник текучості розплаву (ПТР) , величина якого обернено пропорційна в'язкості розплаву.

ПТР використовують в якості змінного фактора для отримання графічних залежностей величини переміщення заготовок у процесі оплавлення та швидкості оплавлення [1]. Отримано також аналітичні залежності товщини розплавленого шару та швидкості переміщення деталі при оплавленні від в'язкості розплаву полімеру на кордоні полімер–нагрівник [1, 2]. Прийнято вважати, що чим менше в'язкість матеріалу, тим легше він зварюється.

При цьому слід мати на увазі, що в'язкість визначається макромолекулярною структурою поліетилену, яку цілеспрямовано створюють матеріалознавці, гармонійно поєднуючи вимоги надійності виробів і показники перероблюваності.

В'язкість розплаву залежить також від його температури за експоненціальним законом, близьким до рівняння Арреніуса


де А – константа, Еа – енергія активації, R – газова постійна, Т –температура, К.

Збільшення температури розплаву з метою зниження в'язкості обмежується неприпустимою термоокислювальною деструкцією.

Швидкість переміщення заготовок при осадці стику обернено пропорційна середньої в'язкості розплаву [1]. Відомо, що форма грата, який утворюється після осадки (важливий показник якості зварювання), дуже чутлива до реологічних властивостей розплаву, зокрема до в'язкості, що оцінюється за ПТР [2].

Аналізуючи роль в'язкості при осіданні, К.І. Зайцев [2] наголошує на необхідності оптимізації основних параметрів зварювання з урахуванням в'язкості та розвиває реологічну концепцію механізму утворення зварних з'єднань, викладену раніше в роботах Н. Потенте та К. Зєєва.

Вплив товщини сучасних труб з новітніх марок ПЕ 100 на розміри зварювального грата описано, зокрема, в [3,4]. Довірчі інтервали варіювання розмірів грата, наведені в [3,4], можуть бути використані при формулюванні параметрів оптимізації зварювання встик.

Вимоги норм до в'язкості поліетиленів

Численні сучасні екструзійні марки поліетиленів мають різні нормативні показники плинності розплавів.

Так, наприклад ДСТУ на напірні поліетиленові труби та труби для газопроводів [5, 6] допускають при виробництві труб застосування поліетиленів з широким діапазоном варіювання ПТР (табл. 1).
 
Таблиця 1. Допустимий нормами діапазон варіювання ПТР (г/10 хв.) поліетиленів різних типів



Таким чином, навіть заварюючи деталі з поліетилену одного типу, не можна розраховувати на однакову в'язкість розплаву.

Розвиток уявлень про реологію розплавів поліетиленів

Тут доречно згадати, що ПТР і в'язкість слід вважати реологічними оцінками першого наближення.

Відомо, що в'язкість полімерів на відміну від низькомолекулярних речовин залежить від швидкості зсуву [7]. Падіння η зі збільшенням швидкості зсуву залежить від макромолекулярних характеристик розплаву (середньої молекулярної маси, молекулярно-масового розподілу та розгалуженості) [8]. Екструзійні марки поліетилену відрізняються високою середньою молекулярною масою та дуже широким розподілом. При синтезі та в результаті термоокислювальної деструкції при компаундуванні та екструзії, а також безпосередньо під час зварювання товстостінних труб у поліетилені високої густини (ПЕВГ) утворюються розгалужені і зшиті структури [9]. У результаті макромолекулярних реакцій змінюються структура ПЕВГ і, відповідно, динаміка реологічних процесів, що відбуваються при зварюванні.

Таким чином ПТР або в'язкість розплаву, виміряні при єдиній швидкості зсуву та постійній температурі, корисні для практики. Проте ці показники не можуть повною мірою характеризувати поведінку реології поліетилену при зварюванні. Більш повна характеризація особливостей структури ПЕ виконується на основі кривих течії, знятих у широкому діапазоні швидкостей зсуву і релаксаційних даних (спектри РДР) [9,10].


Оптимізація основних параметрів зварювання

У практиці зварювальних робіт проблема невизначеності реологічних характеристик розплаву поліетилену повинна вирішуватися дослідним шляхом комплексного коригування основних параметрів у процесі зварювання пробних стиків. Налагодження технології зварювання повинно виконуватися до початку основних зварювальних робіт силами кваліфікованих зварників із залученням спеціально підготовлених контролерів випробувальної лабораторії.

Зварювання треба проводити в умовах, подібних до умов основних зварювальних робіт. Слід використовувати машини, що забезпечують суворе виконання технології зварювання – підтримку заданих основних і допоміжних параметрів зварювання на обраному рівні. Автоматизація основних етапів зварювання не повинна перешкоджати оптимізації основних параметрів з урахуванням варіації властивостей матеріалу труб і деталей, а також погодно-кліматичних умов зварювання.

Методи контролю якості зварних з'єднань поділяються на обов'язкові (основні), що проводяться лабораторіями будівельних організацій, і спеціальні, які рекомендуються до використання спеціалізованими випробувальними центрами (в разі необхідності підтвердження результатів обов'язкових методів для обґрунтування спеціальних технологічних прийомів, особливих технологічних параметрів для зварювання в несприятливих умовах, а також інших цілей).

Пробні стики перш за все повинні відповідати нормам за показниками зовнішнього вигляду та геометричних розмірів грата, які таким чином є першою групою параметрів оптимізації технології. Ці показники є непрямою, але практичною оцінкою реологічних властивостей розплаву полімеру безпосередньо під час зварювання.

Дефекти зварних з'єднань поділяються на зовнішні (визначаються при обов'язкових зовнішніх огляді та обмірі), а також внутрішні макро- і мікродефекти. Внутрішні дефекти виявляють після препарування з'єднань, в результаті аналізу комплексу результатів обов'язкових і спеціальних випробувань.

Якісні пробні зварні з'єднання повинні витримувати випробування на розтягнення з позитивними результатами. Випробування проводять на зразках труб зі звареним швом посередині за методиками, що затверджені в специфікаціях, узгоджених між замовником і підрядником. У частині техніки та технології проведення випробувань корисно спиратися на ГОСТ 11262-80, а також на DVS 2203-1. На жаль, останній документ містить не зовсім вдалі спроби ревізії вихідних рекомендацій DVS. При випробуваннях на осьовий розтяг зразків із з'єднань поліетиленових труб, виконаних зварюванням НІ встик, виявляється характер руйнування. Ознака позитивних результатів випробувань – пластичний характер руйнування по шву чи основного матеріалу. Ознака негативних результатів – руйнування «крихкого» характеру з гладкою поверхнею по площині зварювання. Разом з тим на стадії оптимізації корисно отримувати кількісні оцінки пружно-деформаційних показників, що характеризують роботу руйнування.

У разі негативних результатів контролю пробних стиків слід продовжити пошук оптимальних поєднань параметрів зварювання, варіюючи параметри в межах допустимих норм. Якщо підібрані параметри зварювання виявилися за межами норм, то для їх обґрунтування необхідно застосовувати спеціальні методи, такі як оцінка показників тривалої міцності при осьовому розтягу. Доречно зазначити, що результати випробувань труб зі звареним з'єднанням встик внутрішнім гідростатичним тиском марні, оскільки при цьому виді випробувань осьові напруги, що руйнують стик, вдвічі менше тангенціальних напружень, що руйнують трубу вздовж утворюючей.

Зазначимо, що, незважаючи на виконані протягом останніх десятиліть численні дослідження, ультразвуковий контроль і хвильові методи дослідження не отримали теоретичного обґрунтування і практичного підтвердження своєї ефективності в частині контролю зварювання ПЕ встик. Вони не рекомендуються міжнародним стандартом ISO 21307.

Процедура оптимізації технології зварювання не викликає особливих проблем при зварюванні труб невеликих діаметрів, вимагаючи, втім, належної кваліфікації персоналу.

Матеріальні витрати при пробному зварюванні товстостінних труб великих і супервеликих діаметрів (у світовій практиці виробляються монолітні труби до Ø 2400 мм) виявляються настільки значними, що для прискорення пошуку оптимальних режимів зварювання нами практикується отримання апріорної інформації про особливості структури матеріалу труби за спеціальними реологічними методиками, описаними в [9,10].

У глобальній практиці оптимізації зварювання труб великих і супервеликих діаметрів прийнято залучати до оптимізації зварювання найбільш авторитетних експертів (фото 2).

Після зварювання пробних з'єднань і візуально-вимірювального контролю грата пробні стики вирізаються для проведення механічних випробувань (фото 3). Стики, що витримали випробування, можуть використовуватися в якості еталонних зразків зовнішнього вигляду при контролі рутинних зварювальних робіт на об'єктах будівництва.

Висновок

Оптимізація технології контактного зварювання ПЕ труб встик включає отримання апріорних даних про властивості матеріалу труб і умови зварювання, а також технологічні експерименти в умовах, наближених до реальних.

У результаті оптимізації технології зварювання отримують з'єднання, що не поступаються надійністю трубам і забезпечують належну довговічність поліетиленовим трубопроводах будь-якого призначення.

Автор: В.І. Кімельблат, д.т.н., професор, КНІТУ

Література
1. Сварка полимерных материалов: Справочник/К.И.Зайцев, Л.Н. Мацюк, А.В. Богдашевский и др ; под общ. ред. К.И.Зайцева, Л.Н. Мацюк. – М.: Машиностроение, 1988. – 312 с.
2. Зайцев К.И. Сварка пластмасс при сооружении объектов нефтяной и газовой промышленности. – М.: Недра, 1984.– 224 с.
3. Кiмельблат В.I., Прокоп'єв М.В., Волков І.В. Параметри вимірювального контролю зварювання встик поліетиленових труб малих діаметрів. – Полімернi труби – Україна, № 3 (36), 2015. – С. 30-33.
4 Кiмельблат В.I., Прокоп'єв М.В., Волков І.В. Параметри вимірювального контролю зварювання встик поліетиленових труб середніх та великих діаметрів. – Полімернi труби – Україна, №4 (37), 2015. – С. 18-23
5. ДСТУ Б В.2.7-151:2008 Труби поліетиленові для подачі холодної води. Технічні умови.
6. ДСТУ Б В.2.7-73-98 Труби поліетиленові для подачі горючих газів. Технічні умови.
7. Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения / Пер с англ. – С-Пб.: Профессия, 2007. – 560 с.
8. Бриедис И.П. Реология и молекулярное строение расплавов полиэтилена. 3. Релаксационные спектры и характерное время релаксации / И.П. Бриедис, Л.А. Файтельсон / Механика полимеров.–1976, №2. – C. 322-330.
9. Кимельблат В.И. Релаксационные характеристики расплавов полимеров и их связь со свойствами композиций / В.И. Кимельблат, И.В. Волков // Монография, Казан. гос. технол. ун-т. Казань, 2006. – 188 с.
10 Кiмельблат В.I., Волков I.В. Релаксацiя тиску в розплавах трубних марок ПЕВГ. – Полімернi труби – Україна, №2 (31), 2014. – С. 34-38.
 
ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА