РОЛЬ ТОВЩИНИ СТІНКИ ПЕ ТРУБ ПРИ ОЦІНЦІ РЕЗУЛЬТАТІВ ВИПРОБУВАНЬ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ

Журнал Полимерные трубы - Производство и качество

РОЛЬ ТОВЩИНИ СТІНКИ ПЕ ТРУБ ПРИ ОЦІНЦІ РЕЗУЛЬТАТІВ ВИПРОБУВАНЬ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ

У радянський період фахівцями провідних галузевих інститутів і академічної науки (ІЕЗ ім. Е.О. Патона) була створена необхідна науково-технічна та нормативна база в галузі технології застосування труб з ПЕНГ та ПЕВГ, зокрема ПЕ 32, ПЕ 50 та ПЕ 63. Технологія зварювання та контроль з'єднань були цілком адекватні світовій науці та практиці. Проте є деякі сумнівні розробки, що містять численні відхилення від загальновизнаних теорії та практики в частині параметрів зварювання та організації випробувань ультразвукового контролю (УЗК) [1]. УЗК, який не отримав за багато років ні теоретичного обґрунтування, ні практичної ефективності, на жаль, продовжує пропагуватися та використовуватися компіляторами при складанні нових технічних документів.

Тому високий ступінь актуальності в системі контролю зварювання незмінно належить результатам механічних випробувань зварних з'єднань.

В останні десятиліття макромолекулярний і композиційний дизайн поліетиленів трубного призначення зумовив освоєння промислового виробництва полімодальних і бімодальних ПЕ 80, бімодальних ПЕ 100, а також нестікаючих марок ПЕВГ, яким властиві підвищена стійкість до температури та покращений опір розростанню тріщин. У даний час на світовому ринку трубних марок поліетилену переважає ПЕ 100. Актуальною інновацією трубної галузі є виробництво труб великих і супервеликих діаметрів. При виробництві таких труб виникає проблема гравітаційного стікання розплаву. Для усунення стікання розплаву у виробництві надвеликих труб застосовують слабкостікаючі марки ПЕ 100.

Стрімкий прогрес у виробництві матеріалів труб і фітингів у світовій практиці визначається шляхом періодичних та систематичних науково-дослідних робіт (НДР) у галузі технології зварювання ПЕ труб. Ці роботи проводяться виробниками сировини та труб, а також об'єднаними національними структурами, зокрема під егідою DVS у Німеччині, British Gas у Великобританії та PPI у США.

З огляду на трудомісткість і матеріаломісткість НДР, необхідність застосування унікального випробувального обладнання ці дорогі дослідження проводяться в недостатньому обсязі та значно відстають від прогресу в галузі виробництва полімерних матеріалів, ПЕ труб і потреб будіндустрії. В результаті в практиці технічного нагляду за будівництвом ПЕ трубопроводів спостерігається некоректна оцінка зварювання. Одна з типових помилок – ігнорування залежності результатів випробувань на розтяг від товщини стінки труби.

НДІ ПОЛІПЛАСТИК був виконаний цикл експериментальних робіт, спрямованих на формування обґрунтованих критеріїв якості зварних з'єднань сучасних ПЕ труб. Механічні випробування проводилися під безпосереднім керівництвом О.М. Сеньківського.

Технологія зварювання

Пружно-в'язкі властивості розплавів численних градацій і марок ПЕ різних виробників мають суттєві відмінності, а зварювання встик є реологічним процесом, що природно залежить від властивостей розплавів полімерів [2]. Якість зварювання нагрітим інструментом (НІ) 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.

З огляду на цей факт фахівці зі стандартизації зварювання, багато виробників труб, фітингів і зварювальних машин пропонували оригінальні технології зварювання. Однак не узгоджені між собою технології створюють неприпустиму невизначеність у виборі технологами оптимального варіанту параметрів зварювання. Намагаючись зменшити невизначеність, Міжнародна організація по стандартизації (ISO) розробила стандарт ISO 21307 [3], який містить три процедури зварювання труб для водо- та газопостачання з варійованими основними параметрами.

Усі зразки для цієї роботи були отримані авторами зі зварних з'єднань труб НІ встик при температурі нагрівача 220 °С. Зварювання проводилося при трьох різних режимах відповідно до пропонованих ISO 21307 варіантів процедур. Перша процедура зварювання (рис. 1) проходить при «єдиному низькому тиску» р1 і р3 0,15-0,19 МПа в площині зварювання.



Процедура зварювання при «єдиному високому тиску», поширена на американському континенті, передбачає збільшення тиску р1 і р3 приблизно в три рази у порівнянні з процедурою зварювання при «єдиному низькому тиску».

Зварювання при «подвійному низькому тиску» передбачає скидання тиску після з'єднання торців труб (рис 2).

Відомі авторам експериментально обґрунтовані та добре апробовані на практиці технології зварювання містять у явному або неявному вигляді межі застосування. Так, обмеження стосуються температури навколишнього середовища (не нижче 5 °С згідно з DVS), розмірів труб, що зварюються, і зразків, які випробуються, характеристик ПЕ і т.д. При зварюванні за межами областей застосування обґрунтованих технологій слід користуватися спеціальними інструкціями (вказівками) виробників труб і/або розробників спеціальної технології.

Прийнято вважати, що найбільш обґрунтовані в науковому відношенні дані про надійність і довговічність зварних з'єднань дають тривалі випробування їх на осьовий розтяг. Однак ці випробування, за визначенням, вимагають дуже великих витрат часу, трудомісткі, непридатні для випробування з'єднань товстостінних труб і тому виконуються дуже рідко.
У міжнародній практиці контролю зварних з'єднань нагрітим інструментом встик значна увага приділяється короткочасним механічним випробуванням на осьовий розтяг, а також вигин.

Випробування зварних з'єднань на розтяг

Головною оцінкою якості зварного шва при випробуваннях на розтяг є характер руйнування. Пластичний характер руйнування свідчить про його хорошу якість, крихкий – про незадовільну. Однак оцінки результатів випробувань супертовстих труб часто викликають дискусії, оскільки якість поверхні руйнування не може бути однозначно охарактеризовано. Разом з тим при випробуваннях на розтяг можуть бути отримані також чисельні оцінки пружно-деформаційних властивостей зварного з'єднання, корисні для уточнення оцінок якості зварювання.

На практиці застосовується кілька процедур розтягу. Необхідно було порівняти ефективність різних процедур випробувань і спробувати вибрати оптимальну. У зв'язку з цим випробування на руйнування проводилися за трьома методиками, описаними у нормативних документах.

Відповідно до ГОСТ 11262-80 зі зварного з'єднання вирубувався (фрезерувався) зразок (лопатка) типу 2 (рис. 3, табл. 1). Випробування проводили при швидкості розтягування 5, 25 і 50 мм/хв.




Розглянемо приклад спільного застосування оцінки якості зварювання за характером руйнування та механічними властивостями. На рис. 4 і 5 наведені діаграми розтягування зварних з'єднань труб з ПЕ 100 Ø 900 мм з товщиною стінки 54,5-55,3 мм. На рис. 6-8 наочно видно характер руйнування зварних з'єднань при розтягуванні з різною швидкістю. Зразки були зварені в несприятливих умовах на зварювальній машині, попередньо охарактеризованій, як не жорстка. Таким чином, було отримано часткове несплавлення зварного з'єднання. Несплавлення було виявлено за характером руйнування зварного з'єднання та низькими пружно-деформаційними показниками (табл. 2).
 
Для альтернативних випробувань були фрезеровані зразки у вигляді лопаток типу В і типу С (рис. 9). Розміри наведені в табл. 3. Випробування проводили при швидкості розтягування (5 ± 1) мм/хв.

Таблиця 3. Розміри випробовуваних зразків типу В і С



Для випробувань згідно p DVS 2203-2 контрольний зразок мав форму 3 (рис. 10, табл. 4). Випробування на розрив проводили зі швидкістю розтягування 50 мм/хв. Частина зразків були ослаблені в місці зварного шва отвором діаметром 4 мм.


Рис. 10. Контрольний зразок, форма 3

Таблиця 4. Розміри контрольних зразків форми 3 для труб



Примітка. На відміну від вихідних норм випробування проводилися також для труб діаметром до 1600 мм.

З кожного зразка зварного з'єднання труб великих діаметрів вирізали по 12 зразків-лопаток – по 4 для кожного виду випробувань. З труб малих діаметрів вирізали максимально можливе число зразків трьох типів.

Статистична обробка результатів

На даному етапі, на підставі апріорної інформації та попереднього аналізу експериментальних даних, була прийнята гіпотеза про лінійну залежність пружно-деформаційних показників від товщини стінки труби. Передбачалося отримати стохастичні моделі залежності межі текучості та відносної деформації при розриві від товщини стінки труби.
Потім можна було аналізувати відхилення пружно-деформаційних показників, обумовлених якісними факторами, від даних, нормованих по товщині стінки.

Довірчі інтервали були розраховані для довірчих ймовірностей р = 0,99, 0,95, 0,9, 0,85 і 0,8. В результаті спільного аналізу даних було прийнято рішення вибрати р = 0,95, як це зазвичай робиться в практиці обробки даних технічних експериментів.

Випробування за ГОСТ 11262-80

На рис. 11 зображені результати випробувань з урахуванням деяких принципів ГОСТ 11262-80 (у частині форми зразків і випробувальних машин) і розрахунків рівняння лінійної регресії, довірчих інтервалів рівняння та всього масиву значень межі текучості (σ, МПа). Кількість зварних з'єднань n = 40.

Рівняння лінії регресії:
у = 0,056х + 23,2; R2=0,68. (1)

Рівняння кордонів довірчої області лінії регресії
у = 0,056х + 23,2 ± (-0,627 + 0,014 х - 2,2 • 10-4х2).

Рівняння кордонів довірчої області значень межі текучості
y = 0,056х + 23,2 ± (-2,03 + 0,002х - 3,9 • 10-5х2).

У розрахунках також не враховано результати зразків, що зруйнувалися по крихкому механізму.



Чорними точками на графіку позначено труби, виготовлені з поліетилену виробництва «Казаньоргсинтез», блакитними – труби з ПЕ «Нижнтокамськнеафтехім», зеленими квадратами – труби з ПЕ виробництва Sabic. Безбарвні точки – труби з ПЕ невідомого походження. Точки, позначені хрестами, відносяться до зимового циклу зварювання. Марки зварювальних машин при маркуванні точок не враховано.

Залежність відносного подовження при розриві ε від товщини стінки труби S зображена на рис. 12. Кількість зварних з'єднань - 41.

Рівняння лінії регресії:
y = -4,34x + 420; R2 = 0,78. (2)

Рівняння кордонів довірчої області лінії регресії:
y = -4,34x + 420 ± (-46,0 + 0,988 x - 1,6•10-2x2).

Рівняння кордонів довірчої області значень відносного подовження:
y = -4,34x + 420 ± (-160 + 0,187x - 3,1•10-3x2).

Результати розрахунків дали задовільне нормування ε від товщини стінки S. Відносне подовження при розриві, визначене за ГОСТ 11262-80, закономірно знижується з ростом товщини стінки, що слід враховувати при оцінці результатів випробувань зварних з'єднань.

Випробування за ГОСТ 52779

Залежність пружних властивостей (межа плинності) від товщини стінки для 34 досліджених зразків зварних з'єднань може бути апроксимована лінійною функцією з низьким коефіцієнтом кореляції:

Рівняння лінії регресії:
y = 0,032x + 22,0; R2 = 0,14. (3)

Рівняння кордонів довірчої області лінії регресії:
y = 0,032x + 22,0 ± (-1,50 + 0,032 x - 4,8•10-4x2).

Рівняння кордонів довірчої області значень межі текучості:
y = 0,032x + 22,0 ± (-4,33 + 0,006 x - 9,2•10-5x2).

У зв'язку з відсутністю робочої зони у зразка типу В і дуже короткою робочою зоною зразка типу С деформаційні властивості з'єднань при випробуванні на розтяг за ГОСТ 52779 немає сенсу нормувати по товщині стінки.

Таким чином, процедура випробувань за ГОСТ 52779 дає найменш достовірні кількісні дані про якість зварювання.

Випробування за DVS 2203

Примітка: Обмеження DVS по товщині стінки (30 мм) не враховувалися.

Випробування зразків без отворів. Кількість дослідів – 34.

Рівняння лінії регресії для межі текучості:
y = 0,053x + 25,1; R2 = 0,36. (4)

Рівняння кордонів довірчої області лінії регресії:
y = 0,053x + 25,1 ± (-1,38 + 0,029 x - 4,4•10-4x2).

Рівняння кордонів довірчої області значень границі плинності:
y = 0,053x + 25,1 ± (-3,96 + 0,006 x - 8,4•10-5x2).

Результати розрахунків показали задовільне нормування межі текучості σ від товщини стінки S.

Межа текучості, визначена за DVS 2203, закономірно збільшується з ростом товщини стінки, що слід враховувати при оцінці результатів випробувань зварних з'єднань. Темп приросту досить високий і наближається до цього показника для випробувань за ГОСТ 11262-80.

Процедура випробувань зразків з отворами, ймовірно, найжорсткіша і дозволяє виявити найбільшу кількість несплавлення у зварних з'єднаннях, але вона дає порівняно великий розкид кількісних оцінок пружно-деформаційних показників зварних з'єднань.

Таким чином, найбільш інформативні кількісні результати дають випробування зразків за процедурою, що використовує принципи ГОСТ 11262-80; при цьому слід орієнтуватися на відхилення результатів від довірчих інтервалів (рис 11, 12).
Занижені величини меж текучості та відносного подовження при розриві характерні для зразків, що демонструють крихке руйнування. Якщо якісна оцінка характеру руйнування викликає сумнів, то слід взяти до уваги кількісні результати випробувань.

Автори висловлюють глибоку подяку А.Н. Крючкову за допомогу в організації робіт.

Автори: В.І. Кімельблат, І.В. Волков, Н.В. Прокоп'єв

Література
1. Волков И.В., Кимельблат В.И. Проблемы нормативно-технической документации на контактную сварку полимерных труб втык. – Сварка и діагностика, № 1 2011, с. 58–61.
2. Волков И.В., Глухов В.В., Камалов А.Б., Кимельблат В.И. Связь показателей свариваемости ПЭ 100 и его макромолекулярной структуры. – Вестник Казанского технологического Университета. Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2010. № 10, с. 600–602.
3. 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).
ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА