Анализ качества терморезисторной сварки при аттестации сварщиков пластмасс (европейский опыт))

Журнал Полимерные трубы - Производство и качество

Анализ качества терморезисторной сварки при аттестации сварщиков пластмасс (европейский опыт))

ВСТУПЛЕНИЕ

Обязательная аттестация сварщиков полимерных труб проводится в Бельгии с 1997 года. Параллельно, газовые компании Бельгии  осуществляют свой контроль согласно ISO 12176-4: «Трубы и фитинги пластмассовые. Оборудование для сварки полиэтиленовых труб. Часть 4. Маркировка. Клеймение».

Оба проекта стали важными инструментами в оценке работы сварщиков пластмасс и безопасности газовых сетей.

Три учебных центра:  во Фландрии, в Брюсселе и  в Валлонской области, обеспечивают подготовку до 3000 сварщиков в год.

ПОДГОТОВКА СВАРЩИКОВ

Учебный курс рассчитан на четыре дня. В каждой группе может обучаться  до 25 человек. Во время учебы сварщики  изучают теорию и практику терморезисторной и стыковой сварки.

В процессе теоретических занятий рассматриваются и иллюстрируются основные качества и характеристики полиэтилена.

При освоении  терморезисторной сварки  (муфты, седловые отводы) преподаватель демонстрирует различные методы и нюансы процесса сварки. В процессе практических занятий сварщики получают необходимые навыки, работая с  трубами ø110 мм.

Кроме того, сварщики должны подготовить и сварить трехмерную конструкцию из труб и фитингов ø 110.  Это относится как к терморезисторной, так и к стыковой сварке (рис. 1, 2).

Большое внимание уделяется технике безопасности сварки. Специальные лекции посвящены разъяснению как работать со сварочными аппаратами до, во время и после монтажа.

По окончании учебного курса сварщики сдают два экзамена.

Первый экзамен представляет собой тест. Проверяется теоретическое знание терморезисторной и стыковой сварки.  Чтобы сдать экзамен необходимо набрать минимум 70 % правильных ответов. При отрицательном результате назначается пересдача экзамена.

Второй экзамен – практический.  Сварщик должен качественно сварить по одному стыковому и терморезисторному  узлу ø 110. Если сварщик не справляется с практическим заданием, ему предоставляется возможность пройти переэкзаменовку.  

На этом работа учебного центра заканчивается и начинается аттестация аккредитованной испытательной лабораторией.

Трехмерная установка для терморезисторной сварки

 


Рис. 1. Трехмерная установка для терморезисторной сварки

 


 

Трехмерная установка для стыковой сварки (габариты установки: 2,5 м x 0,8 м)

 

Рис. 2. Трехмерная установка для стыковой сварки (габариты установки: 2,5 м x 0,8 м)

ИСПЫТАНИЯ АККРЕДИТОВАННОЙ ЛАБОРАТОРИЕЙ

Контрольные образцы учебных центров Фландрии и Брюсселя аттестуются в лаборатории BECETEL. Образцы из валлонского центра тестируются в исследовательском центре CRIF.  

Контрольные образцы оцениваются в соответствии с ISO 13953: «Трубы и фитинги полиэтиленовые. Определение предела прочности на растяжение и вид разрушения испытательных образцов, отобранных из соединения, сваренного встык» (для образцов стыковой сварки)  или в соответствии с  ISO 13954: «Пластмассовые трубы и фитинги. Испытание на отдир полиэтиленовых (ПЭ) терморезисторых узлов с номинальным наружным диаметром, большим или равным 90 мм» (для образцов терморезисторной сварки) (рис. 3, 4).  

Испытание для стыковой сварки считается удовлетворительным, если характер разрушения пластический, в то время как испытание для терморезисторной считается пройденным, если поверхность излома содержит £ 25% хрупкого разрушения.  

С 1997 года BECETEL ведет систематический анализ количества  разрушений образцов, предоставляемых учебными центрами. Систематические научные наблюдения показали, что  хрупкое разрушение преобладает в процессе испытаний образцов терморезисторной сварки перед образцами стыковой сварки.

Установка для испытания на отдир полиэтиленовых терморезисторных узлов

 

Рис. 3. Установка для испытания на отдир полиэтиленовых терморезисторных узлов:

1 – натяжная цепь или стальной трос (минимальная длина 300 мм);

2 – сцепная серьга;

3 – разрывная испытательная машина

 

Испытательный образец для испытания на отдир

 

Рис. 4. Испытательный образец для испытания на отдир

 

Каковы причины этих явлений?

Стыковая сварка. Стыковая сварка выполняются автоматическими или полуавтоматическими аппаратами, при этом влияние сварщика при снятии оксидного слоя, зачистке и позиционировании трубы минимально. Процент разрушений образцов ежегодно (на около 600 образцов) составляет менее 0,5 %. Разрушения образцов  происходят в основном  вследствие несоосности труб при сварке и загрязнения свариваемых поверхностей (контакт со смазкой, несоответствующая очистка свариваемой поверхности).

Терморезисторная сварка. В какой мере качество сварки зависит от степени квалификации сварщика? Влияет ли качество терморезистроной муфты на охрупчивание во время испытания на отдир? Что является причиной высокого процента разрушений образцов во время испытания на отдир?

Статистика показала, что сварщики из коммунальных служб, а особенно из газовых компаний, владеют техникой сварки значительно лучше, чем сварщики строительных компаний, в особенности, частных. Это обусловлено отношением к обучению и ответственностью первых.

Также статистика демонстрирует, что процент хрупкого разрушения при испытаниях практически одинаков для всех учебных центров.

В учебных центрах используются муфты трех марок: GF+, Frialen и Geco.

Анализ показал, что процент хрупкого разрушения каждой марки испытанной терморезисторной муфты одинаков. Это говорит о том, что причиной высокого процента хрупкого разрушения образцов во время испытания на отдир является не качество муфты, а именно процедура сварки и/или работа сварщика.  Для этого была проанализирована такая процедура подготовки терморезисторного образца (при сварке муфт, седловых отводов и т.д.), как глубина и равномерность снятия оксидного слоя, зачистка и т.д. Кроме того, была тщательным образом изучена поверхность хрупких разрушений, например, с помощью микроскопа или инфракрасного анализа. 

Отметим, что в большинстве случаев целостность этих узлов не подвергается сильному сомнению, так как во время испытания на стойкость при постоянном внутреннем давлении при температуре 80 °С, начальном напряжении 5 МПа в течение 1000 часов на муфтах из РЕ 100 разрушения не наблюдались. Только в некоторых случаях в процессе испытаний под давлением было обнаружено несколько течей муфты в зоне плавления.

Кроме того, максимально допустимый критерий "£ 25% хрупкого разрушения поверхности излома" является надежным инструментом, и имеет достаточный    уровень достоверности. Кроме того, испытательный образец (см. рис. 1) располагается перпендикулярно к оси трубы, а на практике такая конфигурация не встречается. В эксплуатационных условиях происходит только изгибание и растяжение, что является менее серьезным фактором, нежели отдир.

Тем не менее, испытание на отдир является хорошим механизмом оценки мастерства сварщиков и проверки правильности процедуры сварки (см. рис. 5-10, образцы с вязкими и хрупкими разрушениями поверхностей).  

Практический экзамен сварщика заключается в выполнения сварочного узла, одна сторона которого обрабатывается с помощью ручного скребка, а другая – с помощью вращающейся цикли. В большинстве случаев (60 %), когда образцы не были приняты, процент излома с хрупким разрушением колебался в пределах от 33  до 50 %. В 25 % случаев процент хрупкого разрушения колебался от 50  до 80 %. В меньшем количестве случаев (15 %) во время испытания на отдир было отмечено полное хрупкий разрушение.

 

рис.5-10

Из 2203 образцов терморезисторной сварки, которые тестировались, было выявлено  650 образцов, содержащих хрупкие разрушения, (что соответствует уровню разрушения образцов 26,6 %).

Главными причинами хрупких разрушений были определены:

● для муфт, которые сваривались с помощью ручного скребка (576 хрупких разрушений):

– недостаточное снятие оксидного слоя: от 0,05 мм до 0,010 мм;

– неравномерные снятие оксидного слоя: глубина зачистки колеблется от 0 мм до 0,07 мм (рис. 11);

– плохая зачистка перед сваркой (наличие жира (кожного) от рук и пр.)

– избыточная глубина снятия оксидного слоя (рис. 12);

● для муфт, которые сваривались с помощью вращающейся цикли (74 хрупких разрушения):

– плохая зачистка перед сваркой (наличие жира от рук и пр.)

– избыточная глубина снятия оксидного слоя трубы.

К второстепенным причинам хрупких разрушений можно отнести:

– плохое закрепление труб/оборудования;

– наличие обезжиривателя, который не испарился на момент сварки с поверхности трубы или фитинга (рис. 13);

– неисправность сварочного аппарата;

– прерывание цикла сварки оператором.

 

рис. 9-13

 

Кроме того, инфракрасный анализ поверхностей с хрупкими разрушениями показал во многих случаях наличие гидроксильных групп (–OH) и  углеродных альдегидов (–С=О) (рис. 14).  Это связано с окислением поверхности и, возможно, с остаточным  загрязнением жиром (жирные руки, пот).

Обычно поверхность PE трубы после снятия оксидного слоя очищается с помощью спирта или подобного вещества. Более эффективные чистящие средства, такие, как МЕК (метилэтилкетон), запрещены медиками, так как могут повредить здоровью человека.

 ИК-тесты поверхности

 


Рис. 14. ИК-тесты поверхности

А – неочищенная снятием оксидного слоя поверхность трубы

В – хрупкая поверхность трубы после испытания на отдир

При многократном  использовании протирочных тканей на них остаются кожный жир и/или другие жиры, т.е. применение  таких тканей только загрязняет поверхность PE трубы, чем очищает ее. Жирный налет остается на поверхности и становится причиной хрупкого разрушения во время испытания на отдир.

В последнее время учебные центры рекомендовали новые правила относительно очистки. Процедура очистки повторяется 5 раз с помощью 5 разных новых видов тканей. Из 758 испытанных сваренных терморезисторной сваркой узлов 80 имели хрупкое разрушение, что соответствует уровню в 10,6 % по сравнению с 26,6 %. Это значительно лучший результат, но будет ли это выполняться в эксплуатационных условиях?

В некоторых случаях, особенно, если поверхность очищена неравномерно, между поверхностью трубы и фитингом может остаться воздушный зазор. При нагревании электрических проводов до 300–400 °С могут протекать сложные химические реакции, которые окисляют поверхность трубы [антиоксиданты поглощаются, порог стойкости к кислороду (OIT) полиэтиленовых труб при 400 °С составляет только 0,4 мин (рис. 15)] с образованием гидроксидов, углеродных альдегидов и т.д. (см. рис. 14). Поскольку во время сварки полиэтиленовая труба плавится, образовывающийся оксид, может легко попасть в PE (все кристаллиты расплавлены) и вызвать дополнительные реакции на глубине от 10 до 20 mм (и более).

Все эти явления тем или иным образом являются причиной хрупких разрушений, которые наблюдаются во время испытания на отдир.

 

OIT для PE труб при 400 °С

 

 

таб1, 2

 

Испытания в эксплуатационных условиях

Испытания в эксплуатационных условиях в разных странах показали, что после соответствующего снятия оксидного слоя нет необходимости в процедуре очистки и обезжиривания с помощью протирки. В старых предписаниях компании "Бритиш Газ" говорится: " протирка – это яд для сварки".

Нужно заметить, что эти процедуры являются действенными, только если во время сварочного цикла поверхности не загрязнены (запрещено касаться руками). В противном случае требуется очистка.

Эти процедуры дают хотя бы (теоретически) возможность избежать систематического загрязнения поверхностей, очищая их после снятия оксидного слоя.

Лабораторные испытания

В лаборатории BECETEL были проведены несколько экспериментов, чтобы продемонстрировать зависимость качества сварки от  глубины снятия оксидного слоя, обезжиривания, применения ручных скребков (табл. 1) и вращающихся циклей (табл. 2).

Только в тех случаях, если поверхность трубы, зачищенной снятием оксидного слоя, была загрязнена вазелином или маслом, а не был использован обезжириватель, во время испытания на отдир наблюдалось хрупкое разрушение.

Если по поверхности трубы оксидный слой снят не был или был снят частично (с помощью наждачной бумаги), то в процессе испытаний наблюдалось хрупкое разрушение (табл. 3).

Таблица 3

   

таб 3

 


Если оксидный слой не был снят с поверхности трубы, независимо от  условия обезжиривания трубы и фитингов, во всех случаях наблюдался хрупкий характер разрушения (табл. 4).

Если при снятии оксидного слоя с поверхности трубы была использована наждачная бумага, но слой удален полностью, то, несмотря на обезжиривание, во всех случаях наблюдалось пластическое (вязкое) разрушение. Такие же результаты были получены после снятия оксидного слоя вручную, независимо от его глубины (нормальная или двойная 0,4 мм) (см. табл. 4)

    Таблица 4.

таб 4

 

В табл. 5 показано, что если оксидный слой был снят с  поверхности фитинга с помощью абразивной бумаги, то хрупкое разрушение наблюдалось только в тех случаях, когда поверхность трубы не подвергалась зачистке независимо от условий обезжиривания трубы.

таб 5, 6

 


Таким образом, глубина снятия оксидного слоя имеет значение только тогда, когда этот процесс не был произведен на поверхности трубы или было произведен частично, вне зависимости от условий обезжиривания трубы (табл. 6). Зоны, на которых не был снят оксидный слой, всегда демонстрируют хрупкое разрушение во время испытания на отдир.

ВЫВОДЫ

Анализ бракованных стыков, выполненных сварщиками, и дополнительные испытания, проведенные в лаборатории  BECETEL на терморезисторных муфтах, позволили сделать следующие выводы.

● Для испытательных образцов, подготовленных с помощью снятия оксидного слоя ручным скребком:

– поверхности труб, которые не имеют, имеют недостаточную или чрезмерную, по сравнению с нормальной, глубину снятия оксидного слоя, даже в обезжиренном состоянии, наблюдается хрупкое разрушение в процессе испытания на отдир;

– поверхности труб, которые не были тщательным образом очищены, демонстрируют, главным образом, хрупкое разрушение в процессе испытания на отдир. В частности появление хрупкого разрушение обусловлено наличием жира (кожного жира) на поверхности трубы

– очень важным фактором являются уровень подготовки и мотивация сварщиков .

● Для испытательных образцов, подготовленных к снятию оксидного слоя вращающейся циклей:

– поверхности трубы, которые не подверглись, подверглись недостаточно или подверглись несколько раз снятию оксидного слоя, даже в обезжиренном состоянии, демонстрируют хрупкое разрушение в процессе испытания на отдир;

– поверхности трубы, которые не были тщательным образом очищены, демонстрируют, главным образом, хрупкий разрыв в процессе испытания на отдир. В частности наличие жира (кожного жира) на поверхности трубы влечет появление хрупких разрушений.

 

Автор: Philippe Vanspeybroeck, проф., Бельгия

 

ССЫЛКИ

DVS 2207-1: "Испытание сварных соединений термопластичных листов и труб. Методы испытания - Требования - версия сентябрь 2005 г."

ISO 12176-4: «Трубы и фитинги пластмассовые. Оборудование для сварки полиэтиленовых труб. Часть 4. Маркировка.  Клеймение»

ISO 13953: «Трубы и фитинги полиэтиленовые. Определение предела прочности на растяжение и вид разрушения контрольных образцов, отобранных из соединений, сваренных встык»

ISO 13954: «Пластмассовые трубы и фитинги. Испытание на отдир полиэтиленовых (ПЭ) терморезисторных узлов с номинальным наружным диаметром, большим или равным 90 мм»

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА