Журнал Полимерные трубы - Производство и качество

Сравнение долгосрочных и кратковременных испытаний терморезисторной соединений в полиэтиленовых трубах

 

ВСТУПЛЕНИЕ

Превосходные технологические свойства полиэтиленовых (ПЭ) труб обеспечивают широчайшую сферу их применения. Однако наличие в трубопроводной системе терморезисторных (ТР) соединений может влиять на ее структурную целостность в целом. Поэтому, для  оценки механических свойств сварных соединений полимерных труб необходима надежная стандартная испытательная процедура. В настоящее время существует несколько различных методов механических испытаний для определения целостности ТР соединений в ПЭ трубах. Эти испытания выполняются как на образцах, вырезанных из сварного соединения, так и на всем сварном соединении, и могут быть кратковременными или долгосрочными. Для  контроля качества предпочтительны кратковременные испытания: они не требуют больших затрат, а результат получается достаточно быстро. Поскольку качество сварки может проявиться через длительное время, то очень важно, чтобы результаты этих испытаний коррелировали с теми, которые получены в долгосрочных испытаниях. В настоящее время исследований по получению достоверных данных при сопоставлении результатов кратковременных и долгосрочных испытаний проведено недостаточно.

ИСХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для экспериментов были взяты полиэтиленовые трубы диаметром 125 мм SDR 11 из голубого ПЭ 100 и ПЭ соединительные детали черного цвета (все фитинги одной и той же марки). Параметры сварки соответствовали рекомендованным производителем величинам, поверхность труб была подготовлена с использованием механических скреперов.

Для того, чтобы получить соединения с различным качеством сварки, наряду со стандартизированной сваркой, выполненной согласно WIS 4-32-08 [1], были  проведены сварки с наличием одного из четырех типов нарушений: загрязнение тальком, загрязнение песком, холодная сварка и сварка при незачищенной трубе.

Загрязнение наносилось на  зачищенную поверхность трубы с помощью резинового валика: тальк (Westmin D100) с размером частиц 22 мкм или песок (натуральный, неизмельченный кварцевый песок по BS 1881-131: 1998 [2]) с размером частиц 150 -300 мкм. Холодная сварка была выполнена с сокращением времени нагревания до 38 % от рекомендованного производителем значения.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

После остывания и кондиционирования полученных сварных соединений были выполнены следующие стандартизированные механические испытания:

  • на отдир поверхностей, согласно ISO 13954 [3];
  • на отдир, согласно BS EN 12814-4 [4];
  • на отдир при сплющивании, согласно ISO 13955 [5];
  • на растяжение при муфтовом соединении, согласно приложению C BS EN 12814-3 [6];
  • на стойкость при постоянном внутреннем давлении при 80 °С, согласно BS EN 12201-3 [7].

Процедура подготовки образцов для испытания на отдир при растяжении для муфтового соединения подробно показана на рис. 1.

 

Рис. 1.  Подготовка образца для испытаний на отдир при растяжении:

а) свариваемое ТР соединение с указанием позиций, откуда были вырезаны образцы вида «пробка»;

b) образец «пробка»;

с) стержни, закрепленные в захватах разрывной машины, приварены к образцу встык;

d) окончательный вид растянутого образца

В дополнение к вышеперечисленным были проведены  два нестандартизированных испытания. Первое – кратковременное испытание на стойкость к гидростатическому давлению для воспроизведения условий опрессовки, выполняемой после монтажа трубопровода. На сваренный образец длинной 900 мм воздействуют постоянным внутренним давлением при комнатной температуре с начальным давлением в 10 атм., давления в образце регистрируется в течение 1 ч. Затем сравнивается  падение давления относительно давления в контрольном образце, состоящем из трубы длиной  900 мм  с ТР муфтой по середине, сваренном без нарушений.

alt

 


Рис. 2.  Схема установки для испытания на отдир при растяжении

Второе испытание – проверка на отдир при растяжении (рис. 2). Оно заключается в воздействии на весь сваренный образец трубы постоянным растягивающим давлением 5,5 МПа, приложенным вдоль оси трубы, в водной среде при 80 °С.  Растягивающее усилие было приложено к образцу при помощи стального нержавеющего стержня, проходящего внутри трубы. Верхняя часть стержня была закреплена на штоке гидравлического домкрата, нижняя – присоединена к пластине с отверстием для заполнения внутренней части трубы водой при погружении в ванну.

Испытание по ISO на отдир поверхностей

Результаты испытания на отдир поверхностей приведены в табл. 1.

 

Таблица 1.   Результаты испытания по ISO на отдир поверхностей


Из данных таблицы видно, что это испытание может выделить только сварку, выполненную при наличии талькового загрязнения, которая не удалась в основном из-за загрязненности свариваемых поверхностей мелкими частицами (рис. 3). Остальные образцы разрушились или из-за отслоения материала фитинга от нагревательной проволоки (рис. 4)  или из-за трещины поверхности трубы (рис. 5).

Испытание по EN на отдир

Рассмотрим результаты испытания по ЕN 12814 на отдир (табл. 2).

Таблица 2.   Результаты испытаний по EN на отдир


Аналогично испытанию по ISO на отдир поверхностей, испытание по  ЕN также выделило только сварку, проведенную при наличии загрязнения тальком. (см. рис. 3).

Испытание на отрыв при сплющивании

Результаты испытания на отрыв (табл. 3) показывают, что в этом случае можно выделить отличие только между сваркой, произведенной при наличии загрязнения тальком (рис. 6), и сваркой, выполненной без нарушений.

Таблица 3. Результаты испытания на отрыв


Испытание на растяжение

При проведении испытания на растяжение в более чем 90 % образцов наблюдалось наличие кольцевых пустот на внутренней поверхности соединительных деталей (между нагревательной проволокой) (рис. 7). Не смотря на то, что на эти пустоты приходился небольшой процент всей свариваемой области, они занимали значительную часть площади поверхности испытуемого образца. Это привело к увеличению эффективного напряжения, приложенного к сваренному участку образца и, как результат, к разрушению образца по поверхности нагревательной проволоки пластины независимо от наличия загрязнения и его типа (рис. 8). Поэтому была проведена дополнительная серия испытаний с использованием фитингов (различных производителей), не имевших пустот (табл. 4).

 

 

 

Таблица 4.  Результаты испытания образцов на растяжение


Из данных таблицы видно, что при сварке без нарушений, сварке с песчаным загрязнением и сварке при незачищенной трубе образцы разрушались по поверхности нагревательной проволоки (рис. 9). Даже не смотря на то, что среднее время до разрушения этих образцов различно, полученный брак нельзя объяснить наличием нарушений при сварке, так как разрушения происходили не по свариваемой поверхности.  Два из шести образцов  загрязненных тальком разрушились по свариваемой поверхности (рис.10), один образец – частично на свариваемой поверхности, а частично – на поверхности нагревательной проволоки (рис.11), три образца – по поверхности нагревательной проволоки. Среднее время до разрушения для этих образцов было меньше, чем для образцов при сварке без нарушений.


При холодной сварке два образца показали смешанное разрушение, остальные – разрушение по поверхности нагревательной проволоки. Среднее время до разрушения образцов при холодной сварке было очень близко к средним величинам сварки без нарушений.

Испытание на стойкость к постоянному внутреннему давлению при 80 °С



 

Из данных таблицы видно, что гидростатические испытания на стойкость к постоянному внутреннему давлению при 80 °С (табл. 5)  не позволяют выделить отличий между стандартизированной сваркой  и сварку, проведенную с каким-либо из четырех намеренно заданных выполненных нарушений.

Фактически появление и распространение трещин во всех случаях было схожим из-за концентрации напряжения на внутреннем краю холодной зоны и сопротивления медленному распространению трещин в материале муфты. Пример разрушения при таком испытании показан на рис. 12.

Кратковременное испытание гидростатическим давлением

Результаты кратковременного испытания гидростатическим давлением приведены в табл. 6.

Во время кратковременного испытания гидростатическим давлением ни одно из сварных соединений не протекало. Падения давления, зарегистрированные для всех образцов, были очень сходными, т.е. этим испытанием также невозможно выделить отличие между сваркой с нарушениями и качественной сваркой.  

Испытание всей трубы на растяжение

Анализ результатов испытания всей трубы на растяжение (табл. 7) показывает, что и этот вид испытания не может выделить отличия между сваркой, выполненной с нарушениями, и качественной сваркой. Образование и распространение трещин происходило вследствие концентрации напряжения на внешнем краю холодной зоны,  а также по стенке трубы для всех испытуемых образцов. Пример разрушения соединения показан на рис. 13.


 

Рис. 13. Разрушение образца при испытании всей трубы на появление трещин при растяжении

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Проведенные исследования показывают, что большая часть нарушений при сварке, рассмотренных в этой работе, не могут быть выявленными ни кратковременными, ни долгосрочными испытаниями ТР соединений. Только кратковременные испытания однозначно позволили выделить сварку с загрязнение свариваемой поверхности. По результатам  же долговременных испытаний никакие нарушения при сварке не оказали влияния на состояние всей трубы

Это хорошая корреляция кратковременных испытаний образца с долгосрочными, в воспроизводимости не только хрупкого разрушения сварного соединения с тальковым загрязнением, но и разрушений по поверхности нагревательной проволоки или по материалу стенки трубы для других видов намеренно заданных нарушений. Однако, результаты кратковременных испытаний не совпадают с результатами долгосрочных для всей трубы, при которых независимо от качества сварки возникают трещины в стенке трубы или соединении. Результаты  испытания образца растяжением могут иногда отличаться для сварки, проведенной с загрязнением  тальком, и для холодной сварки.

Возможная причина отличия разрушений при испытаниях образца и испытаниях всей трубы - различное распределение напряжений в этих испытаниях. При испытании в образце возникает большее напряжение, а также действует большее напряжение при испытании на отдир и отрыв, приложенное перпендикулярно к свариваемым поверхностям. Если прочность сварного соединения меньше, чем у соединяемого материала (трубы или фитинга), то, принимая во внимание уменьшение площади поперечного сечения из-за нагревательной проволоки, эти образцы разрушатся по сварному соединению. При испытании всей трубы возникают большие сдвиговые и кольцевые напряжения, а потому на сварном соединении, даже если его прочность меньше, чем у материала трубы/муфты, напряжения в стенке трубы/муфты будут больше, а потому образец разрушится не по месту сварки.

При нормальных условиях эксплуатации сварные соединения будут подвергаться напряжениям более близким к тем, которые наблюдаются при испытании всей трубы. Это предполагает, что нарушения при сварке окажут меньшее влияние на целостность сварного соединения, чем они же при испытаниях образца соединения.     

Чтобы объяснить отличие разрушения при испытании на растяжение всей трубы от разрушения при испытании гидростатическим давлением, было выполнено моделирование по методу конечных элементов. На рис. 14 показано сравнение полей напряжений в этих двух испытаниях. Область максимального напряжения при испытании трубы на растяжение находится на внешнем краю холодной зоны, что объясняет, почему образец постоянно разрушается  в этом месте. При испытании гидростатическим давлением подобная модель показывает, что область максимального напряжения в соединении находится на внутреннем краю холодной зоны, что опять-таки совпадает с экспериментальными наблюдениями.


 

Рис. 14.  Моделирование по методу конечных элементов распределения напряжения:

а - испытание всей трубы на растяжение; b - испытание гидростатическим давлением

 

ВЫВОДЫ

Учитывая относительно небольшое количество образцов при проведении каждого метода испытаний, авторы этой статьи делают следующие выводы:

· ТР соединения ПЭ труб достаточно стойки к загрязнению свариваемых поверхностей и нарушениям при сварке;

· загрязнение тальком (и любым другим загрязнителем с подобной дисперсностью) может быть обнаружено при испытаниях образцов, вырезанных из сварных соединений, но не во время испытаний всей трубы;

· моделирование по методу конечных элементов может быть использовано для прогнозирования места образования и направления распространения трещин при испытаниях всей трубы на растяжение и на стойкость к постоянному внутреннему давлению.

 

Внимание! Данная статья ни в коем случае не утверждает того, что процедуры, которые выполняются при подготовке и проведении терморезисторной сварки (очистка труб от загрязнений, зачистка оксидного слоя и т.д.) не нужны. Сварные соединения, использовавшиеся в приведенных исследованиях, были выполнены и испытаны в лаборатории при идеальных, стабильных условиях. Использованные трубы с момента производства хранились под навесом (не подвергались воздействию прямого солнечного света) и были сварены в течение пяти месяцев после их выпуска. Таким образом, разница между зачищенной и незачищенной поверхностью пластиковой трубы была не столь существенной.

Авторы: Майк Троутон, Крис Браун TWI Ltd