Журнал Полимерные трубы - Производство и качество

ГАРМОНИЗАЦИЯ ПРОЦЕДУР СТЫКОВОЙ СВАРКИ И МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ. ОКОНЧАТЕЛЬНЫЕ ВЫВОДЫ

Преимущества и удобство сварки полиэтилена были оценены еще в самом начале внедрения полиэтиленовых трубопроводных систем. Сварка формирует равнопрочное соединение, обеспечивая трубопроводу гибкость и устойчивость к подвижкам грунта и даже землетрясениям [1]. Появление «нестекающих» марок ПЭ сделало возможным изготовление труб большого диаметра с надежно контролируемой толщиной стенок. Ассоциация ПЭ 100+ исследовала существующие процедуры сварки и методы контроля качества стыков с целью подтверждения их применимости для труб большого диаметра.

Состояние проблемы

В настоящее время существует несколько широко применяемых процедур стыковой сварки ПЭ труб, различия между которыми обусловлены, преимущественно, особенностями их развития в разных странах. Широкое внедрение ПЭ труб большого диаметра требует создания международных стандартов сварки, испытаний и контроля, включая неразрушающие методы.

Стандарт ISO 21307 [3], описывающий процедуры стыковой сварки, включает три процедуры: европейскую – при постоянном низком давлении, британскую – при переменном давлении и американскую – при постоянном высоком давлении. Между этими процедурами есть существенные различия, но каждая из них хорошо себя зарекомендовала на практике.

Процедура сварки при постоянном низком давлении предусматривает остывание труб при сохранении сварочного давления 0,15 МПа. Сварка при переменном давлении выполняется также при 0,15 МПа, но на время остывания трубы давление понижается до 0,025 МПа. Процедура высокого постоянного давления напоминает сварку при низком постоянном давлении, но сварка и остывание трубы производятся при давлении 0,517 МПа.

Методы испытаний сварных стыков гораздо более многообразны и потенциально могут больше дезориентировать, чем используемые процедуры сварки. Они описаны в ISO, в европейских, а также в многочисленных национальных и отраслевых стандартах. Кратковременные разрушающие методы включают различные испытания небольших образцов, вырезанных из зоны стыка, – на растяжение, на стойкость к удару, а также испытания трубных соединений на стойкость к внутреннему давлению и на растяжение. Долговременные испытания включают испытания на ползучесть образцов, вырезанных из стенки трубы, на растяжение после надреза при статической нагрузке (Full Notch Creep Test – FNCP) и на стойкость к внутреннему давлению.

Оценка методов испытаний

Ключевым этапом проекта Ассоциации ПЭ 100+ была оценка методов испытаний и их способности охарактеризовать кратковременные и длительные свойства сварных соединений. Некоторые из используемых в настоящее время методов непоказательны и неприменимы для всего современного диапазона толщин трубных стенок. Важной целью проекта была оценка качества стыков труб больших диаметров с разной толщиной стенки.

Труба диаметром 1200 мм SDR 17 (номинальная толщина стенки 70,6 мм), изготовленная из ПЭ 100+, была любезно предоставлена компанией Egeplast DE. Из нее компанией Reinert Ritz были выточены кольца с толщиной стенок 70,6 мм (полная толщина), 50 мм и 30 мм. Образцы для испытаний сваривались из этих колец по разным процедурам: при постоянном низком давлении (DVS 2207-1) [4], по британской процедуре при переменном низком давлении (WIS 4-32-08) [5] и по американской – при постоянном высоком давлении, описанной в ISO 21307 [3]. Кроме того, для сравнения были изготовлены образцы некачественных стыков – при пониженной температуре сварки и сокращенном времени прогрева.

Кратковременные испытания

Были выбраны метод испытания на растяжение, принятый Британским Водным хозяйством и описанный в WIS 4-32-05 [5], и немецкий промышленный метод испытания на изгиб, описанный в DVS 2203-5 [6] и EN 12814-1 [7].

Метод WIS включает измерение энергии и оценку поверхности разрушения. На рис. 1 показана исходная форма образца. Величина поглощенной энергии зависит от отношения ширины шейки к толщине стенки [8], и деление измеренной величины поглощенной энергии на величину этого отношения позволяет сравнивать данные, полученные на образцах разного размера. Для труб с большей толщиной стенки общая ширина поверхности захвата увеличивается, чтобы избежать проскальзывания. Испытание проводится при скорости деформации 5 мм/мин при 23 °С.

131_25

Испытания на изгиб проводятся как на внутренней, так и на внешней стороне стенки. Для определения начала хрупкого разрушения испытание может проводиться при пониженной температуре. Расстояние между опорами для образцов толщиной 70, 50  и 30 мм составляло соответственно 375, 260 и 160 мм, чтобы растягивающее напряжение на всех образцах было одинаковым. Испытание проводится при скорости штампа 50 мм/мин и прекращается при разрушении или достижении угла изгиба 100°. Испытания проводились при температурах 0 °С, а в некоторых случаях – для достижения или подтверждения хрупкого разрушения – при –10 °С.

Длительные испытания

При оценке длительного поведения сварных соединений в качестве основного было выбрано испытание на ползучесть при растяжении в соответствии с EN 12814-3 [9] и DVS 2203-4 [10], практикуемое в Германии и Скандинавии. Кроме того, для выявления корреляции времени разрушения образца со сроком службы трубопровода проводились испытания FNCT по ISO 16770 на образцах квадратного сечения 10 х 10 мм с надрезом, расположенным в центре зоны стыка.

Образец подвергался постоянному растягивающему напряжению 2,5 МПа при 90 °С в 2 % водном растворе смачивающего агента для ускорения разрушения – смеси анионных и катионных ПАВ, называемой NM5. Образцы вырезались таким образом, чтобы ширина образца была равна толщине стенки; грат на обеих сторонах сохранялся. Трещина обычно возникает в разрезе, который расположен между гратом и трубой, и распространяется в материал трубы (рис. 3). В случае некачественных стыков трещина часто распространяется в зону сварки [12]. При оценке качества стыка учитывается характер разрушения и время до его начала.

131_26

Рис. 3. Разрушение образца при испытаниях на ползучесть: трещина возникла в разрезе между гратом и трубой и распространилась в материал трубы

Результаты испытаний 

Результаты кратковременных испытаний всего диапазона образцов показаны в табл. 1. Данные по энергии разрушения при испытаниях по WIS усреднялись по результатам 5 или 6 испытаний. Испытания на изгиб проведены на четырех образцах с внутренним гратом и на четырех – с внешним. В обоих случаях образцы были равномерно распределены по окружности стыков. В табл. 2 приведены величины предела текучести, полученные при испытаниях по WIS, для стыков и тела трубы.

Результаты испытаний на ползучесть приведены в табл. 3.

131_26a

131_27


1
Распространение трещины в тело трубы свидетельствует о качественной сварке.

2 Предмет дальнейших исследований.

Корреляция со сроком службы по FNCT 

Для выявления корреляции между результатами испытаний на ползучесть и расчетным сроком службы трубопровода проводились испытания FNCT на образцах, вырезанных из средней части зоны сварки. Этот метод описан в DVS 2203-4 в Приложении 3 [13]. Три образца от каждой из процедур были испытаны при 4 МПа в растворе NM5 при 90 °С.

Результаты приведены в табл. 4, а рис. 4 показывает корреляцию между условиями испытаний и эксплуатации.

Таблица 4. Результаты испытаний FNCT (4 МПа, 90 °С, 2 % NM5) стыков, полученных при разных процедурах сварки

131_27b

 1 На одном из образцов – дефект.

Минимальный срок службы испытанных сварных стыков рассчитывался по методике [14]. За основу было взято минимальное время разрушения при испытании на ползучесть – 1303 часа для образца с толщиной стенки 30 мм, сваренного при переменном низком давлении. Была простроена кривая зависимости времени до разрушения от напряжения для исходной трубы (см. рис 4, шаг 1). По аналогии с ней была проведена кривая, основанная на выбранном значении времени разрушения. Далее, путем уменьшения данных этой последней кривой в 3 раза и с учетом разброса значений в соответствии с DVS 2203-4 [13] была построена кривая минимального срока службы (шаг 2).

Уравнение энергии активации:

131_27a

 

131_29

Рис. 4. Соотношение результатов испытаний и срока службы стыков

Прогноз основан на максимальном продольном напряжении 4 МПа, возникающем при максимальном расчетном кольцевом напряжении 8 МПа на незащемленной трубе ПЭ 100. Время до разрушения 38 часов спрогнозировано для напряжения 4 МПа при температуре 90 °С в растворе NM5 (см. рис. 4, шаг 3). По данным исследовательского центра Hesseltechnik, в растворе NM5 старение происходит в 40 раз быстрее, чем в воде, что позволяет экстраполировать полученный при 90 °С результат 1520 часов до 215 лет при 20 °С в воде (шаг 4).

На основе этих расчетов можно с уверенностью предположить, что срок службы качественно выполненных стыковых сварных соединений водо- или газопровода из ПЭ 100 при 20 °С составит не менее 100 лет.

Анализ результатов

Результаты испытаний на растяжение по методу WIS показывают, что пластичное разрушение свидетельствует о более высокой энергии разрушения по сравнению со смешанным и хрупким. Метод хорошо проработан и подходит для испытания толстостенных труб, даже на месте проведения работ. Этот вывод подтверждается результатами испытаний на изгиб. Чтобы выявить изменение характера разрушения, испытания на изгиб можно проводить при пониженной температуре.

Самые низкие величины энергии разрушения и хрупкое разрушение при испытаниях по WIS показали стыки, полученные при «некачественной» сварке и при сварке при постоянном высоком давлении, что подтверждают и испытания на изгиб. Если такое поведение для «некачественных» стыков было ожидаемым, поскольку эти стыки выполнялись при пониженной температуре нагревателя и недостаточном времени прогрева, то для стыков, выполненных при постоянном высоком давлении, это указывает на нарушение технологии подготовки свариваемых деталей. Выяснилось, что кольца с толщиной стенки 30 мм вытачивались с использованием смазочно-охлаждающей жидкости, загрязнившей образцы, что проявилось в образовании пузырей в сварочном грате. На образцах с толщиной стенки 50  и 70 мм сварка при постоянном высоком давлении дала стыки хорошего качества, подтвержденного значениями энергии разрушения и отсутствием разрушений при испытании на изгиб при температуре 0 °С и даже –10 °С. Однако характер поверхности разрыва при испытаниях на растяжение по WIS указывал на смешанное – хрупко-пластичное разрушение.

Сходный характер разрушения отмечен на образцах с толщиной стенки 50 и 70 мм, сваренных при постоянном низком давлении, но образец с толщиной стенки 30 мм показал более высокую энергию разрушения и более пластичное поведение. Объяснений пластичному характеру разрушений при изгибе образцов с толщиной стенки 70 и 30 мм нет, но факт проявления пластичности обнадеживает.

Сварка образцов с толщиной стенки 30 мм при переменном низком давлении дала несколько более низкие показатели энергии разрушения, но для образцов 50 мм и 70 мм эти показатели оказались выше, чем при двух других процедурах. Поверхность разрыва у этих образцов свидетельствует о более пластичном характере разрушения по сравнению с образцами, сваренными по другим процедурам. Кроме того, эти образцы не разрушились при испытаниях на изгиб.

Измерения предела текучести показали, что при любой процедуре сварки существенного снижения этого показателя по сравнению с исходной трубой не происходит.

Характер разрушения при испытаниях на растяжение образцов с толщиной стенки 30 и 50 мм, полученных сваркой при постоянном и переменном низком давлении, подтверждает, что трещина образуется на границе грата и тела трубы, в зоне концентрации напряжений. Последующее распространение трещины в тело трубы, а не в зону сварки и не по границе между зоной плавления и трубой, указывает на хорошее качество сварки [12]. Поведение всех образцов свидетельствует о медленном распространении трещин, которое ускоряется в среде ПАВ.

Образец с толщиной стенки 70 мм (сварка при низком постоянном давлении) разрушился при испытании на ползучесть намного позже других; трещины в нем распространялись и от внутреннего, и от внешнего грата и частично зашли в зону сварки. Время до его разрушения свидетельствует о термическом старении [13]. Однако этот результат нельзя считать надежным, т. к. требуемая нагрузка была на пределе возможностей испытательного оборудования. Если в будущем данный метод будет применяться для испытаний образцов с такими толщинами стенок, следует изменить геометрию образца или увеличить мощность оборудования.

В целом при испытании на ползучесть время до разрушения  образцов, полученных сваркой при переменном низком давлении, оказалось меньше, чем у образцов, сваренных при постоянном низком давлении.

Испытания FNCT проводились для того, чтобы понять, как полученные результаты характеризуют время службы стыков. Их результаты для всех типов стыков приведены в табл. 4.

В целом стыки, сваренные при постоянном и переменном низком давлении, показали близкое время до разрушения при FNCT. Более низкие результаты при испытании на ползучесть стыков, сваренных при переменном низком давлении, можно объяснить наличием грата на образцах. Время разрушения при FNCT образцов с толщиной стенки 50 и 70 мм, сваренных при постоянном высоком давлении, ниже, но незначительно. Обнадеживает то обстоятельство, что у образцов с большей толщиной стенки не отмечено ухудшения показателей, а самые высокие результаты по каждой из процедур сварки получены на образцах полной толщины – 70 мм.

Время разрушения при FNCT образцов с толщиной стенки 30 мм, сваренных при постоянном высоком давлении, и «некачественных» стыков – 15,9 и 21,1 ч соответственно, было существенно меньше времени, показанного другими образцами (> 32,7 ч). Следовательно, можно предположить, что с точки зрения сопротивления медленному распространению трещин такие стыки недостаточно долговечны и не могут считаться приемлемыми. Результаты FNCT подтвердили проблемы с этими стыками, отмеченные при кратковременных испытаниях. При производстве работ необходимо иметь систему обеспечения качества, чтобы выявлять подобные проблемы и браковать некачественные стыки на ранней стадии монтажа. Для подтверждения качества соединений на месте производства работ следует использовать метод перегиба грата, а также проводить испытания разрушающими методами на допускных стыках.

Для оценки долговечности трубы по данным испытаний на ползучесть исследовательским центром Hesseltechnik была построена корреляционная зависимость [15]. Даже при консервативном подходе, основанном на уменьшении в три раза данных кривой, построенной по наименьшему времени до разрушения при испытаниях на ползучесть 1303 ч, срок службы стыков существенно превышает нормативный. Расчетный срок службы стыка в водной среде при 20 ºС в 215 лет позволяет уверенно прогнозировать реальный срок службы трубопровода более 100 лет. Та же корреляция, основанная на времени разрушения 30 ч при FNCT, дает срок службы 168 лет. Поскольку все результаты FNCT  превышают это значение, правильно выполненные стыки, сваренные по всем трем процедурам, обеспечивают надежную работу трубопровода в течение более 100 лет. В реальности стыки на подземном трубопроводе будут защемлены грунтом, и продольные напряжения в них будут существенно меньше.

Методы неразрушающего контроля сварных стыков ПЭ труб

Все рассмотренные здесь методы испытаний являются разрушающими, и с их помощью можно проконтролировать только ограниченное количество стыков на объекте. Вопрос о возможности использования неразрушающего контроля при сварке ПЭ труб часто задается подрядчиками и заказчиками. Разработка общепринятых методов такого контроля имеет большое значение для расширения использования ПЭ трубопроводов большого диаметра.

Производители ультразвукового диагностического оборудования уже много лет пытаются разработать системы для контроля сварки полимерных материалов, однако проблема до сих пор не решена. Важное значение имеют структура и поведение материала в зоне термического влияния [15]. Много информации опытному специалисту могут дать исследование и анализ сварочного грата. Размер и равномерность валиков позволяют выявить нарушение соосности свариваемых труб, коробление и отрыв грата могут свидетельствовать о хрупком поведении материала, а пузыри или протрузии – о наличии влаги или загрязнений. В рамках настоящего проекта обсуждаются и другие методы, такие как термический анализ материала грата и СВЧ зондирование стыков.

 

Выводы

√ Расчетный срок службы стыков, выполненных в строгом соответствии с любой из трех рассмотренных процедур, превышает 100 лет.

√ Испытания продемонстрировали, что надежные стыки могут быть получены по любой из трех процедур для труб с толщиной стенок до 70 мм, но образцы, сваренные при постоянном высоком давлении, обладают меньшей пластичностью.

√ Используемые методы кратковременных испытаний позволяют оценить качество стыков и выявить хрупкие стыки ненадлежащего качества.

√ Низкая стойкость к медленному распространению трещин при FNCT соответствует низкому качеству и хрупкому поведению стыков, выявляемому при кратковременных испытаниях.

√ С увеличением толщины стенки качество стыков, сваренных по каждой из трех процедур, не ухудшается.

√ В дальнейшем возможно определение пределов применимости рассмотренных методов испытаний.

√ Представляется перспективным развитие метода СВЧ диагностики для неразрушающего контроля стыков.

√ Результаты проведенных исследований показывают, что при наличии заинтересованности участников отрасли возможны усовершенствование и гармонизация трех применяемых процедур.

Участники проекта 

Члены Ассоциации ПЭ 100+ (Borealis, Borouge, Ineos Polyolefins, LyondellBasell, Prime Polymer, Sabic, SCG Chemicals & Thai Polyethylene, and Total Petrochemicals), Marcogaz, GDF Suez Research and Technical Innovation, KiwaGasTec, испытательные лаборатории (Becetel, Exova Polymer UK и Hessel Ingenieurtechnik GmbH).

Reinert Ritz (сварка и изготовление образцов), Egeplast (поставка трубы), Widos (сварочная машина), McElroy (сварка по американской процедуре).

 

Литература 

1. Nishimura H., Maeba H., Ishikawa T., Ueda H. Polyethylene Pipes Survive the Great Hanshin-Awaji Earthquake without Failures. – IOM Plastics Pipes X Conference, 1998.

2. Beech S. H., Greiser J., Lowe D., Vanspeybroeck P. Harmonisation of polyethylene pipe butt fusion procedures and test methods.Plastics Pipes XV Conference. Vancouver 2010.

3. ISO 21307:2009 Plastics pipes and fittings – Butt fusion jointing procedures for polyethylene (PE) pipes and fittings used in the construction of gas and water distribution systems.

4. DVS 2207-1 Heated tool welding of pipes, pipeline components and sheets made of PE.

5. WIS 4-32-08 Specification for the fusion jointing of polyethylene pressure pipeline systems using PE 80 and PE 100 materials. Published by WRc plc, UK

6. DVS 2203-5 Testing of welded joints of thermoplastics plates and tubes: Technological bend test.

7. EN 12814-1:1999 Testing of welded joints of thermoplastics semi-finished products. Part 1 – Bend test.

8. Hill D., Wilson K., Headford A. Butt fusion welding of large diameter thick walled PE pipes. – Plastics Pipes XI. Munich, 2001.

9. EN 12814-3:2005 Testing of welded joints of thermoplastics semi-finished products. Part 3 – Tensile creep test.

10. DVS 2203-4. Testing of welded joints of thermoplastics plates and tubes. Part 4 – Tensile creep test.

11. Gueugnaut D., Berthier F., Lopitaux A., Constantinescu A., Dang Van K. Predicting the Slow Crack Growth Resistance of PE Resins by Means of Full Notch Creep Testing in Air: Confrontation between Experiments and Modellization. – 17th International Plastic Fuel Gas Pipe Symposium. San Francisco (CA), USA, October 20–23, 2002.

12. Hessel J., Lueghamer A., Tsunaga M. Welding of large diameter heavy wall polyolefine pipes and long term performance. – Plastics Pipes XII International Conference. Baveno, 2003.

13. DVS 2203-4 Supplement 5, Service life temperature time limits due to thermal ageing.

14. Vogt H., Enderle H., Schulte U., Hessel J. Thermal ageing of PE 100 pipes for accelerated lifetime prediction under service conditions. – Plastics Pipes XIV. Budapest, Hungary, 2008.

15. Scholten F., Jae H. Non-Destructive Ultrasonic Inspection to Detect Flaws in Plastic Pipe Walls and Joints Correlation with Lab Testing, Kiwa Gastec Technology. – Plastics Pipes XIII. Washington, 2006.

16. Murphy K., Lowe D. Evaluation of a novel microwave based NDT inspection method for polyethylene joints. – Plastics Pipes XV. Vancouver, 2010.

 

ОСОБОЕ МНЕНИЕ

КОММЕНТАРИИ К СТАТЬЕ «ГАРМОНИЗАЦИЯ ПРОЦЕДУР СТЫКОВОЙ СВАРКИ И МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ – ОКОНЧАТЕЛЬНЫЕ ВЫВОДЫ»

Тема статьи исключительно важна. Изложенная работа – пусть и небезупречная, но довольно решительная попытка пролить свет на проблемы выбора процедур сварки и оценки качества сварных соединений с позиции их долговечности.

Объекты исследования – образцы разной толщины – позволяют оценить роль геометрического фактора в области верхнего предела ответственности международных и национальных норм. Реологические свойства материала трубы и его плотность, к сожалению, не охарактеризованы.

Международный стандарт ISO 21307 (и адекватный ему проект Российского стандарта), содержат три различные процедуры контактной сварки полиэтиленовых труб нагретым инструментом встык. Процедуры получили применение в международной и российской практиках. В частности, они применялись автором настоящих комментариев при оптимизации сварки труб из нестекающих марок.

Достоинство ISO 21307 – в решительном расширении диапазона варьирования технологических параметров сварки, которое может использоваться высококвалифицированным технологом для достижения наилучшего качества сварки. В этом же кроется и недостаток: сварщики, желающие получить однозначные указания, не находят их в ISO 21307.

Описывая свои сварочные эксперименты, авторы статьи не указали выбранные температуры нагревателя и длительности стадий сварки, что вносит некоторую неопределенность в оценки результатов сварки. Вообще говоря, в комментируемой работе, на мой взгляд, не удалось строго доказать преимуществ какой-либо из использованных процедур, хотя симпатии читателей окажутся скорее на стороне европейских процедур – одинарного и двойного низкого давления. И все же проблема выбора процедуры остается открытой.

Самое ценное в статье – эффектная демонстрация применения широкого спектра методов испытания сварных соединений, сочетающих кратковременные тесты и длительные испытания.

Исследования долговечности демонстрируют большой разброс, но исключительно важны, поскольку только они имитируют поведение соединений в условиях эксплуатации. Поэтому не хотелось бы критиковать авторов за экспериментальные огрехи. Присоединяюсь к их мнению о возможности дальнейшей гармонизации процедур сварки на основании широко поставленных технологических экспериментов и систематических долговременных испытаний сварных соединений. Такие работы полезны для подтверждения стабильности технологических процессов синтеза полиэтиленов, производства труб и фитингов, а также процессов сварки, которые выполняются в достаточно жестких рамках согласованных международных норм.

Если фактически действующие нормы имеют более широкие рамки характеристик сырья, размеров труб, условий и параметров сварки, то контроль длительной прочности становится необходимым.

Некоторые необоснованные нормы, очевидно, следует пересматривать. Вновь разрабатываемые нормы должны опираться не только на расчетно-аналитические данные и тем более не на умозрительные заключения, а на основательные экспериментальные данные.

Присоединяюсь к авторам, критикующим бесполезный ультразвуковой контроль.

Следует добавить, что традиционные нормы внешнего вида сварных соединений устарели на десятилетия и не отражают особенностей реологии современных марок полиэтилена, особенно «нестекающих». Поэтому эффективные визуально-измерительные методики должны быть поверены данными долговечности сварных соединений.

Авторы:

Стефен Бич, SHB Consulting, Великобритания

Кристоф Салле, Ассоциация ПЭ 100+, Франция

Ульрих Шульте, Ассоциация ПЭ 100+, Германия

Профессор В.И. Кимельблат

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА