Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

ВПЛИВ ПАРАМЕТРІВ ЗВАРЮВАННЯ НА МІЦНІСТЬ ЗВАРНИХ СТИКОВИХ З'ЄДНАНЬ ПОЛІЕТИЛЕНОВИХ ТРУБ

Вступ

Зварювання нагрітим інструментом встик є основним способом з'єднання полімерних труб [1]. Згідно з чинними нормативними документами якість зварювання перевіряється наступними методами випробувань [2].

Обов'язкові:
– зовнішній огляд;
– випробування на осьовий розтяг;
– ультразвуковий контроль;
– пневматичні випробування.
Спеціальні:
– випробування на статичний вигин;
– випробування при постійному внутрішньому тиску;
– випробування на тривалий розтяг.

Аналіз цих методів показує, що жоден з них не дає кількісної оцінки міцності зварного з'єднання за стиком зварювання. Деякими авторами також висловлюється думка про невисоку інформативність випробувань і низьку достовірність одержуваних при цьому результатів [3-7].

Зовнішній огляд вважається досить повноцінним, тому що, по-перше, він охоплює 100 % швів і, по-друге, за поміченими змінами розмірів грата, його форми, кольору чи рівномірності розподілу можна визначити, які з параметрів зварювання мали відхилення від встановлених норм або встановити порушення інших умов зварювання. У той самий час візуальна оцінка зовнішнього вигляду шва недостатньо ефективна, оскільки на формування грата впливають температура навколишнього середовища і властивості самого матеріалу. Недоліком методу є те, що візуальний контроль здатний виявити тільки великі дефекти, які супроводжуються зміною розмірів і форми зварювального грата.


Рис. 1. Установка шаблону для створення заданої площі зварювання в зварному з'єднанні

Випробування на осьовий розтяг є поки щоосновним і єдиним оперативним методом оцінки якості зварних з'єднань. Однак критерієм визначення якості зварного з'єднання, виконаного зварюванням встик, є характер руйнування зразків. Відомо, що при випробуваннях на розтяг руйнування відбувається в більшості випадків за основним матеріалом, а не за зварним швом [8].

Ультразвуковий контроль, пневматичні випробування, випробування на статичний вигин, випробування при постійному внутрішньому тиску, випробування на тривалий розтяг з кількісного боку є недостатньо інформативними. Так, за допомогою ультразвукового контролю повинні виявлятися внутрішні дефекти типу несплавлення, тріщин, окремих або ланцюжків (скупчень) пор, включень площею понад 1,5 мм2 [9]. Пневматичні ж випробування з'єднань здійснюються одночасно з випробуваннями всього ПЕ газопроводу на міцність і герметичність при внутрішньому тиску повітря. При випробуванні на статичний вигин визначається кут вигину зразка, при якому з'являються перші ознаки руйнування. Результати випробування вважаються позитивними, якщо зразки, що випробовуються, витримують вигин на кут не менше 160° без руйнування та появи тріщин. Раніше нами було встановлено, що результат таких випробувань позитивний навіть у разі зварних з'єднань, виконаних з грубими порушеннями технологічного режиму зварювання [10]. Випробування при постійному внутрішньому тиску теж не дають кількісної характеристики міцності зварного шва: їх результати вважаються позитивними, якщо всі випробувані зразки не руйнувалися до закінчення контрольного часу при нормальній і підвищеній температурах або зруйнувався один із зразків.

Також здійснюють випробування на тривалий розтяг в активному середовищі – цей метод передбачений міжнародним стандартом ISO 13952 та інструкцією DVS 2203-4 німецької спілки зварювальників як один з найінформативніших [9]. Недоліком методу є те, що при випробуваннях фіксується час до руйнування, і кількісно визначити міцність зварного з'єднання за місцем сплавлення неможливо.

Таким чином, існуючі методи контролю якості зварних стикових з'єднань полімерних труб є недостатньо інформативними, і ними неможливо кількісно визначити міцність зварного з'єднання за стиком зварювання. Тому для кількісної оцінки міцності зварного стикового з'єднання був розроблений спосіб випробувань зварних з'єднань із заданою площею зварювання, заснований на тій обставині, що зварний шов за міцністю, як правило, поступається міцності основного матеріалу [11]. Спосіб полягає в наступному. Для досліджуваного зварного стикового з'єднання поліетиленової труби заздалегідь готувалися шаблони з тонкого матеріалу з низькою теплопровідністю, наприклад, з аркуша паперу, що перешкоджає зварюванню всієї площі торців труби. Виріз для зварювання торців труби розташовувався так, щоб у вирізаних зразках-лопатках площі зварених ділянок дорівнювали одна одній, а за величиною дорівнювали або не були більшими, ніж переріз робочої частини основного матеріалу зразка-лопатки.

У процесі зварювання після видалення нагрівального інструменту під час технологічної паузи вставлявся шаблон (рис. 1). Потім осадка та охолодження зварного з'єднання відбувалися разом із шаблоном (рис. 2).

Через 24 години після зварювання виготовлялися зразки-лопатки типу 2 за ГОСТ 11262 [12] рівномірно по периметру шва у кількості не менше п'яти штук, так, щоб область зварювання перебувала на середині зразка-лопатки. Це легко виконати, орієнтуючись по краях вставленого шаблону з білого аркуша паперу. Випробування на розтяг зразків-лопаток робили згідно з ГОСТ 11262 на універсальній розривній машині UTS20K при швидкості розсування зажимів 25 мм/хв. Оскільки найменшу міцність має область зварного з'єднання, то за умови рівності поперечного перерізу зразка-лопатки та стику зварювання руйнування відбувалося за місцем сплавлення зварного з'єднання. Обробку результатів випробувань проводили прийнятими методами, тобто за діаграмою навантаження-деформація визначали руйнівне навантаження у момент розриву зразка. Руйнівна напруга σ обчислювалася за формулою:


де S - площа звареної ділянки.

Таким чином, можна отримати кількісну оцінку міцності зварного з'єднання за стиком.

Описаним способом можна виключити вплив на міцнісні властивості зварного стикового з'єднання не тільки зовнішнього грата, а й внутрішнього грата або обох гратів.



Методика проведення досліджень

У дослідженнях використовувалася машина для зварювання встик нагрівальним елементом ROWELD P160B фірми ROTHENBERGER (Німеччина). Виходячи з інструкції з експлуатації даної зварювальної машини, для поліетиленової труби ПЕ 80 SDR 11 63х5,8 за базові були прийняті наступні технологічні параметри: pос = 4,4 атм .; tп = 4 с; Тн = 220 °С; tохол = 8 хв .; tн = 58 с; Pн = 0,6 атм.

Зварювання нагрітим інструментом встик здійснювалося з дотриманням заданої площі зварювання за описаною вище методикою при кімнатній температурі зі зміненим одним вищевказаним параметром технологічного процесу зварювання при збереженні інших параметрів.

Результати випробувань на розтяг наведено на рис. 3-8. Зеленим кольором позначені відповідні нормативні значення параметрів зварювання для даного типорозміру поліетиленової труби.



Результати досліджень та їх обговорення

При збереженні інших параметрів найбільша міцність спостерігається при температурі нагрітого інструмента 220-240 °С (рис. 3).

Підвищення тиску при нагріванні зменшує міцність, однак при тиску нагріву, що дорівнює тиску при осадці, руйнівне напруження зварного з'єднання по стику збільшується (рис. 4). Даний факт є дуже цікавим, і у цьому напрямку будуть проведені додаткові дослідження.

У той самий час досить дивною є найменша величина міцності зварного шва при рекомендованому значенні тиску при осадці – 4,4 атм. (рис. 5).

При збільшенні тривалості нагріву збільшується міцність, що, мабуть, пояснюється збільшенням площі грата (рис. 6).

Збільшення тривалості технологічної паузи в 2-4 рази при кімнатній температурі для даного типорозміру поліетиленової труби не зумовлює зниження міцності зварного шва (рис. 7), але при більшій технологічної паузі спостерігається погіршення якості зварного стику. Це добре видно на рис. 7 при тривалості технологічної паузи 20 с.

Зменшення часу охолодження стику під тиском осадки не впливає на міцність зварного шва (рис. 8).

На рис. 9 наведені термограми торця труби під час технологічної паузи. Дійсно, навіть на 10-й секунді температура поверхні торця труби перевищує температуру плавлення поліетилену. Відомо, що градієнт температури поліетилену на 1 мм глибини дорівнює 50 °С [16]. А це означає, що температура глибинних шарів торця труби після відтиснення поверхневого матеріалу в грат ще вища, чим і пояснюється висока міцність стику зварювання при відносно великих значеннях технологічної паузи. Однак при збільшенні тривалості технологічної паузи міцність стику починає погіршуватися з часової точки – 20 с (при проведенні експерименту з поліетиленовою трубою з ПЕ 80 SDR 11 63х5,8).

ЛІТЕРАТУРА

1. Кораб Г.Н., Адаменко А.А., Репа В.П. Повышение надежности сварных соединений пластмассовых труб, выполненных нагретым инструментом встык // Автоматическая сварка, 1984, № 4. – С. 64–65.
2. СП 42-103-2003. Проектирование и строительство газопроводов из полиэтиленовых труб и реконструкция изношенных газопроводов. – Взамен СП 42-101-96, СП 42-103-97, СП 42-105-99. – М.: Полимергаз, ФГУП ЦПП, 2004. – 86 с.: ил.
3. Максименко В.Н. и др. Повышение усталостной прочности соединений труб из ПЭВП, выполненных сваркой оплавлением встык // Сварочное производство, 1982, № 1.
4. Адаменко А.А., Кораб Г.Н., Тарногородский В.П. Повышение качества соединений пластмассовых труб, выполненных контактно-тепловой сваркой // Автоматическая сварка, 1983, № 3. – С. 51–53.
5. Аксенова Г.В., Кашковская Е.А. Контроль качества сварных соединений труб из полиэтилена по характеру разрушения при осевом растяжении // Автоматическая сварка. 1980, № 2. – С. 61–63.
6. Бартенев Г.М. Физика и механика полимеров. – М.: Высшая школа, 1983.
7. Зайцев К.И. и др. Исследование процесса снятия грата при стыковой контактно- тепловой сварке пластмассовых труб // Сварочное производство, 1982, № 1. – С.14–16.
8. Красников М.А., Пожалов Ю.В., Соколов В.А. Механика разрушения стыковых сварных соединений полиэтиленовых труб при испытаниях на растяжение статической нагрузкой // Полимергаз, 2011. № 1. – С. 36–38.
9. Шурайц А.Л., Каргин В.Ю., Вольнов Ю.Н. Газопроводы из полимерных материалов: Пособие по проектированию, строительству и эксплуатации. – Саратов: Изд-во «Журнал «Волга – XXI век», 2007. – 612 с.
10. Данзанова Е.В. Вопросы контроля качества сварных соединений полиэтиленовых труб для газопроводов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», http://www.ogbus.ru/authors/Danzanova/Danzanova_1.pdf2009. – С. 1–8.
11. Пат. 2465560 Российская Федерация MПК G01L/00, G01L1/26, F16L47/00G01L1/00 (2006.1). Способ испытания прочности сварного стыкового соединения полимерных труб / Герасимов А.И., Данзанова Е.В., Ботвин Г.В.; заявитель Ин-т проблем нефти и газа СО РАН. – 2011115737/28, заявл. 20.04.2011; опубл. 29.10.2012, Бюл. № 30.
12. ГОСТ 11262-80. Пластмассы. Метод испытания на растяжение. – Введ. 1980-12-01. – М.: Изд-во стандартов, 1986. – 16 с.: ил.
13. Зайцев К.И., Мацюк Л.Н. Сварка пластмасс. – М: Машиностроение, 1978. – 223 с.
14. Кораб Г.Н., Минеев Э.А., Савицкий А.З., Ральчук И.Н. Высокотемпературная сварка встык тонкостенных полиэтиленовых труб // Автоматическая сварка, 1984, № 11. С. 55–57.
15. В.Н. Максименко, К.И. Зайцев, А.В. Чибиков. Удаление грата со сварных швов полиэтиленовых труб // Пластические массы, 1981, № 12. С.30–31.
16. Аммосова О., Старостин Н., Герасимов А. Сварка полиэтиленовых труб при низких климатических температурах. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG. Германия. 2012. 96 с. ISBN: 978-3-8473-7400-8.


РЕПЛІКА

Експериментальні дослідження в галузі технології зварювання ПЕ труб досить рідкісні і, безумовно, заслуговують на увагу. Колектив дослідників, до якого належать автори статті, що коментується, виконує цікаві та вкрай актуальні дослідження в галузі зварювання при вкрай низьких температурах. Були організовані широкомасштабні випробування зварних з'єднань ПЕ труб, у тому числі винятково важлива оцінка тривалої міцності зварних з'єднань у режимі осьового розтягування.
Ці міркування дають привід з цікавістю поставитися до нової публікації авторів.

Проте, не можна не зазначити наступне.

Об'єкт дослідження – труба ПЕ 80 SDR 11 63х5,8 – вибраний не дуже вдало, оскільки ПЕ 80 на сучасному ринку практично витіснений ПЕ 100, який має значні відмінності від ПЕ 80 у частині зварюваності. Вибір труби малого діаметра також обмежує цінність отриманих результатів, які не вдасться поширити на інші розміри труб.

Не можна беззастережно погодитися з тезою авторів про переваги короткочасних випробувань на розтяг і з критикою інших методів контролю, що мають хороший «послужний список» у глобальній практиці контролю.

Зокрема, вважаю дуже корисним поєднання тестів на розтяг з випробуваннями на вигин.

Важливо відзначити також, що ніякі короткочасні випробування не можуть замінити тривалі, якщо йдеться не про виявлення помилок зварювальника, а про оцінку надійності зварного з'єднання, виконаного за модернізованої технології зварювання.

Ще в 80-ті роки минулого століття Б.Ф. Віндт і І.В. Лур'є отримали екстремальні залежності короткочасної міцності та показників довговічності від основних параметрів зварювання (див. Зварювання полімерних матеріалів у трубопровідному будівництві. М.: ВНІІСТ, 1985). Причому екстремуми короткочасних і тривалих властивостей зварних з'єднань не збіглися. Перевагу, зрозуміло, було віддано показникам довговічності.

Таким чином, експериментальні дані авторів статті безсумнівно заслуговують на увагу. Однак інтерпретація результатів і особливо висновки з них викликають питання і не можуть бути прийняті без серйозних коректив і перевірок.

Професор В.І. Кімельблат

 
 Автори: Є.В. Данзанова, А.І. Герасимов, Г.В. Ботвін
ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА