Некоторые особенности использования оборудования и подготовки процесса терморезисторной сварки полиэтиленовых труб

Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

Некоторые особенности использования оборудования и подготовки процесса терморезисторной сварки полиэтиленовых труб

Для тех, кто  недостаточно хорошо разбирается в терморезисторной сварке полиэтиленовых труб, сначала определимся – что же это такое. При терморезисторной (электромуфтовой) сварке разогрев труб обеспечивается за счет применения полиэтиленовых соединительных деталей (фитингов), оснащенных нагревательными элементами (спиралями).  Когда по спирали проходит электрический ток, она действует как нагревательный элемент, в результате чего полиэтилен расплавляется и соединительная деталь приваривается к стенке трубы. Таким образом для терморезисторной  сварки необходима соединительная деталь,  устанавливаемая поверх свариваемых полимерных труб, и сварочный аппарат, обеспечивающий сварку именно этой детали. Как правило – это аппарат, имеющий возможность выдавать на выходе напряжение в диапазоне от 12 до 80 В (обычно почти для всех фитингов применяется напряжение 39,5  или 40 В) и обеспечивать ток, необходимый для конкретного фитинга (зависит от сопротивления его спирали). Промышленностью выпускаются такие фитинги – седловые отводы (седелки), отводы, тройники, заглушки, редукционные переходы и  муфты, т.е. весь перечень деталей, необходимый для сварочных работ.

 


Рис. 1. Внешний вид аппаратов с протоколированием (а) и без протоколирования (б) на примере терморезисторных аппаратов производства компании Georg Fischer (Швейцария) серии MSA 350 и MSA 250.

Рассмотрим, из чего состоит обычный сварочный аппарат для терморезисторной сварки, и чем такие аппараты отличаются друг от друга (рис. 1). Основная часть аппарата – это кабель питания и силовые кабели, на которых, как правило, расположена сумка со сканером. Сканер является обязательным атрибутом большинства аппаратов, он необходим для считывания штрих-кода.  Штрих-код применяется  для задания параметров сварки конкретной детали в автоматическом режиме и есть на каждом фитинге. На конце силовых кабелей находятся силовые наконечники, которые присоединяются к самому фитингу. Разные производители могут делать на своих фитингах штекера разных диаметров, поэтому во избежание ситуации несовпадения штекера на фитинге и силового наконечника на кабеле аппарата нужно иметь полный комплект переходников! Важное замечание – у большинства аппаратов на разъеме сканера (внутри разъема) размещен еще и датчик температуры окружающей среды – поэтому с кабелями нужно обращаться осторожно. В аппаратах с полным протоколированием на передней панели имеется пульт управления аппаратом и большой графический дисплей, в то время как для более дешевых версий (без протоколирования) – на передней панели могут находится всего две кнопки и самый простой дисплей (см. рис.1).

Очень часто при строительстве полиэтиленовых трубопроводов возникают ситуации, когда стыковое сварочное оборудование сложно разместить на сварочной площадке. Довольно проблематична также стыковая сварка труб, поставляемых в бухтах и обладающих повышенной овальностью, а также труб с небольшой толщиной стенки. При ремонте полиэтиленовых трубопроводов в ряде случаев стыковая сварка вообще не применима или нецелесообразна. Соединения с использованием терморезисторной сварки характеризуются быстротой монтажа, высокой надежностью и практически полным отсутствием влияния человеческого фактора на качество стыка.

Преимущества данного вида сварки очень хорошо проявляются при сварке полиэтиленовых труб диаметром  до 110 мм включительно, так как такие трубы поставляются в бухтах длиной минимум по 50 м, т.е. при прокладке небольшой магистрали (длинного участка трубы без отводов) затраты минимальны, ради разовой работы не требуется арендовать стыковой сварочный аппарат и искать опытных сварщиков. Достаточно сотрудника, прошедшего курс обучения, поскольку терморезисторная сварка осуществляется преимущественно самим аппаратом. Однако это хорошо только в случае сварки магистрали. При монтаже участка с большим количеством отводов применение терморезисторной сварки может быть немного дороже стыковой. Однако применение других способов сварки возможно не во всех случаях. Чем меньше диаметр фитинга – тем он дешевле, и сварка фитингов малых диаметров незначительно влияет  на финансы.

Следующий важный момент – выбор сварочного аппарата. Каждый зарубежный производитель чаще всего заинтересован делать не только аппараты, рассчитанные под все требования зарубежного стандарта DVS 2207 (Германия) [1] для сварки газовых магистралей, но и модели подешевле и попроще, на которые как показывает практика спрос даже больше, чем на более дорогие полнофункциональные модели. Исходя из требований отечественного ДБН В.2.5-41:2009 [2] для сварки газовых магистралей требуется аппарат с функцией протоколирования, т.е. записи данных в свою внутреннюю память и возможностью последующего вывода их на печатающее устройство для предъявления проверяющей комиссии. Для сварки водопроводных или канализационных магистралей такой функции не требуется, нужно лишь, чтобы аппарат обеспечивал заданные параметры сварки фитинга. Однако при всех методах сварки магистраль потом проходит испытания давлением, а  несколько стыков вырезаются для проверочных испытаний.

За рубежом все вопросы относительно подготовительных работ и процесса сварки регламентируются стандартом DVS  2207, разработанный Немецкой Ассоциацией Сварщиков. Исходя из него и заложены алгоритмы и ограничения работы в зарубежных терморезисторных сварочных аппаратах.

У такого производителя, как, например, KamiTech (Польша) аппараты отличаются разной мощностью (соответственно они имеют разную массу), но при этом все рассчитаны на сварку с протоколированием, как водяных, так и газовых магистралей – КМТ2000 (максимальная выходная мощность 2000 Вт), КМТ2800 (2800 Вт), КМТ3300 (3300 Вт) (рис. 2) и нового поколения КМТ 2к8 (2800Вт),     КМТ 3к3 (3300 Вт) и КМТ 4к0 (4000 Вт).

Аппараты Georg Fischer MSA 350 (серия с протоколированием)  и MSA 250 (без протоколирования) (см. рис. 1). Аппарат без протоколирования содержит только простой дисплей для отображения основных параметров и сканером штрихкода, а запись в память сварочных стыков отсутствует как таковая, записывается только последняя возникшая ошибка.

У такого производителя как Fusion Provida (Великобритания) есть аппараты, способные варить только их фитинги с системой Fusamatic без сканера штрихкода – AM65, и полнофункциональные – AM85,  которые варят фитинги любого производителя и со сканером (рис. 3).

 

Рис. 2. Аппараты компании KamiTech – старого (а) и нового (б) образцов

 

 

Рис. 3. Терморезисторные аппараты Fusion Provida: а – АМ65, сваривающий фитинги только родного производства; б  – АМ85   – полнофункциональный аппарат для фитингов любых производителей

Кроме аппарата для проведения сварки необходимы приспособления для снятия оксидного слоя (или просто скребок), специальные салфетки или раствор для чистки свариваемых поверхностей после снятия оксидного слоя и позиционер для фиксации труб друг относительно друга и фитинга во время процесса сварки. Для холодного периода года  еще нужны профессиональный фен для разогрева фитинга и поверхности трубы и палатка для защиты места сварки и самого аппарата от атмосферных осадков и ветра. Для труб большого диаметра или труб с большой овальностью потребуется приспособление для выравнивания овальности трубы, иначе фитинг не оденется на трубу или при сварке трубы не проварятся полностью – в местах большой овальности останутся щели, т.е. места возможной утечки для газа или жидкости.

Не будем углубляться в сам процесс сварки – рассмотрим только отдельные вопросы, связанные с нюансами процесса.

Применение позиционера (рис. 4), удерживающего трубы и соединительную деталь в неподвижном положении, во время сварки обязательно, поскольку трубы могут смещаться друг относительно друга, а диффузионная поверхность внутри муфты во время нагрева расплавляется и при механическом усилии может гнуться, что недопустимо из-за появления в результате этого раковин. Особенно важно применение позиционера при сварке седловых отводов.

 

Рис. 4. Позиционер фиксирует положение труб до момента полного остывания фитинга после сварки

Кроме позиционера при терморезисторной сварке труб больших диаметров (от 560 мм) необходимо применять системы выравнивания (при овальности трубы более 1,5 % от диаметра трубы). Подобные системы бывают разные – чаще всего пневматические, однако есть и гидравлические, и механические. Гидравлические системы в настоящее время устарели и практически не используются в виду того, что при их работе могут быть нанесены механические повреждения выравниваемой поверхности. Например, такой производитель, как Georg Fischer, применяет только пневматическую систему (рис. 5)  – подушки давления, которые помогают процессу сварки, придавая нагретой муфте правильную форму – такую же, как и у трубы (в случае сильной овальности).

 

Рис. 5. Система выравнивания овальности трубы компании Georg Fischer: а – комплект системы; б – пример применения системы при сварке

Перед тем, как приступить к зачистке и снятию оксидного слоя на концах трубы водостойким маркером необходимо сделать две круговые отметки, чтобы знать, на какой длине снимать оксидный слой и протирать трубу. При этом нужно проверить – ровный ли срез трубы, так как для терморезисторной сварки желательно иметь как можно более ровный срез, для равномерной установки в фитинг.

Следующий важный момент – применение устройств и растворов   для снятия оксидного слоя и зачистки (циклевки) трубы. В самом простом варианте – это обычный скребок, применяемый снятия оксидного слоя (рис. 6, а). Для механического снятия оксидного слоя на трубах больших диаметров применяют довольно дорогостоящие системы (рис. 6, б и 7).

Кроме механической зачистки трубы всегда необходимо обезжиривать и очищать от грязи, занесенной на поверхность при механической зачистке, а также производстве и транспортировке трубы, поскольку при циклевке удаляется только оксидная пленка. Очистка трубы какими либо средствами должна проводиться обязательно до и после процесса механической зачистки (удаления оксидного слоя). При снятии оксидного слоя ни в коем случае не рекомендуется делать это чрезмерно. Исходя из немецкого стандарта [1] достаточно снять 0,2 мм для удаления оксидной пленки.

Для обезжиривания применяются специальные наборы чистящих салфеток с подобранным химическим составом Tangit, не оставляющим следов, также возможно и применение обычного этилового спирта чистоты 99,8% [1], специальных растворителей, нейтральных к полиэтилену и не оставляющих следов и других составов.  Желательно уточнять у каждого производителя соединительных деталей отдельно, что рекомендуется, а что нет для очистки поверхностей. При нанесении чистящего состава на ткань, сама ткань должна быть не слишком грубой и не содержать  ворсинок.

Еще один важный момент – после зачистки и снятия оксидного слоя необходимо не забыть снять фаску на краю трубы, чтобы не повредить острой кромкой при попытке вставить в фитинг его спираль.

Следует помнить, что в каждом фитинге есть специальные ограничители хода, для того, чтобы с каждой стороны труба была вставлена до его середины. Если переусердствовать с процессом надевания фитинга – можно его сломать, а таком случае есть риск неравномерной установки труб и в результате прорывом магистрали в этом месте вследствие смещения места стыковки двух труб.

В холодный период года или во время продолжительных осадков работы желательно проводить в укрытии (рис. 8). Для осуществления качественной сварки также требуется предварительный прогрев фитинга и концов трубы профессиональным феном (рис. 9), иначе может получиться зеркальный шов,  т.е. диффузии (сплавления) материалов фитинга и трубы не происходит, и при малейшей механической нагрузке поверхности «отлипают» друг от друга. 

 

 

Рис. 8. Палатка для сварки при атмосферных осадках и низкой температуре


 

Рис. 9. Профессиональный технический фен  

Иногда есть необходимость прогреть спираль фитинга феном, для возможности его сварки, так как при определенном значении сопротивления данного фитинга может быть превышена максимальная выходная мощность аппарата, что повлечет за собой сообщение об ошибке и отказе продолжения процесса сварки. Выход – прогреть спираль фитинга, поскольку с повышением температуры  увеличивается и сопротивление фитинга.

Довольно часто возникает вопрос о сварке  муфты диаметром 160 мм производства Georg Fischer при помощи польского аппарата KMT2000. Данная муфта является для этого аппарата пределом по мощности и в холодное время года бывает много обращений с вопросом: почему аппарат не варит. Все очень просто – сама муфта холодная и сопротивление может упасть на несколько сотых, а то и десятых Ома, что отображается на экране аппарата при его включении. Поэтому зимой достаточно данную муфту просто прогреть – и все, сварка пойдет. Но нужно не забывать, что и трубу тоже обязательно нужно прогреть – иначе сварка состоится, но сварочный шов не будет соответствовать требованиям и потом не выдержит испытания!

В виду частых вопросов по поводу совместимости аппарата и муфт у такого производителя, как KamiTech приводим справочную таблицу предельных  сопротивлений фитинга в зависимости от модели аппарата (табл. 1).

Таблица 1. Предельно допустимое сопротивление для сварки фитинга в зависимости от модели аппарата фирмы Kamitech

У такого производителя, как например Fusion Provida, при заявленном максимальном выходном токе на фитинг (аппарат модели АМ85) в 90 А (порог срабатывания системы защиты по превышению тока) имеем такую картину – при сварке фитинга на 39,5 В – предельно допустимое сопротивление – 0,44 Ом, а при напряжении сварки фитинга в 40 В – 0,45 Ом. Т.е. если на дисплее при идентификации (измерении сопротивления спирали) фитинга аппарат пишет значение, ниже приведенного для данной модели – сварка не состоится. Аппарат заблокируется по ошибке превышения максимальной выходной мощности. Из данной ситуации есть два выхода:

1)    если измеренное сопротивление отличается от предельного для данного аппарата всего на сотые доли Ома – хватит того, чтобы  немного прогреть спираль фитинга феном. После этого процесс сварки начнется и завершится успешно, так как при включении самого цикла сварки спираль разогреется еще больше и соответственно сопротивление ее изменится в еще большую сторону;

2) заменить сам сварочный аппарат на аппарат большей мощности. Однако если таких муфт мало (например, нужно быстро сдать объект, а для завершения работ требуется всего 3-10 сварок) – то можно просто взять на время у кого-то на прокат более мощный аппарат.  

В отличие от других производителей аппараты компании Georg Fischer могут производить сварку  во всем диапазоне диаметров фитингов – от самых мелких (от Ø 25 мм) – до фитингов больших диаметров  (до  Ø 710 мм) за счет новой силовой системы внутри аппарата. Соединительные детали диаметром 710 мм – это максимальный размер выпускаемых промышленностью  терморезисторных фитингов. Свыше данного диаметра производятся системы со встраиваемыми спиралями–нагревателями внутри трубы.

Если фитинг имеет рабочее напряжение, отличающееся от указанных выше, то определить «потянет» ли этот фитинг определенный сварочный аппарат можно исходя из закона Ома, зная максимальную выходную мощность Р (Вт) и напряжение сварки фитинга U (В): 

                                           R = U2/P.                  (1)

При этом после расчета результат  округляется до сотых долей Ома в большую сторону, как это делается в миникомпьютере аппарата.

Следующий момент связан с прогревом фитинга на температуру, при которой можно сварить данный фитинг. Для расчета температурной зависимости сопротивления фитинга можно воспользоваться формулой:

 

                                   ΔR = α·R·ΔT,               (2)

 где α - температурный коэффициент электрического сопротивления, C-1; R – текущее (индицируемое) сопротивление фитинга, Ом; ΔT – разница между температурой нагрева фитинга Тнагр и окружающего Вас воздуха Токр, °С, т.е. градусы, на которые нагревают деталь:

 

                           ΔT = ТнагрТокр.            (3)

 

Для определения значения изменения сопротивление можно использовать табличные данные в зависимости от материала самой спирали внутри фитинга (табл. 2).

Таблица 2. Значения α для основных металлов, применяющихся при изготовлении фитинга в диапазоне температур от 0 до 100 °C

 

 

Как правило основными материалами для изготовления спирали фитинга являются константан и нихром.

Таким образом можно определить – на сколько изменится сопротивление фитинга в зависимости от температуры его спирали. Переделав формулу (2) для нахождения значения требуемой температуры нагрева спирали получим: 

                                 ΔТ = ΔR/ (α·R),       

 

где ΔR – разница между сопротивлением фитинга и граничным сопротивлением аппарата, Ом; R – сопротивление спирали фитинга при окружающей температуре, Ом.

Феном можно подогреть не только трубы и свариваемую деталь, при очень низких температурах им  можно разогреть и аппарат, если он не хочет варить и блокируется ошибкой по заниженной наружной температуре, хоть это и не разрешается правилами сварки. Ведь не зря в документации к сварочному оборудованию приводятся рекомендуемые граничные температуры работы – от 5 до 40 оС, которые критичны не для работы аппарата, а для процесса сварки (ее качества) и соблюдения стандарта сварки – в данном случае немецкого DVS 2207, в соответствие с которым выпускают соединительные детали и оборудование большинство производителей Евросоюза. Самый оптимальный случай в данной ситуации – это наличие палатки и обогревателя внутри нее – тогда и аппарат блокироваться не станет.

Важное замечание – концы свариваемых труб обязательно нужно закрыть заглушками во избежание образования сквозняка и нарушения из-за этого сварного шва! 

Недопустимо прикладывать излишнее усилие при одевании силовых наконечников аппарата на штекеры фитинга. Это приводит к выходу из строя самих наконечников. Причина трудности их подключения как правило вызвана тем, что при установке фитинга на трубу в пазах для подключения аппарата скапливается много грязи и они просто забиваются. Нужно всего-навсего их прочистить. Не следует прикладывать чрезмерные усилия и при снятии силовых наконечников с фитинга. В немецком стандарте процесс сварки прописан очень четко – при подключении кабели не должны быть натянуты или нагружены чем либо, а свободно лежать или висеть без лишнего веса на них. Очень много обращений в сервисные центры связанно именно с использованием плохих наконечников на силовых кабелях. В этом месте необходим очень хороший контакт во избежание искрения и сбоев в работе аппарата, так как через данное соединение проходит очень большая мощность, которая иногда достигает до 3,5  кВт при напряжении всего в 40 В.

Проиллюстрируем результаты пренебрежения рекомендациями при подготовительных работах и объясним, почему так получается.

Например, определенный нормативами зазор между соединительной деталью и трубой должен быть в диапазоне 0,1-0,3 мм. Если зазора нет, то посадка плотная (рис. 10), т.е. возможна ситуация, когда при достаточно тонких трубах давление расплава, объемное количество которого увеличивается примерно на 30 %, вызывает потерю устойчивости трубы (локальное изменение ее геометрии). В места деформации нагретой трубы в фитинге и устремляется расплав, оставляя недостаточно проплавленным остальное сечение и, при определенных условиях, образуются усадочные раковины на участках сосредоточения большого количества расплава. Поэтому иногда стоит скребком или другим устройством для зачистки оксидного слоя снять намного больший слой для обеспечения небольшого люфта между фитингом и трубой.

Инструкцией на проведение сварочных работ не оговаривается усилие зажима труб в позиционере. При сильном зажиме труб в процессе остывания сварного соединения возможно появление сдвиговых усилий на трубы, направленных к участкам зажима в позиционере. Это может отрицательно сказаться на процессе кристаллизации расплава сварного соединения, поскольку он должен происходить при неподвижном положении труб и соединительной детали. Также при сварке седелок особое внимание следует обращать на величину усилия прижима седелки к трубе, не допуская ее пережима с образованием вогнутости в зоне под седелкой, но, в то же время, обеспечивая плотный их контакт (рис. 11).

Также нужно заметить, что любой терморезисторный аппарат должен проходить раз в год поверку, во избежание некачественных  (бракованных) сварных стыков из-за вышедших за предел допустимого калибровочных параметров.

 

 

Рис. 10. Смещение проволоки в расплаве, обусловленное чрезмерным давлением при установке муфты на трубу или смещением спирали в процессе при плотной посадке, а возможно также и наличием влаги в месте расплава

 

 

 Рис. 11. Последствия плохой зачистки трубы (не удаленные влага и грязь) и смещения тройника в процессе сварки

Правильная  и бережная эксплуатация сварочного оборудования, соблюдение правил выполнения процесса терморезисторной сварки и требований техники безопасности обеспечат качественные и надежные сварные соединения и безаварийную эксплуатацию трубопроводных систем.

Литература

1. DVS2207. Part 1. Welding of thermoplastics – Heated tool welding of

pipes, pipeline components and sheets made of PE-HD.

2. ДБН В.2.5-41:2009 «Газопроводы из полиэтиленовых труб. Часть I. Проектирование. Часть II. Строительство».

 

 

   

    

 

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА