Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

Быстрое соединение полиэтиленовых труб электромуфтовой сваркой нового поколения

В статье приведено техническое сравнение соединений с помощью новых муфт с коническими манжетами и традиционного соединения цилиндрической муфтой для полиэтиленовых труб номинальным диаметром от 1000 мм 

Использование соединений с коническими манжетами обусловило инновационный подход к технологии соединения труб большого диаметра. Технологичность нового соединения на порядок выше, чем у традиционных цилиндрических муфт. При этом достигается стабильно высокое качество сварки, а сам процесс выполняется очень быстро по четким и простым правилам. Любой монтажник, знакомый со сборкой фланцев, сможет работать и с коническими зажимными манжетами. 

Практические аспекты выполнения соединений труб большого диаметра 

Трубопроводы из полиэтилена различного назначения эксплуатируются более 50 лет. При этом увеличивается доля применение труб большого диаметра (от 630 мм) в основном для транспортировки воды, а также для орошения и дренажа. Однако увеличение диаметра обусловливает рост требований к технологичности соединений.  В этой области традиционные технологии (например, стыковая или электромуфтовая сварка) достигли своих пределов. Они очень требовательны к округлости труб и допускам на размеры сопрягаемых деталей, что противоречит фактической ситуации, поскольку рост размеров приводит и к увеличению допусков. Поэтому в современных условиях электромуфтовая сварка труб большого диаметра цилиндрической муфтой является очень трудоемкой технологией, требующей высокой квалификации исполнителя и особой тщательности во время выполнения соединения (рис. 1). Знаний, полученных в рамках обычной программы обучения сварщиков, для этого уже не достаточно.  Выполнение надежных соединений труб большого диаметра требует не только качества сопрягаемых  поверхностей  и  использования  хорошего  оборудования,  но  и специализированного технического контроля. 

Компенсация особо большого зазора в соединении и естественное восстановление округлости трубы теперь возможны при использовании конических манжет, обеспечивающих устойчиво высокое качество выполнения соединения. 

Критерии технологичности электромуфтового соединения труб диаметром до 1200 мм, выполняемого с использованием цилиндрической муфты

Выполнение таких соединений стало возможным благодаря следующим решениям:

  • армирование внешней цилиндрической поверхности муфты для улучшения качества сварного соединения (рис. 2), устойчивый рост давления расплава за счет сдерживания расширения корпуса муфты;
  • предварительный  нагрев  для  улучшения  контакта  деталей  при  наличии  большого зазора;
  • использование специальных приспособлений.

114_44

Рис. 1. Соединения с цилиндрическими муфтами требуют применения физических усилий из-за больших допусков

114_45

Рис. 2. Внешнее армирование сдерживает расширение муфты при выполнении сварного соединения

114_45a

Рис. 3. Схема возможных изменений формы трубы и их последствий

 

 

 

 

 

Внешнее армирование

 

Одним из важнейших параметров, влияющих на качество сварного шва (кроме температуры и времени), является давление расплавленного материала. При электромуфтовой сварке в зоне прогрева во время перехода полимера из твердого состояния в вязко-текучее  происходит увеличение объема. Зазор в соединении заполняется создаваемым расплавом, давление в котором растет из-за дальнейшего увеличения объема. Возникающие при этом силы и повышенная температура корпуса муфты приводят к увеличению внутреннего диаметра муфты, вследствие чего увеличиваются размеры кольцевого зазора между ней и трубой. Без противодействия такому расширению муфты давление расплава упадет. 

Внешнее армирование муфты (см. рис. 2) предотвращает ее расширение во время сварки из-за воздействия давления расплава. Сначала упругая, а затем пластическая деформация усиливающего корда приводит к последовательному росту сопротивления расширению. Напротив, применение жесткого усиления может вызвать прорыв расплава наружу, т.е. недопустимое падение давления. Влияние армирования часто хорошо заметно на практике. Так, после остывания сварного соединения муфта сжимается, а армирующий корд – нет. Корд отстает от муфты в некоторых местах, что служит достоверным показателем ее реальной работы в процессе сварки с обеспечением оптимального давления расплава. 

Предварительный нагрев

 

Ошибки, которых можно избежать при работе с трубами большого диаметра, в основном вызваны искажением формы трубы (отклонением от округлости и появлением снаружи плоских участков). Также отклонения поверхности трубы от идеально круглой формы могут образовываться вследствие нарушения условий хранения и перевозки труб. Такие отклонения могут быть вызваны реакциями опор под собственным весом труб или линейно распределенными  нагрузками  (рис.  3).  Если  нельзя  избежать  отклонения  от  округлой формы трубы в целом, необходимо обеспечить сохранение ее формы в местах выполнения соединений. Для этого была разработана технология предварительного подогрева, улучшающая качество электромуфтовой сварки. 

При хранении и на земле, и на деревянной паллете (слоями в шахматном порядке) на внешней поверхности труб возникают плоские участки. При стыковой сварке это может привести к недопустимому смещению поверхностей, а при электромуфтовой – к большому зазору между муфтой и трубой. Такой зазор (по всей окружности или в отдельных местах) может обусловить недостаточный рост давления. Для предупреждения последствий таких отклонений, которые практически невозможно полностью исключить, их отрицательное влияние следует учитывать при проектировании муфты. Предварительный нагрев места соединения до температуры ниже точки плавления перед началом сварки уменьшает зазор в соединении (рис. 4). 

При этом используются следующие особенности полиэтилена: 

  • относительно  большое  тепловое  расширение  полиэтилена  приводит  к  увеличению объема и сближению поверхностей трубы и муфты (т.е. к уменьшению зазора); 
  • снятие напряжений в результате воздействия тепла и эффекта памяти материала: при снятии   остаточных   напряжений   (например,   вызванных  деформацией   во  время хранения) труба "вспоминает" свою почти идеальную круглую форму, полученную в процессе производства, и пытается восстановить ее. Эффект памяти материала, характерный для пластмасс, известен уже давно. Он применяется во многих отраслях, например в медицинской технике; 
  • нагрев места соединения до температуры ниже точки плавления увеличивает внутреннюю энергию материала перед сваркой, что   улучшает условия для последующего процесса плавления. 

Концепция соединения с коническими манжетами 

Использование новых муфт с коническими манжетами приводит к революционным изменениям в области технологии соединения труб большого диаметра. В результате механической компенсации очень большого относительного зазора между муфтой и трубой с помощью конической манжеты сборка соединения может быть исключительно простой. Из-за отсутствия зазора после сборки время сварки уменьшается примерно втрое, при этом нет необходимости в предварительном нагреве. 

Соединительная муфта состоит из трех деталей: внешнего корпуса и двух конических сварочных манжет (рис. 5). Изнутри с обеих сторон корпуса предусмотрены конические поверхности в месте сопряжения деталей. Являясь деталью, работающей под давлением, муфта рассчитана на номинальное давление 10 бар. 

В конической сварочной манжете есть нагревательный элемент, уложенный в зигзагообразном порядке  снаружи  и  внутри.  Между  отдельными  зигзагами  в  теле  конической  манжеты выполнены разрывы в осевом направлении, обеспечивающие ее эластичность. Такие разрывы (рис.   6)   обеспечивают  механическое   уменьшение   номинального   диаметра   конической сварочной манжеты, которая заполняет осевой зазор между муфтой и трубой. В результате сборка соединения производится с минимальным усилием после механической обработки поверхностей  за  один  проход  вне  зависимости  от  фактического  размера  трубы.  При  этом обеспечивается полное перекрытие поверхностей, что необходимо для установки муфты в существующую магистраль, что ранее было очень сложной задачей. 

При очень большом отклонении трубы от круглой формы эластичность манжеты в радиальном направлении упрощает ее установку на трубу. Компенсация такого отклонения обеспечивается сжатием конической манжеты муфтой. Это исключает необходимость применения зажимов для восстановления округлой формы.

114_46

Рис. 4. Принцип действия предварительного нагрева

 

114_46a

Рис. 5. Соединительная муфта, состоящая из двух конических сварочных манжет и корпуса. Снизу – конические манжеты перед сборкой, вверху – в окончательном положении

114_47

 

Технологический процесс

 

Удаление оксидного слоя.Для механической обработки места соединения труб большого диаметра разработано специальное приспособление, очень удобное в работе и требующее приложения минимальных усилий. Снятие за один проход слоя материала толщиной около 0,5 мм позволяет удалить оксидный слой и загрязнение с поверхности трубы и создать ровную и очищенную поверхность полиэтилена для выполнения сварки. Выполнение механической обработки за несколько проходов для создания ровной поверхности или даже использование для этого электрических устройств сопряжено с риском неравномерного удаления слоя материала, созданием участков с максимальным зазором и, что не менее важно, поражением электрическим током. Но все это уже в прошлом. 

Установка корпуса муфты. Корпус заводится на трубу с минимальным усилием без каких-либо дополнительных операций. Внутренний диаметр муфты в свободном состоянии увеличен, при этом большое отклонение внешнего диаметра   трубы от номинального никак не влияют на возможность сборки соединения (рис. 7). Компенсация большого отклонения трубы от круглой формы обеспечивается эластичной конической сварной манжетой (рис. 8). При ее установке в корпус муфты она плотно заполняет зазор между этим корпусом и трубой. 

Приведение конического кольца в рабочее состояние. Конические манжеты запрессовываются в корпус муфты предусмотренными для этого прижимными болтами, которые затягиваются обычными ключами с трещоткой или пневматическими шуруповертами. При этом уменьшается внутренний диаметр конической манжеты, а поверхности, с расположенными на них нагревательными спиралями,  входят в полный контакт с трубой и корпусом муфты без зазора.  В результате соединяемые трубы фиксируются на месте. Сварка, естественно, сначала производится только с одной стороны муфты.

Сварка. Из-за механической компенсации зазора все сопрягаемые поверхности установлены относительно друг друга практически без зазоров. Поскольку в цилиндрических муфтах основная   часть   энергии   расходуется   для   заполнения  зазора,  использование  муфт  с коническими кольцами позволяет не только уменьшить расход энергии, но и сократить время выполнения соединения. 

Охлаждение. Уменьшение подачи энергии и сокращение времени сварки снижает уровень прогрева деталей, что позволяет подать в магистраль давление после очень быстрого охлаждения.

Таблица 1. Сравнение двух технологий электромуфтовой сварки

114_48

Испытания

Испытания   сварных   соединений   с   использованием   конических   манжет   проводятся   в соответствии с требованиями действующих норм:

  • DVGW  GW 335-B2:  "Пластиковые  трубопроводы  для  газа  и  воды.  Требования  и испытания. Часть В2. Фитинги из полиэтилена марок РЕ 80 и РЕ 100", 2003 г.
  • EN 12201-3: "Пластиковые трубопроводы для воды. Полиэтилен. Часть 3. Фитинги", 2003 г.
  • EN 12201-5: "Пластиковые трубопроводы для воды. Полиэтилен. Часть 5. Пригодность для использования в системе", 2003 г.
  • ISO  4427-3:  "Пластиковые  трубопроводы.  Трубы  и  фитинги  из  полиэтилена  для водопроводов. Часть 3. Фитинги", 2007 г.
  • ISO  4427-5:  "Пластиковые  трубопроводы.  Трубы  и  фитинги  из  полиэтилена  для водопроводов. Часть 5. Пригодность для использования в системе", 2007 г.

Технология  электромуфтовой  сварки  с  использованием  конических  колец  соответствует требованиям к современным напорным трубопроводам из полиэтилена.

 

Автор: Роберт Экерт, дипломировнный инженер, FRIATEC AG

 

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА