1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Термин «сварка пластмасс» означает процесс получения неразъемных соединений деталей из термопластичных полимерных материалов. Для осуществления сварки полимерные детали разогреваются до температуры, обеспечивающей переход полимера в вязкотекучее состояние, и соединяются под определенным давлением.
Отличительная особенность сварки – возможность получения, в области соединения, материала наиболее близкого по составу и свойствам к основному материалу свариваемых изделий [1].
Естественно реологические процессы, протекающие при сварке, накладывают отпечаток на ориентацию макромолекул в области сварки и формирование надмолекулярных образований, однако химические свойства материала сварного соединения подобны свойствам основного материала.
Сварка не предусматривает целенаправленных проведение химических реакций. Однако при нагревании полимеров неизбежно ускоряются нежелательные химические реакции, в частности, термоокислительная деструкция полиолефинов, а также сшивка характерная для полиэтиленов низкого давления, негативно влияющие на свойства сварных соединений [2].
Согласно общепринятым представлениям на качество сварных соединений влияет природа и характеристики свариваемых полимеров, конструкция соединения и технология его выполнения.
Основные технологии сварки различаются по способу нагревания соединяемых поверхностям, специфическим процедурам и основным параметрам сварки. Конструкция сварочных машин должна обеспечивать точное соблюдение норм сварки.
Независимо от технологических особенностей сварки для качества сварных соединений важны поверхностные явления между свариваемыми деталями, реологические процессы (вязко-упругие высокоэластические и пластические деформации, а также течение расплавов полимеров), кинетика диффузии макромолекул и их сегментов, ориентация макромолекул в области соединения и внутренние напряжения сварочного происхождения.
Все эти положения актуальны в отношении сварки закладными нагревателями (ЗН).
При сварке ЗН свариваемые поверхности соединяются внахлест. Источником тепла обычно является металлическая проволока с высоким сопротивлением, разогреваемая электрическим током. Проволока (ЗН) при изготовлении фитинга размещается на рабочей поверхности фитинга (рис 1.1).
Рис. 1.1. Размещение проволоки в муфте
Известны попытки применить тепловыделяющие элементы из полимерных электропроводящих композиций, но они не получили широкого распространения.
Тепловая энергия распространяется в зоне сварки в течение всего периода сварки. При этом вначале плавится материал фитинга или раструба, а затем материал трубы. Такой механизм наиболее явно выражен для фитингов с закрытыми спиралями, утопленными в теле фитинга.
Если спирали расположены на поверхности детали, то разогрев свариваемых поверхностей начинается практически одновременно.
В пространстве между свариваемыми поверхностями образуется определенный объем расплава, который продолжает расширяться по мере роста температуры. Расширяясь, расплав вытекает из горячей зоны действия электроспиралей в холодную зону, где застывает в зазоре между свариваемыми деталями, образуя «пробку», препятствующую дальнейшему течению расплава. Дальнейший разогрев расплава приводит к образованию сварочного давления, обеспечивающего надежную сварку заготовок.
Сварка ЗН чаще всего применяется для соединения заготовок их следующих материалов:
–полиэтилен (ПЭ) низкого давления (высокой плотности, средней плотности) – PE-HD (ПЭНД);
– полиэтилен сшитый – PEX (ПЭС);
–статистический сополимер пропилена и этилена, – PP-RС (ПП-Р или ПП тип 3);
–полибутен – РВ (ПБ).
Полимерные трубы и фитинги с ЗН не разрешается изготавливать из базовых полимеров. Чистые, исходные, полимеры не обладают необходимым комплексом свойств, в частности стойкостью к термоокислительной деструкции, фотостарению и механодеструкции. Согласно действующим нормам, при производстве труб и соединительных деталей применяют только специальные композиционные материалы.
Композиция – это гомогенная гранулированная смесь базового полимера с добавками (антиоксиданты, пигменты и УФстабилизаторы и другие), вводимыми на стадии производства композиции (компаундирование) в концентрациях, необходимых для переработки материала и использования изделия. Важнейшей характеристикой трубной композиции является минимальная длительная прочность материала (Minimum required strength (MRS)). Соответствие MRS полимера нормам, гарантирует его эксплуатационные качества в части долговечности труб. MRS используется в расчетах рабочего давления в трубопроводе.
Фитинги с ЗН изготавливаются преимущественно методом литья под давлением, но из композиций экструзионного назначения.
Композиции полиолефинов отличаются хорошей свариваемостью, т.е. способностью образовывать сварные соединения необходимого качества в достаточно широком диапазоне технологических параметров сварки.
Молекулярная, макромолекулярная и надмолекулярная структуры полимеров оказывают настолько существенное влияние на свойства сварных соединений, что эффект структурных параметров может значительно превысить влияние технологических параметров сварки [2]. При экспертизе аварий трубопроводов анализ структуры полимеров часто бывает необходим [3].
Минимальные требования к материалам свариваемых деталей можно сформулировать так: одинаковая природа материала и близкие значения вязкости расплава полимера. В производственной практике вязкость оценивается по индексу текучести расплава (ИТР) в г/10 мин при фиксированной температуре и величине груза. Так для разных трубных марок полиэтиленов низкого давления (ПНД) диапазон ИТР составляет 0.2÷1.2 при 190ºС и нагрузке 5 кгс [5].
При сварке ЗН эти положения претерпевают значительные изменения. В ряде случаев этим методом сваривают все трубные марки ПЭ (градаций ПЭ32-100), частично сшитые и даже сшитые полиэтилены – РЕХ [6]. Однако, чаще всего, практично сваривать детали не только из одинаковых материалов, но и из полимеров идентичных или близких градаций, например, полиэтилена с минимальной длительной прочностью MRS 8 МПа (ПЭ 80) и MRS 10 МПа (ПЭ 100).
Полипропиленовые фитинги с ЗН применяют для соединения изделий из этого же полимера. Сварка изделий из других полимеров (например ПВХ) полиэтиленовыми фитингами не допускается.
Полибутеновые фитинги (рисунок 1.2) для электрофузионной сварки напорных и предизолированных полибутеновых труб, – это инновационная и перспективная система соединений. Использование этих фитингов позволяет получить лучшее сочетание простоты монтажа и максимальной надежности системы [7].
Рис. 1.2. Полибутеновая муфта с ЗН
Свариваемые поверхности. Посторонние материалы, попавшие на свариваемые поверхности деталей, способны необратимо испортить сварные соединения. Поэтому поверхность свариваемых деталей должна быть очищена от природной или техногенной пыли, масел, жиров, влаги и других загрязнений. Большинство органических растворителей, попав на поверхность деталей, препятствуют сварке. К числу редких исключений относится этанол, который используется для обезжиривания. Впрочем, он тоже должен полностью испариться до начала сварки. Поэтому обычно рекомендуют применять для обработки свариваемых поверхностей 98 % и даже 99.8 % этанол.
Обезжиривание свариваемых поверхностей необходимо, но недостаточно для сварки ЗН. В процессе хранения на наружной поверхности труб и деталей адсорбируются загрязнения, которые невозможно смыть растворителем. Кроме того, наружная поверхность труб и деталей подвергается окислительному и фотостарению, что стимулирует как деструкцию, так и образование сшитых структур. В результате сшивки материал теряет способность свариваться. Механическая обработка свариваемых поверхностей труб и фитингов под сварку муфтами с ЗН обеспечивает доведение наружного диаметра до номинального значения, что позволяет собрать соединение без больших напряжений. Поэтому механическая обработка наружных свариваемых поверхностей непосредственно перед сваркой, безусловно, необходима, ее выполнение строго проверяется при пооперационном контроле и контроле готовых соединений.
Внутренние поверхности муфт и седелок не обрабатываются, чтобы исключить повреждение нагревателя, зато, для исключения загрязнений, детали с ЗН герметично упаковываются и извлекаются из упаковки непосредственно перед сваркой.
Роль реологических процессов. Сварка ЗН сопровождается значительными деформациями. Пластические деформации начинаются при предварительном нагревании (если оно рекомендовано), которое приводится с целью уменьшения избыточных зазоров между свариваемыми деталями. Дальнейшее нагревание проводится с целью получения достаточно текучего расплава, который заполняет зазор между свариваемыми деталями. В соответствии с общими представлениями о роли температуры при сварке следует отметить следующее.
При температуре в области сварке ниже температуры плавления кристаллов полиолефинов сварка деталей просто не произойдет.
С повышением температуры до оптимального уровня полимер плавится, его объем увеличивается, как за счет плавления кристаллов, так и благодаря объемному термическому расширению. В результате увеличения объема в расплаве возникают напряжении, которые являются движущей силой реологических процессов, необходимых для заполнения зазоров и осуществления сварки. Кроме того, при дальнейшем нагреве достигается вязкость расплава достаточно низкая, чтобы реологические процессы могли осуществиться за период нагрева. В определенных пределах повышение температуры расплава положительно влияет на качество сварки.
С повышением температуры расплава выше оптимальной стремительно ускоряются цепные реакции термоокислительной деструкции и деполимеризации, сопровождающиеся нежелательными газообразованием и сшивкой. Следовательно, хотя при повышении температуры расплава уменьшается вязкость, и ускоряются процессы самодиффузии макромолекул, деструкция и сшивка могут значительно ухудшить качество сварки.
Эти процессы следует учитывать при оптимизации таких параметров сварки, как напряжение сварочного тока и длительность нагрева в неблагоприятных условиях сварки. Полезно принимать во внимание сведения о термостабильности материалов свариваемых деталей, которая оценивается, например, в производственной практике синтеза и переработки ПЭ по индукционному периоду окисления [5]. При нормальных условиях следует строго соблюдать указания производителя детали с ЗН. При использовании ускоренных режимов нагрева трудно точно контролировать параметры, а замедленные режимы провоцируют потерю устойчивости деталей.
Нежелательные деформации соединения возникают в процессе сварки, если детали плохо зафиксированы.
Сварочные напряжения. После завершения сварки, при охлаждении соединения неизбежно возникают радиальные сварочные напряжения, поскольку наружные поверхности соединения охлаждаются раньше внутренних элементов. Сварочные напряжения, естественно, увеличиваются при больших зазорах между деталями и при перегреве. Искусственное и ускоренное охлаждение сварного соединения приводит к увеличению сварочных напряжений, появлению трещин, раковин, и потому нежелательно.
Размеры и конструкции соединений с ЗН. Ранее область применения электромуфт ограничивалась малыми диаметрами [1], но в последние годы промышленность освоила производство муфт для соединения монолитных (гладких) труб больших диаметров (до 1200 мм) [8]. Производители деталей с ЗН декларируют планы по выпуску фитингов супербольших диаметров до 1600 мм.
По расположению спиралей различают фитинги с открытыми и закрытыми спиралями.
По конструкции соединений фитинги с закладными нагревателями классифицируют как муфтовые и седельные (рис. 1.3 и 1.4).
В настоящее время на рынке присутствуют седловые отводы для подсоединения ответвлений к трубам до 1000 мм [8] и выше.
Разумеется, наиболее популярны седелки различной конструкции к трубам малых диаметров.
Рис. 1.3. Соединение труб муфтой с ЗН
Рис. 1.4. Соединение полиэтиленовой трубы и седлового отвода с ЗН
Седловые фитинги отличаются разнообразием конструкций.
Различают, например, арматуру для врезки под давлением, изображенную на рис. 1.5 и арматуру для соединения с вентилями (рис 1.6). Они применяется для врезки в трубы 250-560 мм [8].
Рис. 1.5. Арматура для врезки с в вентилем
Рис. 1.6. Арматура для соединения с вентилями
Другие фитинги, изображенные на рис 1.7-1.12 дают некоторое представление о разных функциях седловых фитингов с ЗН.
Рис. 1.7. Воздушно-камерная запорная арматура
Рис. 1.8. Деталь седлового типа с патрубком 250-560 мм
Рис. 1.9. Усиливающая и ремонтная накладка Ø 250-560 мм
Рис. 1.10. Шаровой кран для боковой врезки Ø 250-560 мм
Рис. 1.11. Различные седелки [8]
Рис. 1.12. Ремонтная накладка седловидная на Ø 560-1000 мм
На рынке фитингов с ЗН, наряду с традиционными муфтами представлены новые клиновые адаптивные муфты больших диаметров [8], (рис 1.13) и фитинги с муфтовыми подсоединительными частями (Рис. 1.14).
Рис. 1.13. Клиновая муфта (Ø 1000-1200 мм)
Рис. 1.14. Отв оды 45°, 90°
Рис. 1.15. Тройники
Кроме того, сварка с ЗН применяется для муфтового соединения гофрированных и витых труб, которые выпускаются диаметром до 3000 мм и реже до 5000 мм [5].
На рис. 1.16 изображен раструб трубы фирмы KRAH [9]. Аналогичные трубы выпускает Группа компаний Полипластик под маркой Корсис Плюс.
Внутри раструба с помощью скоб закреплена нагревательная спираль.
Рис. 1.16. Раструб витых труб больших диаметров с размещенной в нем спиралью
Поскольку не существует единого и абсолютного метода контроля сварных соединений полиэтиленовых труб между собой и с фитингами, высокую надежность и долговечность трубопроводов обеспечивает реализация в полном объеме описываемой ниже пятистадийной системы контроля технологического процесса сварки.
Классификация сварных соединений по применению в системе контроля:
Пробные соединения. Выполняются до начала основных сварочных работ при получении новой партии труб и фитингов с целью:
– проверки свариваемости труб и фитингов;
– оптимизации основных параметров сварки (если они задаются в ручном режиме);
– отладки технологии сварки.
Допускные соединения. Выполняются до начала основных сварочных работ, с целью проверки квалификации сварщика в следующих случаях:
– впервые приступает к работе;
– перерыв в работе свыше 30 дней;
– изменение диаметра свариваемых труб;
– введение в работу, освоение новой сварочной техники.
Контрольные соединения. Выполняются в ходе основных сварочных работ с целью подтверждения квалификации сварщиков. Отбираются лабораторией строительной организации и дополнительно по требованию заказчика. В качестве контрольных соединений следует выбирать соединения, худшие по внешнему виду.
Система контроля технологического процесса сварки при строительстве и реконструкции трубопроводов с использованием полиэтиленовых труб состоит из трех предварительных стадий (входного контроля качества применяемых труб, соединительных деталей и других материалов, контроля сварочных машин, вспомогательного оборудования и проверки квалификации сварщиков), операционного контроля и контроля сварных соединений трубопровода. Все стадии контроля выполняются организацией – производителем сварочных работ. Результаты контроля, проверок и испытаний должны быть оформлены в соответствии с действующими нормами исполнительной производственной документации.
Допускается привлечение контрагентов (специализированных организаций) для выполнения отдельных операций испытаний. В контроле принимают участие представители заказчиков и надзорных органов, требуя выполнения необходимых им контрольных процедур.
Ответственные за выполнения стадий контроля технологического процесса сварки и оформление результатов контроля приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1.
Стадии контроля, исполнители и результаты контроля
1. Сварка полимерных материалов: справочник/К.И. Зайцев, Л.Н. Мацюк, А.В. Богдашевский и др; под общ. ред. К.И. Зайцева, Л.Н. Мацюк. –М.:Машиностроение, 1988. – 312 с.
2. Кимельблат, В.И. Релаксационные характеристики расплавов полимеров и их связь со свойствами композиций: монография/ В.И. Кимельблат, И.В. Волков; – Казан. гос. технол. ун-т. – Казань, 2006. – 187 с.
3. Кимельблат, В.И. Молекулярная подвижность в расплавах, характеристики и механические свойства полиолефиновых композиций монография/ В.И. Кимельблат [и др.] Казан. гос. энерг. у-нт. – Казань, 2003. – 254 с.
4. Кимельблат, В.И. Актуальные положения экспертизы полиэтиленовых трубопроводов/ В.И. Кимельблат // Полимерные трубы. – 2006. – № 1(10)/апрель. – С. 42-48.
5. ГОСТ 18599-2001 Трубы напорные из полиэтилена. Технические условия.
6. Рекламные материалы фирмы «Сольвей».
7. Рекламные материалы фирмы «Thermaflex International Holding bv».
8. Рекламные материалы фирмы «Friatec».
9. Рекламные материалы фирмы «KRAH».