Игорь Волков - Сварка полимерных труб и фитингов с закладными электронагревателями

Волков И. В., Кимельблат В. И., Стоянов О. В.

Сварка полимерных труб и фитингов с закладными электронагревателями

ВВЕДЕНИЕ

Магистральное направление технического прогресса в области сооружения трубопроводных систем различного назначения связано с применением полимерных труб. Проблемы производства, обусловленные кризисом 2008 года уже ликвидированы. Глобальный объем применения полимерных труб в 2011 г. восстановил докризисный уровень и продолжает расти. Российский рынок полимерных труб развивается в количественном и качественном отношении. В 2011 освоено производство супербольших монолитных труб диаметром до 1600 мм. Появляются новые разновидности витых труб диаметром до 2400 мм и предизолированных гибких труб. На ближайшие 3-5 лет прогнозируется ежегодный прирост 10-15 % [1]. В России наибольшее распространение получили полиолефиновые, в первую очередь полиэтиленовые (ПЭ) и полипропиленовые (ПП), а также, в значительно меньших объемах, полибутеновые (ПБ) трубы.

Важным аспектом экономичности и функциональности трубопроводов является их надежность. Расчетный срок эксплуатации полимерных трубопроводов составляет много десятилетий, но надежность трубопроводных систем в первую очередь лимитируется качеством соединений.

Основным способом получения неразъемных соединений полиолефиновых труб является сварка.

При сооружении самых массовых полиэтиленовых трубопроводов наиболее экономична контактная сварка встык. При точном соблюдении нормативных технологических параметров сварки встык получают сварные соединения, превосходящие по прочности основной материал труб, а их долговечность определяется структурой полимеров и условиями эксплуатации. В ряде работ проведен достаточно детальный анализ факторов, влияющих на надежность стыковых соединений [2-4].

Сварка закладными электронагревателями (ЗН), называемая иначе: электросварка, электроимпульсная, электротермическая, электродиффузионная сварка, сварка электросплавлением и закладными электрическими нагревателями приобретает все больше сторонников. Анализ факторов, определяющих надежность сварных соединений с ЗН, слабо представлен в литературе.

Существенным недостатком электросварки считалась дороговизна фитингов. Однако сторонники сварки с ЗН логично отмечают, что цена фитингов несущественна, если соединению подлежат длинномерные трубы (длиной до нескольких сот метров) смотанные в бухты или на катушки. Кроме того, муфты удобны при сварке в стесненных условиях и при ремонте трубопроводов. В некоторых случаях, с помощью электромуфт возможна также сварка разнотолщинных деталей и заготовок из различных градаций полимеров, а также сшитого полиэтилена.

Фитинги с ЗН седельной конструкции нашли широкое применение взамен неравнопроходных тройников, в качестве врезок в действующие трубопроводы, в том числе под давлением, в качестве ремонтных пластырей и других назначений.

Следует отметить типичную ошибку многих дилеров фитингов с ЗН и сварочных машин. Иногда преимуществом метода сварки ЗН называют слабое влияние «человеческого фактора» на качество соединения. Однако этот довод не выдерживает строгой критики, как с теоретических позиций, так и с точки зрения производственной практики [5].

Технологический процесс сварки ЗН труб малых диаметров действительно производит впечатление несложного, хотя и требует скрупулезного соблюдения всех норм. Что же касается сварки труб средних и больших диаметров, то от исполнителя (сварщикаоператора сварочных машин) требуется не только строгое выполнение предписаний, но и достаточно сложные процедуры по подготовке деталей к сварке и оптимизация основных параметров сварки с участием специалистов (ИТР и контролера).

Автоматизация сварочных машин и компьютеризация протоколирования технологического процесса сварки не исключает полностью «человеческий фактор», особенно в части подготовки деталей к сварке, но, несомненно, поднимает технический уровень технологии сварки до предшествующих процессов получения и переработки полимеров.

Следует отметить, что существующая нормативно-техническая документация (НТД), в которой отражены вопросы сварки ЗН, содержит ряд положений, взятых из авторитетных зарубежных норм, но устаревших и не актуализированных с учетом новых больших размеров свариваемых изделий.

Некоторую неопределенность вносят нормы, удобные производителям труб и деталей, но снижающие эффективность контроля со стороны потребителей.

В результате недостаточного доверия практиков к таким нормам нередко наблюдаются многочисленные технологические импровизации, которые, как правило, снижают качество сварки. В результате народнохозяйственные затраты, понесенные на предыдущих стадиях производства, обесцениваются.

В связи со стремительным расширением производства и соответственно применения труб и деталей под электромуфтовую сварку, а также деталей с ЗН в России проблема повышения технического уровня в области сварки ЗН приобретает высокую степень актуальности.

Высокая аварийность трубопроводов, собранных с грубыми нарушениями технологии сварки ЗН, неизбежна. Аварии сварных соединений с ЗН тормозят внедрение этого метода в практику. Так после серьезной аварии муфтового соединения диаметром 800мм Мосводоканал в 2011 г. запретил применение подобных соединений на своих объектах.

Решающее влияние на качество сварных соединений оказывает организация контроля технологического процесса как важнейшего элемента технологии. Поскольку единственного и абсолютного метода контроля сварных соединений не существует, высокое качество соединений гарантирует многоступенчатая система превентивного, пооперационного контроля и проверки готовых соединений [6, 7].

Ниже принципы технологического контроля сварки ЗН будут подробно рассмотрены.

Настоящее издание не заменяет действующую нормативнотехническую документацию (НТД), а, дополняя ее, является попыткой решения проблемы повышения уровня технологии сварки на основании научно обоснованных представлений и анализа практического опыта, накопленного авторами.

Исходным материалом для настоящей книги являются расширенные и откорректированные издания [8,9], дополненные новыми разделами, расчетно-аналитическими данным и другой научнотехнической информацией.

Существенную помощь в составлении настоящей монографии оказали, Эдуард Краузе (SKZ Германия), Дмитрий Александров (ООО "Глинвед Раша").

1. Развитие рынка ПЭ труб и трубных марок ПЭ в 2011году. Ожидания 2012. /Кирилл Трусов, Мария Кузовкова// Полимерные трубы № 1(35)/март 2012.– С. 28-30.

2. Влияние структуры полиолефинов на долговечность изготовленных из них труб и их сварных соединений / В.И. Кимельблат [и др.] // Долговечность и защита конструкций от коррозии строительство, реконструкция: матер. междунар. конф. – М., 1999. – С. 332-339.

3. Влияние качества сырья на эксплуатационные свойства ПЭ труб/ В.И. Кимельблат [и др.]//Пласт. массы. – 1988. –№ 2. – С. 52,53.

4. Влияние свойств полиэтилена низкого давления на долговечность сварных соединений / В.И. Кимельблат [и др.]//Механика композитных материалов. – 1996. –№ 6. –С. 842-847.

5. Кимельблат, В.И. Роль, место и обучение кадров в технологическом процессе применения полимерных труб / В.И. Кимельблат // Полимерные трубы. – 2008. –№ 4 (22). –С. 70-78.

6. СП 40-102-200 °Cвод правил по проектированию и строительству. «Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов».

7. СП 42-103-2003 Свод правил по проектированию и строительству. «Проектирование и строительство газопроводов из полиэтиленовых труб и реконструкция изношенных газопроводов».

8. Электродиффузионная сварка труб и фитингов: учебное пособие/ В.И. Кимельблат, И.В. Волков; Федер. агентство по образованию, Казан. гос. технол. ун-т. – Казань: КГТУ, 2010. – 84 с.

9. Традиции и новации в электродиффузионной сварке/ В.И. Кимельблат, И.В. Волков, Н.В.Прокопьев; М-во образ. и науки, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань: КНИТУ, 2011.-108 с.

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.