Закрыть

Укажите свой город:

Или выберите из списка:

Эволюция технологии стыковой сварки пластмассовых труб

 
В середине 50-х годов прошлого века немецкий химик-органик Карл Циглер и итальянский физик-химик Джулио Натта подарили миру технологии производства полиэтилена низкого давления и изотактического полипропилена. Рождение этих технологий ознаменовало начало великого переворота, который мы до сих пор переживаем во многих областях жизни, особенно ? в системах трубопроводного транспорта. Специалисты разных стран очень быстро оценили достоинства новых материалов:
- Термопластичность, т.е. возможность формовать изделия из расплавленного материала;
- Высокую химическую инертность материала, отсутствие коррозии;
- Высокую прочность;
- Электроизоляционные свойства;
- Сравнительно невысокую цену.
Поэтому на стыке 50-х и 60-х годов технологи стран с развитой промышленностью лихорадочно разрабатывали технологии производства трубопроводов из этих материалов.
 
Новые материалы оказались более ярко-выраженными термопластами, чем уже известный ПВХ, т.е. температура терморазрушения намного превышала температуру вязкой текучести. Поэтому известные технологии экструдирования труб и литья соединительных деталей были легко адаптированы для ПНД и ПП даже с некоторыми упрощениями.
Гораздо сложнее обстояло дело с монтажом трубопроводов методом сварки.
 
1. В первоначальном варианте технологии сварки нагретым инструментом были разработаны в 1958г.:
- Р.Фойгт. Руководство по сварке пластмасс, 1958г.
- В.Шредер. Обработка и сварка пластмасс, 1958г.
- Аппарат для сварки пластмассовых труб и деталей, патент Швейцарии ?334038 31.12.58г.
Однако рекомендации по технологии сварки в различных источниках того времени заметно отличались друг от друга и нуждались в практической проверке.
Это не испугало, а, скорее, вдохновило специалистов технически развитых стран на эксперименты по созданию оборудования и проведению ?опытного? монтажа пластмассовых трубопроводов.
 
Вот несколько примеров оборудования, созданного в период с 1958 по 1965 г.г.:
 
Установка пя 990
 
Установка для сварки труб встык
Изготовитель: п/я 990
Диаметры:110-250мм
Сварка угловых швов
 
 
 
 
 
Установка ВНИИ ГМ
 
 
Установка для сварки труб встык
Изготовитель: ВНИИ гидротехники и мелиорации
Диаметры: 110-315мм
 
 
 
 
Солнечногорский станок
 
 
Станок с пневматическим приводом для сварки труб и фасонных деталей в конический раструб
Изготовитель: Солнечногорский экспериментальный комплекс института ?Оргэнергосторй?
Диаметры: 110-225мм
 
 
 
 
 
 
Установка НИИ Мосстрой
 
 
Экспериментальная установка с гидравлическим приводом для сварки труб встык
Изготовитель: НИИ Мосстрой
Диаметры: 110-160мм
 
 
 
 
 
Станок Завода N2 Главмосстроя
 
 
Станок с механическим приводом для сварки труб встык
Изготовитель: Завод ?2 Главмосстроя
Диаметры 40-110мм
Сварка угловых швов
 
 
 
 
 
 
Станок Завода N3 Главмосстроя
 
 
 
Станок для контактной сварки труб и отводов
Изготовитель: Монтажный завод ?3 Главмосстроя
 
 
 
 
 
Сварка в конический раструб
 
Электронагревательный инструмент для контактной сварки труб из ПНД в конический раструб
Производитель: Солнечногорский экспериментальный комплекс института ?Оргэнергосторй?
Диаметры: 110-225мм
Рабочие поверхности имеют уклон 5º
Перед сваркой на одной из труб формируется раструб
 
 
Раструбная сварка
 
 
 
Комплект для раструбной сварки
Изготовитель: НИИ Мосстрой
Диаметры: 20-40мм
 
 
 
 
 
 
Нагреватель
 
 
 
 
Электрический нагреватель с подставкой
Предназначен для сварки труб встык
Для раструбной сварки или изготовления коллекторов комплектуется специальными насадками
Изготовитель: НИЛ Востокметаллургомонтаж
 
 
 
 
 
2. Через несколько лет в Отчете Экспериментально-Конструкторского Бюро Госмонтажспецстроя СССР по теме ?Применение неметаллических труб в технологических трубопроводах? (1964г.) для соединения труб предлагаются:
  • Разъемные механические соединения, аналогичные современным фитингам для труб из PEX. Рекомендуются для применения ??в полиэтиленовых трубопроводах для сред, не вызывающих коррозии металлических деталей?.
Комментарий автора: Время релаксации напряжений у ПНД в несколько раз меньше, чем у PEX. Другими словами, ПНД сравнительно быстро ?вытекает? из-под обжимающих деталей механического соединения, соединение теряет прочность и герметичность.
  • Прутковая сварка горячим газом. Рекомендуется для труб из ПНД и ПВХ. Отмечается, однако, что прочность сварного соединения колеблется в пределах 30-80% прочности основного материала.
  • Раструбная сварка.
  • Контактно-стыковая сварка.
Применявшиеся в то время технологии раструбной и стыковой сварки существенно отличаются от современных описанных в нормативных документах и широко применяемых технологий.
В частности, рекомендации по стыковой сварке здесь следующие:
?При контактно-стыковой сварке на концах свариваемых труб снимаются внутренние фаски под углом 60º. Затем торцы труб прижимают к поверхности металлического нагревательного элемента, нагретого газовой горелкой до температуры 200-230º и держат до тех пор, пока не начнут плавиться подлежащие сварке поверхности, после чего концы труб соединяются небольшим усилием рук.
Рекомендуется не тревожить соединение до отвердения стыка.
Нагревательные элементы для контактной сварки изготавливаются из тщательно отполированной нержавеющей стали или из меди?
?При контактной сварке прочность сварного шва? составляет 75-85% прочности основного материала.?
Согласитесь, простота описанной технологии подкупает!
 
Фторопласт-4 (политетрафторэтилен), который составляет основу всем привычного теперь ?тефлонового? покрытия, в то время был диковинкой, хотя и производился в СССР для оборонных целей уже с 1948г. Поэтому тефлоновое покрытие на рабочие поверхности нагревателя не наносилось. Полировка поверхности и другие ухищрения достойного эффекта, к сожалению, не давали. Но ведь не отказываться из-за этого от контактной сварки пластмасс!
В своей Научно-исследовательской работе по теме ?22 ?Трубопроводы из термопластов? (1963г.) Лаборатория пластмассовых труб и изделий Отдела полимерных материалов Академии строительства и архитектуры СССР дает следующее оправдание прилипанию расплавленного материала к нагретому инструменту:
??часть вязко-текучего материала остается на нагревательных поверхностях вследствие прилипания?Отрыв материала происходит по зоне, находящейся в наиболее текучем состоянии?Прилипание поверхностного слоя полиэтиленовых труб и деталей к инструменту имеет положительное значение. На нагревательных поверхностях остается как раз та часть материала, которая наиболее окислилась при контакте и которая могла быть загрязнена с поверхности.?
К 1965г. стандартизация труб, деталей и методов их сварки вс? еще не была проведена. В отчете ВНИИГС Госмонтажспецстроя СССР по теме ?Трубопроводы из полимерных материалов? (1964-1965гг.) указывается на недостаток технологий и нормативной базы:
??до сих пор не произведен отбор наилучших видов приспособлений, инструмента, нет официальных инструкций по изготовлению и монтажу полиэтиленовых трубопроводов из ПВП в пределах всего действующего сортамента выпускаемых труб, т.е. до Ø300мм?.
3. Даже в 1970г. технология стыковой сварки еще далека от совершенства. Согласно Отчету ВНИИМОНТАЖСПЕЦСТРОЯ по теме ?Разработка технологии изготовления деталей и узлов трубопроводов из полимерных материалов? (1970г.), технология стыковой сварки состоит в следующем (см. рис.1):
??концы свариваемых труб торцуют, снимают фаски?После центровки труб торцы их прижимают к нагревательному инструменту с небольшим усилием, обеспечивая равномерность прогрева материала и удаления пузырьков. Для труб из ПНД величина усилия составляет ? 0,5 кгс/см2.?
Правда, рекомендации по температуре нагретого инструмента и времени нагрева торцов здесь уже близки к современной технологии, а поверхность нагревателя рекомендуется хромировать, никелировать или (!) покрывать фторопластовой пленкой. Однако, время перестановки, осадки и охлаждения, а также усилие прижима труб при охлаждении никак не регламентируются, а прочность шва по-прежнему составляет 75-85% прочности основного материала
 
 
 
 
Рис. 1         
 
4. В ноябре 1962г фирма Wiik&Hoglund, Финляндия (современное название Oy KWH Pipe Ltd.) подала патентную заявку на технологию стыковой сварки труб из ПНД, которая была вполне совершенна и вполне соответствовала современным технологиям, описанным в нормативных документах различных стран. В декабре 1969г патент был наконец зарегистрирован за ?40341.
 
Тем не менее, технология стыковой сварки в России оставалась ?недоделанной? и не утвержденной единым государственным документом до 1979г, когда
?Многолетние исследования НПО ?Пластик? и ВНИИ строительства магистральных трубопроводов завершены разработкой ОСТ 6-19-505-79 Сварка контактная встык труб из полиэтилена.?
(Отчет ГИПИ ЛКП Минхимпрома СССР о проведенной НИР, 30.04.1986).
В 1988г. технология стыковой сварки была закреплена в более новом нормативном документе - ВСН 003-88 СТРОИТЕЛЬСТВО И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ ПЛАСТМАССОВЫХ ТРУБ.
 
Для того чтобы оценить огромный путь, пройденный разработчиками технологии, попробуем проследить ход их мысли.
 
Для осуществления процесса сварки необходимо нагреть свариваемые поверхности для разрыва сил взаимодействия между макромолекулами (Ван-дер-Ваальсовых сил) и приведения материала в вязко-текучее состояние. Затем необходимо прижать поверхности друг к другу, в результате чего вязко-текучий материал в зоне контакта начинает течь, выдавливая загрязнения и пузырьки воздуха, макромолекулы свариваемых поверхностей перемешиваются, граница между свариваемыми изделиями исчезает. При охлаждении материала тепловое движение молекул становится слабее, и Ван-дер-Ваальсовы силы снова связывают их в твердое тело. (Вольное изложение книги С.С. Волкова 'Сварка и склеивание полимерных материалов', Москва из-во 'Химия' 2001г.)
На первый неискушенный взгляд, технология стыковой сварки, описанная в 1964г., работоспособна и достаточна. Кажется, что к ней нечего добавить, кроме тефлонового покрытия нагревателя.
 
При ближайшем рассмотрении оказывается, что первая ошибка была допущена в рекомендации снятия внутренней фаски при подготовке торцов труб к сварке (рис.1). Фаски давали пространство для внутреннего валика расплавленного материала (грата), в результате внутреннее сечение трубопровода в месте сварки не уменьшалось. Зато уменьшение площади сечения торца трубы (т.е. свариваемой поверхности) отнимало все шансы приблизить прочность такого сварного соединения к прочности исходной трубы.
Зато когда недопустимость слишком маленькой площади свариваемой поверхности была осознана, эксперименты с т.н. сваркой в конический раструб постепенно привели к созданию современной технологии раструбной сварки. Но это совсем другая история.
 
Помимо этого, рекомендованный в 1964г. непродолжительный нагрев свариваемых поверхностей ??пока не начнут плавиться подлежащие сварке поверхности?? приводит к резким перепадам температуры в близко расположенных друг от друга областях (рис.2). В результате после охлаждения шва получаем внутренние напряжения, снижающие прочность шва.
 
 
 
 
Рис. 2       
 
Для максимального устранения внутренних напряжений необходим как можно более глубокий и плавный прогрев торца трубы (или листа, если речь о стыковой сварке листов). Глубина прогрева ограничивается тем обстоятельством, что при последующем прижиме торцов друг к другу прогретая область не должна смяться.
Оптимальная глубина прогрева примерно равна толщине стенки трубы (или толщине листа), причем тонкий слой материала, контактирующий с нагревателем, должен быть нагрет до вязко-текучего состояния (рис. 3). Современное описание технологии утверждает, что такой прогрев обеспечивается при следующих условиях:
  • температура нагревателя соответствует рис. 4;
  • значение времени нагрева в секундах приблизительно равно десятикратному значению толщины стенки трубы в миллиметрах (табл. 1).
 
 
 
 
 
Рис. 3    
 
 
              Рис. 4
 
Таблица 1
Толщина стенки, мм
Время нагрева, сек
до 4,5
4,5 - 7,0
7,0 - 12,0
12,0 - 19,0
19,0 - 26,0
26,0 - 37,0
37,0 - 50,0
50,0 - 70,0
45
45 - 70
70 - 120
120 - 190
190 - 260
260 - 370
370 - 500
500 - 700
 
В рекомендациях 1970г. значения температуры нагревателя уже указаны верно. Однако усилию прижима торца трубы к нагревателю еще не уделили должного внимания.
 
При первом контакте торцов труб и поверхности нагревателя оказывается, что даже тщательно подготовленная поверхность торца далека от идеальной плоскости. Поверхность нагревателя также имеет определенную шероховатость. Тонкий воздушный зазор, который остается между торцом трубы и нагревателем ? серьезное препятствие для переноса тепла от нагревателя к свариваемой поверхности.
Для быстрого достижения полного теплового контакта необходимо в начале нагрева с большим усилием прижать торец трубы к нагревателю. Тогда выступы на поверхности торца будут быстро оплавлены и выдавлены наружу в форме равномерного круглого валика (рис. 5), одновременно заполняя неровности на поверхности нагревателя. Выдавленный расплавленный материал называют гратом. Необходимое количество выдавленного материала (т.е. высота грата), при котором полный тепловой контакт можно считать достигнутым, очевидно, тем больше, чем толще стенка трубы.
 
 
 
 
Рис. 5    
 
Осталось определить, с каким усилием необходимо прижимать трубу к нагревателю. Если усилие будет недостаточным, грат рано или поздно вс?-таки достигнет нужной высоты, однако время будет упущено.
А вот если усилие прижима будет чрезмерным, недогретый материал будет выдавливаться наружу в форме острых лепестков (рис. 6), что в конечном итоге неблагоприятно скажется на распределении напряжений в зоне готового сварного шва.
Оптимальное усилие прижима для труб из ПНД к нагревателю на ПЕРВОМ этапе сварки, рекомендуемое в DVS 2207-1 (Германия) и нескольких Российских нормативных документах ? 1,5 кгс на каждый см2 площади торца трубы.
Время образования грата нужной высоты не регламентируется. Готовность грата оператор всегда определяет визуально, даже при сварке на автоматизированном аппарате.
 
Рис. 6    
 
Когда полный тепловой контакт достигнут, усилие прижима между трубой и нагревателем, теоретически, можно сбросить до нуля. Практически, для поддержания гарантированного контакта между трубой и нагревателем на реальном оборудовании какое-то минимальное усилие прижима вс?-таки нужно оставить. Расчеты показывают, что 10-кратное уменьшение усилия прижима (т.е. до 0,15 кгс/см2) вполне достаточно, чтобы вязко-текучий материал перестал сколько-нибудь заметно течь, увеличивая высоту грата.
Поскольку время образования грата незначительно по сравнению с требуемым временем нагрева торца трубы (табл. 1), отсчет времени нагрева (ВТОРОЙ этап сварочного процесса) начинают именно от момента сброса усилия прижима.
 
По окончании нагрева (рис. 3) необходимо удалить нагреватель и прижать свариваемые поверхности друг к другу для их сварки. Время от момента потери контакта между трубой и нагревателем до момента касания свариваемых торцов труб называют временем перестановки (ТРЕТИЙ этап).
Среди факторов, ограничивающих допустимое время перестановки, на первом месте ? остывание оплавленного торца трубы до потери вязко-текучего состояния. Поскольку проведение сварки пластмассовых изделий рекомендовано при температуре воздуха в диапазоне 5-40ºС, максимально допустимое время перестановки с небольшой перестраховкой определено для самых жестких условий ? для температуры 5ºС. Очевидно, что для толстостенных труб допустимое время перестановки выше, чем для тонкостенных. От диаметра трубы оно никак не зависит.
По некоторым исследованиям, горячий полиэтилен (ПНД) довольно быстро окисляется на воздухе, хотя и заметно медленнее, чем полипропилен (ПП). Поэтому следует стараться всеми силами сокращать время перестановки.
 
Очевидно, что идеальным результатом является соединение, которое в течение расчетного срока эксплуатации трубопровода будет иметь прочность не ниже прочности исходной трубы.
Однако по меньшей мере два фактора снижают качество материала в зоне сварки. Первый из них ? возможное наличие пузырьков воздуха, окисленного материала и загрязнений в зоне сварки, о чем говорилось выше. Способ борьбы с этой неприятностью ? прижать свариваемые поверхность со значительным усилием, чтобы указанные вредные включения ?текли? наружу вместе с расплавленным материалом.
Второй ?неприятный? фактор ? известен как термодеструкция. Макромолекулы даже самых лучших термопластов статистически разрушаются при нагреве, средняя длина молекул снижается, и прочность материала уменьшается. Этот эффект тем больше, чем выше температура нагрева материала.
 
Для того чтобы компенсировать потерю прочности материала, нужно, как минимум, пропорционально увеличить толщину стенки трубы в зоне нагрева. Поскольку различные зоны торца трубы при сварке нагреваются до разных температур, то и увеличение толщины стенки должно быть разным. Тогда идеальная форма шва после остывания должна соответствовать рис. 7. Для достижения такой формы шва необходимо нагретые торцы труб с усилием прижать друг к другу для остывания (ПЯТЫЙ этап). Это усилие ?раздавит? стенку трубы тем больше, чем больше она в этом месте нагрета.
 
Рис. 7      
 
Оптимальное усилие прижима для ПНД, соответствующее указанному режиму нагрева, это опять же 1,5 кгс/см2.
 
При создании усилия прижима торцов для остывания следует учитывать, что в момент контакта торцов труб после перестановки распределение температуры имеет вид, показанный на рис.8. В тонком зазоре материал труб находится в состоянии вязкой текучести. Если быстро создать усилие прижима, то этот материал будет в значительной мере выдавлен из зоны сварки и увеличит внутренний и наружный грат.
 
 
 
 
Рис.8       
 
Однако не это самое страшное. Макромолекулы материала в исходной стенке трубы расположены хаотично, без какой-либо преимущественной направленности. Благодаря этому исходный материал имеет одинаковую прочность в любом направлении, т.е. является аморфным. Если же заставить материал течь в тонком зазоре, то в этом самом зазоре преимущественное расположение макромолекул будет направленным от оси трубы. Принимая во внимание, что у подавляющего большинства термопластов ?расслоить? макромолекулы (т.е. преодолеть Ван-дер-Ваальсовы силы) значительно легче, чем разорвать саму макромолекулу (т.е. преодолеть силы химического взаимодействия между ее звеньями), такой сварной шов будет иметь низкую прочность в направлении, параллельном оси трубы.
Для снижения этого неприятного эффекта между перестановкой и охлаждением введена дополнительная технологическая фаза ? осадка (ЧЕТВЕРТЫЙ этап сварочного процесса). Заключается она в том, что после контакта торцов трубы усилие прижима необходимо создавать не мгновенно, а плавно, в течение строго регламентированного ?времени осадки?. Таким образом, самый горячий слой успевает отдать часть тепла соседним слоям материала и перейти из вязко-текучего состояния в пластичное. Распределение температуры в изделии через короткое время после контакта показано на рис.9.
Регламентированное время осадки, очевидно, увеличивается с увеличением толщины стенки и не зависит от диаметра трубы.
Рис.9      
Реальный шов (рис. 10) отличается от идеального (рис. 7) наличием грата. Бытует мнение, что грат увеличивает прочность шва. Однако испытания показали, что углы, образуемые гратом, при приложении нагрузок к трубе являются такими же концентраторами напряжений, как и острый надрез. Поэтому, в общем случае, аккуратное (без царапин) удаление грата не снижает прочность сварного соединения.
 
 
Рис. 10       
 
5. Не умаляя достоинств Российских разработчиков технологии и не сомневаясь в самостоятельности их работы, следует, однако, заметить, что в настоящее время в мире существует несколько стандартов на технологию стыковой сварки - DVS, INSTA, WIS, UNI и др. Эти стандарты обыгрывают три основных параметра каждого технологического этапа сварки ? температуру, усилие прижима и продолжительность. Однако приводят к более или менее одинаковым результатам, из которых главный - прочность сварного соединения не ниже прочности исходной трубы. Наиболее популярным для стыковой сварки труб из ПНД является DVS 2207-1 Германской Ассоциации Сварочных Технологий (Deutscher Verband für Schweißtechnik DVS). Российский ВСН 003-88 во многом его повторяет, хотя и недостаточно подробно.
Полотенцесушители для ванной Огромный выбор! Ведущие производители! Низкие цены! Купите сейчас!
Компания "Тессер", ООО, Подольск
Полотенцесушители Полотенцесушители!Низкая цена!
Интернет-магазин "Стройландия", Сорочинск
Полотенцесушители Полотенцесушители в Москве: от простых до самых сложных
Сантехресурс 2000, ООО, Москва
Полотенцесушители Легко! У на вы точно найдете то, что искали!
ООО "Билдибон", Москва
Монтаж и замена ванны Срочный выезд во все районы! Гарантия! Работы любой сложности!
Компания "Служба Ремонта", Москва
Монтаж и ремонт душевых кабин Установка кабин! Любые модели! Недорого! Качественно! Гарантия!
Компания "Служба Ремонта", Москва
25% Надежность
n/a Скорость
0/0 Отзывы

Комментарии

Пока никто не прокомментировал
или зарегистрируйтесь чтобы оставлять комментарии.

Похожие статьи

Новейшая технология очистки сточных вод WSB

Компания ?АкваБиоТек? Екатеринбург предлагает новейшую технология очистки сточных вод WSB ? технология для коттеджей, пос?лков, территорий предприятий. Основное е? преимущество состоит в том, что при длительном отсутствии людей (например, во внесезонный период в пансионатах, л...

Полотенцесушители: общая информация

  Полотенцесушители сегодня являются товаром массового спроса, в том числе и среди пользователей отечественного Интернета. На рынке представлено не менее полусотни изготовителей и не менее тысячи серийных моделей. Полотенцесуши

Ванна в Ванну - новая технология реставрации

Сегодня мы хотим рассказать о новом методе, который позволит преобразить, казалось бы, уже отслужившую обшарпанную поверхность ванны и получить абсолютно новое изделие, радующее своими отблесками и глянцевой поверхностью.

Компания WEFA PLASTIC (Германия) применяе...

В конце 2002 года крупнейшим мировым производителем сырья для пластиковых трубопроводов компанией ?Borealis? (Дания) были завершены работы, начавшиеся ещ? в 1995 году, по созданию нового материала - полипропилена марки ?Borealis RA-130E ?. Материал специально ра...

Добавить отзыв

Ваша оценка:
  • худшее на свете
  • очень плохо
  • плохо
  • терпимо
  • приемлемо
  • хорошо
  • очень хорошо
  • отлично
  • самое лучшее
  • эталон!
Напишите ваше мнение и опыт взаимодействия: *
Для того, чтобы оставить отзыв, введите следующие персональные данные:
Вас зовут *
E-mail *
Укажиет код с картинки *