Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сварка полиэтиленовых труб фитингами с закладными электронагревателями. Учебное пособие
.pdf
В некоторых менее распространенных инновационных деталях
Рис. 1.3. Размещение спирали на наружной поверхности ниппеля
Рис. 1.4. Размещение спирали на трубах
спираль может быть размещена по-иному (рис. 1.3).
Спирали могут быть установлены непосредственно на трубах
(рис. 1.4), разнообразных соединительных деталях: отводах, тройниках, заглушках и т. п., а также в раструбах профилированных труб.
В практике производства деталей с ЗН успешно конкурируют
две конструкции: открытая и закрытая спираль.
Известны попытки применить на практике тепловыделяющие
элементы из полимерных электропроводящих композиций, но они не
получили широкого распространения.
Сущность метода сварки ЗН заключается в подготовке и сборке
соединения полимерных деталей, разогреве электрической спирали,
предварительно размещенной в одной из заготовок и охлаждении соединения.
11
С точки зрения специалистов по полимерам, сварка ПЭ труб ЗН
Рис. 1.5. Сканирование штрих-кода
представляет собой завершающую стадию переработки ПЭ, которая
осуществляется в не вполне благоприятных и потенциально трудно
контролируемых условиях. В этой связи важно строго регламентировать последовательность обязательных операций, выполняемых сварщиком. Сварщик должен аккуратно подготовить заготовки к сварке:
правильно обрезать конец трубы под прямым углом, устранить овальность, очистить рабочую поверхность трубы, собрать соединение. Затем он может подключить кабели аппарата к детали с ЗН и выполнять
сварку, внимательно контролируя процесс:
– ввести исходные данные для сварки, например, используя сканер штрих-кода (рис. 1.5), или вручную;
– проверить информацию на дисплее (рис. 1.6) на аппарате и запустить разогрев ЗН;
– проверить правильность процесса сварки, наблюдая за дисплеем, отмечая ошибки.
12
Рис. 1.6. Показания дисплея перед началом сварки
После завершения сварки сварщик может освободить соединение из позиционера только после окончания регламентированного
срока охлаждения. Эти операции выполняются при сварке ПЭ труб,
а также деталей с трубными концами с муфтами, седловыми отводами,
седелками для врезки под давлением, заглушками и многими другими
деталями с ЗН. При этом основная процедура сварки качественно остается неизменной. Сварочные аппараты обеспечивают подачу определенного количества энергии за заданное время, что необходимо для
разогрева сплавляемых объемов ПЭ до оптимальной температуры.
Сваркой ЗН можно соединять трубы из сшитого полиэтилена, сополимеров пропилена и этилена, полибутена и полиамидов. Чаще всего
этот вид сварки применяется для соединения заготовок из трубных
композиций полиэтиленов (ПЭ) различных марок и градаций.
При производстве фитингов c ЗН применяют только специальные композиции. Композиция – это гомогенная гранулированная смесь
базового полимера с добавками (антиоксиданты, пигменты и УФ-
13
стабилизаторы и др.), вводимыми на стадии производства композиции,
т. е. при компаундировании, в концентрациях, необходимых для переработки материала и использования изделия. Детали с ЗН изготавливаются преимущественно методом литья под давлением из композиций
экструзионного назначения градации ПЭ 100 (MRS 10 MПa). Некоторые крупные детали производят по другим, специальным технологиям.
Методом ЗН сваривают трубы из ПЭ различных градаций. Однако безупречно можно 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) или MRS 10 МПа (ПЭ 100), а также ПЭ 100-RC с близкой вязкостью, оцениваемой по показателю текучести расплава (ПТР).
Согласно директивам Немецкого союза сварщиков (DVS) для
сварки ЗН пригодны полиэтилены низкого давления (ПНД) с показателями текучести расплава (ПТР 190/5) от 0,2 до 1,7. В случае различных
значений ПТР пригодность деталей для безупречной сварки должна
подтверждаться длительными испытаниями сварных соединений в режиме ползучести. Эти соображения полезно принимать во внимание
при сварке разнородных материалов методом ЗН.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте принцип сварки ЗН.
2. Принципы расположения спиралей.
3. Процедура сварки ЗН.
4. Состав композиций для производства фитингов.
14
2 . ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ СВАРКЕ ЗН
В процессе сварки ЗН при нагревании спирали образуется вязкотекучий расплав полимеров свариваемых заготовок. Расплав заполняет
зазоры в соединении и сплавляется под давлением, образующимся за
счет увеличения объема полимера при плавлении частично-кристаллических полимеров и теплового расширения расплавов.
Тепловая энергия начинает выделяться на спирали немедленно
после подключения тока и распространяется в зоне сварки в течение
всего периода сварки. При этом вначале плавится материал детали, где
установлена спираль, а затем материал второй заготовки, обычно
трубы или соединительной детали с трубным концом, называемой часто «спигот». 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 деталями образуется определенный объем расплава. При плавлении кристаллов ПЭ его объем
увеличивается примерно на 3 %. Расплав продолжает увеличиваться
в объеме 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 сплавление заготовок.
Еще в 60-годы ХХ века С. В. Ехлаков исследовал влияние параметров сварки ЗН на кратковременную прочность соединений при
сдвиге, провел микроскопические исследования соединения, выявил
границы оплавления, показал необходимость оптимизации величины
тока по параметрам времени процесса сварки и прочности соединения
на сдвиг. Было показано, в частности, что коэффициент теплопередачи
от ЗН в полиэтилен (0,06 Вт/см
2
) в 50 раз выше, чем на воздухе, что
важно для обоснования норм на подготовку заготовок и анализа многих явлений перегрева спиралей. Было установлено, что прочность
сварного соединения невелика при температуре спирали ниже 150 °С,
поскольку вязкость ПЭ слишком высока, а сварочное давление
15
недостаточно. Таким образом, был инициирован реологический подход к анализу сварки ЗН. Верхний допустимый предел разогрева спирали (270 °С), как предполагалось, ограничен деструкцией ПЭ, причем
результатом деструкции могут стать визуально определяемые макродефекты в виде пузырей и пор.
Эти актуальные, для своего времени данные, в течение десятилетий использовались другими исследователями в расчетах динамики
плавления полиэтилена в сварном соединении, с закладным нагревательным элементом.
Современные методы, в частности данные дифференциальной
сканирующей калориметрии (ДСК), дают основания считать температуру 270 °С чрезмерно оптимистичной в качестве верхней допустимой
границы сварки. Выявлены деструктивные процессы в полиэтилене
уже при температурах, превышающих 230 °С. Причем индукционный
период окисления зависит от эффективности стабилизирующей системы, введенной в ПЭ композицию на стадии компаундирования и сохранившейся после переработки (экструзии труб и литья фитингов),
а также хранения заготовок после производства и до их применения.
Критерии кратковременной прочности сварных соединений ЗН
не являются надежными при прогнозировании надежности соединений
в процессе длительной эксплуатации. Физика пластических деформаций при кратковременных испытаниях и физика квазихрупкого растрескивания при эксплуатации трубопроводов совершенно разная.
Если абстрагироваться от макродефектов, агломератов наполнителя
непроваров и несплавлений, то кратковременные упруго-прочностные
показатели ПЭ определяются степенью кристалличности, а длительная
прочность и соответственно долговечность при статическом нагружении – концентрацией проходных цепей в аморфной зоне. Поэтому основным критерием эффективности научно-технических и технологических новаций остаются прямые оценки длительной прочности. В качестве таковых указания Немецкого союза сварщиков рекомендуют длительные испытания в режиме ползучести в среде поверхностно активных веществ. Трудоемкость этих длительных, по определению, испытаний призвана предостеречь «рационализаторов», предлагающих необоснованные новации в области сварки ЗН.
Для практики вышеизложенное означает необходимость верно
оценивать опасность перегрева ПЭ, особенно при многократной сварке
больших фитингов с ЗН.
16
Новая мифология сварки ЗН
Сварка ЗН традиционно является площадкой для творчества
многочисленных мифов. Часто цель мифов – создание необоснованных
конкурентных преимуществ продаваемой продукции.
Автор считает себя обязанным, с одной стороны, защитить позиции полимерной науки, а с другой – сориентировать специалистов по
сварке в принятии конструктивных, научно обоснованных решений.
Следует отметить, что термины и определения полимерной науки, имеющие отношение к сварке ЗН, вполне устоялись и их ошибочное использование вводит в заблуждение читателей.
К мифам относятся представления о настолько высокой стойко-
сти ПЭ к термоокислительной деструкции, что о ней можно не беспокоиться.
На самом деле при переработке полиолефинов в расплавленном
состоянии, включая сварку, под влиянием флуктуаций тепловой энергии, происходит гомолитический разрыв углерод-углеродных связей
и образование макроалкильных свободных радикалов.
Деградация полиолефинов происходит преимущественно по закону случая. При этом образуются фрагменты макромолекул, большие,
чем мономерное звено.
Свободные радикалы обладают высокой реакционной способностью и инициируют радикальные цепные реакции, протекающие с участием кислорода. Деградация полиэтиленов сопровождается сшиванием. Известно, что даже невысокое содержание кислорода (около
0,3 %) интенсифицирует деструкцию ПЭ, а в отсутствие кислорода
преобладает сшивание.
Окисление полимеров многократно ускоряется ионами металлов
переменной валентности, входящими в состав спиралей ЗН и клемм:
Металлы переменной валентности, в частности медь, в виде
ионов проникают в массу ПЭ.
Этот процесс называют «омеднение». Ионы металлов катализируют распад гидропероксидных соединений, образующихся в термоокислительном цикле даже при температурах ниже 100 °C, что приводит к ускорению окислительных процессов в полимере. Процессы
17
окисления полиолефинов в принципе достаточно хорошо изучены. Общепринятые представления на эту тему подробно изложены в литературе. Для защиты ПЭ фитингов с ЗН от металлов ответственные производители фитингов покрывают спирали защитными лаками. Тем не менее окисление ПЭ фитингов при сверхнормативном хранении и сварке
следует учитывать на практике, особенно если по производственной
необходимости приходится отклоняться от инструкций производителей. К таким девиациям можно отнести многократное повторение процесса сварки.
Высокоэластическое состояние
Состояние расплава при сварке ЗН иногда ошибочно называют
высокоэластическим. Высокоэластическое состояние полимеров характеризуется способностью тел к большим обратимым деформациям
под влиянием сравнительно небольших напряжений. Обратимая высокоэластическая деформация в наиболее чистом виде выражена у сеточных полимеров – сшитых эластомеров или термоэластопластов. Таким
образом, высокоэластическое состояние было бы неблагоприятно для
сплавления полимеров труб и фитингов.
Для сплавления полимеров их необходимо перевести в вязкоте-
кучее состояние, что и достигается при сварке ЗН. Вязкотекучее состояние – одно из основных физических состояний линейных органических полимеров, при котором они обладают текучестью, т. е. доминирующий вклад в их полную деформацию вносит необратимая составляющая (вязкое течение).
Окисленный (оксидный) слой ПЭ
Этот термин возник, вероятно, по аналогии с оксидным слоем
металлов, например алюминия. Термин не вполне корректно отражает
существо вопроса и дезориентирует специалистов по сварке.
При комнатной температуре полиэтилен, защищенный от прямого воздействия солнечных лучей, можно хранить в течение трех лет
без заметного изменения свойств полимера.
На самом деле свариваемость ухудшает пыль, оседающая на поверхности труб, которые обычно накапливают статическое электричество и адсорбированные из атмосферы газы. На поверхность труб могут выпотевать соли жирных кислот, применяемых для улучшения диспергирования добавок в нативном полиэтилене.
18
Еще опаснее сшитые структуры ПЭ, возникающие на поверхности труб и фитингов-спиготов, если они в нарушении правил хранятся
под действием солнечного излучения.
При ремонте ПЭ трубопроводов муфтами с ЗН особенно высока
вероятность загрязнения и механического повреждения свариваемой
поверхности. Эти факторы, а не мифический «оксидный слой» являются главной причиной брака при сварке ЗН.
Поэтому на практике свариваемые поверхности труб и спиготов
необходимо тщательно очищать от грязи, аккуратно механически зачищать, удаляя поверхностный слой и при необходимости дополнительно обезжиривать перед сваркой. Поверхность фитингов с ЗН, упакованных в герметичные пакеты и защищенных от солнца, достаточно
обезжирить, и то по требованию производителя. Хотя их поверхность
также подвергается окислению. Но, поскольку при окислении ПЭ образуются полярные группы, адгезионные свойства поверхности даже
улучшаются. Иначе пришлось бы механически зачищать и рабочие поверхности фитингов с ЗН.
Роль реологических процессов
При сварке ЗН большую роль играют деформации, изучение которых является предметом реологии.
Явление ползучести нельзя недооценивать при хранении заготовок, особенно больших диаметров.
Ползучесть полимеров – процесс нарастания во времени деформации материала в режиме постоянного механического напряжения,
в частности обусловленного гравитационными силами. Явления ползучести подземных трубопроводов под действием давления грунта создают проблемы при ремонте муфтами с ЗН. В результате ползучести
появляются отклонения от правильной формы у фитингов с ЗН труб
и спиготов. Подобные дефекты на практике приводят к авариям. Рабочие концы труб следует скруглять, а детали с неустранимыми дефектами – отбраковывать.
Наряду с упругими деформациями пластические деформации
начинаются при предварительном нагревании (если оно рекомендовано), которое проводится с целью уменьшения избыточных зазоров
между свариваемыми деталями. Дальнейшее нагревание в процессе
сварки проводится с целью получения достаточно текучего расплава,
который под собственным давлением заполняет зазор между свариваемыми деталями.
19
В процессе нагревания и последующего охлаждения холодные
слои свариваемых деталей должны сохранять упругость и поддерживать сварочное давление. При этом наблюдаются обратимые деформации нерасплавленных слоев труб и фитингов. В соответствии с общими
представлениями о роли температуры при сварке следует отметить следующее. При температуре в области сварки ниже температуры плавления кристаллов ПЭ расплав не образуется и его течение не происходит.
С повышением температуры полимера выше температуры плавления ПЭ 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.
До температуры деструкции (Тд) повышение температуры расплава уменьшает вязкость и ускоряет процессы диффузии сегментов
макромолекул, что положительно влияет на качество сварки. С повышением температуры расплава выше Тд стремительно ускоряются цепные реакции термоокислительной деструкции и деполимеризации, сопровождающиеся нежелательными явлениями: газообразованием
и сшивкой. Причем в результате сшивки вязкость ПЭ может увеличиться, что характерно для ПНД, а сплавление ухудшиться.
Деструктивные процессы следует учитывать при оптимизации
таких параметров сварки, как напряжение или сила сварочного тока
и длительность нагрева в неблагоприятных условиях сварки, если приходится вручную корректировать параметры. При этом предпочтительно увеличивать длительность нагрева, а не напряжение или силу
тока, чтобы не превысить Тд и не допустить перегрев.
Полезно принимать во внимание сведения о термостабильности
материалов свариваемых деталей. Термостабильность оценивается
в производственной практике синтеза и переработки ПЭ по индукционному периоду окисления.
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.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]