Сварка полимерных труб и фитингов с закладными электронагревателями - Игорь Волков

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).

Принципы сварки с 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.

Материалы труб и фитингов

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.