Эволюция технологии стыковой сварки пластмассовых труб
Главная > Сантехника > Эволюция технологии стыковой сварки пластмассовых труб

Эволюция технологии стыковой сварки пластмассовых труб

В середине 50-х гг. прошлого века двое учённых подарили миру технологии производства полиэтилена низкого давления и изотактического полипропилена. Появление этих технологий ознаменовало начало великого переворота, особенно – в системах трубопроводного трр-та. Достоинства новых материалов специалисты разных стран очень быстро оценили :

  • термопластичность, т.е. возможность формовать изделия из расплавленного материала
  • высокую химическую инертность материала, отсутствие коррозии
  • электроизоляционные свойства
  • в ысокую прочность
  • с равнительно невысокую цену

Эти материалы оказались лучше, чем уже известный ПВХ, т.е. t терморазрушения намного превышала t вязкой текучести. Поэтому были легко адаптированы для ПНД и ПП даже с некоторыми упрощениями.

Гораздо сложнее обстояло дело с монтажом трубопроводов методом сварки.
 
Приведём несколько примеров оборудования, созданного в период с 1958 по 1965 года:
 
Установка для сварки труб встык
Изгот-ль: ВНИИ гидротехники и мелиорации
Ф : 110-315мм

Установка для сварки труб встык
Изгот-ль: п/я 990
Ф:110-250мм
Сварка угловых швов
 
Станок с пневматическим приводом для сварки труб и фасонных деталей в конический раструб
Изгот-ль: Солнечногорский экспериментальный комплекс института «Оргэнергосторй»
Ф: 110-225мм

Станок с механическим приводом для сварки труб встык
Изгот-ль: Завод №2 Главмосстроя
Ф 40-110мм
Сварка угловых швов

Экспериментальная установка с гидравлическим приводом для сварки труб встык
Изгот-ль: НИИ Мосстрой
Ф: 110-160мм

Станок для контактной сварки труб и отводов
Изгот-ль: Монтажный завод №3 Главмосстроя

Электронагревательный инструмент для контактной сварки труб из ПНД в конический раструб
Произв-ль: Солнечногорский экспериментальный комплекс института «Оргэнергосторй»
Ф: 110-225мм
Рабочие поверхности имеют уклон 5º
Перед сваркой на одной из труб формируется раструб

Электрический нагреватель с подставкой
Предназначен для сварки труб встык
Для раструбной сварки или изготовления коллекторов комплектуется специальными насадками
Изгот-ль: НИЛ Востокметаллургомонтаж

Комплект для раструбной сварки
Изгот-ль: НИИ Мосстрой
Ф: 20-40мм

После истечения нескольких лет в Отчете ЭКБ 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».

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.

Технология применения 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.

В ноябре 1962г фирма Wiik&Hoglund подала патентную заявку на технологию стыковой сварки труб из ПНД, которая была вполне совершенна и вполне соответствовала новым технологиям, описанным в нормативных документах различных стран. В декабре 1969г патент был наконец зарегистрирован за №40341.

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.                     
 
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.

В рекомендациях 1970г. значения t 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.

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 всё-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.

Осталось определить, с каким усилием необходимо прижимать трубу к нагревателю. Если усилие будет недостаточным, грат рано или поздно всё-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.
 
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.    
 
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.

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.

 


Скачать прайс лист

Наш офис во Владивостоке:
т. +7 (914) 969-91-29
Stroymat-opt@yandex.ru





© 2007-2018 www.Stroymat-opt.ru На складе во Владивостоке - стройматериалы из Китая | керамогранит оптом | гранит | фасад алюкобонд | сайдинг | панели Ханьи | сэндвич панели | ондулин | фанера ОСБ | оцинковка | утеплитель Hansol | пенополистирол | гипсокартон | профиль для ГКЛ | ГВЛ | стекломагниевый лист СМЛ | потолок Армстронг | стекло листовое и другие отделочные материалы оптом из Китая.

Партнёры проекта: The top-rated bitcoin casino poker sites all have rewarding welcome bonus

Rambler's Top100