ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
В настоящее время, согласно нормативным документам, сварку в раструб полипропиленовых труб разрешается производить только при положительных температурах окружающей среды. В Институте проблем нефти и газа СО РАН ведутся работы по разработке технологии сварки полипропиленовых труб, позволяющих производить сварку при температурах до -50 ºС. В статье приведены результаты исследований по сварке в раструб полипропиленовых труб при отрицательных температурах окружающй среды. Показано, что существующие методы контроля качества сварных раструбных соединений малоинформативны и не выявляют нарушения технологии сварки. Предложен метод количественной оценки прочности по месту сплавления сварных раструбных соединений полипропиленовых труб. Использованием данного метода показано, что прочность сварных соединений полипропиленовых труб, произведенных сваркой при отрицательных температурах с использованием предварительного подогрева и охлаждением без теплоизоляции соответствует прочности сварных соединений, полученных стандартной сваркой при допустимых температурах атмосферного воздуха.
полипропилен, сварка в раструб, сварное раструбное соединение, разрушающее напряжение, прочность
Введение. Соединение полипропиленовых труб для водоснабжения, как правило, производят сваркой в раструб, которое надежно и стоимость сварочного оборудования почти в сто раз дешевле, чем стоимость оборудований по сварке встык или закладным нагревательным элементом. По действующим на сегодняшний день нормативным документам сварку полипропиленовых труб можно производить только при положительных температурах окружающего воздуха [1, 2]. В то же время в ИПНГ СО РАН разработана технология сварки полимерных труб при низких температурах, основанная на использовании низкого коэффициента теплопроводности полимерных материалов и локальном нагреве области сварки до нормативных температур производства сварки [3].
Целью исследований являлась исследование прочности сварных раструбных соединений полипропиленовых труб, произведенных при отрицательных температурах.
Основная часть. Сварка в раструб полипропиленовых труб производилась при отрицательных температурах окружающего воздуха по технологической схеме приведенной на рис. 1.
Свариваемые торцы трубы и муфты предварительно подогоревались на длину вылета, превышающей глубину раструба до температуры выше 20 °С специальными сменными насадками для подогрева, установленными на нагревательной пластине дополнительного сварочного аппарата. Затем для равномерного распределения температуры по всей зоне сварки проводилось остывание до 20°С. После операции остывания производилась стандартная сварка. Охлаждение сварного соединения после сварки производилось в теплоизоляционной камере.
Продолжительности подогрева и свободного охлаждения для выравнивания температур свариваемых концов деталей в зависимости от температуры окружающего воздуха и температуры сменных насадок для подогрева для различных типоразмеров трубы рассчитывались с помощью программы PWH-Trumpet, изложенные в работе [3]. В программу вводились размеры трубы, значения теплофизических свойств, температура окружающей среды. В табл. 1. например, приведены результаты расчета продолжительностей подогрева и охлаждения для выравнивания температур полипропиленовых труб PN 10 и муфты, полученные с помощью данной программы для диаметров труб 50–110 мм и различных значений отрицательных температур окружающего атмосферного воздуха.
Использование камеры при охлаждении сварного шва позволяет регулировать динамику и распределение температуры изменением высоты камеры (толщины слоя воздуха) [3]. Сварка производилась по следующим режимам:
Режим 1 – при положительных температурах окружающей среды, стандартная сварка;
Режим 2 – Сварка при отрицательных температурах с предварительным подогревом и остыванием в теплоизоляционной камере, разработанная технология;
Режим 3 – Сварка при отрицательных температурах с предварительным подогревом, остывание без теплоизоляционной камеры;
Режим 4 – Сварка при отрицательных температурах без предварительного подогрева и охлаждением без теплоизоляционной камеры, увеличение времени оплавления на 50 %, с нарушением технологии.
Рис. 1. Технологическая схема сварки полипропиленовых труб при отрицательных температурах:
1–2 – предварительный подогрев; 3 – оплавление; 4 – охлаждение
Таблица 1
Продолжительности подогрева и охлаждения для полипропиленовых труб PN10
|
|
Температура окружающего воздуха, Сº |
||||||||||
|
-50 |
-40 |
-30 |
-20 |
-10 |
|||||||
|
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
||
|
Наружный диаметр трубы Ø, мм |
50 |
60-120 |
60 |
90-120 |
70 |
90-180 |
90 |
90-180 |
110 |
90-180 |
140 |
|
63 |
90-180 |
80 |
120-210 |
100 |
150-240 |
120 |
150-300 |
150 |
180-300 |
200 |
|
|
75 |
120-180 |
90 |
150-210 |
120 |
150-240 |
150 |
180-210 |
180 |
180-270 |
240 |
|
|
90 |
150-210 |
120 |
180-240 |
150 |
180-240 |
180 |
180-210 |
220 |
180-270 |
300 |
|
|
110 |
210-300 |
150 |
180-300 |
180 |
180-240 |
210 |
180-240 |
270 |
210-300 |
360 |
|
1 – продолжительность подогрева, с;
2 – продолжительность охлаждения для выравнивания температур, с
Были проведены стандартные испытания сварных соединений полипропиленовых труб, существующие в нормативных документах, а именно на стойкость при постоянном внутреннем давлении, гидравлические испытания, на статический отдир, на сдвиг сжатием.
Испытания на стойкость при постоянном внутреннем давлении проводились ГОСТ ISO 1167-1-2013 [4]. Раструбное соединение выдерживают определенное время под избыточным гидравлическим давлением, при температуре 80 °С. Качество сварного соединения определяется отсутствием разрывов стыков или соединительных деталей. Испытания выдержали все образцы сварных соединений.
Гидравлическое испытание напорных трубопроводов проводились согласно СП 40-102-2000 [1]. Трубопровод выдерживается в течении 0,5 часа при испытательном давлении равным рабочему давлению умноженному на коэффициент 1,5. Испытание выдержали все образцы.
Испытания на статический отдир [5] выполняются изгибом свободной части образца, защемленного на половину длины сварного шва (рис. 2).
|
б) |
|
а) |
Рис. 2. Общий вид испытаний на отдир образцов сварных соединений:
а) изгиб свободной части образца; б) характерное разрушение по основному материалу
При испытаниях на статический отдир все образцы, включая сварные соединения, полученные с нарушением технологии (Режим 4) разрушились по основному материалу.
Испытания раструбных соединений на сдвиг сжатием проводились согласно ВСН 440-83 [5] на кольцевых образцах высотой h, равной половине глубины раструба l, вырезаемых из раструбного соединения трубы с соединительной деталью (рис. 3).
Рис. 3. Испытание раструбного сварного соединения на сдвиг сжатием на машине ИП-1А-1000
Разрушающие напряжения образцов сваренных при испытанных режимах сварки соответствуют разрушающему напряжению образцов сваренных при положительных температурах окружающего воздуха.
Таблица 2
Результаты испытаний раструбных сварных соединений полипропиленовых труб на сдвиг сжатием
|
Режим сварки |
Разрушающее напряжение, МПа |
|
Режим 1, Тос = +13ºС |
15,33 |
|
Режим 2, Тос = -22ºС, охлаждение в теплоизоляционной камере |
15,47 |
|
Режим 3, Тос = - 22ºС, охлаждение без теплоизоляции |
15,64 |
|
Режим 4, Тос = -19 ºС |
15,58 |
Таким образом существующими методами испытаний невозможно адекватно оценить качество сварных соединений полипропиленовых труб, произведенных сваркой в раструб при различных условиях и температурах окружающей среды. Для оценки качества сварки была предложена новая методика испытаний, основанная на растяжении образцов.
Испытания на сдвиг требуют для каждого типоразмера трубы изготовление индивидуального пуансона и матрицы. Для больших диаметров трубы такое оборудование становиться слишком дорогостоящим, да и соответствующее испытательное оборудование вряд ли найдется. В связи с этим была разработана методика определения прочности сварного соединения в раструб растяжением на серийных испытательных машинах. На стандартном образце для испытаний на растяжение, где исследуемое раструбное сварное соединение расположено посередине образца для определения прочности раструбного сварного соединения полимерной трубы в средней части муфты 1, на ней вырезается прорезь 2 параллельно краю муфты глубиной более оплавленной глубины стенки муфты, но не более толщины стенки муфты и (рис. 4, а). Расстояние прорези 2 от края муфты рассчитывается таким образом, чтобы площадь А испытуемой части раструбного сварного соединения была меньше или равна (не более), чем площадь минимального поперечного сечения образца вне области раструбного соединения. Для определения прочности раструбного сварного соединения полимерной трубы в крайней части (рис. 4, б) на испытуемом образце на внутренней стенке трубы 3 вырезается прорез 4 глубиной более оплавленной глубины стенки трубы, но не более толщины стенки трубы параллельно краю трубы. Расстояние прорези 4 от края трубы рассчитывается таким образом, чтобы площадь А испытуемой части раструбного сварного соединения была не более площади минимального поперечного сечения образца. Образец для определения прочности в средней части раструбного сварного соединения полимерной трубы (рис. 4, в) имеет прорези 2 и 4 соответственно на муфте и трубе с такими же глубинами что и в образцах для определения прочности раструбной сварки с внутренней и внешней стороны трубы соответственно, а испытуемая площадь А сварного соединения, находящаяся между прорезами, не более, чем площадь минимального поперечного сечения образца. При стандартных кратковременных испытаниях на растяжение разрушение образца произойдет по сварному шву по площади А, так как прочность сварного соединения, как правило, меньше прочности основного материала.
|
|
|
|
|
а) |
б) |
в) |
Рис. 4. Схема расположения испытуемых областей сварки в раструбном сварном соединении полипропиленовых труб
Результаты испытаний на растяжение сварных раструбных соединений по предложенной методике в испытуемой области, согласно рис. 4, а, приведены на рис. 5.
Рис. 5. Разрушающее напряжение сварных раструбных соединений полипропиленовых труб
По результатам механических испытаний на растяжение видно, что разрушающее напряжение сварных раструбных соединений, произведенных при температуре минус 35 °С с предварительным подогревом и охлаждением под слоем теплоизоляции не уступает прочности сварных соединений, полученных стандартной сваркой при комнатной температуре.
Выводы
Разработана технология сварки в раструб полипропиленовых труб при отрицательных температурах окружающего воздуха с использованием предварительного подогрева свариваемых деталей и теплоизоляционной камеры во время охлаждения сварного соединения.
Установлено, что существующие в нормативных документах методы испытаний не позволяют выявить нарушения технологии сварки в раструб полипропиленовых труб.
Предложена методика испытаний, позволяющая определить количественно прочность раструбных сварных соединений полимерных труб по месту сплавления при растяжении.
Показано, что прочность сварных соединений, произведенных сваркой при отрицательных температурах с использованием предварительного подогрева и охлаждением без теплоизоляции соответствует прочности сварных соединений, полученных стандартной сваркой при допустимых температурах.
1. СП 40-101-96. Проектирование и монтаж трубопроводов из полипропилена «Рандом сополимер»; введ. 09.04.96.- Официальное издание, Минстрой России М.: ГУП ЦПП, 1997. -14с.
2. ВСН 47-96 Ведомственные строительные нормы по проектированию и монтажу внутренних систем водоснабжения из полипропиленовых труб «Рандом сополимер» (PPRC); введ. 01.08.96.- М.: Ротапринт Мосоргстроя 1996. -14с.
3. Старостин Н.П., Аммосова О.А., Ботвин Г.В. Тепловой процесс сварки полипропиленовых труб в раструб при низких температурах // Сварка и диагностика. 2015. №6. С. 57-61.
4. ГОСТ ISO 1167-1-2013. Трубы, соединительные детали и узлы соединений из термопластов для транспортирования жидких и газообразных сред. Определение стойкости к внутреннему давлению. Часть 1. Общий метод.- Взамен ГОСТ 24157-80; введен 01.08.2014.- М.: Стандартинформ. - (Межгосударственный стандарт).
5. ВСН 440-83 Инструкция по монтажу технологических трубопроводов из пластмассовых труб; введ. 01.01.1984. - М.: ЦБНТИ Минмонтажспецстроя СССР 1984.- с.37-40.
