Оптимизация технологии контактной сварки встык. Учет свойств полимеров.

"Оптимизация технологии контактной сварки встык.
Учет свойств полимеров"
журнал "Полимерные трубы" №2 (28) стр 32 - 36

В.И. Кимельблат, И.В. Волков, В.В. Глухов

Страница 1
Страница 2

    Монтажно-эксплуатационные характеристики полимерных труб превосхо-дят показатели традиционных труб в основных сферах применения. Мировая практика и отечественный опыт подтверждают высокую надежность и долговечность полимерных трубопроводов. Остановить или даже затормозить процесс вытеснения традиционных труб полимерными, как мы полагаем, уже невозможно. При этом следует отметить ряд проблем и задач, которые необходимо решать для повышения эффективности применения полимерных труб. Наш опыт трех десятилетий анализа причин аварий полимерных трубопроводов показал: наиболее частой и основной причиной аварий полимерных трубопроводов являются грубые нарушения технологии сварки контактной сварки нагретым инструментом, обусловленные «человеческим фактором».
    Вместе с тем разрушения сварных соединений часто происходят тогда, когда суммируются эффекты нескольких факторов, прямо не зависящих от сварщиков. В число причин аварий полимерных трубопроводов входят неоптимальные характеристики полимеров и недопустимые сочетания материалов и размеров свариваемых деталей. Почему оптимизация технологии сварки полимерных труб с учетом свойств полимеров часто является проблемой?
    Сварка полимерных труб является завершающей стадией переработки полимера, но выполняется обычно в условиях строительства. Руководят сварочно-монтажными работами не переработчики пластмасс, а инженеры строительных специальностей.

Строители лучше знакомы с основными положениями металловедения, чем с актуальными вопросами полимерного материаловедения.

Часто близкое знакомство с полимерами начинается прямо на строительной площадке.

Часто можно услышать от практиков: «Я строю безнапорный или низкона-порный трубопровод, поэтому качество материала меня не интересует». Между тем сварные соединения разрушаются обычно не от внутреннего давления, а от температурного сжатия трубопровода, причем вероятность аварии в значительной степени определяется свойствами материала.

Опасные напряжения и их моделирование

Давление среды транспортируемой по трубопроводу Р создает в стенке трубы тангенциальное напряжение S_ф, которое в инженерной практике часто определяют по формуле Надаи:

S_ф= P(dn-e) /2e

где dn - наружный диаметр, а е - толщина стенки.

Осевое напряжение S_z , вызывающее разрушение стыковых соединений при аналогичных приближениях рассчитывают по формуле:

S_z = P(dn-e) /4e

Таким образом, труба с заглушенным торцом испытывает тангенциальные напряжения вдвое большие, чем осевые. Следовательно, напряжения, обуслов-ленные внутренним давлением менее актуальны, для сварных соединений встык чем для трубы. Эти соображения естественным образом подтверждаются практическими наблюдениями о разрушении трубопроводов под действием нескомпенсированных температурных деформаций.
Соответственно испытания внутренним гидростатическим давлением, необ-ходимые для оценки материала труб, неактуальны для сварных соединений. В тех случаях, когда нужно оценивать роль характеристик материала в формировании показателей надежности и долговечности сварных соединений, их следует заменять на осевое растяжение образцов со швом посредине, вырезанных из труб вдоль их оси. Подобные испытания рекомендованы как в зарубежных нормах, так и в Российских НТД, правда, в качестве дополнительных.

Характер разрушения сварных соединений

    При кратковременных испытаниях на разрывных машинах, при комнатной температуре, гомогенные (т.е. сваренные из одного материала) сварные швы разрушаются всегда по основному материалу, с образованием шейки, по механизму вынужденной эластичности. В практике контроля качества соединений такое разрушение называют пластическим. Разрушения хрупкого характера в плоскости сварки при кратковременных испытаниях свидетельствуют о грубых нарушениях технологии сварки. Результаты кратковременных испытаний не характеризуют материал с позиций свариваемости и не позволяют прогнозировать эксплуатационную надежность сварных соединений.
    Напротив, длительные испытания сварных соединений в режиме, обеспечивающем квазихрупкое растрескивание, позволяют оценить долговечность сварных соединений в процессе эксплуатации. Здесь уместно напомнить, что наблюдаемые в практике эксплуатации разрушения сварных швов тоже носят хрупкий характер.
   Хрупкое разрушение качественных соединений при длительных испытаниях (а также при эксплуатации) не затрагивает плоскость сварки, а происходит в форме роста подгратовых трещин (рис. 1). Зародыши подгратовых трещин неизбежно образуются в области границы проплавления полимера при сварке [1] вследствие параболичности формы границы расплава.

Рис. 1 Расположение подгратовых трещин

Влияние свойств полиолефинов на качество сварных соединений

Логично полагать, что долговечность гомогенных сварных соединений в условиях длительного нагружения будет, подобно долговечности труб, зависеть от молекулярной, макромолекулярной и надмолекулярной структуры материала. Эти соображения получили надежное экспериментальное подтверждение [2].
Для партий полиэтилена модифицированного пропеном получена корреляция долговечности сварных соединений Tс с показателем текучести расплава ПТР₅ и напряжением S:

lgTс = 5,41 - 1,32ПТР₅ - 2,57S, + lgTс = 0,247

с коэффициентом корреляции R=0,967, что позволяет говорить о влиянии молекулярной массы ПНД с пропиленом на долговечность сварных соединений.
В области хрупкого разрушения, долговечность Tс качественных сварных соединений полиэтилена низкого давления трубных марок, модифицированного бутеном, при заданном напряжении зависит от концентрации бутена, оцениваемой по степени кристалличности (рис. 2). В исследованной нами области варьирования плотности (от 961 до 951 кг/см³) Tс возрастала примерно на порядок, что представляет большой практический интерес.
Увеличение размеров короткоцепных ветвлений, образованных сомономерами этилена в ряду пропен - бутен - гексен, действует на долговечность сварных соединений аналогично увеличению концентрации бутена [2]. Приведенные результаты хорошо объясняются в рамках представлений о роли проходных цепей между кристаллами в формировании показателей длительной прочности полиэтиленов [3].

Рис. 2 Зависимость долговечности сварных соединений lgTс (линии равного уровня) от степени кристалличности полиэтилена и осевого напряжения

Сварка гетерогенных соединений

В этом разделе автор не рассматривает заведомо неверные случаи сварки разных классов полимеров, типа проектного решения: «Варить полиэтиленовые трубы винипластовым прутком», поскольку последние 25 лет подобные нонсенсы встречаются очень редко. Случаи сварки ПВД и ПНД тоже не часты, поскольку ПВД практически исчез с трубного рынка. Однако попытки варить трубы из ПНД разных градаций (МРS) происходят постоянно.

Последние 30 лет наблюдалось стремительное развитие трубных марок полиолефинов. Наряду с новыми марками гомополимеров полипропилена на строительном рынке появились блок- и статистические сополимеры пропилена с этиленом трубного назначения. Эволюция трубных марок полиэтилена: ПЭ32> ПЭ50> ПЭ63> ПЭ80> ПЭ100, РЕ RT> … вызывает законное восхищение специалистов, знакомых с этими достижениями, но не вполне понятна практикам строительства. Полиэтилены и полипропилены разных градаций существенно отличаются по мономерному составу, макромолекулярной, надмолекулярной структурам и свойствам. Однако они часто, и ошибочно, воспринимаются строителями, как подобные и равноценные.

В начале 80-ых годов испытывая дефицит бутена и с благословения химиков, в течение несколько лет, в качестве трубной марки, выпускался сополимер этилена с пропеном. Следует отметить, что сомономер пропен, в отличие от бутена и гексена, способен входить в кристаллическую решетку полиэтилена и, поэтому менее эффективен в качестве модификатора надмолекулярной структуры сополимера.

Статистический анализ длительной прочности труб с пропиленом показал, что при норме показателя текучести расплава ПТР₅ = 0,3?0,5 г/10мин, необходимый уровень ДХП имеют только те полимеры, которые обладали относительно высокой молекулярной массой, характеризуемой (ПТР₅<0.4) [3].
Тем не менее, из сополимера этилена с пропеном, имеющего заниженный уровень показателей длительной прочности экструдировано сотни тысяч тонн труб диаметром от 20 до 1200мм. Старые трубы до сих пор эксплуатируются и могут свариваться с современными трубами в порядке ремонта и перекладки трубо-проводов. Таким образом, в зажимах сварочной машины могут оказаться трубы из разных материалов! Долговечность сварных соединений разных градаций и марок полиэтиленов может различаться в десятки раз.

Долговечность гетерогенных сварных соединений определяется долговеч-ностью материала сварного шва, имеющего меньшую стойкость к растрескиванию. Разрушение таких образцов происходит по подгратовой области со стороны наименее долговечного ПНД [2].
Задача оптимизации сварки гетерогенных соединений (из полимеров близкой химической структуры, но отличающихся по показателям длительной прочности), часто не имеет простых решений. Наиболее часто на практике производится недопустимая сварка разнотолщинных деталей (с одинаковым МОР) из материалов разных градаций. Применение вставок с фасками из полиэтиленов высоких градаций затрудняется отсутствием труб нужной толщины. Дополнительные разъемные соединения не предусматриваются проектами. В результате принимаются некорректные решения, которые находят некоторые сомнительные извинения в том, что авторы решений «не ведают, что творят».

Применение методов контроля материалов свариваемых изделий

    Авторы полагают, что в настоящей статье приведены достаточно убедительные доводы в пользу актуальности контроля характеристик свариваемых полимеров с целью прогнозирования надежности и долговечности сварных соединений. Разумеется, нецелесообразно расширять процедуру рутинного входного контроля труб и фитингов в строительных фирмах. Контроль материалов вполне естественно включить в процедуры различных видов аттестации технологий сварки, производственных испытаний при освоении технологии сварки полимеров, при разработке специальных технологий сварки и оптимизации параметров сварки, например, в неблагоприятных условиях, а также при анализе причин аварий. Часть методов контроля стандартизованы и применяются при производстве полимеров и их переработке. Это, в частности, определение плотности, показателя текучести расплава, термостабильности, распределения наполнителей. Подготовленным специалистам по сварке, в ряде случаев, достаточно ознакомиться с показателями полимерного сырья. Другие показатели может предоставить производитель труб и фитингов. Однако, некоторые измерения необходимо выполнить специально. Предусмотренное нормами, но не реализованное в широкой производственной практике определение долговечности сварных соединений при растяжении можно рекомендовать как заводам, так и строительным фирмам.
    В своих исследованиях в области сварки авторы используют, также, специально разработанные высокоточные реологические и релаксационные (РДР- релаксация давления расплава) методы контроля макромолекулярных характеристик полимеров [5].
    Различия в изменении макромолекулярной структуры при переработке ПЭ 63 и ПЭ 80 хорошо отражаются в изменениях спектров РДР на рис. 3. [6]

Рис. 3 Спектры времён релаксации давления ПЭ 63 и ПЭ 80

а - спектры, рассчитанные по аппроксимационной методике (по формуле Шварцеля -Ставермена);
б - спектры, рассчитанные по регуляризационной методике

Рис. 4 Спектры времён релаксации давления ПЭ 100 различных производителей

На рисунке 4 показано, что ПЭ 100 российского производства имеет высокомолекулярную фракцию, о чем свидетельствует пик в области lnT =4,5. Этот пик отсутствует у полиэтиленов других производителей и может быть отнесен к сшитым структурам- дефектам микроструктуры. Наличие такого рода микродефектов приводит к плохой свариваемости полиэтиленовых труб (рис. 5).

Рис. 5 Дефектное сварное соединение из ПЭ 100 российского производства

Рис. 6 Влияние стабилизирующих систем на изменение спектров времен релаксации давления ПЭ80 в процессе термомеханодеструкции [6]

Учебно-методический аспект проблемы

    Использовать характеристики полимеров в практике прогнозирования надежности сварных соединений смогут специалисты по технологии сварки, получившие надлежащую профессиональную подготовку.
При этом явно недостаточно сообщить сварщикам тривиальные положения физико-химии и материаловедения о том, что различные по природе полимеры обычно несовместимы и, поэтому, не свариваются.
    Как мы отмечали выше, эти сведения неактуальны для практики анализа свариваемости полиолефиновых труб и фитингов, хотя бы потому, что их качественно сваренные соединения прочнее основного материала, и разрушаются не в плоскости сварки, а по подгратовым трещинам. Поэтому оптимизация технологии сварки должна базироваться на научно-обоснованных представлениях о роли строения макромолекул, макромолекулярных и надмолекулярных структур в формировании показателей надежности сварных соединений.
    Практическое применение изложенных в данной работе соображений, по нашему мнению, позволит осуществить дальнейшее повышение эффективности применения полимерных труб.

Авторы благодарят профессора Комарова Г.В. и инженера Прокопьева Н.В. за полезные дискуссии, которые, в определенной мере, побудили к написанию этой статьи.

Литература

1.    Каган Д.Ф. Трубопроводы из пластмасс.- М: Химия.-1980.- 296с.
2.    Кимельблат В.И., Черезов С.В., Юденков И.М., Лялина Н.А. Влияние свойств полиэтилена низкого давления на долговечность сварных соединений //Механика композитных материалов-1996.-№6..-С.842-847.
3.    Будтов В.П. Моделирование роли переходных цепей в частично-кристаллических полимерах.// Высокомол. соединения.-1981.-Сер.А.-Т.23.- №1.-С.187-193
4.    Черезов С.В., Серебренникова Т.А., Кимельблат В.И., Юденков И.М. Влияние качества сырья на эксплуатационные свойства ПЭ труб.// Пласт. мас-сы.-1988.-№2.-С.52,53.
5.    Кимельблат В.И., Волков И.В. Тунгусков О.Ю., Соколов С.Ю. Тради-ции и инновации в производстве полимерных труб, Казань: ОАО «Набережночелнинская типография» 2007.-320с.
6.    Волков И.В., Глухов В.В., Кимельблат В.И. Оценка эффективности стабилизирующих систем ПЭ80 методом релаксации давления расплава. // Структура и динамика молекулярных систем: Сборник статей (Ч.1) на XIII Всероссийской конференции “Яльчик-2006”. Уфа-Казань - Москва-Йошкар-Ола- с. 189-193 - 2006г.
7.    Кимельблат В.И., Дорогиницкий М.М. Валеев И.Н, Волков И.В., Вольф-сон С.И.Расчет спектров релаксации давления в расплавах с применением метода регуляризации.// Структура и динамика молекулярных систем: Сборник статей.- Вып. 10,ч.1.- Казань,- 2003.-с. 273-277.

Роль стабилизирующей системы

Роль антиоксидантов в составе свариваемых композиций особенно важна, поскольку доступ кислорода в разогретую зону сварки облегчен, а резервы стабилизирующих систем в значительно мере исчерпываются на предшествующих стадиях переработки. В условиях дефицита антиоксидантов интенсифицируются процессы термоокислительной деструкции полиолефинов, причем ПНД демонстрируют склонность к сшивке [5]. Сшитые структуры ухудшают свариваемость и ускоряют растрескивание ПНД под напряжением. Визуально сшивку при сварке можно обнаружить по неровной, бугристой поверхности грата. Плохо стабилизированные материалы демонстрируют заниженную долговечность сварных соединений [2].
Здесь уместно напомнить, что некоторые производители труб не используют компаундированные марки ПНД. Сажевые концентраты вводят в базовые марки непосредственно при экструзии труб или литье фитингов. О необходимости стабилизации материалов при этом просто забывают. Контроль материала труб и фитингов, по показателям термостабильности, таким образом, превращается в важный элемент технологии сварки.