CC BY
29
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 691.175.5/.8
В. И. Кимельблат, И. В. Волков, Р. С. Мысяк НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ВИЗУАЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ СВАРКИ
НАГРЕТЫМ ИНСТРУМЕНТОМ ВСТЫК
Ключевые слова: сварка, реология, визуально-измерительный контроль.
В статье рассматриваются различные подходы к визуально-измерительному контролю сварных соединений. Показана возможность экстраполяции полученных данных на супербольшие толщины свариваемых заготовок.
Key words: fusion, rheology, visual and dimensional test.
The paper describes different fusion joint visual and dimensional test approaches. Capability of extrapolation experimental data to super large fusion joint thickness was shown.
Миллионы тонн полиолефиновых труб, представленных на глобальном рынке, соединяются в трубопроводные системы преимущественно путем сварки нагретым инструментом (НИ) встык, которая является завершающим технологическим процессом переработки полимеров. В Российской практике особенно важна сварка НИ встык труб из композиций на основе сополимеров этилена с высшими олефинами (ПЭ) [1].
Неотъемлемой частью технологии сварки НИ является система контроля качества, в частности визуально-измерительный контроль (ВИК) формы и размеров валиков сварного грата.
В Российском ГОСТ Р 54792-2011 приведены традиционные принципы ВИК, основанные на авторитетных германских указания БУ8 [2]. Однако эти принципы могут быть полезны только для контроля сварки НИ в сравнительно узких границах применимости.
Свойства ПЭ
Корректная инструкция ВИК [2] сварных соединений труб из распространяется на ПЭ, характеризующегося следующими показателями.
Показатель текучести расплава в группе ПТР 190/5 от 0.3до 1.2 г/10 мин (при плотности не менее 940 кг/м3) является приемлемым для первой группы ПНД (ПЭ 63).
Показатель текучести расплава в группе ПТР 190/5 от 0.3до 1.2 г/10 мин (при плотности не менее 930 кг/м3) является приемлемым второй группы ПНД (ПЭ 80).
Показатель текучести расплава в группе ПТР 190/5 от 0.2 до 0.7 г/10 мин (при плотности не менее 945 кг/м3) является приемлемым для третьей группы ПНД (ПЭ 100 кроме слабостекающих марок и РЕ-ЯС).
Положения инструкция ВИК [2] корректно распространять на соединения ПЭ труб НИ труб с номинальным наружным диаметром ^ от 63 до 225 мм и номинальной толщиной стенки еп от 3.6 до 20мм.
При сварке за пределами указанных выше областей применения сварщикам следует пользоваться специальными инструкциями (указаниями) произ-
водителей труб и/или разработчиков специальной технологии.
Эволюция объектов сварки - полимерных труб и фитингов, заключается в увеличении их геометрических размеров и применении новых марок полимерных материалов. Некоторые проблемы сварки НИ, наблюдаемые на практике, обусловлены значительным отставанием общепринятых технологических норм от инноваций трубного производства.
В Российской практике производства труб применяют унимодальные ПЭ, а также бимодальные ПЭ 100 со свойствами, не совпадающими с вышеуказанными требованиями. Освоено производство труб больших и супербольших диаметров (до 1600мм) из слабостекающих марок ПЭ 100. ВИК сварных соединений не может быть выполнен, достаточно корректно, на основе устаревших норм [2].
Эти проблемы хорошо известны специалистам высокоразвитых стран Западной Европы и Америки, где в значительных объемах производятся и применяются монолитные ПЭ трубы диаметром свыше 2-х метров. Ассортимент марок ПЭ, используемых за рубежом весьма широк. Поэтому, например, в исследовательских работах [3], проверки сварочных технологий проведены в США на 13 различных марках ПЭ. Поскольку форма грата при сварке разных ПЭ сильно различаются на исследователи вынуждены ограничится довольно лаконичными критериями (рис. 1) [3].
Рис. 1 - Пропорции между геометрическими размерами грата [3]
В традиционных Германских нормах строго регламентировались форма и размеры (ширина) грата [2]. Отклонения размеров грата от норм использовались для выявления нарушений в подготовке заготовок к сварке и отклонения основных параметров сварки от оптимальных значений.
Однако эту традицию прервали результаты исследований сварных соединений современных марок ПЭ. В новых редакциях DVS [4] форма сварного шва потеряла роль критерия качества «в связи с разнообразием материалов и соответственно возможных форм грата, невозможно определить единые критерии оценки».
Рекомендуется, лишь сравнение грата с эталонными образцами. Появившийся в [4] новый критерий грата - слишком большой и слишком маленький объем грата не определен количественно. Вместо этого также требуется сравнивать оцениваемый грат с контрольными образцами. В Германской практике существует традиция привлекать авторитетных экспертов для сварки контрольных образцов, которые рядовые сварщики могут использовать в рутинных работах. Для получения более универсальных критериев необходимо проводить настолько затратные эксперименты, что эти работы пока отложены. Действительно стоимость труб супербольшого диаметра, которые следует сварить для получения результатов, составляет миллионы руб.
Следует отметить, что некоторые технологи практикуют линейную экстраполяцию данных из устарелых нормативов [2].
При поддержке ГК «Полипластик» авторам удалось выполнить большой объем экспериментов, необходимых для получения новых критериев ВИК сварных соединений.
На рисунке 2 изображены данные DVS [2] (жирные прямые) и результаты их экстраполяции (пунктирные линии). Нетрудно заметить, что экспериментальные значения ширины грата (точки Д) входят в область допускаемую нормами [2] только при толщине стенки трубы до 30мм. Для более толстых труб экстраполяция Германских норм на большую толщину стенки абсолютно некорректна.
Вместе с тем полученные нами экспериментальные данные могу быть адекватно интерполированы линейными моделями (прямая линия на рис 2) с соответствующими доверительными интервалами (штриховые кривые на рис. 2, доверительная вероятность 0.95). Эти результаты могут быть использованы для оценки качества сварных соединений методом ВИК непосредственно при сварке и в лабораториях.
Аналогичные результаты получены для высоты грата, который в России традиционно контролируется в соответственно с ОСТ 6-19-505 (рис.3). Легко заметить, что экстраполяция данных ОСТ приемлема до толщины стенки примерно 40 мм.
Достоверные экспериментальные данные о допустимых размерах валика толстых и супертолстых заготовок пока не получены, но потребность для практики сварки уже назрела. Однако достоверность простой экстраполяции полученных авторами
данных в линейных координатах за пределы изученных размеров заготовок весьма сомнительна.
БУ8 2202-1
0 20 40 60 80 100 ен, мм
Рис. 2 - Расчетные и экспериментальные зависимости ширины грата от толщины стенки свариваемых труб
ОСТ 6-19-505
ен, мм
Рис. 3 - Расчетные и экспериментальны зависимости высоты грата от толщины стенки свариваемых труб
Для повышения надежности прогнозирования размеров грата супертолстых заготовок используем априорные расчетно-аналитические данные.
Формирование грата сварного соединения представляет собой реологический процесс, который, в первом приближении может быть описан истечением расплава через щелевую головку (формула 1). Длина головки Ь=еп/2 (номинальная толщина стенки трубы, делится пополам, поскольку течение расплава происходит наружу и вовнутрь трубы), ширина головки
В = лфп- еп) соответствует средней длине окружности трубы, а высота головки Н соответствует толщине расплавленного слоя ПЭ в момент осадки стыка и сплавления заготовок, который и сопровождается образования грата [1].
Объёмный расход по всему поперечному сечению [5]:
V = (1)
где В - ширина канала; Н - высота канала; Ь - длина канала; Ар - перепад давления; в - коэффициент текучести из степенного закона Оствальда- де Виля; у = в*Тт.
Связанный с вязкостью уравнениями:
= б-1 *т1_т = 0 т *ут Ыду
т - индекс течения, т =-
Ыдт
Авторами были выполнены достаточно широкие исследования реологических характеристик современных трубных марок ПЭ [6]. Из этих данных были рассчитаны значения индекса течения т, приведенные в таблице 1. Сравнительно высокие значения т, особенно для полимеров градации ПЭ 100 должны быть приняты во внимание наряду со структурой уравнения (1) в целом.
Таблица 1 - Реологические характеристики расплавов ПНД
№ Марка/партия ПТР, г/10мин П 10 Па с "Л100 Па с m Примечания
ПЭ 80
1 PE 4PP25B/4163 0.450.65 7959 2049 2.4 гранулы
Универсальные ПЭ 100
2 P600BL 0.21 11129 2167 3.3 гранулы
3 Sabk P 6006 0.2-0.26 11199 2100 3.4 материал трубы 01000 SDR 17
4 Sabic Vestolen A 6060R 0.240.36 8864 1746 3.4 гранулы
5 Hostalen CRP 100 0.21 10183 1905 3.6 гранулы
Слабо стекающие ПЭ 100
6 ПЭ2НТ11-9/2263 >0,1 10849 2092 3,6 гранулы
7 ПЭ2НТ11-9/2263 >0,1 10780 2081 3,5 гранулы
8 ПЭ2НТ11-9/2263 >0,1 10692 1999 3,6 Материал трубы 0110 SDR 17
9 ПЭ2НТ11-9/2366 >0,1 10577 1853 3,7 гранулы
10 ПЭ2НТ11-9/2366 >0,1 10337 1983 3,6 гранулы
11 ПЭ2НТ11-9/822 >0,1 10141 1780 3,6 гранулы
12 ПЭ2НТ11-9/415 >0,1 10501 1920 3,3 гранулы
13 ПЭ2НТ11-9/512 >0,1 10083 1978 3,3 гранулы
14 ПЭ2НТ11-9/710 >0,1 11030 2199 3,2 материал трубы 0 630 SDR 17
15 Sabic Vestolen A Rely 5924 R 10000 (Sabic LS) 0.23 9168 1788 3,9 гранулы
Объемный расход расплава V по уравнению (1) оказывается пропорционален (1/L) (2-5т3-9). То
есть, исходя из физической структуры уравнения 1 объем грата сварного соединения и, соответственно его геометрические размеры в достаточно широком диапазоне толщин трубы не могут быть аппроксимированы линейной функцией. Зато есть возможность линеаризации зависимости параметров грата от толщины стенки заготовки в логарифмических координатах.
Эти соображения были проверены на имеющихся экспериментальных данных. Рисунок 4 а,б иллюстрирует результаты такой проверки.
Поскольку экспериментальные данные хорошо линеаризованы в логарифмических координатах, логично рассчитывать на корректность экстраполяции данных на супербольшие толщины свариваемых заготовок.
Результаты экстраполяции изображены пунктирными линиями.
Рис. 4 - Линеаризация экспериментальных зависимостей высоты (а) и ширины (б) грата от толщины свариваемой заготовки
Литература
1. Волков И.В., Кимельблат В.И., Процедуры и основные параметры сварки полиэтилена Вестник Казанского технологического Университета.- Изд-во Казан. гос. технол. ун-та-2014.-т.17, №14 - С.293-296.
2. DVS 2202-1:1989 «Imperfections in thermoplastic welding joints: features, descriptions, evaluation».
3. Generic Butt Fusion Joining Procedure for Field Joining of Polyethylene Pipe .TR-33-12. 2012 PPI.,USA
4. DVS Technical Codes on Plastics Joining Technologies. 2015. Technical CodeDVS 2202. Evaluation of imperfections in joints of thermoplastic materials to piping parts and panels heated plate welding (HS, IR).
5. Микаэли В. Экструзионные головки для пластмасс и резины: Конструкции и технические расчеты / Пер. с
англ. Яз. под редакцией Володина В.П. - СПб.: Профессия, 2007. - 427стр.
6. Волков И.В. Кимельблат В.И.. Мысяк Р.С Течение расплавов новых марок ПНД Вестник Казанского технологического Университета.- Изд-во Казан. гос. тех-нол. ун-та-2014.-т.17, №8 - С.128-133
© В. И. Кимельблат - д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии переработки эластомеров КНИТУ; И. В. Волков -канд. техн. наук, доц. каф. химии и технологии переработки эластомеров КНИТУ, ivvolkov@mail.ru; Р. С. Мысяк - магистрант каф. технологии пластических масс КНИТУ, jrmsk@yandex.ru.
© V. I. Kimelblat - Ph.D., Professor of Chemistry and Processing Technology of Elastomers, Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia; I. V. Volkov - Ph.D., associate professor of Chemistry and Processing Technology of Elastomers, Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia, ivvolkov@mail.ru; R. S. Mysyak - magistrand of Plastics Technology, Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia, jrmsk@yandex.ru.
