CC BY
35. Аскадский А.А., Пиминов К.С., Мацеевич А.В. Релаксационные свойства террасных досок, изготовленных из древесно-полимерных композитов (ДНК) // Строительные материалы. 2018. № 6. С 45-52.
6. Низин Д.Р., Низина Т.А., Канаева Н.С. Расчет параметров уравнений Больцмана-Воль-терры для описания процессов релаксации полимерных материалов // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2022666240. 2022.
7. Канаева Н.С., Низин Д.Р., Низина Т.А. Релаксационные свойства полимерных материалов на основе эпоксидных связующих // Эксперт: теория и практика. 2022. № 3. С. 42-46.
8. Низина Т.А., Низин Д.Р., Спирин И.Н., Канаева Н.С. Релаксационные характеристики полимеров на основе эпоксидных связующих // Полимеры в строительстве. 2024. № 1(12). С. 55-57.
9. Канаева Н.С., Низин Д.Р., Низина Т.А., Спирин И.Н., Чибулаев И.А. Влияние уровня напряжения и влажностного состояния серий образцов на релаксационные характе-ристки эпоксидных полимеров [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://joumal.mrsu.ru/arts/vliyanie-urovnya-napryazheniya-i-vlazhnostnogo-sostoyaniya-serij-obrazcov-na-relaksacionnye-xarakteristiki-epoksidnyx-polimerov. - 07.08.24.
УДК 621.791.46
DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-283-286
ВНЕШНИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПРИ СВАРКЕ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ
Петров Д.Д., Татаринова С.Д., Аммосова О.А. Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской
академии наук», обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа СО РАН, Якутск E-mail: santamar@mail .ru
Аннотация. Исследуется тепловой процесс электромуфтовой сварки полиэтиленовых труб при температурах воздуха ниже нормативных. При сварке в условиях низких температур предлагается внешним нагревателем произвести предварительный подогрев сварного соединения, оплавление в регламентированном режиме и компенсацию ускоренного охлаждения. Приводятся результаты расчетов для полиэтиленовых труб диаметром 110 мм.
Ключевые слова: сварка, полиэтиленовые трубы, низкие температуры, внешний нагреватель, температурное поле.
Полиэтиленовые (ПЭ) трубы всё чаще применяются при строительстве сетей водо- и газоснабжения. Сварку полиэтиленовых труб проводят при температуре окружающего воздуха (ОВ) от минус 15 до плюс 40°С. Такой диапазон температур обусловлен особенностью полимерных материалов, которая заключается в низкой теплопроводности и достаточно медленном формировании структуры материала сварного шва. В связи с этим, особую актуальность приобретают вопросы проведения монтажных и ремонтно-восстановительных работ на газопроводах в условиях низких температур ОВ. Натурные эксперименты по исследованию температурных полей показали, что на этапе оплавления при низких температурах ОВ, происходит недостаточное расплавление материала, разница температур на стыке свариваемых поверхностей при минус 30 и плюс 25°С составляет 25°С [1]. Также из-за низкой температуры периферийных областей скорость охлаждения материала сварного шва увеличивается настолько, что рост кристаллов прерывается до образования упорядоченных надмолекулярных структур, обуславливающих высокую прочность соединения. При температурах воздуха ниже минус 15°С, характерных для многих регионов России, рекомендуется выполнение сварочных работ в укрытиях, в которых с помощью нагревательных приборов поддерживается температура из допустимого интервала.
В ИПНГ СО РАН были разработаны несколько технологий сварки ПЭ труб при низких температурах ОВ [1-3]. Все они предполагают проведение нескольких операций: 1) предварительный подогрев до достижения областью оплавления температуры из регламентированного интервала температур с последующим выравниванием; 2) оплавление (сварка) как при допустимых температурах; 3) замедление охлаждения места сварки в целях обеспечения условий для образования надмолекулярных структур достаточного размера и достижения нормального уровня кристалличности. Разработанные технологии сварки отличаются способами предварительного подогрева и замедления охлаждения. Наиболее близким решением является технология [2], в которой в процессе сварки при низких температурах воздуха используется метод предварительного подогрева зоны термического влияния сварного соединения муфты (фитинга) и трубы путем подачи напряжения на закладной нагреватель фитинга отдельным источником электропитания, а после сварки охлаждение сварного соединения производится под слоем теплоизоляции. Недостатком технического решения является необходимость применения дополнительного мощного источника питания и теплоизоляции различной толщины и размеров для различных температур окружающего воздуха и типоразмеров труб.
Другая разработанная технология предполагает предварительный подогрев и управляемое охлаждение зоны термического влияния сварного соединения муфты и трубы путем подачи напряжения на закладной нагреватель фитинга непосредственно сварочным аппаратом специальной конструкции и со специальным программным обеспечением [3]. Недостатком данного технического решения является необходимость дорогостоящей разработки сварочного аппарата специальной конструкции.
В данной работе предлагается применять все три операции сварки полиэтиленовых труб в условиях низких температур окружающего воздуха, но с более простым в разработке и производстве, а главное в использовании, маломощным дополнительным устройством - внешним нагревателем [4]. В общем виде предлагаемая технология представляет собой рекомендуемый способ сварки полиэтиленовых труб в условиях низких температур с укрытием с нагревательным прибором, с разницей в размере укрытия и нагревательного прибора: здесь они уменьшены до размеров фитинга. Перед сваркой на сборку трубы и фитинга устанавливается отдельное нагревательное устройство - внешний нагреватель в виде силиконовой нагревательной пластины с термодатчиком (рис. 1).
Термодатчик
Закладной нагреватель
Внешний нагреватель
Муфта
Труба
Рисунок 1 - Расчетная схема трубы с муфтой и внешним нагревателем
Подача напряжения на внешний нагреватель осуществляется через контроллер со специальным программным обеспечением, в котором внешний нагреватель выступает объектом управления процессом распространения температурного поля при предварительном подогреве и управляемом охлаждении. На нагревательное устройство подается необходимое напряжение и производится предварительный подогрев наружной стенки фитинга. Далее выдерживается определенное время свободного охлаждения — технологическая пауза, для выравнивания температурного поля в области сварки. Затем запускается процесс оплавления
(сварки) через клеммы фитинга с помощью стандартного сварочного аппарата как при нормальной температуре окружающего воздуха. После сварки, посредством подачи напряжения на нагревательную пластину по определенному закону и с контуром обратной связи по температуре, поддерживается скорость охлаждения сварного соединения, как при допустимых температурах окружающего воздуха. Таким образом, динамика температурного поля в зоне термического влияния при сварке и охлаждении сварного соединения при любых низких температурах принудительно поддерживается близкой температурному полю при сварке в регламентированном интервале температур с учетом температуры окружающего воздуха.
Для исследуемого объекта управления температурным полем необходимо было выявить функциональную зависимость входных величин объекта от управляющего и внешних возмущающих воздействий. Для этого были применены расчеты с помощью математической модели методом конечных элементов, реализованной на языке программирования Python и библиотеки FEniCS. Также применение данной математической модели позволило подобрать физические характеристики для синтеза технических средств пригодных для реализации устройства.
В результате расчетов подобраны следующие параметры внешнего нагревателя для муфты ПНД, 0110: материал нагревателя - медный проводник, обернутый в силиконовую пластину; сопротивление 240 Ом; номинальное напряжение 220 В; электрическая мощность 200 Вт; размеры 200x350x2 мм.
С такими параметрами внешнего нагревателя требуется 20 минут при напряжении 43 вольта для предварительного подогрева поверхности муфты до плюс 60°С, при начальной температуре сборки фитинга (муфты) и трубы минус 50°С. Распределение температурных полей после предварительного подогрева приведено на рисунке 2.
Рисунок 2 - Распределение температурного поля в муфте и трубе в момент завершения этапа предварительного подогрева: белая линия - изотерма 20°С; зеленая линия - изотерма 0°С
После выдерживания определенного времени свободного охлаждения - технологической паузы равной 5 минутам, температурное поле сборки труб и фитинга становится более однородным (рис. 3).
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 ^^^^^ I I , I I I I ^^^ I
Рисунок 3 - Распределение температурного поля в муфте и трубе в момент окончания этапа свободного охлаждения: белая линия - изотерма 20°С, желтая линия - изотерма 0°С
Как видно из расчетов, для подготовки сборки муфты и трубы диаметром 110 миллиметров к сварке достаточно 25 минут (1500 сек.), что является сопоставимым результатом по сравнению с другими технологиями сварки ПЭ труб при низких температурах ОВ, разработанными
ранее в ИПНГ СО РАН. А замедление охлаждения места сварки может производиться в режиме компенсации ускоренного конвективного охлаждения места сварки путем выставления объекту регулирования цели (уставки) температуры внешней поверхности муфты по закону, справедливому для таковой при охлаждении места сварки в нормальных условиях так, чтобы скорость охлаждения материала сварного шва соответствовала нормальной, что позволит достичь высокой прочности соединения. Также результатом моделирования является подбор физических характеристик компонентов для изготовления устройства внешнего подогрева.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (рег. № 122011100162-9).
Список литературы
1. Старостин Н.П., Ботвин Г.В., Петров Д.Д., Данзанова Е.В. Технология электромуфтовой сварки при низких температурах окружающего воздуха // Новые материалы и технологии в условиях Арктики: Материалы VI Международной конференции с элементами научной школы для молодежи, посвященной 30-летию высшего химического образования в Республике Саха (Якутия). Якутск, 2023. С. 15-17.
2. Старостин Н.П., Аммосова О.А. Управление тепловым процессом электромуфтовой сварки полиэтиленовых труб при низких температурах // Сварка и диагностика. 2017. № 5. С. 21-25.
3. Старостин Н.П., Аммосова О.А., Петров Д.Д. Управление охлаждением при электромуфтовой сварке полиэтиленовых труб при низких температурах с помощью закладного нагревателя // Сварка и диагностика. 2022. № 3. С. 51-55. DOI: 10.52177/2071-5234_2022_03_51
4. Петров Д.Д., Ботвин Г.В., Старостин Н.П., Данзанова Е.В., Аммосова О.А., Татаринов М.Ф. Способ муфтовой сварки полимерных труб при низких температурах воздуха // Патент РФ № 2810859. 2023. Бюл. № 1.
УДК 539.217:620.169
DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-286-290
РАЗВИТИЕ ИНЖЕНЕРНОЙ КЛИМАТОЛОГИИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ. КЛИМАТОГРАММЫ ЯКУТСКА
Старцев О.В.
Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», обособленное подразделение Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск
E-mail: [email protected]
Аннотация. В развитие фундаментальных представлений инженерной климатологии рассмотрен вариант расчета климатограмм Якутска, учитывающий перегревы поверхности образцов полимерных материалов при их экспонировании в открытых климатических условиях. Показано, что перегревы поверхности образцов уменьшают относительную влажность воздуха вблизи тестируемого материала и существенно влияют на интегральные сочетания температуры и влажности при натурной экспозиции исследуемого полимерного материала. Предложенный поход предназначен для количественной оценки эффектов старения и достоверного моделирования свойств полимерных образцов. Ключевые слова: полимерные материал, климатическое старение, климатограмма, температура, влажность.
Почти 40 лет назад Ю.С. Уржумцевым и И.Н. Черским были сформулированы принципы инженерной климатологии [1], которые активно развиваются в современной теории и практике климатических испытаний полимерных и полимерных композиционных материалов (ПКМ) [2]. Выявлены разнообразные закономерности, помогающие понять сущность физико-
