Помощь студентам в учебе
Исследование влияния режимов на свойства сварных соединений при сварке полимерных трубопроводов
|
Введение 4
1 Анализ материалов из полиэтилена для производства трубопроводов 7
1.1 Свойства полиэтиленовых труб 7
1.2 Виды полиэтиленовых труб 11
1.3 Маркировка полиэтиленовых труб 13
1.4. SDR полиэтиленовых труб 14
2 Общие сведения о сварке полимеров 15
2.1 Суть сварки полимеров 15
2.2. Виды сварки пластмасс 16
2.3. Применение сварки 22
3 Анализ способов сварки полиэтиленовых трубопроводов 23
3.1 Особенности сварки полиэтилена 23
3.2 Обзор способов сварки полиэтиленовых труб 26
3.3. Оборудование для сварки полиэтиленовых труб 29
3.4. Описание способов сварки полиэтиленовых труб 37
4. Общие требования к сварным соединениям полимеров, выполненных
различными способами 40
5. Параметры процесса сварки нагретым инструментом 45
6. Требования к контролю качества сварных соединений 50
6.1. Методика проведения ВиК 52
6.2. Методика проведения УЗК 57
6.3. Методика проведения механических испытаний 58
7. Экспериментальная работа по проведению сварки полиэтиленовых труб
при различных температурах 60
7.1 Подготовка образцов для проведения эксперимента 60
7.2. Сварка контрольных сварных соединений 61
7.3 Контроль готовых контрольных сварных соединений 69
Заключение 85
Список используемой литературы и используемых источников 87
Приложение А Вспомогательное оборудование
1 Анализ материалов из полиэтилена для производства трубопроводов 7
1.1 Свойства полиэтиленовых труб 7
1.2 Виды полиэтиленовых труб 11
1.3 Маркировка полиэтиленовых труб 13
1.4. SDR полиэтиленовых труб 14
2 Общие сведения о сварке полимеров 15
2.1 Суть сварки полимеров 15
2.2. Виды сварки пластмасс 16
2.3. Применение сварки 22
3 Анализ способов сварки полиэтиленовых трубопроводов 23
3.1 Особенности сварки полиэтилена 23
3.2 Обзор способов сварки полиэтиленовых труб 26
3.3. Оборудование для сварки полиэтиленовых труб 29
3.4. Описание способов сварки полиэтиленовых труб 37
4. Общие требования к сварным соединениям полимеров, выполненных
различными способами 40
5. Параметры процесса сварки нагретым инструментом 45
6. Требования к контролю качества сварных соединений 50
6.1. Методика проведения ВиК 52
6.2. Методика проведения УЗК 57
6.3. Методика проведения механических испытаний 58
7. Экспериментальная работа по проведению сварки полиэтиленовых труб
при различных температурах 60
7.1 Подготовка образцов для проведения эксперимента 60
7.2. Сварка контрольных сварных соединений 61
7.3 Контроль готовых контрольных сварных соединений 69
Заключение 85
Список используемой литературы и используемых источников 87
Приложение А Вспомогательное оборудование
Примерно с середины прошлого века более развитые страны начали использовать полиэтиленовые трубы при строительстве систем водоснабжения, газоснабжения и канализации. Прошло полвека, но трубы заложенные строителями еще в то время, служат людям и по сей день, не нуждаясь в реконструкции или замене. В странах, с неблагоприятными сейсмическими условиями подверженных землетрясениям и сдвигам земной коры, как Китай, Япония, Корея, Вьетнам, указом правительства все находящиеся под землей инженерные трубопроводные системы были реконструированы и заменены на полиэтиленовые трубопроводы. Решение это было принято с целью обеспечить безопасность и сохранность трубопроводных систем. Оседание строений, автомобильных дорог может вызвать технические повреждения стальных трубопроводов, свойства полиэтиленовых труб позволяют деформироваться до семи процентов, не препятствуя своим рабочим характеристикам [1].
Промышленное производство и применение пластмассовых труб началось в начале 50-х годов ХХ века. Трубы из полиэтиленовых материалов быстро заняли значительную часть рынка, так как, по сравнению с металлическими, обладали значительно меньшим весом, относительной простотой соединения, и самое важное, не были подвержены коррозии. К 1985 году объем выпуска пластиковых труб стал сопоставим с производством металлических. В итоге эти трубы получили широкое распространение в разных сферах, особенно в строительной, где они применяются при создании и ремонте систем водоснабжения, отопления различных типов зданий. Таким образом, в отечественной практике для строительства подземных трубопроводов пластмассовые трубы начали использоваться в 60-е годы. Сейчас в Российской Федерации наблюдается активное расширение использования термопластичных композитных материалов. С экономической точки зрения применения пластмассовых труб для сооружения трубопроводов обладает неоспоримыми преимуществами: затраты на транспортировку в 2 раза меньше, чем на транспортировку стальных, масса полимерных труб более чем в 8 раз меньше массы металлических труб, стоимость выполнения строительно-монтажных работ даже при использовании традиционных открытых методов прокладки трубопроводов сокращается в 2-2,5 раза, так как не требуется дополнительных работ по защите от коррозии, большая эластичность полимерных труб позволяет легко вписывать их в поворот трассы, значительное сокращение сроков строительно-монтажных работ относительно стальных трубопроводов, отсутствие необходимости в дорогостоящих программах подготовки персонала, так как технология сварки и монтажа полимерных труб значительно проще. В настоящее время в нашей стране выпускается широкая номенклатура типов неметаллических труб и соединительных деталей.
Полиэтиленовые трубопроводы имеют ряд преимуществ перед металлическими: полиэтиленовые трубы обладают высокой степенью устойчивости к износу, воздействию влажности и агрессивных сред.
Важное качество полиэтиленовых труб - долгий срок службы, который в среднем составляет пятьдесят лет. При этом при длительной эксплуатации у труб повышаются эксплуатационные характеристики, в частности сглаживается внутренняя поверхность.
В настоящее время наиболее распространенным способом соединения полиэтиленовых труб при строительстве трубопроводов является сварка нагретым инструментом встык и сварка деталями с закладными электронагревателями.
Вместе с этим, действующая нормативная документации СП 42-103¬2003 предписывает осуществлять сварку полиэтиленовых труб в диапазоне температур воздуха от минус 15 до плюс 45 градусов по Цельсию. При необходимости следует производить сварку в специальных укрытиях, где существует возможность обеспечить поддержание требуемой температуры окружающего воздуха. В настоящее время существует серьезная потребность в разработке более технологичных и проще реализуемых способов сварки при отрицательных температурах, так как в регионах с холодным климатом низкие температуры могут сохраняться большую часть года. Также необходимо шире использовать возможности, которые предоставляют методы термоконтактной сварки.
Слабо применяются способы регулирования теплового процесса, который обеспечивает прочностные характеристики сварного соединения. Полимерные материалы обладают значительно меньшей теплопроводностью, чем металлические, поэтому во время проведения сварки полиэтиленовых труб, разрушающему термическому действию подвергается только ограниченная область свариваемой детали с изотермой в плюс 80о С. Кроме того разогретые участки полиэтиленовых материалов остывают значительно медленнее, чем участки металлических. В данной работе описывается метод, который не требует предварительного подогрева свариваемого изделия, а также создания и поддержания искусственным путем определенной температуры окружающего воздуха в зоне сварки при остывании сварного стыка.
Целью данной работы является:
1) подтверждение возможности выполнения высококачественной сварки полиэтиленовых труб нагретым инструментом встык при низких температурах среды в зоне сварки;
2) выбор наиболее оптимальных технологических режимов сварки для уменьшения вероятности возникновения аварийных ситуаций при эксплуатации полимерных трубопроводов.
В ходе выполнения работы были проанализированы способы сварки нагретым инструментом полиэтиленовых труб и сварки деталями с закладными электронагревателями с применением современного сварочного оборудования
Промышленное производство и применение пластмассовых труб началось в начале 50-х годов ХХ века. Трубы из полиэтиленовых материалов быстро заняли значительную часть рынка, так как, по сравнению с металлическими, обладали значительно меньшим весом, относительной простотой соединения, и самое важное, не были подвержены коррозии. К 1985 году объем выпуска пластиковых труб стал сопоставим с производством металлических. В итоге эти трубы получили широкое распространение в разных сферах, особенно в строительной, где они применяются при создании и ремонте систем водоснабжения, отопления различных типов зданий. Таким образом, в отечественной практике для строительства подземных трубопроводов пластмассовые трубы начали использоваться в 60-е годы. Сейчас в Российской Федерации наблюдается активное расширение использования термопластичных композитных материалов. С экономической точки зрения применения пластмассовых труб для сооружения трубопроводов обладает неоспоримыми преимуществами: затраты на транспортировку в 2 раза меньше, чем на транспортировку стальных, масса полимерных труб более чем в 8 раз меньше массы металлических труб, стоимость выполнения строительно-монтажных работ даже при использовании традиционных открытых методов прокладки трубопроводов сокращается в 2-2,5 раза, так как не требуется дополнительных работ по защите от коррозии, большая эластичность полимерных труб позволяет легко вписывать их в поворот трассы, значительное сокращение сроков строительно-монтажных работ относительно стальных трубопроводов, отсутствие необходимости в дорогостоящих программах подготовки персонала, так как технология сварки и монтажа полимерных труб значительно проще. В настоящее время в нашей стране выпускается широкая номенклатура типов неметаллических труб и соединительных деталей.
Полиэтиленовые трубопроводы имеют ряд преимуществ перед металлическими: полиэтиленовые трубы обладают высокой степенью устойчивости к износу, воздействию влажности и агрессивных сред.
Важное качество полиэтиленовых труб - долгий срок службы, который в среднем составляет пятьдесят лет. При этом при длительной эксплуатации у труб повышаются эксплуатационные характеристики, в частности сглаживается внутренняя поверхность.
В настоящее время наиболее распространенным способом соединения полиэтиленовых труб при строительстве трубопроводов является сварка нагретым инструментом встык и сварка деталями с закладными электронагревателями.
Вместе с этим, действующая нормативная документации СП 42-103¬2003 предписывает осуществлять сварку полиэтиленовых труб в диапазоне температур воздуха от минус 15 до плюс 45 градусов по Цельсию. При необходимости следует производить сварку в специальных укрытиях, где существует возможность обеспечить поддержание требуемой температуры окружающего воздуха. В настоящее время существует серьезная потребность в разработке более технологичных и проще реализуемых способов сварки при отрицательных температурах, так как в регионах с холодным климатом низкие температуры могут сохраняться большую часть года. Также необходимо шире использовать возможности, которые предоставляют методы термоконтактной сварки.
Слабо применяются способы регулирования теплового процесса, который обеспечивает прочностные характеристики сварного соединения. Полимерные материалы обладают значительно меньшей теплопроводностью, чем металлические, поэтому во время проведения сварки полиэтиленовых труб, разрушающему термическому действию подвергается только ограниченная область свариваемой детали с изотермой в плюс 80о С. Кроме того разогретые участки полиэтиленовых материалов остывают значительно медленнее, чем участки металлических. В данной работе описывается метод, который не требует предварительного подогрева свариваемого изделия, а также создания и поддержания искусственным путем определенной температуры окружающего воздуха в зоне сварки при остывании сварного стыка.
Целью данной работы является:
1) подтверждение возможности выполнения высококачественной сварки полиэтиленовых труб нагретым инструментом встык при низких температурах среды в зоне сварки;
2) выбор наиболее оптимальных технологических режимов сварки для уменьшения вероятности возникновения аварийных ситуаций при эксплуатации полимерных трубопроводов.
В ходе выполнения работы были проанализированы способы сварки нагретым инструментом полиэтиленовых труб и сварки деталями с закладными электронагревателями с применением современного сварочного оборудования
В данной магистерской диссертационной работе достигалась цель - подтверждение возможности выполнения качественной сварки полиэтиленовых труб нагретым инструментом встык в условиях низких температур окружающего воздуха, а так же выбор наиболее оптимальных технологических режимов сварки для уменьшения вероятности возникновения аварийных ситуаций при эксплуатации полимерных трубопроводов.
В процессе выполнения магистерской диссертационной работы получены следующие результаты:
1. При неразрушающем контроле образцов, сваренных при различных температурах:
Визуальный и измерительный контроль. Внешний вид сваренных образцов контролировали визуально без применения увеличительных приборов. Результат - недопустимых наружных дефектов, выходящих на поверхность, не обнаружено. По результатам измерительного контроля установлено, что геометрические размеры грата (высота и ширина) соответствуют требуемым значениям и отклонения находятся в пределах допустимых значений на всех образцах, не зависимо от моделируемой температуры в процессе сварки.
По результатам ультразвукового контроля образцы с номерами 1, 2, 4 признаны годными. Образец с номером 3 (охлажденный до температуры минус 47оС) был забракован по результатам ультразвукового контроля. В результате ультразвукового контроля обнаружены несплавления общей условной протяженностью 125 мм.
При механических испытаниях на растяжение на разрывной машине, этих же образцов получено:
На образцах, вырезанных из контрольных сварных соединений номер 1 и 4, разрушение произошло по основному материалу, а не по сварному шву.
То есть разрушение произошло по первому типу. При испытании образцов, вырезанного из контрольного сварного соединения номер 2 разрушение двух образцов, произошло по первому типу, четыре образца разрушились по третьему типу. При испытании образцов, вырезанного из контрольного сварного соединения номер 3 из бездефектного участка разрушение, произошло по сварному шву. То есть разрушение произошло по третьему типу. Такой результат механических испытаний образцов номер 2 и 3 можно объяснить низкой скоростью взаимодиффузии макромолекул на соединяемых поверхностях.
2. Получен диапазон температур окружающего воздуха от минус 25оС до 18оС. при котором по результатам визуально-измерительного контроля и ультразвукового контроля можно получить качественную сварку полиэтиленовых труб марки ПЭ 80 SDR 11 110х10мм.
3. При анализе полученных результатов неразрушающего и разрушающего методов контроля обнаружено, что визуально-измерительный и ультразвуковой контроль зачастую не выявляют нарушения температурного режима технологии сварки и не дают количественную оценку прочности сварного соединения, следовательно в процессе сварочно-монтажных работ требуется строго соблюдать температурный режим.
4. Выполнение качественной сварки полиэтиленовых труб нагретым инструментом встык при условии пониженных температур окружающего воздуха ниже нормативных не представляется возможным.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод об эффективности применения результатов настоящей диссертационной работы при сварке трубопроводов из полимерных материалов.
На основании вышеизложенного цель диссертационного исследования достигнута.
В процессе выполнения магистерской диссертационной работы получены следующие результаты:
1. При неразрушающем контроле образцов, сваренных при различных температурах:
Визуальный и измерительный контроль. Внешний вид сваренных образцов контролировали визуально без применения увеличительных приборов. Результат - недопустимых наружных дефектов, выходящих на поверхность, не обнаружено. По результатам измерительного контроля установлено, что геометрические размеры грата (высота и ширина) соответствуют требуемым значениям и отклонения находятся в пределах допустимых значений на всех образцах, не зависимо от моделируемой температуры в процессе сварки.
По результатам ультразвукового контроля образцы с номерами 1, 2, 4 признаны годными. Образец с номером 3 (охлажденный до температуры минус 47оС) был забракован по результатам ультразвукового контроля. В результате ультразвукового контроля обнаружены несплавления общей условной протяженностью 125 мм.
При механических испытаниях на растяжение на разрывной машине, этих же образцов получено:
На образцах, вырезанных из контрольных сварных соединений номер 1 и 4, разрушение произошло по основному материалу, а не по сварному шву.
То есть разрушение произошло по первому типу. При испытании образцов, вырезанного из контрольного сварного соединения номер 2 разрушение двух образцов, произошло по первому типу, четыре образца разрушились по третьему типу. При испытании образцов, вырезанного из контрольного сварного соединения номер 3 из бездефектного участка разрушение, произошло по сварному шву. То есть разрушение произошло по третьему типу. Такой результат механических испытаний образцов номер 2 и 3 можно объяснить низкой скоростью взаимодиффузии макромолекул на соединяемых поверхностях.
2. Получен диапазон температур окружающего воздуха от минус 25оС до 18оС. при котором по результатам визуально-измерительного контроля и ультразвукового контроля можно получить качественную сварку полиэтиленовых труб марки ПЭ 80 SDR 11 110х10мм.
3. При анализе полученных результатов неразрушающего и разрушающего методов контроля обнаружено, что визуально-измерительный и ультразвуковой контроль зачастую не выявляют нарушения температурного режима технологии сварки и не дают количественную оценку прочности сварного соединения, следовательно в процессе сварочно-монтажных работ требуется строго соблюдать температурный режим.
4. Выполнение качественной сварки полиэтиленовых труб нагретым инструментом встык при условии пониженных температур окружающего воздуха ниже нормативных не представляется возможным.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод об эффективности применения результатов настоящей диссертационной работы при сварке трубопроводов из полимерных материалов.
На основании вышеизложенного цель диссертационного исследования достигнута.