Меню

Сварка полиэтиленовых труб при помощи соединительных деталей с закладными нагревателями



Инструкция по сварке ПЭ труб фитингами с закладными нагревателями

1 Принцип и терминология

Правильное название метода – «Сварка труб с помощью фитингов с закладными нагревателями», или коротко «Сварка с закладными нагревателями». Название соответствует нормативным документам:

  • Недавно принятому гармонизированному ГОСТ Р ИСО 12176-2-2011 «Трубы и фитинги пластмассовые. Оборудование для сварки полиэтиленовых систем. Часть 2. Сварка с закладными нагревателями.»
  • Более ранним нормативным документам РФ, в которых упоминалась данная технология сварки, например, СНиП 42-01-2002 «Газораспределительные системы.»

Закладной нагреватель – электрическая спираль, вмонтированная в свариваемую поверхность фитинга. Поэтому название фитингов, приведенное в ГОСТ Р 52779-2007 (п.4.1.2), является более точным: «Детали с закладными электронагревателями (электросварные)». Устаревший ГОСТ Р 52134-2003 (п.4.6.1) и только что пришедший ему на смену ГОСТ 32415-2013 (п.4.2.1) называют такие фитинги «электросварными». Из-за краткости определение «электросварные фитинги» является более популярным, чем «фитинги с закладными электронагревателями». Согласно ГОСТ Р 52134-2003 (п.4.6.1), электросварные фитинги для водопровода и отопления изготавливаются из ПЭ, ПП или ПБ. Электросварные фитинги для газопроводов – только из ПЭ. На практике даже водопроводные фитинги под сварку ЗН – это в подавляющем большинстве случаев полиэтиленовые фитинги, соответственно, для полиэтиленовых труб.

Академическое название метода сварки точно описывает физический принцип, но является громоздким. По этой причине в обиходе чаще применяются названия «электрофузионная сварка» (от английского «electrofusion welding»), краткое «ЭФ сварка» или «EF сварка», местное новообразование «сварка электромуфтами» или «электромуфтовая сварка». В некоторых нормативах (например, в НАКС’овском РД 03-614) используют сокращение «сварка ЗН».

Итак, во внутреннюю поверхность электросварного фитинга вмонтирована электроспираль, контакты которой выведены на наружную поверхность. Подача электрической мощности на контакты приводит к разогреву свариваемых поверхностей фитинга и трубы и, в конечном итоге, к образованию сварного соединения.

Технология электромуфтовой сварки, в принципе, заключается в следующем (см.рис.1):

  • конец трубы вводят в электросварной фитинг, наружная поверхность трубы касается внутренней поверхности фитинга или находится от нее на минимально возможном расстоянии;
  • к контактам электросварного фитинга подключают провода специального сварочного аппарата, который пропускает через закладной нагреватель (электроспираль) электрический ток;
  • спираль нагревает внутреннюю поверхность электросварного фитинга и наружную поверхность трубы до вязко-текучего состояния, полиэтилен трубы и фитинга перемешивается;
  • после остывания труба и фитинг образуют единую деталь; спираль остается внутри сварного соединения как побочный эффект.
Рис. 1 Процедура электромуфтовой сварки

Если не вдаваться в подробности, то всё выглядит просто.

При ближайшем рассмотрении, технология электрофузионной сварки вызывает проблемы, которые обусловлены всего несколькими типовыми причинами:

  • Сварщик невнимательно изучает спецификации фитингов и/или инструкцию сварочного аппарата;
  • Сварщик нерадиво выполняет подготовку к сварке;
  • Сварщик из ложной экономии не использует вспомогательный инструмент – роликовые скребки, позиционеры и пр.;
  • Самое главное – сварщик не понимает физику и логику процесса электрофузионной сварки. Поэтому допускает ошибки при выборе трубы, электросварных фитингов и сварочного аппарата, а также с легкой душой пренебрегает требованиями инструкций.

2 Достоинства, недостатки и область применения сварки ЗН

Для соединения напорных пластиковых труб применяются всего три технологии сварки: (1) сварка нагретым инструментом встык, (2) сварка нагретым инструментом в раструб и (3) сварка с закладными нагревателями. Именно эти 3 технологии обеспечивают прочность сварного соединения не ниже прочности исходной трубы. Благодаря своим особенностям, технология электромуфтовой сварки занимает в этом ряду незаменимое положение:

  • В отличие от стыковой сварки, сварка ЗН не образует внутреннего грата и, соответственно, не приводит к снижению проходимости труб. Поэтому применяется, в т.ч., и для безнапорных трубопроводов дренажа и канализации.
  • Если говорить о средних и больших диаметрах труб, то оборудование для сварки ЗН значительно легче, дешевле и универсальнее , чем оборудование для стыковой или раструбной сварки . Кроме того, оборудование для сварки ЗН не имеет подвижных частей или поверхностей, покрытых тефлоном, поэтому реже приводится в негодность нерадивыми пользователями, и поэтому охотнее сдается в аренду продавцами оборудования.
  • Качество сварного соединения при сварке ЗН значительно меньше зависит от человеческого фактора , чем при стыковой или даже раструбной сварке .
  • Сварка ЗН позволяет сварить трубы, когда ни одна из труб не имеет возможности перемещения вдоль оси. Поэтому совершенно незаменима при ремонте трубопроводов.
  • Сварка ЗН незаменима также для соединения полиэтиленовых труб, армированных лавсановым или другим волокном. Стыковая сварка в этом случае не дает прочности, адекватной прочности исходной трубы. Однако если после стыковой сварки обрезать наружный грат и сверху выполнить сварку ЗН, армированные полиэтиленовые трубы оказываются вполне экономически оправданными.
  • Другое незаменимое достоинство сварки ЗН – она позволяет соединить трубы из сшитого полиэтилена (PE-Xa и PE-Xc), которые другими способами сварить невозможно. Сварка производится электросварными фитингами из ПЭВП. Тот факт, что PE-X является реактопластом и его макромолекулы связаны между собой поперечными связями, не мешает макромолекулам ПЭВП «связываться» с ними силами Ван-дер-Ваальса.
  • И одно из самых важных достоинств – сварка ЗН позволяет собирать сложные 3-мерные трубопроводы средних и больших диаметров прямо по месту (см.рис.2). Раструбная сварка для таких диаметров неприменима, а стыковая – как правило, выполняется на горизонтальной поверхности.
Рис. 2 Сварка 3-мерных трубопроводов

К недостаткам технологии электромуфтовой сварки можно отнести только один – сравнительно высокую стоимость электросварных фитингов. Есть еще ограничение, сварка ЗН неприменима для протяжки трубопроводов при бестраншейной прокладке или при ремонте изношенных трубопроводов, поскольку в результате сварки локально увеличивается диаметр ПЭ трубопровода.

Сварка с закладными нагревателями формально рекомендована для ограниченного разнообразия трубопроводов:

Системы водоснабжения и канализации

Нормативный документ – СП 40-102-2000. Сварка (нагретым инструментом или фитингами с закладными нагревателями) предписана для всех полимеров, поддающихся сварке (см.п.7.3.1. СП) – ПЭ, ПП и ПБ. Электрофузионная сварка рекомендуется (см.п.7.3.9. СП) для труб диаметром 20÷500 мм с любой толщиной стенки; особенно для приварки седловых отводов, для соединения длинномерных труб, для тонкостенных (≤5 мм) труб, а также для ремонта трубопроводов в стесненных условиях.

Наружные газопроводы из полиэтиленовых труб

Нормативный документ – СП 62.13330.2011, который является обновленной версией СНиП 42-01-2002. Речь идет только о подземных газопроводах (см.п.4.11 СП) с давлением газа до 1,2 МПа (см.п.4.3. СП). Из всех полимерных материалов – только ПЭ, технология сварки – «…встык нагретым инструментом или при помощи деталей с закладными электронагревателями» (см.п.4.13 СП).
СП 62.12220.2011 не указывает ни на толщину стенки, ни на диаметр труб. Зато Газпромовский СТО 2-2.1-411-2010 уточняет (см.п.7.10 СТО), что при толщине стенки более 5 мм можно применять как стыковую, так и сварку ЗН, а для тонкостенных (≤5 мм) труб – только сварку ЗН. СТО также обозначает диапазон диаметров (см.п.6.1 СТО) – до 630 мм.

Сварка с закладными нагревателями не узаконена формально для нефтепроводов и для технологических трубопроводов. Для технологических трубопроводов противопоказаний нет. Просто нормативная база у этой отрасли старовата – СНиП 3.05.05-84 (1984г.). Отсутствие нормативного обоснования не составляет практической проблемы, поскольку эта группа трубопроводов не подконтрольна Ростехнадзору.

А с нефтепроводами сложнее. Старый и до сих пор действующий норматив ВСН 003-88 допускает использование труб из ПЭ и ПП, правда, по тем временам (1988г) сварка предлагалась только встык и в раструб. А сейчас, даже с учетом назревшей необходимости обновить нормативную базу, есть мнение, что с кондачка эту задачу решать не стоит, необходимо тщательно разобраться, для каких нефтепродуктов рекомендовать ПЭ и ПП. Так или иначе, на сегодняшний день использование технологии электрофузионной сварки для ПЭ нефтепроводов невозможно, поскольку сдать такой трубопровод в эксплуатацию будет невозможно. Даже аттестовать электромуфтовый сварочный аппарат в НАКС на эту группу «опасных производственных объектов» нельзя – нет нормативной базы.

Что касается материала, из которого производятся электросварные фитинги, тут есть некоторые разночтения. Как видим выше, в секторальных нормативах РФ на узкоспециализированные трубопровоы сварка ЗН упоминается применительно к фитингам из ПЭ, ПП и ПБ. С другой стороны, автору неизвестен ни один мировой норматив, регламентирующий режим электромуфтовой сварки для ПБ.

Авторитетные нормы DVS (Германия) предлагают процедуры сварки ЗН для ПЭ, ПП и ПВДФ. Более того, в РФ недавно начал действовать ГОСТ Р 54793 на различные технологии сварки ПВДФ, в том числе на технологию электрофузионной сварки. Проблема в том, что ни один секторальный норматив РФ не регламентирует применение электросварных фитингов из ПВДФ для трубопроводов конкретного назначения.

В мировой и Российской практике сварка с закладными нагревателями почти всегда применяется для полиэтиленовых трубопроводов. В подавляющем большинстве – для напорных полиэтиленовых трубопроводов. Ничтожно мало – для ПП трубопроводов. И почти никогда – для трубопроводов из ПБ или ПВДФ.

3 Нормативная база по технологии электромуфтовой сварки

Уникальность сварки полиэтиленовыми фитингами с закладными нагревателями состоит в том, что формальное описание процедуры сводится к подготовке к сварочному процессу. А технология самого сварочного процесса определяется не действиями оператора, а спецификациями ПНД фитинга и сварочного аппарата, на которые есть свои нормативы:

  • ISO 8085-3:2001 и гармонизированный ГОСТ Р 52779-2007 определяют требования к полиэтиленовым фитингам с закладными нагревателями для газопроводов: требования к полиэтилену, основные геометрические характеристики (особенно размеры зоны нагрева и холодных зон), геометрические характеристики контактов, методы испытаний прочности сварного соединения и необходимые результаты этих испытаний.
    Нормативы не определяют устройство закладных нагревателей – глубину залегания нагревательной спирали, расстояние между витками, диаметр проводника, удельное сопротивление проводника или хотя бы удельную мощность нагрева на единицу площади свариваемой поверхности. Эти характеристики – ноу-хау производителя электросварных фитингов.
  • ISO 12176-2:2008 и гармонизированный ГОСТ Р ИСО 12176-2-2011 определяют требования к сварочным аппаратам. Нормативы определяют варианты регулирования мощности нагрева закладного нагревателя (регулировка напряжения, регулировка тока, регулировка того и другого), варианты ввода параметров сварочного процесса (ручной ввод регулируемого параметра и времени нагрева, автоматическое считывание штрих-кода или пр.), предъявляют требования к мощности, к надежности аппаратов, а самое главное – определяют необходимые обратные связи и логику их обработки с тем чтобы обеспечить приемлемое качество сварного соединения.
  • ISO 13950:2007 и гармонизированный ГОСТ Р ИСО 13950-2012 определяют порядок кодирования информации об электросварном фитинге (производитель, тип, диаметр, сопротивление и его допустимая погрешность) и о параметрах сварки ЗН (напряжение и время нагрева, коэффициент температурной компенсации, время остывания) в штрих-коде, который наклеивается на фитинг. Аппарат, рассчитанный на автоматическое распознавание параметров сварки, должен уметь читать и декодировать такой штрих-код.
  • ISO 12176-3:2011 и находящийся на стадии согласования гармонизированный ГОСТ Р ИСО 12176-3 определяют порядок кодирования информации в т.н. «идентификационной карте оператора». Карта представляет собой штрих-код или магнитный носитель, содержит сведения об операторе: имя, язык, срок действия допуска и пр. Сварочный аппарат должен считывать карту и автоматически осуществлять ряд действий: предоставлять допуск к работе, настраивать язык меню, вносить имя оператора в протокол и пр.
  • ISO 12176-4:2003 и находящийся на стадии согласования гармонизированный ГОСТ Р ИСО 12176-4 определяют порядок кодирования информации, которая в английском варианте называется traceability code и содержит сведения о свариваемом изделии (трубе или фитинге) или о сварочном аппарате – кто и когда это произвел, из какого сырья и т.д. Информация заносится в сварочный протокол и в случае проблем сварного соединения позволяет найти «крайнего». В русском варианте был выбор между терминами «код отслеживания» и «код трассируемости». В последнем рассматриваемом варианте ГОСТ рассматривается «код трассируемости».
  • ISO-11413:2008 и находящийся на стадии согласования гармонизированный ГОСТ Р ИСО 11413 определяют методы испытания фитингов с закладными нагревателями – контроль электрических характеристик, условия выполнения контрольной сварки для последующего разрушающего контроля.
Читайте также:  Лапшин павел александрович загорский трубный завод

ПЕЧАЛЬНО: К сожалению, на сегодня (апрель 2014) образовался неприятный юридический казус – основные национальные нормативы для сварочных аппаратов приняты, но не являются обязательными к исполнению. Неформально – пожалуйста, можно ими руководствоваться при разработке новых аппаратов или при оценке качества готовых. Но получать сертификат соответствия аппарата требованиям ГОСТ Р ИСО 12176-2-2011 – совсем необязательно. С 15.02.2013 вступил в силу Технический регламент Таможенного союза «О безопасности машин и оборудования» (ТР ТС 010/2011), который отменил обязательную сертификацию, в частности, оборудования для сварки пластмасс, заменив ее декларированием соответствия нормам безопасности – электромагнитной и электрической. А формальное подтверждение функциональных способностей теперь не требуется.

Что касается действий оператора по выполнению сварки ЗН, они сводятся к нажатию кнопки «СТАРТ» на сварочном аппарате. Не больше и не меньше. Значение, и очень важное, имеют действия оператора по подготовке к сварке ЗН – зачистка наружной поверхности труб, совмещение труб с электросварным фитингом, фиксация сборки, ввод сварочных параметров в аппарат. Ну, может, еще предварительный прогрев для уменьшения зазора. В базовом варианте подготовка к сварке ЗН описана в немецких нормах DVS 2207-1. Мы в п.7 рассмотрим подготовку к сварке наиболее типичных полиэтиленовых фитингов с ЗН.

Особенности подготовки к сварке отдельных ПНД фитингов описаны в Газпромовском СТО 2-2.1-411-2010. Даже на время разработки документа (2009г.) набралось приличное количество хитрых полиэтиленовых фитингов различных производителей, требующих особого подхода и применения особого вспомогательного инструмента. На сегодняшний день таких фитингов еще больше, поэтому Ассоциация Сварщиков Полимерных Материалов планирует работу над новым комплексным нормативным документом по сварке фитингами с закладными нагревателями в 2016г.

Источник

Инструкция по сварке ПЭ труб фитингами с закладными нагревателями

4 Процессы в фитинге и трубе при сварке ЗН

Рассмотрим на примере наиболее типичного случая: (1) напорный полиэтиленовый фитинг, (2) напорная полиэтиленовая труба, (3) метод регулирования мощности нагрева – выбор фиксированного сварочного напряжения в диапазоне 8÷48 В.

4.1 Сварка – вид изнутри (для профи)

Чтобы понять, что происходит с полиэтиленовым фитингом и трубой при сварке ЗН, рассмотрим трубу и фитинг в разрезе (см.рис.3):

Рис. 3 Сварка ЗН в разрезе

Сварочный процесс можно условно разбить на несколько этапов:

  1. После подачи напряжения на закладной нагреватель полиэтилен внутренней поверхности фитинга быстро нагревается и переходит в вязко-текучее состояние, одновременно расширяясь. Более глубокие слои фитинга пока холодные и жесткие, как панцирь. У расширяющегося расплава полиэтилена выход один – заполнять зазор между фитингом и трубой.
  2. Когда расплав полиэтилена коснется трубы, далее нагрев от нагревателя идет в двух направлениях – вглубь стенки фитинга и вглубь стенки трубы. Полиэтилен продолжает расширяться – и создает сварочное давление в зазоре. Но глубокие слои фитинга и трубы всё еще холодные и жесткие. Расплаву некуда деваться – он выдавливается влево и вправо от нагревателя в холодные зоны.
  3. Дальше стенки фитинга и трубы постепенно прогреваются всё глубже, становятся более эластичными и начинают подаваться под давлением расплава. Давление в зоне сварки больше не растет, и растекание расплава полиэтилена останавливается. Только стенки фитинга и трубы всё больше выгибаются в направлении от нагревателя.
    На этом же этапе тепло доходит до индикатора нагрева, вязко-текучий полиэтилен выдавливает его наружу и заполняет полость индикатора.
  4. После отключения нагрева тепло, накопленное в зоне сварки, продолжает перераспределяться всё глубже и глубже в стенки фитинга и трубы. Расплав полиэтилена вокруг нагревателя остывает и уменьшается в объеме. А глубокие слои фитинга и трубы продолжают нагреваться, расширяться и размягчаться.
    Об остывании сварного соединения говорить пока рано. Фитинг и труба пока не прогрелись насквозь, их внешние слои пока не начали отдавать тепло в воздух.
  5. Когда тепло дойдет до внешних слоев фитинга и трубы и начнет рассеиваться в воздух, сварное соединение в целом начинает остывать. Полиэтилен вокруг нагревателя продолжает остывать и уменьшаться в объеме. Но стенки трубы и фитинга уже прогрелись насквозь до высокоэластичного состояния. Они легко подаются назад в направлении нагревателя. И компенсируют разряжение.

Из такого анализа процесса сварки ЗН становятся понятны важнейшие параметры сварочного процесса:

На 3-ем этапе процесса нам необходимо синхронизировать два события – (1) достижение оптимальной степени растекания расплава и (2) размягчение стенок трубы и фитинга. Достичь синхронизации можно правильным подбором мощности нагрева. Вернее, удельной мощности на единицу площади сварки.
Величина удельной мощности определяет градиент температуры – перекос температуры между различными слоями стенок фитинга и трубы. Увеличение удельной мощности нагрева сильно увеличивает скорость растекания расплава и в меньшей степени – скорость прогрева глубоких слоев стенок.
Для тонких стенок требуется более высокая удельная мощность нагрева, чем для толстых.
Для большого зазора между ПЭ фитингом и трубой требуется более высокая удельная мощность нагрева, чем для малого зазора.
Таким образом, первый критически важный параметр сварки ЗН – удельная мощность нагрева, которая зависит от толщины стенок ПЭ фитинга и трубы, а также от величины зазора между фитингом и трубой. Если удельная мощность будет чрезмерной, то расплав полиэтилена растечется раньше, чем стенки успеют размягчиться. Может даже вытечь из-под фитинга. А если удельная мощность будет недостаточной, то к моменту размягчения стенок расплав полиэтилена не успеет даже уверенно заполнить весь зазор.

На 5-м этапе процесса стенки ПЭ фитинга и трубы должны легко усаживаться в направлении сжимающегося полиэтилена вокруг нагревателя. Это условие выполняется в том случае, если общее количество тепла, выделившегося на нагревателе, достаточно для постепенного прогрева всего объема сварного соединения до высокоэластического состояния. Если тепла будет недостаточно, стенки не будут легко усаживаться в направлении разряжения. И в остывшем соединении останется напряжение растяжения.
Таким образом, второй критически важный параметр сварки ЗН – общая энергия сварки, или количество тепла, которое необходимо передать нагревателю. Именно энергия сварки определяет момент, когда нагрев можно прекратить.

4.2 Обеспечение геометрии фитинга (для ботаников)

Все существенные размеры электросварного полиэтиленового фитинга (см.рис.4) регламентируются ГОСТ Р 52779-2007.

Номинальная длина зоны сварки L2 должна быть достаточно большой для обеспечения прочности сварного соединения не ниже прочности исходной трубы. Минимально допустимая длина зоны сварки определена для каждого диаметра электросварного фитинга (см.Табл.3 ГОСТ). Производитель фитинга имеет право увеличить эту длину, однако это вряд ли имеет смысл, зато увеличит необходимую мощность нагрева закладного нагревателя.

Зазор между внутренней поверхностью ПЭ фитинга и наружной поверхностью ПЭ трубы должен быть минимальным для скорейшей синхронизации нагрева трубы и фитинга. ГОСТ требует только, чтобы диаметр D в средней части зоны нагрева был не менее номинального диаметра трубы Dn (см.п.4.6.1 ГОСТ). Дело в том, что ГОСТ определяет условия, существенные для качества сварки. В свою очередь производители электросварных фитингов заботятся еще и о практической возможности ввести трубу в фитинг, поэтому на свое усмотрение увеличивают внутренний диаметр фитинга D, обеспечивая зазор. Этот зазор существенно отличается у различных производителей электросварных фитингов для полиэтиленовых труб.

Внутренний диаметр фитинга D2 вне зоны совмещения с трубой должен быть не менее внутреннего диаметра трубы, чтобы фитинг не снижал полезное сечение трубопровода. ГОСТ требует (см.п.4.6.1 ГОСТ), чтобы этот диаметр был не менее Dn-2Emin, где Emin – минимальная толщина стенки трубы.

Длина наружной холодной зоны L3 должна быть достаточной для приема расплавленного полиэтилена. ГОСТ требует (см.п.4.6.1 ГОСТ), чтобы эта зона была не менее 5 мм. Величина не самая критичная, поскольку возможный выход расплавленного полиэтилена наружу не повлияет на эксплуатационные характеристики трубопровода.

Длина внутренней холодной зоны – величина более критичная, разлив полиэтилена внутрь фитинга совершенно недопустим. ГОСТ определяет эту величину опосредованно, через MIN и MAX ограничение длины L1 захода трубы в фитинг (Табл.3 ГОСТ). Ограничения для каждого диаметра подобраны таким образом, что внутренняя холодная зона всегда получается длиннее наружной.

Если электросварной фитинг не имеет внутреннего упора для трубы или имеет легко удаляемый упор, конструкция фитинга должна обеспечивать прохождение трубы сквозь деталь (см.п.4.6.2 ГОСТ). В этом случае D2 должно быть не менее D.

Таким образом видим, что ГОСТ (и его прототип ISO 8085-3:2001) довольно полно определяет геометрию электросварного фитинга для любого полиэтиленового трубопровода (с заранее заданным DN и SDR). Любые «легальные» изменения (например, увеличение длины зоны нагрева или толщины стенки фитинга) не улучшат эксплуатационные характеристики трубопровода, а применяются производителями скорее в маркетинговых целях. Каталог фитингов содержит помпезное описание таких отличий от регламентированных характеристик.

4.3 Варианты конструкции фитинга (для ботаников)

ISO 8085-3:2001 и гармонизированный ГОСТ Р 52779-2007 определяют некоторые характеристики электросварных ПЭ фитингов с допуском, а некоторых характеристик не касаются совсем, требуя только конечный результат – качество сварного соединения. Таким образом, производители имеют свободу в изменении отдельных технических особенностей. Поэтому некоторые технические особенности трубных фитингов существенно различаются у разных производителей.

4.3.1 Зазор между фитингом и трубой

Диаметр внутренней поверхности ПЭ фитинга под сварку ЗН и, соответственно, зазор между фитингом и трубой – компромиссный параметр, значение которого выбирает производитель соединительных фитингов.

Маленький зазор осложняет введение трубы в фитинг, особенно при существенной овальности трубы. Зато улучшает синхронизацию нагрева.

Большой зазор упрощает совмещение, но потом требует слишком большого количества расплава для заполнения этого зазора и начала нагрева трубы.

ИНТЕРЕСНО: Существует трюк, который позволяет убить двух зайцев. Внутренний диаметр электросварного ПНД фитинга делается большим для удобства подготовки к сварке. После совмещения фитинга с трубой торцы большого зазора заклеиваются малярным скотчем для предотвращения выхода тепла, и затем закладной нагреватель длительно прогревается низкой мощностью, позволяющей прогреть трубу и фитинг на всю толщину стенки. Температура нагрева около 90°C, достаточно для расширения трубы и компенсации зазора. Фитинг при этом не расширяется или расширяется гораздо меньше трубы, поскольку сама технология предварительного нагрева предназначена для соединительных муфт большого диаметра, с наружным армированием (см.п.4.3.3).

Для обозначения параметров предварительного нагрева (напряжение и время) фитинг под сварку ЗН снабжается дополнительным штрих-кодом.

4.3.2 Открытая или закрытая спираль закладного нагревателя

Ни один нормативный документ не определяет метод внедрения спирали в поверхность электрофузионного фитинга. Или хотя бы глубину залегания спирали.

Есть 2 схемы расположения спирали:

  1. Т.н. «закрытая» спираль это когда витки полностью скрыты в полиэтилене на глубине 0,2÷0,5 мм (см.рис.5).
  2. Т.н. «открытая» спираль – это когда витки утоплены в полиэтилен примерно на 2/3 их диаметра (см.рис.6).

Теоретически, каждая схема расположения имеет свои достоинства и недостатки. Во втором случае нагрев поверхности трубы начинается чуть раньше, особенно если перед сваркой применяется слабый предварительный нагрев с целью увеличения объема трубы и прижима ее поверхности к спирали фитинга. В первом случае витки спирали лучше защищены от механического повреждения при совмещении фитинга с трубой. Есть и другие нюансы, еще более притянутые за уши.

Однако на практике такие аргументы ЗА и ПРОТИВ – скорее умело обыгрываемые маркетинговые ходы. Причины, побуждающие производителя электросварных фитингов для полиэтиленовых труб выбирать тот или иной способ внедрения спирали в свариваемую поверхность фитинга – исключительно технологические и правовые (патентные) ограничения и предпочтения. В конце концов, при закрытой спирали никакая теоретическая рассинхронизация начала нагрева фитинга и трубы не приводит к снижению качества сварного соединения, всё учтено в предписанных сварочных режимах. А при открытой спирали нет повальных рекламаций на поврежденные витки, иначе это было бы большим скандалом.

4.3.3 Напряжение и время нагрева

Как уже указывалось в п.4.1, оптимальная мощность нагрева с расчетом на единицу площади сварки (удельная мощность) и энергия сварки – параметры, которые зависят от требуемой глубины прогрева фитинга и трубы.

Глубина прогрева, в свою очередь, выбирается с учетом двух требований:

  • Когда расплав потечет в холодные зоны, наружный слой фитинга и внутренний слой трубы должны иметь вполне определенную жесткость/эластичность, чтобы обеспечить вполне определенное давление расплава в зоне сварки;
  • Тепло, выделившееся на спирали за время нагрева, должно затем постепенно прогреть все слои фитинга и трубы и привести их в высокоэластическое состояние, чтобы они без сопротивление усаживались в направлении остывающего и сжимающегося полиэтилена вокруг нагревателя.

Для демонстрации выбора мощности нагрева условимся, что оптимальная глубина прогрева – примерно до половины толщины трубы и фитинга.

При низкой удельной мощности оплавление происходит медленнее (см.рис.7-а). К моменту, когда расплав полиэтилена будет наконец выдавлен в холодные зоны, фитинг и труба успеют прогреться на приличную глубину. Низкая удельная мощность и большое время нагрева применяются для толстостенных фитингов и труб. А также для малого зазора между фитингом и трубой.

Если фитинг и труба имеют тонкую стенку (см.рис.7-б), оптимальная глубина прогрева меньше. Соответственно, меньше должно быть время нагрева. Однако за это короткое время расплав полиэтилена должен успеть достаточно расшириться и достичь холодных зон, поэтому применяют высокую удельную мощность нагрева. Удельную мощность приходится повышать также в случае заведомо большого зазора.

С энергией сварки зависимость еще более очевидная. Чем больше толщина стенки трубы и фитинга, тем больше объем полиэтилена, который необходимо прогреть до высокой эластичности. И тем больше энергия, которая для этого требуется.

Мощность и энергия – величины расчетные, их невозможно задать или измерить непосредственно. На практике готовый электросварной фитинг имеет вполне определенный закладной нагреватель с вполне определенным электрическим сопротивлением (см.п.4.3.5). Точнее, с вполне определенной зависимостью этого сопротивления от температуры. Для задания мощности при известном сопротивлении производитель вычисляет требуемое напряжение нагрева, этот параметр понятен и сварочному аппарату, и оператору. А для задания энергии сварки при известной мощности нагрева – вычисляют требуемое время нагрева. Напряжение и время – основные параметры сварки ЗН, которые не только кодируются в штрих-коде, но и явно указываются на ПЭ фитинге под сварку ЗН.

ИНТЕРЕСНО: Каждый электросварной фитинг рассчитан на сварку труб с вполне определенным диапазоном толщины стенки. Сварочные параметры фитинга подбираются таким образом, чтобы SDR самой толстостенной трубы соответствовало SDR фитинга, а SDR самой тонкостенной трубы – как получится. К сожалению, допустимый диапазон SDR трубы не указан в сварочном штрих-коде фитинга, в самом лучшем случае указывается в техническом каталоге фитингов. Поэтому логика сварочного аппарата (см.п.5.3) не отслеживает это соответствие; правильный подбор трубы и фитинга остается на совести монтажника.

ИНТЕРЕСНО: Теоретически, любой электросварной фитинг можно сварить с тонкостенной трубой, на которую он не рассчитан. Для этого необходимо вручную увеличить мощность нагрева и уменьшить энергию сварки. На практике – увеличить напряжение и уменьшить время нагрева.

ИНТЕРЕСНО: У электросварных фитингов для напорных полиэтиленовых труб большого диаметра зона нагрева и совокупная мощность закладного нагревателя оказываются слишком большими, для обеспечения такой мощности пришлось бы использовать медную спираль большой толщины (см.п.4.3.5) и требовать применения очень мощных сварочных аппаратов, вероятно даже с питанием от промышленной 3-фазной сети. Поэтому здесь производители идут другим путем – ограничивают мощность и увеличивают время нагрева. Такая схема увеличивает глубину прогрева фитинга и трубы и катастрофически снижает его каркасную жесткость в самый критический момент. Для сохранения каркасной жесткости хотя бы со стороны фитинга и обеспечения сварочного давления в зоне сварки на большие электросварные фитинги надевают специальные ремни, одноразовые или многоразовые. Или армируют фитинг снаружи металлической проволокой.

Читайте также:  Труба тоннель для клеток

ИНТЕРЕСНО: У соединительных муфт для труб диаметром от DN 710, даже с увеличением глубины прогрева и использованием ремней, совокупная мощность двух закладных нагревателей оказывается слишком высокой. Поэтому у электромуфт DN 710 и выше (у некоторых производителей даже от DN 500) спираль разделяют на две части и затем приваривают электромуфту последовательно – вначале к одной трубе, затем к другой (см.рис.27 справа).

4.3.4 Плотность расположения витков спирали закладного нагревателя

Плотность расположения витков спирали или равномерность нагрева по поверхности не оговаривается ни в одном нормативном документе. Здесь решение принимает производитель фитингов под сварку ЗН.

Рассмотрим противоположные случаи – слишком редкое и слишком частое расположение витков спирали для электросварных фитингов с одинаковой толщиной стенки и одинаковой удельной мощностью нагрева.

При слишком редком расположении витков (см.рис.8) расширяющийся расплав неравномерно заполняет зазор между трубой и фитингом, запирая большие пузырьки воздуха и образуя поры в шве. А когда в зазоре создается давление, предполагающее выдавливание расплава в холодные зоны, расплав прогрет неравномерно и имеет различную текучесть в разных точках.

Рис. 8 Прогрев при редком расположении витков спирали

Частое расположение витков обеспечивает равномерный нагрев и контролируемое заполнение зазора расплавом, без воздушных пузырей. Но тут другая проблема. С увеличением частоты витков пропорционально увеличивается длина спирали и, соответственно, ее сопротивление. Для сохранения общего сопротивления спирали на приемлемом уровне придется увеличивать ее толщину (см.п.4.3.5). В итоге между витками спирали просто не останется места для полиэтилена.

К тому же, понятно, что слишком частое расположение витков технологически сложнее для производителя электросварных фитингов.

Задача производителя – найти компромиссное решение.

ИНТЕРЕСНО: Другая опасность при слишком редком расположении витков состоит в том, что для обеспечения требуемой удельной мощности нагрева поверхности мощность каждого витка должна была бы быть очень высокой. Это было бы чревато локальным перегревом полиэтилена и даже возгоранием.

ИНТЕРЕСНО: Нельзя сказать, что слишком редкое расположение витков спирали – единственная или хотя бы главная причина наличия пузырьков воздуха (пор) в готовом сварном соединении. Поры присутствуют обязательно, хотя бы даже из-за неровности поверхности трубы – это, кстати, к вопросу о качестве механической очистке трубы перед сваркой (см.п.7.2.2). Другое дело – допустимая доля таких пор. Нормы DVS 2202-1 указывают, что наличие локальных пор допустимо, если другие тесты докажут приемлемую прочность соединения.

4.3.5 Материал и толщина спирали закладного нагревателя

Для спирали, в принципе, подходит любой металл, имеющий не очень высокое удельное сопротивление, не запредельный температурный коэффициент сопротивления и не космическую цену.

Наиболее часто применяемый металл – медь. Однако медь имеет довольно высокий температурный коэффициент сопротивления, при увеличении температуры спирали на ΔT=260°С ее сопротивление увеличивается вдвое. В момент подачи сварочного напряжения спираль имеет температуру окружающей среды, ее сопротивление минимально, и кратковременный ток Iкр высок. По мере нагрева спирали ее сопротивление растет, а сила тока снижается до длительно действующего значения Iдл (см.рис.9).

Такое изменение сопротивления закладного нагревателя в течение сварочного процесса представляет определенные неудобства для производителей сварочных аппаратов. Высокий пусковой ток действует кратковременно, его повышенное значение не оказывает сколько-нибудь полезного влияния на процесс плавления и растекания полиэтилена в зоне сварки. Но какое-то время он все-таки действует, и сварочный аппарат должен быть в состоянии его обеспечить. А главное – за это время пробки в сети питания не должно выбить.

Рис.9 Изменение силы тока в процессе нагрева

Для уменьшения разницы между кратковременным и длительным сварочным током было бы логично подобрать для спирали металл с низким температурным коэффициентом сопротивления.

Самый низкий температурный коэффициент сопротивления из всех «некосмических» материалов имеет сплав никеля и хрома, у него этот коэффициент в 15 раз ниже, чем у меди. Правда, цена нихрома в 3-4 раза выше, чем у меди, но проблема даже не в этом. Проблема в том, что удельное сопротивление нихрома при 20°С в 65 раз больше, чем у меди; при нагреве на ΔT=260°С эта разница уменьшается почти вдвое, но все равно остается огромной. На электросварных фитингах больших диаметров (т.е. при большой длине спирали) пришлось бы использовать нихромовую проволоку в палец толщиной, чтобы сварочное напряжение в пределах 48 В обеспечило приемлемый ток и мощность нагрева.

А вот на фитингах малых диаметров (до 160 мм) спираль имеет намного меньшую длину, поэтому даже при небольшой толщине нихромовой спирали ее общее сопротивление не чрезмерное, и сварочное напряжение 20-40 В вполне обеспечивает требуемую мощность нагрева. Наоборот, использование медной спирали на малых электросварных фитингах для многих производителей оказывается технологически сложным, поскольку медная спираль здесь должна быть тонкой, как волос.

ИНТЕРЕСНО: Изменяя материал и толщину спирали, производитель полиэтиленовых фитингов под сварку ЗН может варьировать сопротивление закладного нагревателя и тем самым изменять предписанное напряжение, причем при фиксированной мощности нагрева. Выбор напряжения сварки – компромиссное решение производителя, подробнее см. в п.5.1.1.

ИНТЕРЕСНО: У электросварных соединительных муфт-гигантов (DN 1200, 1600), даже с разделением спирали на две части, возникает конфликт между слишком большой длиной спирали и слишком высокой требуемой мощностью нагрева. Для того чтобы 48-вольтное напряжение обеспечило требуемую мощность нагрева, спираль (даже медная) должна была бы иметь огромную толщину для снижения сопротивления, между витками просто не осталось бы места для полиэтилена. Для решения такой проблемы производители фитингов были вынуждены увеличить сварочное напряжение до небезопасных 79 В. А производители сварочных аппаратов стали делать линейку аппаратов с диапазоном сварочного напряжения 8÷79 В.

ИНТЕРЕСНО: Некоторые производители соединительных муфт-гигантов решают вышеописанную проблему примитивным способом – во-первых, уменьшают длину зоны сварки ниже разумных пределов, во-вторых, увеличивают расстояние между витками, уменьшая длину спирали, со всеми негативными последствиями (см.п.4.3.4). Только использовать такие муфты при монтаже – себе дороже!

4.3.6 Учет неконтролируемых параметров

К неконтролируемым условно отнесем параметры, которые не могут быть с достаточной точностью определены при производстве электросварного фитинга и окончательно проявляются только во время сварки. Производитель фитингов под сварку ЗН должен предусмотреть возможное влияние этих параметров и указать аппарату алгоритм реагирования.

Температура воздуха

Очевидно, что энергия сварки (см.п.4.1) зависит от окружающей температуры. Чем ниже начальная температура фитинга и трубы, тем больше энергии необходимо для приведения всего объема сварного соединения в высокоэластическое состояние. И наоборот, чем выше начальная температура, тем меньше требуется тепла.

Номинальное время нагрева, указанное на фитинге под сварку ЗН и закодированное в штрих-коде, рассчитано исходя из требуемой энергии сварки при температуре Т=20°С. А необходимая корректировка энергии сварки (и, соответственно, времени нагрева) в зависимости от фактической исходной температуры с большой точностью описывается графиком на рис.10.

График, в свою очередь, с приемлемым допуском формально описывается следующими коэффициентами:

  • При температуре ниже 20°С – увеличение времени на 0,7% на каждый градус;
  • При температуре выше 20°С – уменьшение времени на 0,5% на каждый градус.
Рис. 10 Зависимость времени нагрева от исходной температуры

Если производитель обнаруживает, что для его фитинга коэффициенты температурной компенсации отличаются от общепринятых, он прописывает их в сварочном штрих-коде, там для этого зарезервированы специальные позиции. А если коэффициенты температурной компенсации не прописаны, аппарат использует общепринятые коэффициенты.

Фактическое сопротивление фитинга

Сопротивление электросварного фитинга при нормальной температуре рассчитывается на этапе подбора материала и толщины спирали (см.п.4.3.5) и затем указывается в штрих-коде вместе с допустимым отклонением от номинала. Перед началом сварки аппарат измеряет фактическое сопротивление фитинга и сравнивает его с допустимым диапазоном. Однако даже отклонение сопротивления в пределах допуска может заметно изменить мощность нагрева (т.е. скорость выделения энергии).

Другая возможная погрешность – фактический температурный коэффициент сопротивления металла, из которого сделана спираль нагревателя. Этот коэффициент может отличаться от табличного и также изменять мощность нагрева.

Для устранения влияния этих возможных погрешностей на общее количество переданного тепла производитель заносит в штрих-код энергию сварки. Нагрев будет продолжаться, пока энергия сварки не будет передана фитингу полностью.

ИНТЕРЕСНО: При подготовке к сварке, сразу после считывания штрих-кода любой приличный аппарат корректирует номинальное время нагрева с учетом температуры и фактического сопротивления фитинга, затем отображает расчетное значение времени на дисплее перед сваркой. Однако к этому значению оператор должен относиться как к предварительному прогнозу, поскольку время еще может корректироваться в результате контроля фактически переданной энергии.

Источник