Сварка полиэтиленовых труб для газопроводов при естественно низких температурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.10, кандидат технических наук Данзанова, Елена Викторовна
Оглавление диссертации кандидат технических наук Данзанова, Елена Викторовна
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОЙ ПРОБЛЕМЫ
1.1. Применение полиэтиленовых труб при низких температурах
1.2. Сварка полиэтиленовых труб для газопроводов
1.3. Методы испытаний сварных соединений
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СВАРКИ НАГРЕТЫМ ИНСТРУМЕНТОМ ВСТЫК ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 3
2.1. Технология сварки нагретым инструментом встык без предварительного подогрева при естественно низких температурах
2.1.1. Экспериментальная проверка адекватности математической модели теплового процесса сварки нагретым инструментом встык
2.1.2. Определение технологических режимов сварки нагретым инструментом встык при температурах ОВ, ниже нормативных
2.1.3. Контроль качества сварных стыковых соединений ПЭ труб
2.1.4. Исследование сварного стыкового соединения методом локального вторичного нагрева
2.2. Технология сварки нагретым инструментом встык с предварительным подогревом при естественно низких температурах 60 ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ СВАРКИ ЗАКЛАДНЫМ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
3.1. Экспериментальная проверка адекватности математической модели теплового процесса сварки закладным нагревательным элементом
3.2. Разработка методики определения технологических параметров сварки закладным нагревательным элементом полиэтиленовых труб при низких температурах
3.3. Контроль качества муфтовых сварных соединений
3.4. Исследование сварного муфтового соединения методом локального вторичного нагрева 90 ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СВАРКИ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ ДЛЯ ГАЗОПРОВОДОВ 93 4.1. Исследования физико-механических свойств сварного стыкового соединения полиэтиленовых труб по зонам
4.1.1. Разработка методики определения физико-механических свойств материала зон сварного стыкового соединения
4.1.2. Исследование прочностных свойств материала зон сварного стыкового соединения
4.1.3. Исследование степени кристалличности материала зон сварного стыкового соединения
4.2. Длительные испытания сварных соединений полиэтиленовых труб
4.2.1. Испытания на длительное растяжение сварных стыковых соединений
4.2.2. Испытания при постоянном внутреннем давлении
4.3. Исследования прочности сварных соединений
4.3.1. Разработка методики определения прочности стыкового сварного соединения с заданной площадью сварки
4.3.2. Разработка методики определения прочности муфтового сварного соединения с заданной площадью сварки
4.4. Исследования надмолекулярной структуры сварных соединений полиэтиленовых труб
4.4.1. Исследование надмолекулярной структуры материала сварных соединений методом световой микроскопии
4.4.2. Исследование надмолекулярной структуры материала сварного соединения методом атомно-силовой микроскопии (АСМ)
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Сварка, родственные процессы и технологии», 05.02.10 шифр ВАК
Численное моделирование теплового процесса сварки полиэтиленовых труб при низких температурах 2009 год, кандидат технических наук Аммосова, Ольга Александровна Разработка технологии сварки полипропиленовых труб нагретым инструментом в раструб при отрицательных температурах окружающего воздуха 2020 год, кандидат наук Ботвин Глеб Владимирович Оптимизация технологий строительства для обеспечения нормативных требований к сварным соединениям магистральных газопроводов: на примере магистрального газопровода Бованенково-Ухта 2010 год, кандидат технических наук Беспалов, Владимир Иванович Хладостойкость и особенности сопротивления разрушению нефтегазовых пластмассовых труб 2005 год, доктор технических наук Стручков, Александр Семенович Оптимизация структуры и свойств сварного соединения толстостенных газопроводных труб класса прочности Х70 для подводных трубопроводов 2011 год, кандидат технических наук Степанов, Павел ПетровичВведение диссертации (часть автореферата) на тему «Сварка полиэтиленовых труб для газопроводов при естественно низких температурах»
Низкая стоимость, легкий вес, простота технологии монтажных и сварочных работ, отсутствие необходимости дополнительной изоляции и долговечность материала способствовали широкому использованию полиэтиленовых (ПЭ) труб в газовых сетях вместо стальных по всему миру. Однако существование ограничения при проведении строительных работ по температуре окружающего воздуха (ОВ) несколько сдерживает темпы повсеместного внедрения данного перспективного материала. В средней полосе и, особенно в северных регионах Российской Федерации, с середины сентября по май месяц среднесуточная температура ОВ ниже минус 15 °С [14]. Согласно действующим СНиП по проектированию и строительству газопроводов из полиэтиленовых труб при температурах ОВ ниже минус 15 °С сварочные работы производятся во временных укрытиях или сооружениях, в которых поддерживается температура из допустимого диапазона (от -15 °С до 45 °С). Такие вынужденные мероприятия приводят к удорожанию и сокращению сезона строительства полиэтиленовых газопроводов. С другой стороны, прерывание подачи газа ниже минус 40 °С в течение нескольких часов в энерго- и теплоснабжающие системы может привести к чрезвычайным ситуациям и в бедственном положении могут оказаться жители целых кварталов и поселков. Существующие методы разрушающего и неразрушающего контроля не всегда позволяют адекватно устанавливать качество сварного соединения. В связи с изложенным, возникает актуальная задача разработки технологических режимов сварки нагретым инструментом встык (НИВ) и сварки с закладным нагревательным элементом (ЗНЭ) при температурах воздуха, ниже нормативных, и разработки новых эффективных методов контроля качества сварных соединений.
В связи с этим в Институте проблем нефти и газа СО РАН ведутся научно-исследовательские работы по разработке технологии оперативной
сварки полиэтиленовых труб при температурах ОВ, ниже нормативных. Так в работах [4, 5, 6] предложено теоретическое обоснование возможности стыковой сварки ПЭ при низких температурах без предварительного подогрева, идея которого заключается в обеспечении такого же объема расплава при низких температурах ОВ, что и при допустимых для производства сварки температурах. Известно, что прочность полиэтилена зависит от степени кристалличности и размеров надмолекулярных образований, которые, в свою очередь, определяются режимом охлаждения. Если скорость охлаждения высокая, то образуется много центров кристаллизации и их рост происходит медленно, при этом формируется мелкокристаллическая структура, обуславливающая пластичность полиэтилена. При медленном охлаждении расплава формируется крупнокристаллическая структура, которая увеличивает склонность полиэтилена к хрупкому разрушению [6, 69, 70]. В связи с этим, охлаждение сварного соединения при предлагаемом подходе проводится в теплоизоляционной камере, обеспечивающей необходимый темп охлаждения сварного соединения.
Следует отметить, что эффективность предлагаемой технологии сварки была проверена только кратковременными испытаниями методов контроля качества сварных соединений, рекомендуемых нормативными документами. Многочисленные механические испытания показывают, что кратковременная прочность соединения, полученного при низких температурах по предложенной технологии, не уступает прочности соединения, полученного в условиях нормативных температур.
Наиболее информативным методом испытаний, как отмечается в работе [130], является испытание на длительное растяжение при постоянной нагрузке в присутствии поверхностно-активных веществ. При испытаниях на длительное растяжение в поверхностно-активной среде образцов, полученных при сварке при температурах, ниже нормативных, без предварительного подогрева и охлажденных в теплоизоляционной камере,
наблюдались случаи преждевременного разрушения по зоне сплавления. Предполагается, что причиной такого разрушения являются повышенные значения температурных напряжений, вследствие неравномерного нагрева. Можно отметить, два возможных последствия повышенных напряжений. Во-первых, известно, что прочное сварное соединение получается, если в зоне сплавления сварного соединения формируются образования сферолитной, а не ленточной структуры. При оптимальных технологических режимах сварки ленточные образования, сформированные при вытеснении расплава из зоны сплавления в грат, вследствие протекания релаксационных процессов в расплаве, трансформируются в сферолитные. Формирование ленточной структуры в зоне сплавления связывают с повышением температуры кристаллизации деформируемых полимерных расплавов [34]. При определенных напряжениях и температурах ленточная структура может сохраниться вследствие ранней кристаллизации расплава даже при обеспечении скорости охлаждения, соответствующей сварке при допустимых температурах ОВ.
Во-вторых, согласно расчетам, приведенным в работе [98], напряжения, обусловленные сваркой, повышаются с понижением температуры ОВ. Показано, что максимальные напряжения возникают в зоне сплавления. При сварке без предварительного подогрева в условиях низких температур, при увеличении продолжительности воздействия нагревательным инструментом для получения необходимого объема расплава, свариваемые трубы подогреваются на небольшое расстояние от стыка. Неоднородность распределения температуры по длине трубы может способствовать повышению напряжений в зоне сплавления, которые не могут релаксировать, что может привести к зарождению и распространению в этой зоне трещин.
В связи с этим можно предположить, что для получения прочного сварного соединения при температурах воздуха, ниже нормативных, трубу следует подогреть до допустимой температуры на некоторое расстояние от
торца, обеспечив тем самым снижение напряжений за счет однородного распределения температуры. Затем провести нагрев торцов по регламентированному технологическому режиму, а при охлаждении использовать теплоизоляционную камеру.
На основе изложенного, можно предложить другой подход сварки НИВ при низких температурах - с предварительным подогревом. Экспериментальное исследование прочности сварных соединений, полученных двумя подходами - без подогрева и с подогревом, позволит выбрать лучший из них.
Для проведения сварки ЗНЭ полиэтиленовых труб имеются такие же ограничения по температуре ОВ, что и для сварки НИВ. На оборудовании для сварки ЗНЭ полиэтиленовых труб кроме сканера штрих-кода, на котором зашифрована информация о размере, материале и другие данные о сварочной муфте, имеется датчик температуры ОВ, по показаниям которого автоматически выбирается напряжение и время нагрева, подаваемые на сварочную муфту. Сварка проводится автоматически. Поэтому для проведения сварки ЗНЭ при низких температурах ОВ на стандартном оборудовании представляется перспективным осуществлять предварительный подогрев муфты с трубами. Для этого необходимо определить мощность подогрева, подаваемого на нагревательный элемент муфты, не допускающего чрезмерное повышение температуры и обеспечивающего через определенное время допустимую для сварки температуру. Тогда, имитируя для датчика температуры сварочного аппарата данную допустимую для сварки температуру, можно провести сварку в автоматическом режиме. Необходимый темп охлаждения можно обеспечить использованием теплоизоляционной рубашки, толщина которой определяется на основе анализа температурных полей в области сварного соединения.
В работе [116] предложена математическая модель нестационарного теплового процесса при сварке ЗНЭ полиэтиленовых труб. На основе
математических моделей тепловых процессов сварки НИВ и сварки ЗНЭ в ИПНГ СО РАН разработаны комплексы программ, предназначенные для анализа нестационарных температурных полей сварки ПЭ труб широкого сортамента в различных условиях. Комплексы программ позволяют в интерактивном (диалоговом) режиме варьировать теплофизические характеристики материала труб, геометрические размеры, температуру ОВ, технологические параметры и получать в удобной для пользователя табличной форме результаты моделирования нестационарного температурного поля на стадиях нагрева и охлаждения. Пользователь имеет возможность в диалоговом режиме оперативно вносить необходимые изменения в исходных данных и выводить результаты расчета в виде таблиц, удобных для вывода графиков и анализа температурных полей. Комплексы программ не требуют специальной подготовки пользователя.
Использование этих программных средств и варьирование входными данными в сочетании с экспериментальными исследованиями по оценке качества сварных соединений позволит определить технологические режимы сварки, обеспечивающие необходимую прочность сварного соединения. В то же время, существующие методы обязательных и рекомендуемых испытаний не всегда позволяют адекватно устанавливать качество сварного соединения. Поэтому представляется перспективным оценивать качество соединений на основе определения физико-механических свойств в различных зонах сварного соединения. Однако, методик определения физико-механических свойств материала в зонах сварного соединения практически нет. Поэтому для определения качества сварки наряду с использованием традиционных методов испытаний необходимо разрабатывать новые методики, позволяющие получать данные о свойствах материала в различных зонах сварных соединений.
При проведении испытаний стыковых сварных соединений на растяжение согласно методам, указанным в СП 42-103-2003, образцы, как правило, разрушаются по основному материалу трубы, а не по сварному шву.
При испытаниях же образцов муфтовых соединений на отслаивание, особенно, при диаметрах менее 0 90 мм разрыв происходит по месту приложения нагрузки на муфте или по материалу трубы. В связи с этим, необходимо разрабатывать методы, позволяющие получать сравнительные прочностные характеристики самого сварного соединения.
Таким образом, возникает актуальная задача разработки новых эффективных методов оценки качества сварных соединений и разработки технологических режимов сварки НИВ и сварки ЗНЭ при температурах воздуха, ниже нормативных.
В данной работе, теоретические и экспериментальные результаты по сварке НИВ и ЗНЭ в основном получены для полиэтиленовых труб для газопроводов ПЭ80 SDR.11 6305,8, как наиболее удобных для отработки методик. Однако результаты исследований с равным успехом могут использоваться при разработке технологии сварки труб из различных пластмасс с различными типоразмерами.
Целью работы является обоснование технологической возможности выполнения качественной сварки полиэтиленовых труб нагретым инструментом встык и сварки закладным нагревательным элементом с применением муфты при температурах окружающего воздуха ниже минус 15 °С без строительства временных укрытий.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:
•Определение технологических режимов сварки НИВ и сварки ЗНЭ полиэтиленовых труб при температурах ОВ, ниже нормативных с использованием комплексов программ «СТЫК-1», «ПОДОГРЕВ-1», «МУФТА», разработанных для анализа нестационарных температурных полей;
•Исследование эффективности существующих методов контроля качества сварных соединений;
•Исследование надмолекулярной структуры сварных соединений, полученных при различных режимах;
•Исследование качества стыковых и муфтовых сварных соединений, изготовленных при температурах ОВ, ниже нормативных, по предлагаемым режимам.
Научная новизна работы состоит в следующем:
На основе управления тепловыми процессами при сварке нагретым инструментом встык полиэтиленовых труб в условиях естественно низких температур (до минус 45 °С), установлено, что при сварке при низких температурах участок свариваемой трубы с длиной вылета, равной пятикратной толщине трубы, необходимо предварительно подогреть отдельным инструментом с температурой ниже температуры плавления полиэтилена, т.е. ниже 80 °С, затем свободно охладить до допустимой температуры ОВ для выравнивания температурного поля. Данные условия приводят к снижению температурных напряжений в сварном соединении до уровня, гарантирующего требуемую длительную прочность.
Установлено, что наибольшее влияние на прочность сварного стыкового соединения ПЭ труб оказывают размеры кристаллических образований микроструктуры отдельных участков зоны сварного соединения. Для обеспечения требуемой длительной прочности сварного соединения ПЭ труб размеры кристаллических образований в структуре материала на линии сплавления свариваемых поверхностей должны изменяться в пределах 5-15 мкм, что происходит при скорости охлаждения менее 1 °С/с в интервале температур от 135 °С до 80 °С.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
• Технологические режимы оперативной сварки нагретым инструментом встык ПЭ труб для газопроводов для более низких значений температур ОВ, чем предусмотрено нормативными документами;
• Технологические режимы оперативной сварки закладным нагревательным элементом ПЭ труб для газопроводов для более широкого диапазона низких температур ОВ, чем предусмотрено нормативными документами;
• Совокупность экспериментально полученных данных по прочности сварного соединения ПЭ труб.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается использованием стандартных и разработанных методов испытаний сварных соединений при статических нагрузках и изучения структуры сварных швов методами световой и атомно-силовой микроскопии, большим объемом экспериментальных данных, применением комплексов программ, использующих методы вычислительной математики, совпадением расчетных и экспериментальных температурных данных при сварке в условиях низких температур.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
Найденные и обоснованные технологии сварки расширяют диапазон допустимых температур ОВ для проведения сварки ПЭ труб диаметром от 50 до 160 мм для газопроводов в сторону естественно низких температур без строительства дополнительных сооружений. Использование результатов данной работы позволяет определить прочность сварного соединения по зоне сплавления кратковременными испытаниями без нанесения надреза или удаления грата. Новизна предлагаемых решений подтверждена тремя патентами РФ на изобретения на способ сварки полимерных труб, одним патентом на изобретение на способ испытаний сварного стыкового соединения и одним положительным решением на выдачу патента на изобретение на способ испытания муфтовых сварных соединений. Результаты проведенных исследований приняты к использованию на ООО ПМК «Намгазстрой».
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались: на всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение технологии и экология в третьем тысячелетии» (г. Томск, 2009 г.), XIV Международном симпозиуме имени академика М.А. Усова (г. Томск, 2010 г.), IX Международном симпозиуме по развитию холодных регионов «КСОГШ» (г. Якутск, 2010 г.), научной
конференции «Перспективы развития нефтегазового комплекса Республики Саха (Якутия)» (г. Якутск, 2010 г.), IV и V Евразийском симпозиумах «ЕтАБТКЕЖЮЫЭ» (г. Якутск, 2008, 2010 гг.), международной конференции «Композиционные материалы в промышленности СЛАВПОЛИКОМ 2011» (Ялта, 2011 г), международной научно-технической конференции «ШЛИКОМТРИБ-2011» (г. Гомель, 2011г).
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 26 публикациях, в том числе 5 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ и в 4-х патентах РФ на изобретение.
Личный вклад автора заключается в определении технологических режимов и проведении экспериментальной сварки при низких температурах ОВ, обработке полученных результатов, разработке методов испытаний для контроля качества сварных соединений, обобщении теоретических и экспериментальных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 137 наименований. Объем диссертации составляет 143 стр., включая 52 рисунка и 12 таблиц.
Автор выражает благодарность заведующему лабораторией климатических испытаний, доктору технических наук Старостину Николаю Павловичу за неоценимую помощь в подготовке диссертации, а также инженеру Ботвину Глебу Владимировичу за помощь при проведении экспериментов.