Получение неразъемных соединений труб из структурированного полиэтилена

Рассмотрена возможность получения неразъемного соединения труб из структурированного полиэтилена с использованием метода косвенного нагрева. Как показали механические испытания, прочность соединения может достигать 90 % и выше прочности основного материала. Отмечена возможность автоматизации выбора...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
Hauptverfasser:	Кораб, Н.Г., Кабыш, С.В., Костенко, А.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2009
Schriftenreihe:	Автоматическая сварка
Schlagworte:	Производственный раздел
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100874
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Получение неразъемных соединений труб из структурированного полиэтилена / Н.Г. Кораб, С.В. Кабыш, А.В. Костенко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 6 (674). — С. 43-46. — Бібліогр.: 12 назв. — рос

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-100874
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1008742016-05-29T03:02:12Z Получение неразъемных соединений труб из структурированного полиэтилена Кораб, Н.Г. Кабыш, С.В. Костенко, А.В. Производственный раздел Рассмотрена возможность получения неразъемного соединения труб из структурированного полиэтилена с использованием метода косвенного нагрева. Как показали механические испытания, прочность соединения может достигать 90 % и выше прочности основного материала. Отмечена возможность автоматизации выбора режимов нагрева и эффективного использования для создания промышленной технологии соединения труб из структурированного полиэтилена. The possibility is considered of producing a permanent joint in structured polyethylene pipes by using the indirect heating method. As shown by mechanical tests, strength of the joint can reach 90 % or higher of that of the base material. Noted is the possibility of automated selection of heating conditions and their efficient utilization for development of a commercial technology for joining structured polyethylene pipes. 2009 Article Получение неразъемных соединений труб из структурированного полиэтилена / Н.Г. Кораб, С.В. Кабыш, А.В. Костенко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 6 (674). — С. 43-46. — Бібліогр.: 12 назв. — рос 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100874 621.791:01.678.029.43 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Производственный раздел Производственный раздел
spellingShingle	Производственный раздел Производственный раздел Кораб, Н.Г. Кабыш, С.В. Костенко, А.В. Получение неразъемных соединений труб из структурированного полиэтилена Автоматическая сварка
description	Рассмотрена возможность получения неразъемного соединения труб из структурированного полиэтилена с использованием метода косвенного нагрева. Как показали механические испытания, прочность соединения может достигать 90 % и выше прочности основного материала. Отмечена возможность автоматизации выбора режимов нагрева и эффективного использования для создания промышленной технологии соединения труб из структурированного полиэтилена.
format	Article
author	Кораб, Н.Г. Кабыш, С.В. Костенко, А.В.
author_facet	Кораб, Н.Г. Кабыш, С.В. Костенко, А.В.
author_sort	Кораб, Н.Г.
title	Получение неразъемных соединений труб из структурированного полиэтилена
title_short	Получение неразъемных соединений труб из структурированного полиэтилена
title_full	Получение неразъемных соединений труб из структурированного полиэтилена
title_fullStr	Получение неразъемных соединений труб из структурированного полиэтилена
title_full_unstemmed	Получение неразъемных соединений труб из структурированного полиэтилена
title_sort	получение неразъемных соединений труб из структурированного полиэтилена
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Производственный раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100874
citation_txt	Получение неразъемных соединений труб из структурированного полиэтилена / Н.Г. Кораб, С.В. Кабыш, А.В. Костенко // Автоматическая сварка. — 2009. — № 6 (674). — С. 43-46. — Бібліогр.: 12 назв. — рос
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT korabng polučenienerazʺemnyhsoedinenijtrubizstrukturirovannogopoliétilena AT kabyšsv polučenienerazʺemnyhsoedinenijtrubizstrukturirovannogopoliétilena AT kostenkoav polučenienerazʺemnyhsoedinenijtrubizstrukturirovannogopoliétilena
first_indexed	2025-07-07T09:29:32Z
last_indexed	2025-07-07T09:29:32Z
_version_	1836979925258600448
fulltext	УДК 621.791:01.678.029.43 ПОЛУЧЕНИЕ НЕРАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ ИЗ СТРУКТУРИРОВАННОГО ПОЛИЭТИЛЕНА Н. Г. КОРАБ, канд. техн. наук, С. В. КАБЫШ, А. В. КОСТЕНКО, инженеры (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Рассмотрена возможность получения неразъемного соединения труб из структурированного полиэтилена с исполь- зованием метода косвенного нагрева. Как показали механические испытания, прочность соединения может достигать 90 % и выше прочности основного материала. Отмечена возможность автоматизации выбора режимов нагрева и эффективного использования для создания промышленной технологии соединения труб из структурированного полиэтилена. К л ю ч е в ы е с л о в а : косвенный нагрев, структурирован- ный полиэтилен, неразъемное соединение, полимерные тру- бопроводы Во многих странах, включая Украину, для тру- бопроводов различного назначения успешно при- меняют трубы из структурированного (сшитого) полиэтилена. По сравнению с большинством тер- мопластов у данного материала выше показатели ударной вязкости при низких температурах, стой- кость к медленному и быстрому распространению трещин, химическая стойкость, прочность. Для этого в материале различными способами созда- ется трехмерная сетчатая структура, отличитель- ной чертой которой является сильная молекуляр- ная связь между полимерными цепочками, что значительно повышает стабильность полимера и обеспечивает повышенную плотность [1]. В нас- тоящее время в Украине действует стандарт [2], согласно которому из структурированного поли- этилена могут изготавливаться трубы четырех ви- дов: PE-Xa, PE-Xb, PE-Xc и PE-Xd, предназна- ченные для строительства и ремонта трубо- проводных сетей холодного, горячего водоснаб- жения и отопления, транспортирующие воду с температурой 5...95 °С. Сварка этих труб с при- менением известных способов не позволяет по- лучить необходимые прочностные свойства сое- динения [1, 3] (коэффициент прочности k не превышает 0,1…0,3 прочности материала труб). Сегодня трубопроводы из структурированного по- лиэтилена монтируют с помощью металлических соединительных деталей различных конструкций [4]. При этом существует ряд недостатков — вы- сокая цена, коррозия металлических частей и воз- можная потеря герметичности при длительной эк- сплуатации. Анализ имеющихся публикаций показывает, что за рубежом ведутся работы по сварке структурированного полиэтилена [3, 5–7], но их результаты пока не имеют широкого про- мышленного применения, что связано с различ- ными причинами, например, сложностью изготов- ления соединительной детали, повышенного вы- деления вредных веществ из-за высокой температуры сварки и т. д. Исходя из изложенного выше, в ИЭС им. Е. О. Патона исследована возможность получения не- разъемного соединения труб из структурирован- ного полиэтилена типа РЕ-Ха методом косвенного «непрямого» нагрева, который осуществляется путем «сплавления» соединяемых поверхностей через прослойку толщиной 0,5 мм полиэтилена высокой плотности марки ПЕ80. При этом подвод тепла к зоне «сплавления» осуществляется через одну из соединяемых поверхностей (косвенный нагрев) (рис. 1) [8–10]. Предлагаемая технология состоит из нескольких основных операций. Сна- чала проводится сборка соединения, затем со сто- роны наружной поверхности муфты 3 наружным диаметром 6,3 мм и толщиной стенки 5,8 мм, из- готовленной из материала РЕ-Ха, проводится прогрев деталей 3, 2 и поверхности труб 1 на глубину h = r + (1…1,5) мм до температуры по- рядка 170…200 °С (длительность нагрева τ = © Н. Г. Кораб, С. В. Кабыш, А. В. Костенко, 2009 Рис. 1. Схема неразъемного соединения труб из структуриро- ванного полиэтилена, получаемого методом косвенного наг- рева: 1 — соединяемые трубы; 2 — прослойка (из полиэ- тилена высокой плотности); 3 — наружная соединительная муфта (из структурированого полиэтилена); 4 — насадка наг- ревательного инструмента (tн = 200…300 °С); 5 — шайба (из полиэтилена высокой плотности); 6 — направляющая вставка 6/2009 43 = 4…11 мин). При нагреве и остывании необхо- димо прикладывать осевое давление P0 = = 0,02…0,05 МПа к соединяемым трубам и ра- диальное давление Pr = 0,1…0,2 МПа к наружной поверхности муфты 3 (давление P0 создается сис- темой нагружения центратора, в котором закреп- ляется соединение при нагреве и охлаждении, а Pr обеспечивается путем обжатия муфты 3 ме- таллическим бандажом или специальными насад- ками нагревателя). По окончании нагрева прово- дится охлаждение в течение 15…50 мин, после чего насадки нагревателя (или бандаж) снимают- ся. Для обеспечения максимально возможной сте- пени релаксации термических напряжений, выз- ванных образованием расплава полиэтилена вы- сокой плотности в зоне соединения, эксплуати- ровать трубопровод рекомендуется через 6…20 ч после окончания нагрева. Вставка 6 служит для предотвращения перекоса и смещения торцов со- единяемых труб, а кольцо 5 — для дополнитель- ной герметизации путем их частичного расплав- ления и взаимодействия с торцами труб и вставки 6. Основные исследования проводили для труб наружным диаметром 50 мм с толщиной стенки 4,6 мм из структурированного полиэтилена типа РЕ-Ха. Механические свойства соединений оценивали по результатам испытания на растяжение (рис. 2). Исходя из полученных усилий, которые выдер- живали образцы перед разрушением, определяли коэффициент прочности: k = σ/σт, (1) где σ — максимальное растягивающее напряже- ние в стенке трубы, которое выдержало соеди- нение до разрушения, МПа; σт — предел теку- чести материала соединяемых труб (для полиэтилена типа РЕ-Ха σт = 19,6 МПа). Прочность соединения обеспечивается адге- зионным взаимодействием между материалом прослойки в зонах ее контакта с соединяемыми деталями. Как показывают исследования физики процесса, в основе этого взаимодействия лежат силы Ван-дер-Вальса [1,11], а первым необходи- мым условием его возникновения является нали- чие разогрева материала прослойки и соединяе- мых поверхностей до температуры плавления по- лиэтилена tпл, т. е. не менее 125…130 °С. Вторым необходимым условием является наличие давле- ния сжатия в зоне нагрева Pr, в данном случае оно возникает в результате терморасширения ра- зогретого материала соединяемых деталей и прос- лойки, с этой целью соединение плотно обжи- мается полостью нагревателя или бандажом. Нами исследована зависимость прочности со- единения от продолжительности нагрева при раз- личных температурах нагревательного инстру- мента (рис. 3). С увеличением длительности наг- рева во всем интервале варьирования температур нагревателя наблюдается возрастание коэффици- ента прочности. При k > 0,2 во всех случаях за- висимость k = f (τ) монотонно возрастает, достигая значения k = 1. Проведя линейную аппроксима- цию экспериментальных данных [12] в интервале k = 0,2, …, 1, получаем зависимости k = f(τ) = = aτ + b для каждого значения температуры наг- ревателя tн (кривые 1-3 на рис. 3). Пример про- хождения аппроксимирующей прямой показан кривой 6. После чего, определив зависимость а = = f(tн) и b = f(tн) (которые в выбранном интервале также удовлетворяют линейному закону) и под- ставив их в уравнение k = f(τ) = aτ + b, получаем k = f(τ, tн) = [(0,153tн – 20)τ + + 0,0697tн – 25]⋅10–2. (2) Оценим пределы варьирования tн, в которых уравнение (2) будет иметь смысл при описании процесса образования адгезионной прочности в соединении. Зададим следующие условия, отве- чающие технологическому процессу: k, τ ≥ 0 и могут принимать значения 0 ≤ k ≤ 1, τ0 ≤ τ ≤ ≤ τm. При этом τ0 и τm определяются для каждой конкретно взятой величины tн из зависимостей, полученных подстановкой в уравнение (2) зна- чений k = 0 и k = 1 Рис. 2. Образец, выдержавший испытание на растяжение, без разрушения соединения (на трубе рядом с муфтой «шейка» — след остаточных деформаций) Рис. 3. Зависимость коэффициента прочности соединения от времени нагрева τ при различных значениях температуры нагревательного инструмента: 1 — tн = 300; 2 — 270; 3 — 200; 4 — 320; 5 — 170 °С (кривые 4, 5 построены по расчет- ным данным, кривая 6 — по результатам аппроксимации) 44 6/2009 τ0 = 25 – 0,0697tн 0,153tн – 20 (мин), (3) τm = 125 – 0,0697tн 0,153tн – 20 (мин). (4) Для определения интервала варьирования tн подставим в уравнение (3) значение τ0 = 0, а в уравнении (4) знаменатель приравняем нулю. После вычислений из уравнения (3) получим tн = 358,7 ≈ 360 °С, а для знаменателя уравнения (4) tн =130,7 ≈ 130 °С. Следовательно, уравнение (2) имеет физический смысл при 130,7 < tн < 358,7 °С, так как при tн > 358,7 °С τ < 0, а при tн = 130,7 °С τ → ∞. Как показали измерения, температура нагревательного инстру- мента выше температуры в зоне его контакта с деталью в среднем на 40 °С. Чтобы откорректи- ровать предел варьирования tн, нижний предел установим, приняв, что температура контакта дол- жна быть не менее, чем tпл = 130 °С, т. е. tн. min = = tпл + 40 = 130 + 40 = 170 °С. Подобным образом определим и верхний предел, учитывая, что тем- пература термической деструкции полиэтилена составляет tд = 280 °С [1], tн. max = tд + 40 = 280 + + 40 = 320 °С, так как в случае превышения тем- пературы деструкции возникает вероятность раз- ложения (а значит, разупрочнения) материала со- единительной детали в месте контакта с нагре- вателем. Условия, которым должно удовлетворять уравнение (2), следующие: k, τ ≥ 0; tн > 0; k = = 0…1, tн = 170…320 °С; τ = τ0…τm, где τ0 и τm определяются согласно уравнениям (3) и (4) для каждого конкретно взятого значения tн. Оконча- тельно определив условия, для которых можно пользоваться уравнением (2), найдем его частные случаи в виде k = f(τ) для температур нагрева- тельного элемента tн. max и tн. min (соответственно 320 и 170 °С) и построим их в виде кривых 4, 5 (рис 3): для tн = 320 °С k = f(τ) = [28,96τ – 2,696]10–2, (5) для tн = 170 °С k = f(τ) = [6,01τ – 13,151]10–2. (6) Зависимости (5) и (6) показывают, что скорость увеличения прочности тем выше, чем выше тем- пература нагревательного инструмента, и наобо- рот, что подтверждается и экспериментальными данными. Справедливо утверждение, что на начальном этапе нагрева прочность адгезионного взаимо- действия соединения нулевая до наступления мо- мента времени τ′, когда прослойка расплавлена, а в зоне ее контакта с соединяемыми поверхнос- тями появляются области, имеющие температуру, равную или больше температуры плавления по- лиэтилена tпл, когда становится возможным по- явление адгезионного взаимодействия в зоне кон- такта. Допустив, что зависимость k = f(τ) является линейной при k < 0,2, можем считать, что τ′ = = τ0, т. е. это время, необходимое для достижения температуры, равной tпл на поверхности контакта прослойки и труб при заданном значении tн и r (см. рис. 1). Аналогично можно определить оп- тимальную для каждого заданного значения tн продолжительность нагрева, при которой адге- зионное взаимодействие наблюдается по всей площади соединяемых поверхностей (в нашем случае это точка на графике k = f(τ), отвечающая значению k =1, и равная τm, которую также можно найти из уравнения (4)). Таким образом, при дос- тижении по всей площади контакта прослойки с соединяемыми поверхностями длительности наг- рева τm, достигнута температура t ≥ tпл и проч- ность адгезионного взаимодействия максималь- ная, а дальнейший нагрев больше не влияет на увеличение прочности соединения, что подтвер- ждается характером разрушения образцов при ис- пытаниях на растяжение (см. рис. 2). С помощью полученных зависимостей появляется возмож- ность автоматизировать процесс выбора режимов нагрева, что, в свою очередь, приводит к опти- мальному сочетанию высоких прочностных свойств с минимальным уровнем энергозатрат. Проведенные гидравлические испытания по- казали, что при температуре рабочей жидкости 95 °С, давлении 1 МПа и продолжительности 165 ч трубные образцы не разрушились. Для оп- ределения максимальной стойкости образца и ха- рактера его возможного разрушения после испы- тания давление увеличили. Образец разрушился по стенке соединяемой трубы, выдержав макси- мальное давление 2,1 МПа, а участок соединения остался без видимых следов деформации или раз- рушений (рис. 4, 5). Таким образом, данная работа затрагивает лишь незначительную часть того, что связано с получением неразъемных соединений для новых полимерных материалов. Изучение публикаций многих исследователей как в Украине, так и за рубежом показало, что имеется значительный ин- терес не только к совершенствованию применя- емых технологий, но и к сварке новых видов по- лимеров, в том числе трудносвариваемых. В дальнейшем следует исследовать влияние на свойства соединения таких параметров, как ма- териал и толщина прослойки, толщина стенки со- единительной детали и стенки трубы. С точки зрения предлагаемой технологии важно также ис- следовать другие разновидности структурирован- ного полиэтилена: PE-Xc, PE-Xd и прежде всего PE-Xb, так как он отличается более высокими прочностными свойствами и начинает довольно широко применяться. Данный метод, как показано 6/2009 45 выше, позволяет обеспечить максимально высо- кие эксплуатационные характеристики трубопро- водов, при этом не требуя применения сложного, дорогостоящего оборудования. По результатам данных исследований на комплект соединитель- ных деталей и способ получения неразъемного соединения труб из структурированного полиэ- тилена методом косвенного нагрева [9, 10], офор- млены соответствующие патенты в Украине и России. Выводы 1. Показана возможность получения неразъемного соединения для труб из структурированного по- лиэтилена термическим методом (метод косвен- ного нагрева). 2. Прочностные свойства полученных соеди- нений не уступают прочности соединяемых труб (для труб из структурированного полиэтилена ти- па PE-Xа). 3. На основе экспериментальных данных по- лучена зависимость прочностных свойств соеди- нения от основных технологических параметров, что позволяет автоматизировать процесс выбора режимов нагрева, а также сделать некоторые пред- положения о механизме формирования адгезион- ного взаимодействия в зоне контакта соединяе- мых поверхностей. 1. Лосев И. П., Тростянская Е. Б. Химия синтетических по- лимеров. — М.: Химия, 1981. — 675 с. 2. ДСТУ Б В.2.5-17–2001. Інженерне обладнання будинків і споруд. Зовнішні мережі та споруди. Труби зі структуро- ваного поліетилену для мереж холодного, гарячого водо- постачання та опалення. — К.: Держбуд України, 2001. 3. Тобиас В., Бернштайн Г. Сварка труб из РЕ-Х — сшито- го полиэтилена // Полимергаз. — 2000. — № 2. — С. 28– 32. 4. ДБН В.2.5-22–2002. Кодекс усталеної практики. Звід правил. Інженерне обладнання будинків та споруд. Зовнішні мережі та споруди. Зовнішні мережі гарячого водопостачання та водяного опалення з використанням труб зі структурованого поліетилену з тепловою ізо- ляцією зі спіненого поліетилену і захисною гофрованою поліетиленовою оболонкою. — К.: Держбуд України, 2002. — Т. 1, 2. 5. Екерт Р., Шлахтер Р., Гессель Й. Исследования свар- ных соединений труб и фитингов с закладным нагрева- тельным элементом в комбинациях из ПЭ 80, ПЭ 100 и сшитого полиэтилена — РЕ-Ха // Полимергаз. — 1999. — № 4. — С. 16, 33–36. 6. Ilavsky I. J. Spajanie sietovanych polyetylenovych rur (typ PEX-b) // Plastic materials in gas distribution: 8th Intern. gas conf. — Prague, 27–28 Febr., 2001. 7. Pat. 6 524 425 B1 US. Method for butt welding cross-linked polyethylene pipes (PE-X pipes) / W. Tobias, Halle (DE), G. Bernstein, Gruеna (DE). — Опубл. 25.02.2003. 8. Справочник по сварке и склеиванию пластмасс / А. Н. Шестопал, Ю. С. Васильев, Э. А. Минеев и др. / Под ред. А. Н. Шестопала. — Киев: Техніка, 1986. — 192 с. 9. Пат. 77212. Комплект з’єднувальних деталей для зварю- вання труб з структурованого (зшитого) поліетилену та спосіб зварювання нагрітим інструментом труб зі структу- рованого (зшитого) поліетилену. — Опубл. 15.11.2006. 10. Пат. РФ 2293656. Комплект соединительных деталей для сварки труб из структурированного полиэтилена и способ сварки нагретым инструментом труб из структу- рированного полиэтилена. — Опубл. 20.02.2007. 11. Зайцев К. И., Мацюк Л. Н. Сварка пластмасс. — М.: Ма- шиностроение, 1987. — 250 с. 12. Бут Э. Д. Численные методы. — Киев: Наук. думка, 1992. — 247 с. The possibility is considered of producing a permanent joint in structured polyethylene pipes by using the indirect heating method. As shown by mechanical tests, strength of the joint can reach 90 % or higher of that of the base material. Noted is the possibility of automated selection of heating conditions and their efficient utilization for development of a commercial technology for joining structured polyethylene pipes. Поступила в редакцию 17.10.2008 Рис. 4. Образец соединения труб с наружным диаметром 50 мм и толщиной стенки 4,6 мм из структурированного по- лиэтилена марки РЕ-Ха после проведения гидравлических испытаний Рис. 5. Продольное сечение соединения после проведения гидравлических испытаний 46 6/2009

Получение неразъемных соединений труб из структурированного полиэтилена

Institution

Ähnliche Einträge