Соединение ПЭ-труб нагретым инструментом встык

Долговечность соединений ПЭ-трубопроводов, как принято считать, обусловливается качеством заготовок (труб и фитингов), свойствами материалов, технологией соединения, применяемым оборудованием и квалификацией операторов. Эти факторы и их связь известны и систематизированы, в частности, в монографии [1]. В последние годы продолжается процесс развития технологии соединения полимерных труб, продиктованный как объективными потребностями производства, так и рядом субъективных причин.

К числу объективных причин относится расширение ассортимента трубных изделий (увеличение диаметра и толщины стенок). Следует отметить появление новых градаций и марок трубных ПЭ. В дополнение к широко распространенным градациям ПЭ-80 и ПЭ-100 на глобальном рынке предлагаются сравнительно новые теплостойкие марки ПЭ PERT и особо стойкие к растрескиванию PERC. Некоторые из них применяются в России в дополнение к десятку российских марок, из которых наиболее широкое распространение получили материалы компании «СИБУР». Кроме того, на отечественном полимером рынке присутствуют в настоящее время иранские, арабские и другие новые марки ПЭ.

Объективным фактом является наличие на рынке контрафакта и фальсификата полиэтиленовых материалов, включая вторичные, ПЭ не трубного назначения, а также композиций, наполненных для удешевления минеральными наполнителями. Как правило, такие «рационализации» не проверяются на свариваемость изготовленных из них труб, особенно по показателям долговечности в режиме осевого растяжения. Экономия на качестве часто приводит к разрушению соединений и соответственно к потерям в виде судебных штрафов за аварии на трубопроводах.

Структуру и свойства ПЭ полезно знать при выборе технологических параметров соединения труб встык с помощью НИ. При получении негативных результатов контроля сварки учет особенностей материала становится необходимым для достижения надлежащего качества.

Субъективными причинами развития технологии соединения можно назвать расширение спектра процедур и, соответственно, нормативно-технических документов (НТД), регламентирующих технологический процесс соединения НИ.

Важно отметить, что некоторые технологии не в полной мере учитывают достижения современной науки, хорошо изучившей реологию полимеров, их механические и физико-химические свойства. В частности, не всегда принимается во внимание опасность термоокислительной деструкции для долговечности соединений. Другие подходы оказываются недостаточно практичны при использовании конкретного оборудования, имеющегося в распоряжении строителей. Дополнительные проблемы создают порой сложные условия работы сварщиков и неблагоприятный климат (прежде всего низкие температуры окружающей среды), характерный для некоторых регионов России.

Стандарты и нормы

Анализируя современные НТД, уместно отметить многочисленные особенности действующих норм.

Международный стандарт ISO [2] традиционно содержит три не идентичные процедуры стыкового соединения ПЭ-труб сплавлением. Этот факт, очевидно, объясняется тем, что эксперты из разных стран, согласовавшие ISO, пожертвовали принципами универсальности международного стандарта ради сохранения индивидуальности своих национальных норм. Многие национальные стандарты [3-9] копируют или модернизируют стандарт ISO, например китайский GB/T 32434 или итальянский UNI 10520. Другие страны, например Германия, предпочитают собственные НТД.

Многочисленные национальные нормы, несмотря на наличие общих принципов, имеют исторически обусловленные особенности и субъективные девиации.

Согласно стандарту ISO [2], процедуры сооружения трубопроводных систем должны соответствовать сводам правил, национальным нормам или отраслевым руководящим документам. Не предполагается, что одна или несколько процедур стандарта ISO [2] будут использоваться для замены хорошо зарекомендовавших себя и проверенных промышленных процедур. Выбор одной из этих трех процедур может зависеть от наличия опыта, оборудования и возможности практических испытаний всех процедур. Таким образом, стандарт ISO не позиционируется составителями в качестве непреложной истины, а предоставляет технологам большой простор для обоснованного технического творчества в рамках создания адекватных спецификаций.

Главным руководящим документом при монтаже ПЭ-трубопроводов является спецификация. В России этот документ традиционно назывался «Проектом производства работ» (ППР). Спецификация составляется подрядчиком и утверждается заказчиком до начала строительства трубопровода. Согласно глобальной практике, при составлении спецификации квалифицированные специалисты подрядчика вправе использовать разные исходные НТД, учитывая свой опыт и специфику объекта. Отметим, что стандарт [8] по ряду причин далек от совершенства и не может быть рекомендован в качестве единственно верного источника. На основании вышеизложенного очевидно, что анализ вариантов технологии соединения НИ встык, предпринятый в данной работе, приобретает высокую степень актуальности.

Полезные для автора исходные данные были предоставлены российскими (Николаем Прокопьевым и Игорем Волковым) и зарубежными специалистами. При написании работы также использовалась устная информация, полученная в процессе дискуссий с докторами Эдуардом Краузе (SKZ, Германия), Тэдом Стриплином (McElroy, США, член ISO) итальянскими коллегами из фирм Ritmo и Omicron, а также китайскими коллегами. Особую благодарность автор выражает Николаю Прокопьеву за фотографии из его личной коллекции.

Важные термины

Терминологические проблемы с названием метода соединения уже подробно рассматривались ранее [10], но за последние годы важные термины по-прежнему не были согласованы.

В немецкой традиции метод соединения ПЭ-труб НИ встык называется «сварка» (Schweisen) и это название не обособляет его от родственных процессов экструзионной и прутковой сварки. Коллеги из Германии объясняют это единообразие влиянием Союза германских водопроводчиков и газовиков (DVGW), которые не применяют экструзионную и прутковую сварку на своих объектах и потому не заинтересованы в уточнении термина.

Напротив, в НТД англоязычных стран и международных стандартах метод НИ называется соединением сплавлением (Fusionjointing). Логично, что наименование метода должно отражать особенности технологии. Так, сваркой естественно называть процесс с применением присадочного материала, в частности экструзионный или прутковый. Однако при сплавлении НИ встык (а также в раструб и в «седло») присадки не используются. Особенностью соединения НИ встык также является высокая степень механизации, автоматизации и компьютеризации, не характерная для сварочных процессов экструзией и горячим воздухом. Выполняется соединение дисциплинированным оператором машины, а не искусным сварщиком, то есть требования, предъявляемые к исполнителю работ по сварке и сплавлению существенно отличаются.

В процессе сварки с присадкой свариваемые поверхности разогреваются до высоких температур, когда бурно протекают процессы термоокислительной деструкции. Поэтому сварные соединения при одинаковых размерах существенно уступают сплавленным по долговечности.

Российские технологии традиционно создавались под большим влиянием немецких НТД. Обсуждаемый метод соединения ПЭ-труб традиционно назывался в России контактной сваркой нагретым инструментом встык. В последние годы часто применялось название «сварка НИ встык». Среди отечественных специалистов несколько лет назад началось обсуждение адаптации наименования способа соединения к международным форматам (например, соединение НИ сплавлением встык), но пока дискуссия далека от завершения.

Использование единого термина «сварка», по наблюдениям автора, дезориентирует недостаточно опытных потребителей труб. Они делают ошибки, полагая, что разные методы сварки дают идентичные результаты. Стремясь экономить на закупках оборудования, подрядчики пытаются (чаще всего неудачно) заменить дорогие машины для стыкового сплавления труб на сравнительно дешевые сварочные экструдеры.

Автор считает целесообразным использование того или иного термина, при анализе НТД с учетом происхождения каждого рассматриваемого документа.

Способы соединения ПЭ-труб

Процесс соединения плавлением ПЭ-труб и фитингов заключается в следующем: при помощи нагревателя следует разогреть концы двух труб или фитинга (заготовок) до заданной температуры, соединить их под давлением и охладить соединение под давлением в течение определенного времени [2].

Процесс включает в себя следующие основные этапы:

1. очистка концов труб, фитингов, поверхностей торцевателя и нагревателя;
2. крепление соединяемых заготовок;
3. торцовка концов труб или фитингов;
4. поверка качества сборки заготовок;
5. измерение давления перемещения;
6. оплавление концов трубы или фитинга;
7. соединение концов труб или фитинга;
8. выдержка концов трубы или фитинга под давлением в течение всего времени охлаждения в машине;
9. охлаждение в машине без давления или вне машины, если это предусмотрено инструкцией.

Остановимся подробнее на данных этапах.

Очистка путем выполнения фиктивных соединений. В стандарте ISO [2], в частности, описывается порядок выполнения фиктивных соединений с целью очистки нагревателя. Этот нюанс заимствован, очевидно, из британских норм [4]. По наблюдениям автора, пока этот трудоемкий способ очистки не стал популярным среди российских строителей.

Подготовка. Подготовительные работы выполняются операторами в соответствии со спецификациями. Они не автоматизированы и потенциально бесконтрольны. Результаты подготовки зависят от аккуратности операторов и в значительной мере определяют качество соединений. Многие эксперты считают плохую подготовку главной причиной аварий на ПЭ-трубопроводах.

Крепление заготовок, торцовка и поверка качества сборки описаны в стандартах, в принципе, аналогично, хотя и отличаются некоторыми деталями, которые будут рассмотрены ниже.

До начала соединения экспериментально определяются фактические усилия трения холостого хода и трения в машине с зажатыми заготовками (давление перемещения по показаниям манометра гид-росистемы или динамометра). Силоизмерители машин должны обеспечивать контроль усилия смыкания торцов на всех этапах соединения заготовок. Показания силоизмерителей — манометров гидросистем привода или пружинных динамометров для конкретных машин — обычно даны в паспортах машин. При необходимости проводится тарировка силоизмерителей. Расчеты давления в гидросистеме, обеспечивающего заданное усилие смыкания заготовок и, соответственно, давление в плоскости соединения, приведены, например, в [2] и [8].

Как выполнить соединение ПЭ-труб

Существует три процедуры соединения, подробно описаны в стандарте ISO [2] и некоторых национальных стандартах, использующих международный документ в качестве основы. В их число входят следующие:

• процедура при единственном низком давлении (ЕНД);
• процедура при двойном низком давлении (ДНД);
• процедура при единственном высоком давлении (ЕВД).

Соответствующие циклограммы (целенаправленные изменения давления в плоскости сплавления в зависимости от времени), в принципе, одинаковы для всех процедур. Параметры процедур приведены в табл. 1, 2, 3 [2]. Общие обозначения в таблицах: EN — номинальная толщина стенки и DN — номинальный наружный диаметр трубы.

Нужно отметить следующее:

• значения параметров не принципиально изменились по сравнению с предыдущей редакцией стандарта ISO;
• значение давления при прогреве (0 сверх давления перемещения) вызывает обоснованную критику.

Процедура ДНД аналогична процедуре ЕНД до момента извлечения нагревателя. После соединения оплавленных концов заготовок должно создаваться давление величиной 0,15 МПа в течение 10 с. Затем давление должно быть снижено до 0,025 МПа (с учетом давления перемещения) в течение времени охлаждения при пониженном давлении (табл. 2). Процедура ДНД рекомендована только для заготовок с толщиной стенки больше 22 мм.

Сделаем следующие примечания к табл. 2:

• значения параметров не принципиально изменились по сравнению с предыдущей редакцией стандарта ISO;
• значение давления при прогреве (0 сверх давления перемещения) вызывает обоснованную критику;
• процедура ДНД не может быть реализована на практике, если силоизмерительная система машины не обеспечивает точный контроль давления при пониженном давлении.

Необходимо прокомментировать также табл. 3:

• значения параметров не принципиально изменились по сравнению с предыдущей редакцией стандарта ISO;
• значение давления при прогреве (0 сверх давления перемещения) вызывает обоснованную критику;
• использование высокого давления требует значительного утяжеления конструкции центратора машины и соответственного удорожания конструкции машины.

Продолжение следует.

Посмотреть в журнале