Сварка труб из термопластов: особенности, ошибки, дефекты

Тематически вебинар был разбит на два раздела, посвященных применению пластиковых труб и анализу характерных ошибок при проведении сварочных работ и возможных дефектов сварных соединений (рис. 1).

1. Применение полимерных трубопроводов в различных отраслях промышленности

Рыночный сектор пластиковых труб и фитингов в России, являющийся наиболее емким на полимерном рынке России, демонстрирует положительную динамику, несмотря на зарубежные санкции. Одной из основных причин является устойчивый рост жилищного строительства и обновления коммунальной инфраструктуры, который создает спрос на высококачественные и надежные трубопроводные системы. По словам Мирона Гориловского, председателя совета директоров Группы ПОЛИПЛАСТИК, ведущего российского производителя полимерных труб, «в свете масштабных планов Стратегии развития ЖКХ до 2035 года по модернизации коммунальных систем неуклонно растут потребности в полимерных трубопроводах как наиболее эффективном современном решении для строительства инженерных сетей». Так, по данным Ассоциации производителей трубопроводных систем, производство труб, трубок, шлангов и фитингов за последние четыре года выросло на 78 % до 1,2 млн т [1]. При этом в замене на данный момент нуждаются более 70 % сетей канализации, тепло- и водоснабжения. Стоимость подобных работ оценивается в 14 трлн руб., что сулит хорошие перспективы для производителей трубной полимерной продукции и ее дальнейшего роста. И это только в сфере ЖКХ.

Но области применения пластиковых гораздо более разнообразны (рис. 2). Ниже перечислены примеры применения полимерных труб, где они в силу своих уникальных свойств или предпочтительней своих конкурентов, главным образом металлических, или просто незаменимы:

• обработка воды (транспортировка питьевой воды, промышленная водоподготовка, очистка коммунальных и промышленных сточных вод) и других сред (транспортировка агрессивных сред на химических предприятиях);
• медицина, фармацевтика и косметика (приготовление лекарств, изготовление кремов и губной помады, вакуумные системы для онкологических отделений);
• пищевая промышленность (кондиционирование воздуха, производство и розлив питьевой воды, охлаждение напитков, охлаждение продуктов в холодильниках и морозильниках и др.);
• микроэлектроника (получение сверхчистой воды, производство компонентов);
• кораблестроение (транспортировка питьевой воды, использование для балластной системы, водоочистки, канализации и стоков);
• коммунальные трубопроводы (водо- и теплоснабжение, водоотведение и газораспределение).

Мнения о хороших перспективах роста российской трубной полимерной отрасли придерживается и АСПМ в лице ее директора Елены Зайцевой, хотя проблем здесь хватает [2]. Среди них – возможные дефекты в соединениях труб, которые могут возникать в результате ошибок при подготовительных работах и в процессе сварки – основного способа сборки полимерных трубопроводов. Этому вопросу был посвящен второй раздел вебинара.

2. Возможные ошибки и дефекты сварных соединений полимерных труб

Во второй части вебинара Юрий Яковлев охарактеризовал шесть основных способов сварки, используемых для неразъемного соединения труб из термопластов, уделив особое внимание типичным ошибкам и дефектам, которые могут возникнуть в процессе сварки, а также причинам их возникновения. А зная причины, можно сделать выводы относительно способов предотвращения этих ошибок и дефектов.

2.1. Сварка растворителем

Сварка растворителем, иногда ошибочно называемая склеиванием, заключается в смачивании соединяемых поверхностей присадочным материалом, содержащим растворитель, способным растворять свариваемый термопласт, приведении их в контакт и выдержке под давлением до момента затвердевания материала сварного шва в результате испарения растворителя [3]. В качестве присадочного материала используют высыхающие композиции (чистые растворители и растворы свариваемого термопласта или, иначе, связующие растворы) и, что реже, полимеризующиеся. К основным достоинствам сварки растворителем относят следующие:

• отсутствие габаритного и дорогого оборудования;
• локализация воздействия на материал лишь зоной сварки;
• отсутствие затрат на электроэнергию в отличие от тепловой сварки;
• возможность сварки как единичных трубчатых изделий, так и крупной их партии.

Ограничивают применение сварки растворителем повышенная токсичность некоторых из них, сравнительно высокая длительность процесса до полного высыхания сварного шва и плохая растворимость ряда термопластов. По этой причине данный метод применяют преимущественно для сварки труб из ПВХ, ПС, ПСу, ПФО и некоторых других термопластов.

Особое внимание Юрий Яковлев обратил на необходимость надлежащей подготовки свариваемых труб, мест соединений и соблюдения требуемых условий проведения процесса. Например, к непроварам может привести не полностью надвинутый на трубу фитинг (рис. 3, а) или неравномерное нанесение связующего раствора (см. рис. 3, б). Захваченный при подготовке присадочного материала воздух является частой причиной воздушных включений в сварном шве, о чем косвенно будет свидетельствовать «вспененный» грат (см. рис. 3, в). Плохая подготовка свариваемых поверхностей или недостаточное количество связующего раствора может привести к так называемому зеркальному шву, фактически – к непровару (см. рис. 3, г). И еще. Учитывая диффузионный механизм этого метода сварки в отличие от тепловых (диффузионно-реологический), особенно важно обеспечить фиксацию свариваемых растворителем деталей в неподвижном состоянии вплоть до схватывания.

2.2. Сварка нагретым инструментом встык

Сварка нагретым инструментом (НИ) встык является, наверное, наиболее широко используемым и освоенным сварщиками методом неразъемного соединения полимерных труб (см. рис. 4 и титульное фото). В этом, собственно, и заключается одно из достоинств данного метода. К другим можно отнести следующие:

• доступность сварочных аппаратов и приспособлений;
• возможность сварки труб большого диаметра;
• универсальность по отношению к различным трубным термопластам;
• легкость назначения и контроля режима сварки, что во многом объясняет высокое качество сварных соединений.

К основным недостаткам данного метода сварки относят сравнительно большие затраты времени на охлаждение, а также тяжелое и габаритное сварочное оборудование, причем эти недостатки усугубляются с увеличением диаметра труб и, соответственно толщины их стенки.

Процедура сварки НИ встык состоит, как известно, из следующих шагов:

• защитить зону сварки от ветра, дождя, пыли и т.п.;
• настроить требуемое значение температуры нагревательного элемента;
• установить свариваемые детали (трубу и трубу или трубу и фитинг) в центратор и обеспечить их соосность;
• обработать торцы свариваемых деталей до их плоскопараллельности;
• установить НИ и прижать к нему под заданным усилием свариваемые детали;
• после появления первичного грата сбросить давление и прогреть свариваемые детали
• быстро раздвинуть свариваемые детали и, после удаления НИ, снова свести их до касания торцов
• поднять давление и выдержать указанное время охлаждения.

Следствием ошибок и нарушений в указанных технологических переходах могут стать такие характерные для сварки НИ встык дефекты, как трещины, несовпадение кромок деталей, неправильно сформированный сварной шов, несплавление, впадины (в том числе между валиками грата), несимметричный грат, угловое смещение, непровар, поры, инородные включения и даже термодеструкция [4, 5]. И если некоторые из них все-таки допускаются с ограничениями, то многие, согласно ГОСТу [4], просто не допускаются. В подтверждение сказанного Юрий Яковлев привел два характерных примера. Так, на рис. 5 (а) показаны вакуумные поры, образующиеся на этапе охлаждения зоны сварки в центральной части стенок труб вследствие низкого или полностью отсутствующего давления. Такое наблюдается, например, при несоблюдении требуемого времени охлаждения и досрочном извлечении сварного соединения из центратора. На рис. 5 (б) зафиксированы последствия сознательного нарушения технологии сварки, когда при температуре воздуха 20 °С в зоне сварки датчик температуры воздуха сварочной машины с ЧПУ намеренно обогревали внешним источником тепла, в результате чего произошло выгорание изоляции электрических проводов.

2.3. Сварка НИ враструб

По механизму передачи тепла (теплопроводностью от НИ) и процедуре процесса сварка НИ враструб напоминает сварку НИ встык, только предварительно нагревают на торцы свариваемых трубчатых заготовок, а их боковые поверхности В этом случае конец одной трубы входит в раструб соединительной детали (например, фитинга или муфты) или в раструб, отформованный на конце другой присоединяемой трубы того же диаметра (рис. 6). Типичные области применения метода – сварка промышленных трубопроводов и труб водоподготовки и водоснабжения (холодного и горячего).

В отличие от сварки встык НИ здесь для ряда термопластов (ПЭВП, ПП, ПВДФ, ПБ) используется постоянная температура НИ – 260±10 °C (при температуре окружающей среды 20 °C).

Достоинствами сварки НИ враструб считаются следующие:

• широкий выбор различных фитингов;
• возможность сварки в труднодоступных местах;
• гладкость внутренней поверхности сваренных заготовок в месте соединения благодаря отсутствию грата (в отличие, например, от сварки встык Н), что способствует снижению потерь давления в трубопроводах при транспортировке по ним различных сред.

Что касается возможных дефектов, то, помимо некоторых упомянутых в разд. 2.2., здесь добавляются ряд специфических, вызванных использованием в соединении, кроме труб, дополнительного элемента. Примерами таковых являются непровары из-за неполного введения трубы в муфту (рис. 7, а), несоответствия их диаметров (см. рис. 7, б) или схлопывания торцов заготовок (плюс сдавленное сечение трубы) при их избыточном надвижении друг на друга (см. рис. 7, в).

2.4. Сварка закладным нагревателем

Данный метод объединяет способы сварки, при которых нагрев соединяемых поверхностей осуществляется с помощью закладного нагревателя (ЗН) в виде расположенной на внутренней поверхности муфты металлической спирали, нагревающейся при пропускании по ней электрического тока (терморезисторная сварка) (рис. 8). Гораздо реже используется другая разновидность метода – индукционная сварка.

Типичные области применения метода – трубопроводные систем охлаждения, водо- и газоснабжения, изготавливаемые преимущественно из ПЭВП, ПП или ПБ.

Главные достоинства метода следующие:

• высокое качество соединения;
• гибкость технологии c возможностью соединения деталей большой толщины и в труднодоступных местах;
• локальность нагрева, а потому невысокое энергопотребление и более низкое время охлаждения соединения, чем, например, при сварке НИ встык или враструб;
• компактность сварочного оборудования (источник питания);
• быстрота подготовки к процессу.

Возможные дефекты обычно возникают в местах соединения муфт с трубами в результате несоблюдения требований технологии сварки или несоответствия требуемым геометрическим параметрам в зоне сварки (рис. 9). Так, ненадлежащая зачистка свариваемой поверхности трубы (рубанком!) наверняка приведет в дальнейшем к непроварам (рис. 9, а), а отсутствие зачистки поверхностного слоя на трубе приводит к несплавлению свариваемых деталей (рис. 9, б).

Использование подручных материалов вместо специального позиционера, рекомендованного производителем седлового отвода, не обеспечивает требуемое усилие прижатия и распределение усилия по поверхности свариваемой детали, в результате чего не обеспечивается провар по всей зоне сварки (рис. 9, в). Отсутствие отметки глубины ввода труб внутрь соединительной детали может приводить к появлению участков нагревательной спирали, не прикрытых трубой (рис. 9, г). Тот же дефект вызывается и резом труб, не перпендикулярным их оси (рис. 9, д). Применение деталей с ЗН на трубах с малой, не соответствующей характеристикам детали, толщиной стенки вызывает деформацию труб (рис. 9, е).

2.5. Инфракрасная (ИК) сварка

По своей технологии ИК-сварка встык напоминает своего аналога – сварку встык НИ (см. разд. 2.1), отличаясь механизмом подвода тепла к торцам труб – бесконтактно, за счет ИК-излучения, испускаемого нагревательным элементом (НЭ), а не за счет теплопроводности в контакте с ним (рис. 10). Отсюда вытекают другие преимущества ИК-сварки, среди которых отсутствие этапа образования первичного грата, а также опасности загрязнения торцов труб от НИ и их слипания. При обеспечении соответствующих внешних условий (температура и отсутствие потоков воздуха, влияющих на конвективную теплоотдачу от нагреваемых торцов труб) достигается хорошая воспроизводимость результатов независимо от квалификации сварщика. Примерами термопластов свариваемых труб служат ПП, ПВДФ, ПБ, ПЭВП и плавкий фторопласт (ECTFE).

Современные нагреватели для ИК-сварки, которые предлагает, например, компания bielomatik (Германия), оснащаются практически безынерционными металлическими ленточными излучателями. Проблему контроля температуры нагретых поверхностей та же компания решает путем моментального их термографирования с помощью тепловизора.

Что касается дефектов сварных соединений, то в большинстве своем они те же, что и при сварке НИ встык (см. разд. 2.1).

2.6. Бесшовная сварка

Самое главное преимущество так называемой бесшовной сварки, ради которого ее, собственно, и выбирают, – это отсутствие грата с внешней и внутренней сторон сварного соединения труб, что особенно важно для сверхчистых производств (рис. 11). Примерами подобной трубной продукции являются трубчатые изделия диаметром от 20 до 110 мм, используемые в микроэлектронике, а также медицинского или фармацевтического назначения. Так, полимерные трубопроводы для транспортировки жидких сред для инъекций, изготовленные, например, из гомополимера пропилена или ПВДФ, должны обязательно иметь гладкую и ровную внутреннюю поверхность даже в местах сварных соединений, тогда как, например, сварка встык НИ всегда сопряжена с образованием грата как на внешней, так и на внутренней поверхностях труб.

Данная технология сварки была разработана компанией Georg Fischer Piping Systems (Switzerland) Ltd. еще в 1989 г. и названа ею BCF Plus. Ее процедура включает следующие операции (см. рис. 11, б):

• механическая обработка торцов свариваемых трубопроводов для обеспечения их плоскопараллельности;
• установка трубопроводов в центратор сварочной установки;
• размещение надувного баллона внутри труб в месте их соединения;
• смыкание нагревательных элементов в виде двух полумуфт, поджимаемых к месту соединения пружинными фиксаторами;
• подача в баллон сжатого воздуха под давлением 4 атм;
• включение нагрева на заданное время сварки с последующим охлаждением;
• сброс давления из баллона, его извлечение из трубы и размыкание нагревательных элементов.

Такая непростая процедура сварки и необходимость в дополнительном оборудовании объясняют сравнительно малую ее распространенность и использование лишь в указанных выше случаях. Кроме того, бесшовную сварку не проводят на полностью непрозрачных трубопроводах, когда затруднительно точно установить положение баллона в месте соединения. Зазор между торцами свариваемых деталей при их установке в центратор не должен превышать 0,2 мм, поскольку сварное соединение здесь образуется при заполнении этого зазора расплавом, образующимся в результате плавления торцевых законцовок деталей, и его расширения, создающего усилие сжатия.

К дефектам сварных соединений в виде инородных включений или пор могут привести соответственно не удаленные загрязнения на торцах труб или нарушения процедуры сварки.

Дополнительная информация о дефектах сварных соединений не только труб, а термопластов в целом, приведена в источниках [3, 4].

Подготовлено редакцией

Литература

1. IV международный форум «Полимерный бизнес России» // Полимерные материалы. – 2024. – № 7. – С. 43–47.
2. Зайцева Е. И. Состояние и перспективы строительства полимерных трубопроводов // Полимерные материалы. – 2022. – № 9. – С. 36–39.
3. Словарь-справочник по сварке и склеиванию пластмасс / Г. Н. Кораб, А. Н. Шестопал, Г. В. Комаров и др. Под ред. Б. Е. Патона. – Киев: Наук. думка, 1988. – 160 с.
4. ГОСТ Р 54792-2011. Дефекты в сварных соединениях термопластов. Описание и оценка. – М.: Стандартинформ, 2012. – 16 с.
5. Комаров Г. В. Анализ методов контроля сварных изделий из пластмасс, их дефектов и возможностей ремонта // Полимерные материалы. – 2021. – № 9. – С. 39–43; № 10. – С. 8–11; № 11. – С. 42–49.

Мнение

Welding of Thermoplastics Pipes: Features, Errors, Defects

On October 3, 2024, the POLYPLASTIC Group Training Center jointly with the Association of Polymer Materials Welders organized a webinar on the topic “Technologies for creating permanent connections of polymer pipelines. Features, application specifics and frequent errors. The event was designed for a wide audience of specialists who are somehow connected in their work with the design, production and operation of polymer pipelines. A brief overview of the webinar is provided.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 11 (306) 2024 г., с. 40-47.