Зварювання встик

Зварювання встик:

випробування великими діаметрами

Світовий ринок полімерних труб великих діаметрів суттєво наповнився гофрованими та спірально-витими трубами великих діаметрів. Але й монолітні поліетиленові труби зробили хід у відповідь:2000, 2400, 2600 мм!

Зважаючи на споживчі переваги таких труб і технологічність зварювання нагрітим інструментом встик, можна із впевненістю сказати, що змагання лише у розпалі.

  На відміну від колег - європейців, вітчизняні виробники поліетиленових труб лише приглядаються до великих діаметрів і, очевидно, ще не скоро здолають позначку 1000 мм. Пояснення цьому просте і очевидне - в країні криза. Час від часу з ефіру та газетних шпальт до нас пробивається й позитивна інформація про заміну, відновлення чи будівництво нових трубопроводів. Додає оптимізму і той факт, що в країні будують також трубопроводи великих діаметрів.

  Найпоширенішим методом зєднання поліетиленових труб великих діаметрів в Україні і в  світі є зварювання нагрітим інструментом встик. Здавалося б, працюємо віддавна і "вузьких"місуь стає щораз менше. Але ... При зварюванні нагрітим інструментом встик українці опираються на застарілий РСН 358-91, розроблений ще за часів ПЕ 63 та ДБН В.2.5-41-2009 (він діятиме до 1 січня 2018 року), в якому детально розписано зварювання газопроводів із поліетиленових труб і методи контролю зварних зєднань. Усі розуміють, що вітчизняна нормативна база застаріла, має пробіли, тож нам потрібно наздоганяти європейський експрес.

  Міжнародний стандарт ІSО 21307:2011 Plastics pipes and fittings - Butt fusion jointing procedures for polyethylene (PE)  pipes and fittings used in the construction of gas and water distribution systems (Пластмасові труби і фітинги - Процедури стикового зварювання поліетиленових (ПЕ) труб і фітингів, які використовуються в будівництві газо- і водорозподільних мереж) в Україні не діє. Однак, введення цього стандарту в контексті гармонізації вітчизняної нормативно-технічної документації з нормами ЄС - це лише питання часу.

  Україні доведеться також оновити свою нормативну базу щодо методів випробування зварних вузлів з термопластів, обладнання для зварювання і т.ін.

   Показово, що Росія, декларуючі власні погляди на все у світі, здійснює виважену та далекоглядну політику у сфері нормативно-технічного регулювання. Наші сусіди вже прийняли стандарт ISO 21307 як модифікований, додавши положення щодо зварювання труб з товщиною стінки більшою за 70 мм. Такі труби велетні з ПЕ 100 діаметром 1600 мм нині випускає казанське підприємство "Техстрой". А ще 25 років тому фірма Rothenberger (Німеччина) проводила в Казані семінар, на якому демонструвала свій апарат для зварювання перших європейських труб діаметром 1000 мм з товщиною стінки 60 мм.

  Німецькі розробники обладнання для зварювання труб великого діаметру вже на той час вирішили чимало складних завдань, зокрема, забезпечили дотримання температурних режимів на великих площах нагрітого інструмента, винайшли механізми усунення овальності, розробили механізм торцювання та надійні кріплення для позиціонування  труб. Ситуація залишається складною і досі, адже виробники зварювального обладнання - не розробники технології зварювання і не виробники труб, проте їм доводиться вивчати реологію полімерів. Збільшення діаметру поліетиленових труб (нині у світі подолано планку на висоті 2600 мм) щораз потребує корегування технології зварювання та вдосконалення  зварювальних апаратів. Основні характеристики та вимоги до обладнання, яке використовується при зварюванні нагрітим інструментом встик, викладені в ISO 12176-1:2012 Plastics pipes and fittings - Equipment fusion jointing polyethylene systems - Part 1: Butt fusion (Пластмасові труби і фітинги. Обладнання для зварювання поліетиленових мереж. Частина 1. Зварювання нагрітим інструментом встик). Цей стандарт (в Україні також не діє) передбачає різні конфігураціі обладнання, зокрема, зварювальні апарати можуть мати:

- системи механічного приводу;

- систему гідравлічного приводу з ручною помпою;

- напівавтоматичну систему приводу з ручним встановленням тиску;

- напівавтоматичну систему з пристроєм контролю та протоколювання процесів зварювання;

- автоматичну систему, яка керує зварюванням і протоколює параметри.

Системи протоколювання можуть фіксувати:

- час і тиск при оплавленні торців труби, дані змикання торців (пікове і/чи динамічне);

- температуру нагрітого інструмента;

- часові проміжки між видаленням нагрітого інструмента і зведенням торців;

- час стискання і величину осадження.

  Система також повинна ідентифікаційні дані: дату, час, вид робіт, оператора, діаметр труби, товщину стінки чи SDR, номер обладнання.

 Показово, що стандарт ISO 21307:2011, відповідно до норм якого і відбувається процес зварювання, передбачає можливість застосування трьох технологічних режимів зварювання за різними процедурами: європейською - при постійному низькому тиску (Single low-pressure fusion jointing procedure (SLP)), британською - при змінному тиску (Dual low-pressure fusion jointing procedure (DLP)) та американською - високий постійний тиск (Single high-pressure fusion jointing procedure (SHP)).

  Процедура зварювання SLP передбачає охолодження труб при збереженні тиску зварювання 0,15 МПа. Зварювання за процедурою DLP виконується також при 0,15 МПа, але на час охолодження труби тиск знижується до 0,025 МПа. Процедура (SHP) нагадує зварювання при низькому постійному тиску, але зварювання і охолодження труби відбувається при тиску 0,517 МПа. Американський режим зварювання орієнтований на застосування недешевого високотехнологічного обладнання з високим рівнем автоматизації . Значною мірою саме від обладнання залежить успішність процедури SHP, яка дозволяє суттєво скоротити час виконання робіт зі зварювання ПЕ труб.

  Попри певну відмінність, усі ці режими віддавна застосовуються при зварюванні труб з поліетилену і забезпечують отримання очікуваного результату - надійного та довговічного зєднання.

  Норми стандарту ISO 21307:2011 стосуються труб з максимальною товщиною стінок 70 мм. Як бачимо, до цього міжнародного стандарту (прийнятий 2011 року) не потрапили сучасні труби великого діаметру з більшими за прописані товщинами стінок.

  Для екструзії таких труб застосовують марки поліетилену середнього тиску з показником текучості розплаву нижче 0,1 г/10 хв. (при 190/5) - так званий "нестікаючий" поліетилен. А традиційний поліетилен низького тиску з показником текучості розплаву не нижче 0,2/10 хв. (при 190/5) застосовують для виробництва труб малих діаметрів.

  Парадокс в тому, що труби з "нестікаючого" поліетилену є, а єдина технологія зварювання не розроблена. Саме тому знані виробники поліетиленових труб великих діаметрів надають рекомендації щодо зварювання своїх виробів. Як бачимо, і міжнародні процедури оновлення нормативної бази відстають від розвитку технологій.

Контроль якості зварних стиків труб великого діаметру

   За ініціативою Асоціації ПЕ 100+ у випробувальних лабораторіях Becetel, Exova, Polymer, UK та Hessel Ingenieurtechnik GmbH були проведені випробування якості зварних стиків труби діаметром 1200 мм SDR 17 (номінальна товщина стінки 70,6 мм), виготовлена з ПЕ 100 компанією Egeplast DE. Зварювання нагрітим інструментом встик було виконане апаратами Widos i McElroy (зварювання за американською процедурою).

  Результати короткочасних та тривалих тестів з руйнуванням взірців - зєднань (виконані за методикою Water Industry Specification (WIS) - випробування на розтягнення та Full Notched Creep Test (FNCT) - визначення стійкості до повільного поширення тріщин) дають підстави стверджувати, що якість стикових зєднань, зварених за різними процедурами, гарантуватиме безаварійну експлуатацію трубопровідної мережі понад 100 років.

  "Труба" і "трубне зєднання" - поняття майже рівнозначні. Адже специфіка полімерів і правильне виконання зварювання дозволяють досягти якості зварного шва на рівні основного матеріалу. Якщо зварне зєднання слабше за основну трубу - значить зварювання виконувалось з порушенням технології.

  Гарантійний термін експлуатації поліетиленових мереж становить 50 років. Але дослідники вважають, що труба працюватиме понад 100 років. У лабораторії випробування пластмас ІЕЗ вивчали це питання: прискорювали процеси старіння полімерів, піддаючи їх радіаційному опроміненню, впливу підвищеної або зниженої температури, механічним навантаженням і т.д. Це дозволило порівняти розрахункові характеристики з результатами випробувань. Аналізуючи отримані результати, фахівці дійшли висновку, що строк експлуатації поліетиленових труб перевищуватиме 100 років.

  Важливо розуміти, що жорсткі вимоги до якості зварених зєднань полімерних труб визначає сама специфіка матеріалу. На відміну від металевої труби, для полімерної немає неруйнівного способу перевірки якості зварного зєднання (ультразвуковий контроль неефективний і надто дорогий). Аби гарантувати якість зварювання полімерних труб, необхідно суворо дотримуватися технологічних вимог на всіх етапах робіт, які визначені в інструкціях та рекомендаціях виробників поліетиленових труб та зварювального обладнання. Коли на будівельний майданчик потрапляє якісна труба і зварює її висококваліфікований зварювальник, котрий працює на технічно справному обладнанні - тоді якість зварного стика буде гарантована. І ключове місце у цьому переліку належить людині. На переконання знаного і авторитетного фахівця, д.т.н. професора Казанського національного дослідного технологічного університету (РФ) В.І. Кімельблата, "сучасні засоби механізації та автоматизації зварювальних робіт полегшують і, в преважній більшості випадків спрощують роботу зварювальника, проте немає автоматів, які здатні повністю знівелювати участь людини у зварюванні полімерних труб в польових умовах. Насправді, такі відповідальні операції як підготовка труб до зварювання, їх закріплення у центраторі та перевірка якості обробки торців, як і раніше, виконує людина. Більше того, зварювальник, котрий обслуговує апарат з високим рівнем автоматизації, повинен вміти своєчасно виявляти й усувати причини збоїв автоматики".

Великі труби - досвід України

Перший досвід зварювання труб великого діаметру Україна здобула ще 1997 року. І ключову участь у цьому проекті було відведено Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона Національної Академії наук України. Науковці розробили і виготовили експериментальний апарат для зварювання нагрітим інструментом встик труб великого діаметру. За сприяння і під патронатом тодішнього керівника відділу зварювання пластмас ІЕЗ к.т.н. Г.М. Кораба роботи розпочалися у Вінниці та Харкові, де зварили поліетиленові труби великого діаметру місцевих каналізаційних мереж.

  А вже 2002 року у Вінниці підприємство "Спецбуд" вперше в Україні виконало санацію напірного дюкера діаметром 900 мм (дві ділянки мережі мають по 380 м і прокладені по дну річки Південний Буг). Для відновлення стальної мережі у ній протягнули поліетиленові труби KWH Pipe діаметром 800 мм з товщиною стінки 47,4 мм. Для зварювання нагрітим інструментом встик також була застосована патонівська розробка, розрахована на діаметр труб 710/1200 мм.

  Нині в Україні реалізовано кілька масштабних проектів, у яких застосовувались труби великих діаметрів, які були зварені нагрітим інструментом встик. Пальма першості належить поліетиленовому трубопроводу діаметром 1200 мм, який проклав миколаївський Центр технологій "ВіК". Підприємство збудувало промислово - ливневий колектор ЗАТ "Кримський Титан" в місті Армянську (АР Крим). Зварювання поліетиленових труб виконали нагрітим інструментом встик із застосуванням апарату George Fisher 1200.

  Цей апарат має класичний центратор з двома рухомими і двома нерухомими затискачами. Для управління процесом зварювання передбачено блок контролю, а також гідравлічний блок з підключенням приладу протоколювання процесу зварювання.

  Фахівці вважають, що в Україні дедалі масовіше застосовуватимуть труби великих діаметрів для відновлення аварійних комунальних мереж. Як знаємо, понад 30 відсотків вітчизняних водогонів та каналізаційних мереж вичерпали свій експлуатаційний ресурс. Аби уникнути аварійних ситуацій, містам доведеться затягнути паски і витрачатися на ремонти. У цьому є і позитивний момент: по-перше, оновлюватиметься комунальна інфраструктура, по-друге - вітчизняні виробники спроможні запропонувати власну продукцію для реалізації інфраструктурних проектів будь-якої складності.