Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изучаемой проблемы 13
1.1. Применение полиэтиленовых труб при низких температурах 13
1.2. Сварка полиэтиленовых труб для газопроводов 18
1.3. Методы испытаний сварных соединений полиэтиленовых труб 30
Глава 2. Разработка технологических режимов сварки нагретым инструментом встык полиэтиленовых труб при низких температурах 38
2.1. Технология сварки нагретым инструментом встык без предварительного подогрева при естественно низких температурах 38
2.1.1. Экспериментальная проверка адекватности математической модели теплового процесса сварки нагретым инструментом встык 38
2.1.2. Определение технологических режимов сварки нагретым инструментом встык при температурах ОВ, ниже нормативных 43
2.1.3. Контроль качества сварных стыковых соединений ПЭ труб 48
2.1.4. Исследование сварного стыкового соединения методом локального вторичного нагрева 57
2.2. Технология сварки нагретым инструментом встык с предварительным подогревом при естественно низких температурах 60
Глава 3. Технологический режим сварки закладным нагревателбным элементом полиэтиленовых труб при низких температурах 69
3.1. Экспериментальная проверка адекватности математической модели теплового процесса сварки закладным нагревательным элементом 70
3.2. Разработка методики определения технологических параметров сварки закладным нагревательным элементом полиэтиленовых труб при низких температурах 77
3.3. Контроль качества муфтовых сварных соединений 85
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 93
4.1.1. Разработка методики определения физико-механических свойств материала зон сварного стыкового соединения 93
4.1.2. Исследование прочностных свойств материала зон сварного стыкового соединения 97
4.1.3. Исследование степени кристалличности материала зон сварного стыкового соединения 101
4.2. Длительные испытания сварных соединений полиэтиленовых труб 104
4.2.1. Испытания на длительное растяжение сварных стыковых соединений 104
4.2.2. Испытания при постоянном внутреннем давлении 108
4.3. Исследования прочности сварных соединений 110
4.3.1. Разработка методики определения прочности стыкового сварного соединения с заданной площадью сварки 110
4.3.2. Разработка методики определения прочности муфтового сварного соединения с заданной площадью сварки 114
4.4. Исследования надмолекулярной структуры сварных соединений полиэтиленовых труб 117
4.4.1. Исследование надмолекулярной структуры материала сварных соединений методом световой микроскопии 117
4.4.2. Исследование надмолекулярной структуры материала сварного соединения методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) 121
Общие выводы 124
Литература 125
Приложения 142
- Применение полиэтиленовых труб при низких температурах
- Контроль качества сварных стыковых соединений ПЭ труб
- Разработка методики определения физико-механических свойств материала зон сварного стыкового соединения
- Исследование надмолекулярной структуры материала сварного соединения методом атомно-силовой микроскопии (АСМ)
Введение к работе
Актуальность работы: 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. 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.
Объектом исследования является контактная тепловая сварка термопластов, а предметом исследования является сварка полиэтиленовых труб при низких температурах.
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, изготовленных 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.
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 «ISCORD» (г. Якутск, 2010 г.), научной конференции «Перспективы развития нефтегазового комплекса Республики Саха (Якутия)» (г. Якутск, 2010 г.), IV и V Евразийском симпозиумах «EURASTRENCOLD» (г. Якутск, 2008, 2010 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 26 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 1 статья в электронном научном журнале, 16 в материалах научных конференций различного уровня, 4 патента 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.
Применение полиэтиленовых труб при низких температурах
Применение неметаллических труб для строительства трубопроводов имеет более чем 50-летнюю историю. Первоначально они использовались в основном для водопроводов, канализации, ливнестоков и т.д. В системах газоснабжения полиэтиленовые (ПЭ) трубы стали применять несколько позже. Впервые в России подземные распределительные газопроводы из поливинилхлоридных и ПЭ труб отечественного производства были построены в 1959 году по проекту и технологии, разработанным Мосинжпроект [17].
ПЭ трубы обладают рядом преимуществ по сравнению с металлическими [46, 92, 94, 106, 108, ПО, 125], а именно: коррозионной стойкостью; малой массой; удобством монтажа; низкой газопроницаемостью; малым гидравлическим сопротивлением; высокой эластичностью и ударопрочностью; простотой и надежностью соединения; технологичностью и экономичностью в изготовлении, как самих труб, так и соединительных деталей.
Технико-экономические расчеты, приведенные в работах [67, 127], показывают несомненное преимущество применения ПЭ труб взамен классических стальных при строительстве газопроводов. Показано, что:
1. Затраты на приобретение материалов при прокладке ПЭ труб снижаются в 2,1-2,2 раза;
2. Транспортные расходы уменьшаются на 23-24 %;
3. Затраты на эксплуатацию машин и механизмов ниже в 1,8-2,5 раза;
4. Затраты на оплату труда уменьшаются в 2,2 раза;
5. Суммарные затраты при прокладке ПЭ газопроводов, в зависимости от принятых технических решений снижаются в 1,9-2,4 раза; 6. Сроки строительства сокращаются ю 4-8 ваз 8при применении длинномерных труб в бухтах).
Приведенные выше расчеты выполнены для труб примерно одинакового диаметра (ПО мм). Следует отметить, что, поскольку пропускная способность ПЭ труб существенно выше, в действительности взамен стальных труб с внутренним диаметром 108 мм достаточно предусматривать прокладку ПЭ труб диаметром 90 мм. При этом затраты на приобретение труб снижаются на 20 %.
В таблице 1 приведены конкретные стоимости строительно-монтажных работ в условиях Западной Сибири и Европейской части России при прокладке подземных стального и ПЭ газопроводов длиной 1 км (на IV кв. 2008 г.) [87].
Таким образом, показано, что применение ПЭ труб имеет существенное технико-экономическое преимущество по сравнению со стальными.
Однако, сдерживающим фактором повсеместного применения ПЭ труб является снижение прочностных характеристик ПЭ при низких температурах. Наиболее неблагоприятными климатическими факторами, характерными для большей части территории РФ, являются низкие температуры и перепады температур. Данные температурные факторы приводят, во-первых, к уменьшению эластичности и вязкости разрушения ПЭ, повышению или понижению его прочности и т.д. и, во-вторых, к осевому перемещению труб из-за температурного изменения линейных размеров. Кроме того, перепады температур обуславливают появление внутренних температурных напряжений, что в основном сказывается на соединительных узлах труб (сварные швы, места конструктивных соединений, фитинги и т.д.) [122]. В то же время с позиций грунтовых условий прокладка трубопроводов на слабонесущих и болотистых грунтах при их промерзании в зимний период технологически более эффективна.
Экспериментальное исследование допустимой температуры монтажа полимерных труб из полиэтиленов марок ПЭ63 и ПЭ80 при низких температурах были проведены в Институте неметаллических материалов СО РАН (ИНМ СО РАН) [11]. Основанием для определения исследуемого показателя являлось положение о том, что наиболее опасным видом повреждающего воздействия на элементы газопровода является ударное нагружение. По результатам исследования энергии ударного разрушения отрезков труб и сварных соединений в температурном диапазоне от 20 С до минус 60 С была установлена нижняя допустимая температурная граница по условиям монтажа элементов трубопровода. Было, показано, что трубы из материала ПЭ63 сохраняют необходимый уровень свойств до температуры минус 25 С, а трубы из ПЭ80 до минус 60 С [122]. Исследование влияния воздействий максимально возможных напряжений вследствие различных процессов, возникающих в многолетнемерзлых грунтах, показало, что трубы и их соединения сохраняют целостность и герметичность. Кроме того, установлено, что при отрицательных температурах окружающего воздуха наблюдается повышенная способность сопротивления полиэтиленов ПЭ80 и ПЭ100 быстрому распространению трещины [10, 11, 12, 15, 122]. Таким образом, показано, что применение труб из материалов ПЭ80 и ПЭ100 снимает температурные ограничения по условиям монтажа элементов трубопровода в условиях холодного климата. В результате проведенных исследований в вышеупомянутом СП 42-103-2003 отменен ранее существовавший запрет на применение полимеров в системах газоснабжения в регионах с расчетной температурой воздуха ниже минус 45 С.
Для подтверждения полученных результатов были проведены работы по внедрению ПЭ труб для распределительных газопроводов в Республике Саха (Якутия). Для практической реализации строительства ПЭ газопроводов в РС(Я) по предложению АО «Якутгазпром», ИНМ СО РАН при участии Дирекции «Стройсельгазификация» был разработан Руководящий Документ «Временные указания по проектированию, строительству и эксплуатации полиэтиленовых газопроводов в РС(Я)». Документ содержит основные положения действующих нормативно-технических документов и ряд компенсирующих мероприятий, учитывающих специфику климатических условий республики. Руководящий Документ (РД) наряду с действующей нормативно-технической документацией используется в качестве временного руководства для проектных, монтажных и эксплуатационных организаций и контролирующих органов.
В соответствии с указанным РД были спроектированы и построены опытные ПЭ газопроводы в Намском и Хангаласском улусах РС(Я). Результаты опытно-промышленного эксперимента и проведенные дополнительные исследования позволили в 1999 г. подготовить предложения по отмене запрета сооружения ПЭ газопроводов в районах с температурой ниже минус 45 С. Эти предложения были поддержаны Межведомственным координационным советом по техническому совершенствованию газораспределительных систем и других инженерных коммуникаций и вошли в проект нового СНиПа «Газораспределительные системы». Утвержденный на федеральном уровне в конце 2002 г. новый свод нормативно-технической документации (СНиП 42-01-2002 «Газораспределительные системы») полностью отменил ограничения по температуре окружающего воздуха, заменив их эксплуатационными температурами (не ниже минус 15 С), фактическая величина которых при допустимых глубинах заложения разрешает строительство ПЭ газопроводов на всей территории республики [66].
Контроль качества сварных стыковых соединений ПЭ труб
Сварка нагретым инструментом встык ПЭ труб при температурах, ниже нормативных, проводится в рамках существующей технологии на стандартном оборудовании с изменением технологического режима сварки заключающегося в увеличении продолжительности нагрева и охлаждении в теплоизоляционной камере. Эффективность предлагаемых технологических режимов сварки необходимо проверить на основе испытаний сварных соединений согласно СП 42-103-2003.
С этой целью полиэтиленовые трубы ПЭ 80 SDR11 63x5,8 были сварены по различным технологическим режимам:
1) при допустимой температуре ОВ по регламентированному СП 42 103-2003 технологическому режиму (режим 1);
2) при температуре ОВ ниже минус 15 С, время оплавления регламентированное (55 сек), остальные параметры по регламенту СП 42 103-2003 (режим 2).
3) температура OB ниже минум и5 С, продолжительность нагрева расчетная, охлаждение в теплоизоляционной камере, остальные параметры по регламенту СП (режим 3).
Режим 1. Сварка производилась при допустимой температуре ОВ по режиму, регламентированному СП 42-103-2003 при комнатной температуре плюс 23 ± 3 С. Для полиэтиленовых труб из ПЭ 80 SDR11 63x5,8 требуемые параметры при сварке нагретым инструментом встык время нагрева составляет 55 с, продолжительность технологической паузы 3-5 с, время охлаждения 8 мин. При таких параметрах сварки полученный сварной шов считается близким к идеальному.
Режим 2. Сварка осуществлялась при температурах ОВ минус 30 С и минус 40 С по регламенту СП 42-103-2003, т.е. время нагрева 55 с, продолжительность технологической паузы 3-5 с, время охлаждения 8 мин, т.е. имело место нарушение данного технологического режима: температура ОВ, ниже нормативного, продолжительность нагрева недостаточная, скорость охлаждения чрезмерно высокая.
Режим 3. Температура ОВ при сварке минус 30 С и минус 40 С, время нагрева расчетное, необходимое для достижения заданной глубины проплавления, остальные параметры по регламенту СП 42-103-2003, т.е. продолжительность технологической паузы 3-5 с, время охлаждения 8 мин. При температурах минус 30 С и минус 40 С время нагрева по расчетам равнялось соответственно 88 с и 96 с. Охлаждение производилось в теплоизоляционной камере. Размеры камеры: длина L=4 см; высота Л=2 см. Материалом теплоизоляционной камеры служил вспененный полиэтилен с коэффициентом теплопроводности X =0,033 Вт/(м-К).
Согласно нормативному документу [113] контроль качества сварных стыковых соединений производился следующими методами испытаний:
1. Обязательные: внешний осмотр, испытание на осевое растяжение, ультразвуковой контроль. 2. Специальные: испытание на статический изгиб, испытания при постоянном внутреннем давлении, испытания на длительное растяжение.
Следует отметить, ультразвуковой контроль (УЗК) сварных соединений не проводился, т.к. методика ультразвукового контроля обеспечивает выявление дефектов площадью более 1,5 мм2, т.е. позволяют обнаруживать лишь наличие грубых макроскопических дефектов - несплошностей, включений, трещин, которые встречаются крайне редко [130].
На данном этапе рассмотрим три наиболее простых и широко применяемых методов испытаний сварных стыковых соединений: внешний осмотр, испытания на осевое растяжение и испытания на статический изгиб.
Внешний осмотр.
Внешний вид полученных сварных стыковых соединений отвечал следующим требованиям:
- валики сварного шва симметрично и равномерно распределены по окружности сваренных труб;
- цвет валиков одного цвета с трубой и не имел трещин, пор, инородных включений;
- симметричность шва (отношение ширины наружных валиков грата к общей ширине грата) была в пределах 0,3 - 0,7 в любой точке шва.
- смещение наружных кромок свариваемых заготовок не превышало 10 % толщины стенки трубы;
- впадина между валиками грата (линия сплавления наружных поверхностей валиков грата) находилась ниже наружной поверхности труб;
Внешний вид всех сварных соединений, полученных при различных режимах сварки, соответствовал критериям оценки внешнего вида соединений, выполненных нагретым инструментом встык.
Испытания на осевое растяжение.
Для испытаний на осевое растяжение были изготовлены образцы-лопатки типа 2 по ГОСТ 11262 [29] по 6 штук с каждого сварного соединения. Испытания проводились на универсальной разрывной машине UTS-20K (Германия) при скорости движения захватов 25 мм/мин согласно ГОСТ 11262. По результатам испытаний выявлялся тип разрушений и был составлен протокол механических испытаний (Таблица 5), согласно СП 42-103-2003 [113].
Различают три типа разрушения:
- тип I — наблюдается после формирования «шейки» — типичного сужения площади поперечного сечения образца во время растяжения на одной из половин испытываемого образца. Разрушение наступает, как правило, не ранее чем при достижении относительного удлинения более 50 % и характеризует высокую пластичность. Линия разрыва проходит по основному материалу и не пересекает плоскость сварки;
- тип II — отмечается при достижении предела текучести в момент начала формирования «шейки». Разрушение наступает при небольших величинах относительного удлинения, как правило, не менее 20 и не более 50 % и характеризует низкую пластичность. Линия разрыва пересекает плоскость сварки, но носит вязкий характер;
- тип III — происходит до достижения предела текучести и до начала формирования «шейки». Разрушение наступает при удлинении образца, как правило, не более 20 % и характеризует хрупкое разрушение. Линия разрыва проходит точно по плоскости сварки.
Результаты испытания считаются положительными, если при испытании на осевое растяжение не менее 80 % образцов имеют пластичный характер разрушения I типа. Остальные 20 % образцов могут иметь характер разрушения II типа. Разрушение III типа не допускается.
При хрупком разрыве по шву для определения причин разрушения анализируются характер излома и дефекты шва.
При испытании на осевое растяжение определяют также относительное удлинение при разрыве ГОСТ 11262 [29].
Разработка методики определения физико-механических свойств материала зон сварного стыкового соединения
Испытания на осевое растяжение по действующему СП 42-103-2003, в котором с целью определения качества сварного соединения ПЭ труб растягивают образцы-лопатки типа 2 по ГОСТ 11262, где исследуемый сварной шов должен быть расположен посередине образца с точностью ± 1 мм. Но данными испытаниями невозможно определить физико-механические свойства сварного стыкового соединения по зонам.
В работе Г.К. Кайгородова, В.Ю. Каргина [69], где приводится зависимость свойств сварного шва таких, как относительное удлинение и предел текучести от температуры охлаждения, образцы для исследования влияния скорости охлаждения на прочностные характеристики сварного соединения получали из ПЭ труб, нагретых до 180 С с последующим охлаждением при различных температурах. Но недостатком данного способа является отсутствие процесса осадки, из-за которого образуется грат.
Как известно, область сварного стыкового соединения полимерных труб исследователи делят на несколько зон в зависимости от структуры полимера, сформировавшейся в результате термодеформационного воздействия в процессе сварки [34, 69, 107]. Так в работе [34] выделяется 5 основных зон: зона сплавления, сферолитная зона, зона вблизи границы проплавления, зона термического влияния, грат. В данной работе было принято деление области сварного стыкового соединения на 4 зоны сварного соединения: зона сплавления, подгратовая область, зона термического влияния, основной материал (рис. 4.1).
Зона сплавления является важнейшим участком сварного соединения. Ее микроструктура в первую очередь определяет качество сварного соединения. В указанной зоне имеется темная прослойка, окаймленная светлыми извилистыми ленточными образованиями. При макроскопических исследованиях зона сплавления проявляется в виде светящейся линии, которая проходит через все сварное соединение, включая грат. В случае, когда зона сплавления имеет такую структуру, соединение не является надежным и разрушение его в большинстве случаев происходит по зоне сплавления.
Подгратовая область. В работе [34] приводятся такие зоны как сферолитная и зона вблизи границы проплавления. В данной работе подгратовая облать рассматривается как совокупность этих двух зон. В сферолитной зоне материал имеет сферолитную структуру, характерную для основного материла. Средний размер сферолитов здесь обычно меньше, чем в основном материале. Зона вблизи границы проплавления расположена между твердым полимером и расплавом.
Зону термического влияния образуют участки основного материала, прилегающие к сферолитной зоне. Как правило, в этой зоне не обнаруживаются какие-либо изменения микроструктуры. Тем не менее, при механических испытаниях сварных соединений в условиях воздействия поверхностно-активного вещества наблюдаются случаи зарождения и распространения в этой зоне трещин. Очевидно, это связано с наличием в зоне термического влияния значительных остаточных сварочных напряжений, которые не могут релаксировать, как это имеет место в сферолитной зоне. Однако, данное предположение экспериментально не подтверждено [34]. Причем, область на расстоянии ± 5 мм от середины сварного шва для трубы диаметром 63 мм при комнатной температуре (23±3)С подвергается нагреву выше 80 С, при котором начинаются изменения физико-механических СВОйсТВ ПЭ [107], что и послужило разграничением зоны термического влияния от основного материала трубы.
Грат. Эта характерная область сварного соединения полимеров, имеющая вид двух валиков, образуется в результате затвердевания расплава, вытесненного под давлением осадки из зоны сварки. Грат не является выпуклостью, усиливающей сварное соединение, а, напротив, служит концентратором напряжений. По характеристикам грата получают некоторую информацию о качестве сварного шва [8], но достоверность ее невелика.
Разработка методики определения механических характеристик материала сварного соединения по зонам производилась следующим образом. Из исследуемой зоны сварного соединения вырезались образцы-ленты такой толщины, чтобы они состояли только из определенной зоны, например, зоны термического влияния, подгратовой области или из зоны сплавления. Вырезание образцов-лент производилось электрическим торцевателем самой сварочной установки при постоянной медленной скорости и при постоянной нагрузке, равной нагрузке торцевания (рис. 4.2. а). Таким образом, достигалась одинаковая толщина образцов-лент. Для предотвращения нагревания и вытягивания образца-ленты из-за его наматывания на трубе образцы-ленты вырезались через один оборот торцевателя. Толщину образца-ленты можно менять изменением выступающей части ножа торцевателя над плоскостью диска торцевателя от 100 до 500 мкм. Затем образцы-ленты разрезались на отрезки, на середине которых находилась рабочая часть длиной 10 мм с одинаковой толщиной по всей площади. Толщина образцов равнялась 200-300 мкм, ширина образцов, взятых из основного материала, зоны термического влияния, подгратовой области равнялась толщине стенки трубы. Ширина образцов, отобранных из зоны сплавления, была больше на 1-2 мм, так как эта зона находится в области стыка сварного соединения, где осталась часть расплавленного материала, вытесненного в грат, при этом толщина данных образцов равнялась 100-150 мкм. Испытания образцов-лент производились согласно ГОСТ 14236 - 81 [30] по истечении 16 часов после изготовления и снятия размеров рабочей части. При закреплении образцов-лент в специальные захваты (рис. 4.2., в), предназначенные для испытания пленок, область рабочей части образца-ленты нельзя было касаться руками для недопущения внесения погрешности, возникающей от повышения температуры на месте соприкосновения образца-ленты с пальцами испытателя. Испытания проводились на разрывной машине UTS20К (Германия) при скорости движения захватов 25 мм/мин (рис. 4.2, в). Такая скорость была выбрана как наиболее оптимальная скорость испытаний с точек зрения и погрешности испытаний, и затраты времени. Обработка результатов испытаний проводилась принятыми методами. На разработанную методику был получен патент РФ на изобретение № 2403543 «Способ испытания сварного стыкового соединения полимерных труб» [101].
Исследование надмолекулярной структуры материала сварного соединения методом атомно-силовой микроскопии (АСМ)
Исследование топографии поверхностей продольного среза сварного шва ПЭ трубы производилось методом АСМ с помощью сканирующего зондового микроскопа «Ntegra». Для исследования применялся контактный режим сканирования, при котором острие зонда находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью. В процессе исследования использовался алмазный зонд с радиусом закругления 20 нм. Область сканирования составляла 25x25 мкм, которая располагалась у основания грата на осевой линии сплавления сварного соединения.
Видно (Рис. 4.21), что рельеф поверхностей образцов, полученных с нарушением режима и с использованием комплекса программ «СТЫК-1», характеризуется наличием четко обозначенной линии сплавления. Высота неровностей не превышает I мкм. На сканах образцов, полученных по стандартной схеме и с использованием комплекса «ПОДОГРЕВ-1», линии сплавления не наблюдается, т.е. материал зоны шва однороден.
Таким образом, результаты микроскопических способов исследования показывают несомненные преимущества применения комплекса программ «ПОДОГРЕВ-1» для получения качественных сварных соединений при низких температурах ОВ.
Полученные результаты опубликованы в следующих работах: [23, 24, 25,36,37,38,39,40,41,42,43,65, 101, 114, 115, 117].
Сканы рельефа поверхностей образцов сварных соединений, изготовленных при режимах: а) Температура ОВ (23±3) С, стандартная сварка; б) Температура ОВ минус 40 С, время нагрева как при комнатной температуре (23±3) С, сварка с нарушением; в) Температура ОВ минус 40 С, время нагрева рассчитанное с помощью комплекса программ «СТЫК-1», сварка без предварительного подогрева, охлаждение в теплоизоляционной камере; г) Температура ОВ минус 40 С, сварка с предварительным подогревом, продолжительность подогрева и остывания рассчитано с помощью комплекса программ «ПОДОГРЕВ-1», охлаждение в теплоизоляционной камере
