Инструкция по технологии стыковой сварки полиэтиленовых труб

9 Выбор оборудования для сварки встык

Очень важно понять, что производители сварочного оборудования – не разработчики технологии стыковой сварки.

Качество стыкового сварного соединения зависит от качества свариваемых труб и/или фитингов (на это есть свои нормативы) и строгого выполнения выбранной технологии сварки. Практика показывает, что низкое качество сварки чаще имеет причины, не связанные со сварочным оборудованием. Например:

• неграмотный и/или безалаберный персонал;
• много проблем в последнее время связано с новыми нестекающими марками полиэтилена с низким ПТР (применяются для производства труб большого диаметра с большой толщиной стенки) – проверенные и узаконенные сварочные технологии с ними плохо работают, во всяком случае, процедуры сварки при низком давлении.

Возлагать полную ответственность за качество сварного соединения на сварочную машину некорректно. Задача сварочной машины хоть и весьма нетривиальная, но всё-таки ограниченная: ее технические характеристики должны позволять оператору тщательно выполнить подготовку к сварке и собственно процедуру сварки. Чтобы облегчить понимание этой задачи производителям оборудования, подробные формализованные требования к машинам стыковой сварки сведены в отдельные стандарты, на разный лад описывающие одни и те же требования: DVS 2208-1, ISO 12176-1, ГОСТ Р ИСО 12176-1 и пр.

Существует и другая крайность в оценке качества сварочных машин. Мол, низкое качество дешевых сварочных машин касается только малого срока эксплуатации — просто раньше развалится. И за такие деньги не жалко, закопаем в конце траншеи вместе с трубой. Это самое опасное заблуждение! Цена сварочной машины косвенно отражает степень стремления производителя выполнить требования вышеуказанных стандартов. Бюджетный сварочный аппарат не позволит оператору выполнить требования сварочной процедуры. И хуже всего то, что в большинстве случаев оператор об этом даже знать не будет, пока эту самую траншею не придется раскапывать для ремонта трубопровода. А уж кого в этом случае назначат стрелочником — большой вопрос!

К сожалению, наличие сертификата соответствия аппарата требованиям ГОСТ в нашей стране не является свидетельством этого соответствия. Для тех, кто готов вникнуть, забетонировать свои тылы и спать спокойно, ниже приводим требования стандартов к техническим характеристикам машин стыковой сварки. К характеристикам, влияющим на возможность или невозможность соблюдения параметров сварочной процедуры. При этом опускаем общие слова о безопасности, надежности, работоспособности и удобстве.

Рекомендуем проверять эти технические характеристики не только при выборе нового сварочного аппарата, а хотя бы перед каждым новым сварочным объектом. Если характеристики уплыли, лучше отдайте аппарат на профилактику в сервис-центр.

9.1 Центратор

Как уже указывалось выше, функции центратора – обеспечение соосного крепления труб, исправление овальности труб, перемещение одной или обеих труб вдоль оси, обеспечение контролируемого усилия прижима торцов труб к нагревателю или друг к другу.

Общие требования к центратору описаны общими словами и довольно очевидны – должен зажимать трубу с предельными отклонениями размеров, не должен повреждать поверхность, должен быть защищен от коррозии.

Самое пристальное внимание необходимо обратить на требования, представленные в цифрах, с описанием методов испытаний и допустимых результатов:

• Жесткость конструкции центратора (см. п.5.2.2. и 5.2.3. ГОСТ Р ИСО 12176-1). Основная идея – при любых сварочных давлениях и при обычных внешних воздействиях свариваемые трубы должны оставаться соосными, а их торцы должны прижиматься друг к другу с равномерным усилием. СОВЕТ: При выборе гидравлического центратора , во-первых, убедитесь, что ось трубы и два приводных гидроцилиндра центратора находятся в одной плоскости; в противном случае при максимальных сварочных усилиях перекос будет обязательно. Во-вторых, если вы выбираете между двумя центраторами , оба центратора нужно одинаково и сильно нагрузить – зажать длинные и тяжелые отрезки труб без подпорок – и замерить, какой из центраторов больше деформировался. Если такой возможности нет, можно попытаться хотя бы визуально сравнить прочность на изгиб главных конструктивных элементов центратора – направляющих стержней.
• Жесткость и цилиндричность хомутов (см. п.5.2.4. ГОСТ Р ИСО 12176-1). Основная идея – концы труб при сварке должны иметь цилиндрическую форму для точного совмещения друг с другом, независимо от степени их овальности перед креплением в центраторе . СОВЕТ: Цилиндричность хомутов вряд ли стоит проверять. А проверить жесткость можно самой толстостенной трубой максимального диаметра, которая перед проверкой имеет заметную овальность. Затягивая хомуты, измеряйте диаметр торца в разных плоскостях.
• В любом положении гидроцилиндра (подвижного хомута) трение в системе должно быть одинаковым (см. п.6.5. ГОСТ Р ИСО 12176-1). Проверяется с помощью органов управления аппаратом. Давление перемещения замеряется на всем участке перемещения хомутов, колебания этого давления не должны превышать 10%. Основная идея — раз уж при сварке мы замеряем давление перемещения и добавляем его к табличным значениям давления, то самопроизвольные колебания этой паразитной добавки не должны значительно влиять на точность выполнения сварочной процедуры. На новом аппарате проверить выполнение этого требования несложно. А залог длительного выполнения этого требования — использование высокопрочных хонингованных стержней с 3-слойным покрытием (медь+никель+хром) и композитных прокладок идеальной геометрии. Ну и, конечно, уход за машиной.

9.2 Торцеватель

Согласно ГОСТ, торцеватель должен удалять стружку наружу трубы для визуального контроля и должен иметь съемные ножи. Правила безопасности требуют, чтобы включение торцевателя было возможно только в его рабочем положении на центраторе , для этого устанавливают специальный микроконтакт.

Формальное требование (см. п.7.2. ГОСТ Р ИСО 12176-1) состоит в указании максимально допустимого зазора между торцами труб после торцовки.

Нечасто используемая, но очень полезная опция – защита электродвигателя торцевателя от превышения тока или от перегрева. Особенно полезно на больших торцевателях. В отсутствие такой защиты электродвигатель или редуктор часто умирает в результате бестолковых действий оператора, который не читает инструкцию и при торцовке создает давление, в разы превышающее необходимое. ГОСТ такую защиту не требует.

9.3 Нагреватель

Общие требования – хорошая теплопроводность материала, неприлипающие поверхности, хорошая видимость прилипшего материала.

• Нагреватель должен иметь вполне определенный запас рабочей поверхности снаружи и внутри любой трубы в пределах рабочего диапазона (см. п.8.2. ГОСТ Р ИСО 12176-1), а сами рабочие поверхности должны быть плоским и параллельными, с указанным допуском (п.8.2. ГОСТ) и иметь шероховатость не более допустимой (п.8.5.1. ГОСТ).
• Мощность, теплоемкость и теплопроводность нагревателя должны быть достаточными для того, чтобы при рабочих условиях торец трубы нагревался от -5°C до +180°C менее чем за 20 сек (п.8.5.3. ГОСТ) при вполне определенной процедуре испытаний. Мощность выше этой не имеет смысла, она только излишне нагружает сеть питания при разогреве нагревателя.
• Интересное и редко выполняемое требование ГОСТ – нагреватель должен быть оборудован дополнительным термометром, независимым от системы контроля температуры, с точностью ±5°C (п.8.4. ГОСТ).
• Точность поддержания температуры должна быть в пределах ±7°C (п.8.5.2. ГОСТ). Более подробно ограничения по допустимым колебаниям температуры во времени и по мгновенной разнице температур в разных точках нагревателя указаны в DVS 2208-1.

9.4 Гидравлический привод

• Скорость перемещения подвижного хомута (см. п.5.2.1. ГОСТ Р ИСО 12176-1). Идея в том, аппарат должен быть в состоянии выполнить требования сварочных процедур, прописанных в ГОСТ Р 55276 – например, требования к максимально допустимому времени технологической паузы. СОВЕТ: Для выбора между двумя аппаратами сравните скорость холостого перемещения подвижного хомута; чем она выше, тем лучше.
• Максимальное усилие прижима , создаваемое центратором, должно не менее чем на 30% превышать максимальное усилие, требуемое для самой толстостенной трубы максимального диаметра (см. п.6.5. ГОСТ Р ИСО 12176-1).
• В ГОСТ и в ISO не уделено внимание одному требованию, на которое DVS 2208-1 обращает внимание. Гидравлический агрегат должен быть оборудован т.н. гидроаккумулятором, который на практике представляет собой емкость со сжимаемым газом и мембраной. Масло давит на мембрану, сжимает газ и превращает его в подобие взведенной пружины. Если такого приспособления нет, то при выключенном насосе малейшее перемещение подвижного хомута будет вызывать резкое падение давления масла в системе, ведь масло-то несжимаемое.
• Точность работы гидравлического привода. Частично она определяется требованием к равномерности давления перемещения (п.9.1). Другое требование, определяемое DVS 2208-1: манометр гидроагрегата должен иметь градуировку ≤1% полной шкалы, а максимальная погрешность измерений ±0,5 бар. Именно это цифра формально определяет нижний порог рабочего диапазона сварочной машины.

10 Некоторые неочевидные выводы

10.1 Сварка при низких температурах

Любая технология стыковой сварки пластиковых труб рассчитана и прописана для определенного интервала температуры окружающего воздуха. Как правило, этот интервал начинается от 0°С или от +5°С. А можно ли сваривать полиэтиленовые трубы при температуре, скажем, -30ºC?
Можно, никакие физические законы этому не мешают! Только это может вызвать некоторые неприятности, связанные со сварочным оборудованием. Например, масло в гидравлической системе может быть не рассчитано на такие температуры.
Если труба поставляется в катушках или бухтах, то разматывание трубы при низких температурах – тоже задача не для слабонервных.
Но сейчас не об этом. Давайте рассмотрим, какие изменения необходимо внести в технологию стыковой сварки пластиковых труб с расчетом на низкую температуру воздуха:

• На фазе 2 (нагрев) увеличится рассеивание тепла в воздух, т.е. снизится эффективность нагрева торцов (см. п.8.2.1). Значит, при расчете температуры T нагревателя необходимо увеличить запас ΔT₃ на компенсацию рассеивания тепла в воздух. Другими словами, несколько увеличить температуру T нагревателя.
• Нагрев материала трубы начинается от более низкой начальной температуры. Значит, даже при одной и той же эффективности процесс нагрева до требуемого графика распределения температур займет больше времени. Не проблема, нужно адекватно увеличить время t₂ нагрева торцов.
• Остывание торцов труб на фазе 3 (техн. пауза) будет происходить быстрее. Тоже не беда, нужно увеличить запас ΔT₁ в температуре T сварочного зеркала (см. п.8.2.1) и/или более жестко ограничить продолжительность технологической паузы (см. п.8.2.3).
• В начале фазы 5 (остывание) течение материала, увеличивающее толщину стенки, затухнет чуть раньше из-за быстрого остывания шва. Может быть, имело бы смысл увеличить сварочное давление.

Вычислить процедуру сварки при низких температурах и подтвердить ее дееспособность долгосрочным испытаниями еще только предстоит. Но главное – понятно, что законы природы этому не мешают.

10.2 Сварка труб малого диаметра на большом аппарате

Каждый стыковой сварочный аппарат имеет определенный рабочий диапазон диаметров. Например, 90-315 мм. Это значит, что внутренний диаметр хомутов 315 мм, а для фиксации труб меньших диаметров необходимо установить редукционные вкладыши (см. п.5.5). Часто возникает вопрос – можно ли на этом же аппарате сваривать трубы меньшего диаметра, например DN 63 SDR 11. С одной стороны, установить редукционные вкладыши Ø63 мм – совершенно не проблема. Рассчитать таблицу параметров сварки полиэтиленовых труб любого диаметра – тоже не проблема. Но может быть, есть другие ограничения? Попробуем разобраться.

Сварочное усилие пропорционально площади сечения свариваемых труб. Это значит, что центратор и гидравлическая система аппарата рассчитаны на трубу с самой большой площадью сечения в пределах рабочего диапазона этого аппарата. Для 315-го аппарата это труба DN 315 с размерным соотношением SDR 6. Площадь сечения такой трубы около 430 см 2 , а необходимое усилие для ее сварки по традиционной технологии – 650 кгс. С учетом давления перемещения и согласно требованиям ГОСТ Р ИСО 12176-1, максимальное усилие, на которое должна быть способна 315-я сварочная машина, должно быть, как минимум, на 30% выше – около 850 кгс.

Сварочное усилие, создаваемое сварочной машиной, контролируется визуально по стрелочному манометру на верхней панели гидроагрегата (рис.35). И полная шкала манометра 315-й машины должна соответствовать усилию не менее 850 кгс. Согласно формальному требованию к точности гидравлической системы (п.9.4), самая маленькая труба, которую можно варить такой машиной, должна требовать сварочное усилие 0,5% от полной шкалы — 4,5 кгс. Труба Ø63 мм SDR 11 пока попадает в этот диапазон, сварочное усилие для нее – 15,6 кгс. Оператору придется ловить первые 1-2 деления шкалы, это трудно, но можно. Идем дальше. Максимально допустимое давление перемещения ни одним нормативом не определено. На самых лучших машинах оно составляет 3-4% от максимального давления, создаваемого гидравлической системой. Значит, у нашей 315-й машины давление перемещения будет соответствовать усилию не менее 25,5 кгс и имеет право колебаться в пределах 10%, что соответствует ±2,5 кгс. Значит, для трубы Ø63 мм SDR 11 мы в самом идеальном теоретическом случае сможем обеспечить сварочное усилие 15,6±2,5 кгс. Погрешность 16% — это уже очень много! Процедура сварки DVS 2207-1 допускает погрешность 6,7% (формально сварочное давление 0,15±0,01 Н/мм). 2 .

Рис. 35 Манометр гидроагрегата

Отсюда общее правило для стыковой сварки:

Чем ближе диаметр трубы к максимальным возможностям вашей сварочной машины, тем точнее будет выполнение сварки стыкового соединения. Трубу Ø225 мм легче варить на машине PT-250, чем на PT-315.

СПАСИТЕЛЬНАЯ ХИТРОСТЬ: Если сварочная машина предназначена для традиционной технологии стыковой сварки, трубы нижней части рабочего диапазона машины можно варить по третьей процедуре (с высоким сварочным давлением). Это позволит более точно контролировать сварочное давление, а в качестве дополнительного бонуса — сократить время сварочного цикла. В нашем примере для сварки трубы Ø63 мм SDR 11 по третьей процедуре ГОСТ потребуется усилие 54,2 кгс. Погрешность — те же ±2,5 кгс, что составляет 4,6% и укладывается в норматив. А время остывания — 2,5 мин вместо 7 мин. Одно ограничение: труба должна быть сделана из ПЭ-80 или ПЭ-100.

ЗАМЕЧАНИЕ: Всё вышесказанное применимо и для сварки на аппарате с высокой степенью автоматизации, нужно только в качестве стандарта сварки выбрать в меню «ISO 21307 HIGH P». Но с одной оговоркой: машина должна быть новая или хорошо ухоженная или после профилактики. Дело в том, что автоматический аппарат при измерении давления перемещения измеряет еще и его колебания на всем пути движения подвижных хомутов. Предположим, что в результате незначительного нарушения геометрии нашего 315-го центратора усилие перемещения составит не 25±2,5 кгс, а 50±5 кгс. Ни одно нормативное требование к сварочным машинам пока формально не нарушено. Но для нашего примера с трубой Ø63 мм SDR 11 погрешность сварочного давления составит около 9%, что выше нормативного допуска. Автоматическая машина откажется варить с нарушением норматива.

10.3 Сварка труб с различной толщиной стенки

Большинство технологий стыковой сварки настаивают, что свариваться должны две трубы с одинаковой толщиной стенки. Это требование не всегда выполнимо. Например, большинство фасонных изделий (как литых, так и сварных) производятся с SDR 11. Поэтому если вам необходимо сварить трубопровод из трубы SDR 17, то придется сваривать изделия с разной толщиной стенки (рис.36). Некоторые технологии уточняют, что если необходимо сварить толстостенную трубу с тонкостенной, то на толстостенной трубе необходимо снять внутреннюю фаску. Но ведь и это не всегда возможно из-за отсутствия соответствующего инструмента.

Рис. 36 Разнотолщинные детали

Чтобы сварить тонкостенную трубу с толстостенной, в таблице параметров сварки полиэтиленовых труб нужно выбрать строку для тонкостенной трубы. И дальше для сварочного процесса использовать параметры исключительно из этой строки:

• Глубина нагрева должна соответствовать толщине стенки тонкостенной трубы. Если больше, то торец тонкостенной трубы далее сомнется при осадке (см. п.8.2.2). Толстостенную трубу можно было бы погреть подольше и тем самым увеличить допустимое время технологической паузы (см. п.8.2.3). Но в данном случае – куда же деваться, придется укладываться в продолжительность технологической паузы, прописанную для тонкостенной трубы.
• Продолжительность осадки полностью определяется предшествовавшим режимом нагрева (см. п.8.2.5). Так что здесь тоже как для тонкостенной трубы.
• Усилие осадки – из расчета, что в зоне сварки толщина стенки должна увеличиться для компенсации термодеструкции и пр. (см. п.8.2.4). В данном случае это более актуально для тонкостенной трубы. А толстостенная труба – и так достаточно прочная.
• Продолжительность остывания (при определенном сварочном давлении) полностью определяется предшествовавшим режимом нагрева (см. п.8.2.6). Так что здесь тоже как для тонкостенной трубы.

10.4 Сварка труб на «слабом» аппарате

Большинство технологий стыковой сварки ПЭ труб рассчитаны на то, что центратор сварочного аппарата способен создать усилие сжатия 1,5 кгс на каждый квадратный сантиметр торца полиэтиленовой трубы. А что делать, если аппарат слабоват, а толстостенную напорную трубу «кровь из носа» нужно сварить?

Конкретный пример. Бюджетный сварочный аппарат EURO-160 рассчитан на сварку труб диаметром до 160 мм и способен создать сварочное усилие не более 70 килограммов силы (кгс). Согласно технологии сварки DVS 2207-1, для сварки трубы из ПЭ 100 диаметром 160 мм с показателем SDR 17 (что соответствует PN 10) требуется сварочное усилие 67,4 кгс, и аппарат вполне справляется.

Но для сварки стыкового соединения труб из того же материала и того же диаметра, но SDR 11 (PN 16) требуется уже 100 кгс, потому что площадь торца такой трубы составляет 66,6 см 2 . Максимальное сварочное усилие нашего аппарата создаст в этой трубе напряжение всего чуть более 1 кгс/см 2 . Хватит ли этого на сварку, да так чтобы прочность сварного стыкового шва была не ниже прочности трубы? Может, есть какие-то «трюки»? Или не хватит ни при каких условиях?

Мы выяснили (см. п.8.2.7), что требуемое усилие сжатия на этапе оплавления торцов можно смело уменьшить. Это немного увеличит время, которое потребуется на выдавливание грата, а больше ни на чем не отразится. Так что здесь проблемы нет.

Мы также знаем (см. п.6.4), что технология стыковой сварки допускает несовпадения стенок труб до 10%, а последующее увеличение толщины стенки труб (см. п.8.2.4) компенсирует эту неточность. Значит, можем сделать вывод, что на компенсацию одной только термодеструкции хватило бы гораздо меньшего увеличения толщины стенки, а значит, гораздо меньшего сварочного давления. Поэтому первый «трюк» очевиден – на слабом аппарате нужно очень-очень аккуратно добиваться идеального совпадения торцов труб перед сваркой.

Второй «трюк» тоже вполне понятен, если немного подумать. Нужно увеличить температуру зеркала на 5-10°С и, может быть, погреть чуть-чуть подольше. Температурная деградация полиэтилена от этого немного увеличится, зато текучесть материала увеличится значительно и позволит добиться большого увеличения толщины стенки даже небольшим сварочным давлением.

К сожалению, никто не делал аккуратных расчетов технологии сварки для небольших сварочных усилий. Не существует точных численных рекомендаций, насколько нужно увеличить температуру зеркала и/или время нагрева с расчетом на то или иное сварочное усилие. Но если аппарат слабый, а сварить необходимо, то понятно, в какую сторону двигаться.

10.5 Сварка труб из ПВХ

Стыковая сварка труб из полипропилена (ПП) и поливинилиденфторида (ПВДФ), так же как и труб из ПЭ, не представляет проблемы. Таблицы параметров стыковой сварки труб из этих материалов, как правило, прилагаются к любому стыковому аппарату. А почему не прилагаются таблицы для ПВХ, хотя процедура определена нормами DVS?

Сварка труб из ПВХ связана с необычным требованием к сварочному процессу и к оборудованию. А именно, максимальное время технологической паузы при сварке ПВХ труб, независимо от диаметра и толщины стенки – всего 2 сек. За это время нужно успеть развести трубы, вынуть сварочное зеркало и снова свести трубы до касания торцов. Теоретически, некоторые гидравлический аппараты могут справиться с этой задачей – если насос гидравлического агрегата имеет большую производительность. Однако если говорить об аппарате с ручным управлением гидравликой, то оператор должен виртуозно обращаться с органами управления аппарата, а это не всегда так. А аппарат с высокой степенью автоматизации – совсем не выход, логика работы автоматического аппарата предполагает полное разведение труб для извлечения зеркала, а это потеря времени. Самую быструю технологическую паузу удается сделать вручную на аппаратах с приводным рычагом и со сварочным зеркалом, подвижно закрепленным на центраторе – например, EURO-160 или WORLD-250.

Еще один необычный параметр для сварки труб из ПВХ – сварочное усилие рассчитывается как 6 кгс на каждый см 2 сечения трубы. Это довольно много. Для сравнения, для ПНД необходимо 1,5 кгс/см 2 , а для ПП – всего 1,0 кгс/см 2 . Однако это не проблема. Благодаря прочности и очень низкой ползучести ПВХ, трубы из него (даже напорные) – довольно тонкостенные, т.е. имеют сравнительно небольшую площадь торца. Так что итоговое сварочное усилие оказывается небольшим, в пределах возможностей любого нормального сварочного аппарата.