Содержание:
- Проблема качества сварки полиэтиленовых труб из вторсырья
- Исходные данные эксперимента
- Анализ результатов эксперимента
- Влияние сварки на термостабильность и стойкость к растяжению
Новые технологии синтеза полимеров выводят на рынок трубной продукции абсолютно новые материалы с повышенными эксплуатационными характеристиками — полиэтилены высокой плотности ПЭ 100 и ПЭ 112, термостойкие полиэтилены RT, а также полиэтилены с низкой стекаемостью и стойкостью к растрескиванию. Полимерные трубопроводы из этих материалов выдерживают температуру до 90°С и давление до 16 атмосфер. Также крайне важным шагом в реформировании ЖКХ стало появление на рынке толстостенных труб большого диаметра — от 40 до 120 см.
Надежность сварных соединений трубопроводов из полиэтилена всегда выступала одним из главных факторов их безаварийной эксплуатации, а появление новых полиэтиленовых материалов с высокой стойкостью к давлению и температуре вывело фактор надежности сварки на первое место. При этом стоит отметить, что если сами технологии производства полимерных труб идут в ногу с технологиями синтеза полимеров, то технологии сварочных работ существенно отстают. На текущий момент у монтажных организаций практически полностью отсутствует нормативная документация по технологии сварки труб большого диаметра и информации об изменении сварочных режимов для разных категорий полиэтиленовых труб.
Еще одной проблемой свариваемости полиэтиленовых труб стала государственная программа по вторичной переработке отходов. Эта программа предполагает вовлечение вторичного сырья в производство качественных и надежных полиэтиленовых труб. По данным АПТС (Ассоциация производителей трубопроводных систем), не менее 30% отечественного рынка трубной продукции из полиэтилена занимает фальсификат — трубы, частично или полностью изготовленные из вторичного сырья. Проблема надежности сварных соединений труб такого типа и является темой этой статьи.
Проблема качества сварки полиэтиленовых труб из вторсырья
Согласно государственным стандартам ГОСТ 18599-2001 и ГОСТ Р 58121.2-2018, напорные трубы выпускаются из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), в производстве которого допускается использование отечественного или импортного вторичного сырья. В качестве такого сырья в основном используется гранулят, полученный из полиэтиленовых канистр, бутылок или флаконов. В таблице №1 приведены основные свойства отечественного и импортного гранулята, в сравнении со свойствами первичных ПЭ 63 и ПЭ 100.
Из приведенной таблицы видно, что вторичное сырье существенно уступает первичному по целому ряду параметров: показателю текучести расплава (ПТР), термостабильности, зольности и содержанию полипропилена (ПП) и карбоната кальция. Наличие полипропилена объясняется недостатком технологии вторичной переработки, которая пока не позволяет, с высокой долей эффективности, удалять из исходных полиэтиленовых бутылок, флаконов или канистр ободки и пробки из полипропилена. Для того чтобы оценить влияния полипропилена на качество сварных швов и был поставлен ряд натурных экспериментов.
Исходные данные эксперимента
Главной задачей модельного эксперимента была оценка влияния примесей полипропилена на свариваемость полимерных труб из полиэтилена высокой плотности. Для этой цели были изготовлены трубы SDR 17 диаметром 225 мм. В качестве основного материала был взят полиэтилен марки ПЭ 100 PE6PP32, а в качестве добавки от 1 до 10 % массы бы использован импортный ПП Hostalen H2483. Процент содержания ПП соответствует фактическому показателю наличия полипропилена во вторичном сырье. Для того чтобы оценить процент содержания ПП, использовались два основных метода:
- Метод ИК-спектроскопии использует калибровку соотношения интенсивностей полос поглощения 1376 и 720, что соответствует деформационным колебаниям метильной группы ПП и колебаниям метиленовых цепочек полиэтилена;
- Метод ДСК использует изменение энтальпии в процессе плавления полипропилена. Само изменение тесно связано с концентрацией ПП в смеси с полиэтиленом высокой плотности.
Результаты первого метода приведены на Рисунке №1, а результаты метода ДСК – в Таблице №2.
После предварительного анализа труб на содержание ПП были проведены испытания на свариваемость. Нормативным положительным результатом таких исследований являются три основных условия:
- отсутствуют видимые разрушения самого сварного шва;
- разрушение целостности соединения произошло либо по самой детали, либо пр материалу приваренной трубы;
- присутствует пластический тип разрушения по сварному шву.
В качестве приборов для исследования качества сварного шва были использованы Georg Fischer и BDI — производства Control Point, Англия. С помощью первого прибора выполнялось непосредственное снятие стружки сварного наплыва — грата, а с помощью второго выполнялся анализ уже самого грата. Режимы сварки сведены в Таблицу №3.
Анализ результатов эксперимента
Визуальный анализ снятой стружки показал, что в образцах с содержанием полипропилена более 5%, в центральной области стружки отчетливо видно расслоение материалов вследствие их несовместимости — чешуйчатый рисунок. Сгибание такой стружки приводит к отчетливому хрупкому разрушению. В образцах с содержанием ПП менее 5% видимый характер расслоения снижается, однако хрупкий механизм разрушения при сгибании остается прежним.
Таким образом, можно сделать уверенный вывод, что добавки ПП в полиэтилен приводит к существенно ухудшению такого параметра трубопровода как относительное удлинение (ОУ) при разрыве.
Добавление полипропилена даже в количестве одного процента приводит к снижению ОУ в пять раз. Также визуальный осмотр показал, что на образцах с содержанием полипропилена 5 и 10% обнаружено неприлегание сварного шва к телу свариваемых труб – рисунки 3б и 3в. Расслоение стружки, приведенное на рисунках 3а и 3б, наблюдалось у всех образцов с обозначенным содержанием полипропилена.
Результаты качества самих сварных швов полиэтиленовых труб с различным содержанием ПП приведены в Таблице №4.
Из данных таблицы можно сделать уверенный вывод, что изменение температурных режимов сварки не привело к увеличению прочности сварного соединения — хрупкое разрушение стало результатом всех испытаний на растяжение. Еще одним результатом анализа сварного шва является видоизменение формы грата, вплоть до его полного расслоения.
Еще одним результатом анализа является факт наличия примесей ПП в местах трещин в снятой, в результате торцевания трубы, стружке. Такое наличие надежно выявляется методом ИК-спектроскопии. Такое наличие диагностируется даже при минимальном содержании полипропилена в количестве 1%. Наличие ПП диагностируется и методом ДСК по дополнительному пику в интервале температур от 155 до 165°С.
В качестве общего вывода результатов анализа качества сварных швов трубопроводов из полиэтилена высокой плотности можно привести тот факт, что наличие примеси полипропилена в сырье для производства труб ПЭВП не позволяет выполнять надежную и качественную сварку этих труб любым из доступных способов и при любой из температур в диапазоне от 200 до 250°С. При этом стоит отметить, что повышение температуры сварки разумно лишь до определенных пределов, которые определяются термоокислительной стабильностью материала. Результаты эксперимента показывают, что продолжительность расплава при температуре 230°С с организованным доступом воздуха не должна превышать 10 мин .
Влияние сварки на термостабильность и стойкость к растяжению
Целью еще одного эксперимента является оценка влияния сварочной температуры на термостабильность трубы из ПЭВП и ее итоговой стойкостью к растяжению. Для этой цели использовались трубы SDR17 из полиэтилена марки ПЭ 112. В ходе эксперимента была произведена сварка четырех швов при температурах 200°С, 210°С, 230°С и 240°С. Все работы выполнялись на сварочном агрегате KWH1600. Результаты эксперимента сведены в Таблицу №5. На всех четырех сварных швах обнаружены усадочные области внешнего грата, тогда как на внутренних наплывах таких усадок не обнаружено. Сама область представляет собой усадку по центру с зеркальным отражением рисунка на двух валиках внешнего грата.
Результат испытаний полиэтиленовых труб на стойкость к растяжению сварного соединения при различных режимах сварки представлены в Таблице №6.
Экспериментальное разрушение проводили на 5 образцах со скоростью 25 мм/мин и на 7 образцах со скоростью 5 мм/мин. Визуальная оценка показала разрушения пластического характера по телу самой трубы вблизи сварного шва. Разрушения хрупкого характера в процессе эксперимента не обнаружены. Важным результатом эксперимента выступает тот факт, что самое низкое значение показателя «относительное удлинение» выявлено при температуре сварки 240°С, однако и в этом случае отсутствуют признаки хрупкого разрушения. Такой результат вполне коррелирует с данными о снижении термостабильности из Таблицы №5.
Итогом проведенных экспериментов является вывод о возможности изменения температурных режимов сварки в сторону их увеличения вплоть до режима 240°С. При этом стоит отметить, что такой вариант актуален только для труб с высокой термостабильностью — время окислительной индукции превышает 100 мин при температуре 200°С.
Заключение
Общим итогом проведенных исследований выступает тот факт, что даже незначительное содержание полипропилена (менее 1%) в составе сырья для изготовления труб из полиэтилена высокой плотности дает недопустимое снижение надежности трубопроводов по причине существенного ухудшения качества сварных швов. Причиной такого эффекта является полная термодинамическая несовместимость полиэтилена и полипропилена. При этом стоит отметить тот факт, что внешняя поверхность трубопроводов никак не отражает присутствия ПП, а для его обнаружения в составе материала требуются серьезное оборудование.
Особенно данное исследование касается тех руководителей предприятий по выпуску трубной продукции из полиэтилена, которые считают, что небольшие добавки вторсырья не ухудшают качества труб, однако достаточно положительно влияют на финансовые показатели производственного цикла. Наше исследование наглядно показывает, что убытки от нарушения качества сварных швов могут оказаться на порядок больше мизерной экономии на материалах.
Компания "ТК Флекс" предлагает полимерные трубы высокого качества напрямую от завода-изготовителя с доставкой и монтажем. Высокое качество продукции подтверждено сертификатами, а так же внесением в реестр российских производителей промышленной продукции. Трубы Изопрофлекс полностью соответствуют нормативным требованиям.
Дата публикации: 24.06.2024