«В.И. Кимельблат, И.В. Волков ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Казань КГТУ 2007 УДК 678.74.21 В.И. Кимельблат, И.В. Волков Техника и технология производства ...»

И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ

После замены штранг-прессования на шнековую экструзию и разработки немонолитных труб метод производства полимерных труб принципиально не изменялся. Вместе с тем техника и технология производства полимерных труб постоянно совершенствуется и можно говорить о регулярном появлении актуальных новаций.

Постоянной тенденцией является увеличение диаметра выпускаемых труб. Так монолитные трубы выпускают диаметром до 2000 мм, а гофрированные и профилированные – до 5000 мм. В самых больших экструзионных линиях находят воплощение новейшие достижения металловедения, технологии металлообработки электроники, компьютерной технологии и других отраслей техники.

В современных технологиях производства труб используется семейство автоматических систем управления процессом, в которых последовательно решаются задачи ступенчатой автоматизации:

- централизованного эффективного управления, - воспроизводимости режимов, зафиксированных в памяти системы управления, - автоматического документирования процесса, в частности качественных показателей, - интеграции систем автоматического дозирования нескольких компонентов с работой экструдера и тянущего устройства - интеграции всех систем и автоматизация всей линии.

Повышение производительности трубных линий является неизменно актуальной задачей технологов. Эта задача решается путем совершенствования конструкции практически всех узлов экструзионных линий, основных технологических параметров процесса экструзии и комплексной оптимизации требований к сырью. С этой целью совершенствуются конструкции загрузочных рифленых (пазовых) втулок, которые в сочетании с барьерным шнеком обеспечивают увеличение производительности пластикации. Новые конструкции фильер (сита корзинного типа) имеют малое сопротивление течению расплава и, следовательно, уменьшают перепад давления на головке.

Себестоимость труб в основном зависит от стоимости сырья, поэтому производители труб стремятся получать изделия с минимальными плюсовыми допусками. Риск получения брака при такой стратегии экономии сырья значительно уменьшается, если экструзионная линия снабжается современными прецезионными компьютерными устройствами, автоматически регулирующими толщину стенки труб.

Разработки новых конструкций техники и технологий производства многослойных армированных, металлполимерных, бипластмассовых и других новых конструкций труб предпринимаются как с как с целью экономии полимерного сырья, так и для получения труб с очень высокими параметрами эксплуатации, недостижимыми для монополимерных однослойных труб.

Второй по величине статьей текущих расходов трубного производства являются энергетические затраты. Для снижения расхода электроэнергии разрабатывают новые, более технологичные марки полимеров (например полимодальные ПНД), увеличивают скорость экструзии (используя аномалию вязкости: снижение вязкости с ростом скорости сдвига). Значительную экономию энергозатрат рассчитывают получить разработчики комбинированных технологий производства труб, совмещающих в одной линии компаундирование и экструзию. Экономят энергозатраты и новые экструдеры с прямым приводом (без ременных передач и редукторов) [1].

Передвижные трубные заводы остались экзотикой, но, в качестве альтернативной новинки можно отметить новые технологические линии «Plug and play», монтируемые в течение одного дня [2].

Острая конкуренция между производителями труб стимулирует постоянный рост требований к качеству труб. В результате появились, например, новые технологические решения в области фильтрации расплавов. Новые самоочищающиеся фильтрующие системы обеспечивают минимальный и постоянный перепад давления на фильтре. При этом обеспечивается:

- отсутствие нежелательных механических примесей, которые, как известно, серьезно увеличивают риск разрушения напорных труб в режиме квазихрупкого растрескивания;

- стабильность размеров трубы, которая нарушается в процессе забивки примесями традиционных, периодически заменяемых фильтров.

Современные тенденции развития технологии калибрования предусматривают использование вакуумной техники для калибрования труб больших диаметров.

Кроме того, освоено производство калибраторов с регулируемым диаметром калибра, что значительно увеличивает арсенал инструментов технологов, занимающихся интенсификацией и оптимизацией процесса экструзии. Один регулируемый калибратор заменяет все обычные калибраторы данного диаметра. Использование регулируемых калибраторов позволяет снизить время простоев и количество отходов, поскольку можно в непрерывном режиме переходить от одной толщины стенки трубы к другой; экономится материал, в особенности при нестабильных характеристиках сырья, поскольку точность оперативной регулировки диаметра достигает 0.01мм [3].

Постоянно развивается и совершенствуется система контроля качества труб как важнейший элемент технологии производства.

Рассмотрим подробнее реализацию некоторых актуальных тенденций в производственной практике.

Совершенствование конструкции труб в соответствии с растущими требованиями потребителей является одним из главных стимулов развития техники и технологии трубного производства. Некоторые конструкции труб изображены на рис.4.1Трубы Dн = 16110 мм для радиаторного и напольного отопления, а также горячего водоснабжения из сшитого полиэтилена (РЕХ) с кислородно-диффузионным барьером из сополимера EVON обычно выпускаются в бухтах, прямых отрезках и в гофрированных кожухах из ПНД. Рассчитаны на эксплуатацию при максимальной температуре 95C (рис 4.1).

Пятислойные металлполимерные трубы (сшитый ПЭ – клей - алюминиевая фольга - клей- сшитый ПЭ) Dн = 16110мм служат при температуре до 110C.

Рис. 4.1. Теплоизолированные полимерные труб Теплоизолированный водопровод (рис. 4.1), незамерзаемость которого обеспечивают теплоизоляция и прилегающий к трубе греющий кабель. Предназначен для подачи холодной воды и использования в канализационных сетях. Может прокладываться в зоне промерзания, на поверхности земли, монтироваться на кронштейнах или подвесках. Выпускается в бухтах с длинами не более 100 м. Рабочее давление составляет 1.0 МПа.

В качестве подающей трубы используется труба, изготовленная из полиэтилена ПЭ80. Соединение труб выполняется посредством компрессионных фитингов, стыковой сварки или электросварных фитингов. В качестве теплоизоляционного материала используется вспененный сшитый ПЭ РЕХ с закрытыми порами.

Защитный кожух выполнен из гофрированного полиэтилена.

Труба оснащена саморегулирующимся греющим кабелем и пластиковой трубкой для размещения датчика температуры.

Двухканальный вариант (рис 4.2) предназначен для подачи холодной и горячей воды на небольшие расстояния в случаях, когда нет серьёзных требований к температурным параметрам водопровода, например подача холодной и горячей воды в гараж, хозяйственную постройку. Для подачи горячей воды используют трубы РЕХ.

Рис. 4.2. Двухканальные теплоизолированные полимерные трубы Рис. 4.3. Четырехканальные теплоизолированные полимерные трубы Четырехканальные трубы (рис 4.3) служат для подачи нескольких теплоносителей, например горячей питьевой воды и воды для отопления.

Канализационные трубы из ПП и ПВХ Dн 32-160 мм выпускают как с гладкими концами, так и с раструбами (рис 4.4.).

Дренажные трубы их ПВХ, ПП и ПЭ выпускают как герметичные, так и перфорированные (рис 4.5).

Напорные трубы из ПНД Dн до 110, реже до 225 мм, выпускаются в бухтах. Трубы Dн от 63 до 2000 мм – в мерных отрезках. Наиболее ответственные трубы средних и больших Dн производят из ПЭ 100. Трубы малых и средних Dн – из более экономичных марок ПЭ80. Неответственные трубы, например для безнапорной канализации –из ПЭ 63 и 50.

Гибкие теплоизолированные полимерные трубы для внутриквартальных сетей горячего водоснабжения и отопления изготавливают также и с теплоизоляцией из пенополиуретана (рис 4.7).

Рис. 4.7. Гибкие теплоизолированные полимерные трубы с теплоизоляцией из пенополиуретана: 1 – внутренняя (напорная) труба, изготовленная из сшитого полиэтилена материала, обладающего высокой гибкостью, химической стойкостью и прочностью при высокой температуре;

2 - теплоизоляция из пенополиуретана; 3 - гофрированная полиэтиленовая оболочка Гибкие трубы для первичных тепловых сетей с рабочей температурой до 130°С имеют внутреннюю оболочку из гофрированной нержавеющей стали (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Гибкие металлполимерные трубы для первичных тепловых сетей:

1 - Внутренняя (напорная) труба - гофрированная, изготовлена из нержавеющей стали; 2 - теплоизоляция из вспененного полиуретана;

3 - полиэтиленовая (ПВД) гидроизолирующая оболочка; 4 - сигнальный кабель При производстве жестких металлполимерных теплотрасс в качестве внутренней оболочки используют стальную трубу (рис. 4.9, 4.10).

Рис. 4.9. Жесткая металлполимерная теплотрасса:

1 - центрирующая опора; 2 - изоляция из пенополиуретана; - труба-оболочка из полиэтина; 4 - стальная труба; 5 антикоррозионное покрытие; 6 - проводники индикаторы системы ОДК [6] Рис. 4.10. Жесткая металлполимерная теплотрасса с подогревом: 1 - центрирующая 3 - металлический кожух из спирально-замковой трубы; 4 - стальная труба; 5 - антикоррозионное покрытие; 6 - проводники индикаторы системы ОДК; 7 - труба для греющего кабеля [6] Следует обратить особое внимание на трубы гофрированной конструкции (одно-, двух- и трехслойные). Они используются как самостоятельные (канализационные и дренажные), так и в качестве элементов многих составных изделий. Каждому слою гофртруб отводится своя важная роль. Внутренний гладкий слой обеспечивает химстойкость и малое сопротивление течению. Второй гофрированный слой обеспечивает жесткость в радиальном направлении, а третий гладкий – жесткость к осевому изгибу. Вес гофрированной трубы в 2-3 раза легче монолитной при равной жесткости, а скорость экструзии гофртруб в раза выше, чем монолитных.

4.1. Техника и технология производства гофрированных, армированных труб и шлангов Гофрированные изделия. Гофрирование широко используется для повышения жесткости изделий. Основной способ производства гофрированных труб — это непрерывное формование гофров в смыкающихся, поступательно движущихся полуформах и раздув трубчатой заготовки с помощью сжатого воздуха или путем вакуумного калибрования [7]. Устройство для формования гофров называется гофратором. Конструктивно оно может исполняться со смыканием полуформ в вертикальной или горизонтальной плоскости (рис. 3.21 3.22) На рисунке 4.11 изображена линия по производству гофрированных шлангов, а на рис. 4.12 и 4.13 — гофраторы разных конструкций.

Рис. 4.11. Гофрирующая установка для производства шлангов Рис. 4.12. Гофратор для труб диаметром 32-250мм [2] Конструктивная особенность гофратора, изображенного на рис. 4.13, — дискретность гофратора и относительная независимость формующих элементов.

Разновидностью способа является получение двухслойной гофрированной трубы, состоящей из гладкого внутреннего и гофрированного наружного слоев. Такая труба имеет повышенную поперечную жесткость и низкое гидравлическое сопротивление. Трехслойные гофртрубы имеют также высокую продольную жесткость.

Рис. 4.13. Гофратор для труб диаметром 400-1500мм [2] На рис. 4.14 изображены линия, изготавливающая витые трубы, схемы соэкструзии и укладки профилей витых труб.

Рис. 4.14. Линия для изготовления витых труб: а) трубная линия, б) схема соэкструзии, в) варианты укладки профилей [10] Производство армированных шлангов [7-9]. По гибкости поперечного сечения армированные шланги делятся на класса: плоскосворачиваемые (рукава) и неплоскосворачиваемые. Армированные рукава представляют собой трехслойную цилиндрическую оболочку — текстильный армирующий каркас, покрытый снаружи и изнутри слоями эластичного полимера. В качестве каркаса используют тканые или ткано-вязаные каркасы из лавсановых или других синтетических нитей, в качестве материала покрытия используют ПВХ пластикат, термопластичные полиуретановые эластомеры (ТПУ), композиции термоэластопластов.

Армированные рукава изготавливаются на базе готового текстильного каркаса способом одностадийной экструзии на специализированных линиях, состоящих из отдатчика каркаса, устройства для подсушки каркаса, экструдера с угловой формующей головкой, охлаждающей ванны, тянущего и намоточного устройств.

По указанному способу подсушенный каркас, расправленный с помощью плавающего дорна, поступает в угловую формующую головку, куда одновременно от экструдера подается расплав полимера. В головке на каркас наносятся внутренний и наружный слои полимера (рис. 4.15), затем отформованный рукав охлаждается, отводится тянущим устройством и наматывается в бухты. Армированные шланги состоят из внутренней полимерной камеры, силового каркаса, выполненного в виде навивки из высокопрочных синтетический нитей, и наружного полимерного слоя.

Армированные шланги изготавливаются способом двухстадийной экструзии на специализированных линиях, состоящих из двух экструдеров с головками (одна из которых угловая), двух охлаждающих ванн, тянущего и намоточного устройств.

По этому способу внутренняя камера шланга, изготавливаемая на первом экструдере с помощью прямоточной формующей головки, предварительно охлажденная в первой охлаждающей ванне, подается на обмотчик, имеющий две вращающиеся в противоположные стороны планшайбы, на которых установлены катушки с синтетическими нитями. После обмотчика внутренняя камера с нанесенным на нее силовым каркасом поступает в угловую формующую головку второго экструдера, где наносится наружное покрытие.

Рис. 4.15. Схема формования армированного синтетическими нитями рукава: 1 — армирующий каркас; 2 — плавающий дорн;

3 — фиксирующие ролики; 4 — центрирующие болты; 5 — коллектор;

6 — главный кольцевой канал; 7 — мундштук; 8 — наружный канал Изготовленный таким образом шланг охлаждают, отводят тянущим устройством и наматывают в бухты на двухпозиционном намотчике.

В трубном производстве экструзионные головки классифицируют по расположению относительно цилиндра экструдера (прямоточные и угловые), по назначению и конструктивным особенностям. Для производства гладких труб и шлангов используются прямоточные головки. К прямоточным головкам относится и оснастка для плунжерной экструзии.

Головки угловой конструкции применяют для производства рукавов и армированных шлангов, армированных плоскосворачиваемых рукавов, гофрированных труб, гибких воздуховодов, гибких шлангов, труб большого диаметра навивкой полосы или профиля на оправку с последующей сваркой, труб с теплоизоляцией, многоканальных труб, многослойных труб методом соэкструзии (рис. 4.16).

При этом угловыми считаются те головки, из которых расплав выходит в перпендикулярном направлении (или под другим углом) к оси главного экструдера. В соответствии с этим соэкструзионные головки могут быть как прямоточными, так и угловыми в зависимости от вида производимого изделия.

Рис. 4.16. Конструкция экструзионной головки для производства двустенной трубы с помощью двух экструдеров Некоторые виды изделий, например, из вспенивающихся материалов, могут изготавливаться с использованием обоих типов головок в зависимости от вида экструдируемого изделия.

(рис. 4.17). Многослойные изделия получают соэкструзией с использованием двух или более экструдеров, подача материалов от разных экструдеров производится в специальный адаптер, где производится их разводка по своим каналам с последующим соединением материалов.

Вариантов комбинирования различных методов производства много, и каждой комбинации соответствует своя конструкция экструзионной головки.

Рис. 4.17. Адаптор для выпуска экономичных труб со вспененным внутренним слоем [2] Прямоточные головки для изготовления труб большого и малого диаметра принципиально не различаются по конструкции, но масштабный фактор оказывает влияние на конструкцию отдельных деталей и их компоновку в головке.

Рис. 4.18. Схемы экструзионных головок: а, б — для изготовления труб из полиолефинов и АБС; в — многоручьевые головки для ПЭ-труб; г — труб НПВХ; д — типовой головки для ПВХ-труб, в т.ч. из пеноПВХ; е — часть угловой головки для нанесения покрытий на металлические трубы [8] Некоторые отличия имеются также в головках для производства труб из термостабильных (полиолефинов, АБС и др.) и не термостабильных материалов (НПВХ). На рис. 4.18 показаны схемы головок, в том числе и для многоручьевой экструзии.

Головки (рис.4.18а, б) имеют сужение сечения до и после входа в дорнодержатель, особенно сильное — после входа. Так выполняется большинство головок. Сужение сечения создает в узком зазоре интенсивное воздействие на расплав сдвиговых напряжений и снижение эффекта памяти, т. е. в месте сужения используется известный эффект интенсификации релаксационных процессов при увеличении скорости сдвига. Головка (рис. 4.18г) предназначена для изготовления труб из НПВХ. Головка имеет релаксационную зону при входе в формующий участок; сужение сечения канала после дорнодержателя также применяется, хотя и в меньшей степени.

Двухручьевая головка (рис. 4.18в) имеет устройства для регулирования расхода потоков по ручьям, а трехручьевая (рис. 4.18г) не имеет такого регулирования. Хотя ничто не мешает создать такое же регулирование, как для головки 4.18в, введя для центрального ручья повышенное сопротивление на входе в основную часть головки.

Головки для изготовления труб большого диаметра при конструировании по тем же принципам, что и малые головки, были бы громоздки и весьма металлоемки. Поэтому разработаны различные методы уменьшения габаритных размеров головок. Одним из эффективных способов сокращения длины головки является применение конструкций со спиральным распределителем потока. Эта конструкция в 70-х годах ХХ века стала применяться также при производстве труб большого диаметра из полиолефинов и других термостабильных материалов.

Форма дорнодержателя в трубных головках зависит от назначения трубы и реологических свойств экструдируемого материала. Напорные трубы не должны иметь слабых мест по окружности, которые создает разделение потока расплава спицами дорнодержателя с последующей сваркой. В больших головках относительно малого гидравлического сопротивления наиболее часто проявляется память расплава полимера на предшествующее деформирование. Проявляется она через образование огранки на внутренней поверхности трубы с количеством граней, равным числу спиц дорнодержателя, утончению стенки трубы в местах разделения потока, ослабление этих мест из-за некоторого понижения температуры при слиянии потоков (так называемая «холодная сварка»).

В головках со спиральным распределителем поток на входе в головку разделяется на ряд радиальных потоков, которые в спиральном распределителе трансформируются в два основных потока (рис. 4.19). Один — кольцевой поток — течет по внешней стороне распределителя в сужающемся к выходу кольцевом зазоре, а второй — многозаходный спиральный поток течет в спиральном канале переменной глубины. На выходе из распределителя струи спирального и кольцевого потоков сливаются в однородную по температуре и по свойствам массу, без холодных спаев, и через регулируемый кольцевой зазор объединенный поток расплава выходит из головки.

Рис. 4.19. Экструзионные головки для производства труб больших диаметров из ПНД: а — головка с поперечной решеткой;

б — со спиральным распределителем [8] Границы между потоками не существуют, расход каждого зависит от геометрических характеристик каналов и технологических параметров течения. Суммарный поток остается при этом неизменным, а в зависимости от формы и размеров кольцевого и спиральных каналов изменяется соотношение потоков, суммарный перепад давления в головке, интенсивность перемешивания, максимальная скорость экструзии.

К настоящему времени уже выработаны принципиальные решения по количеству радиальных каналов, размерам и форме сечения спиральных каналов, углу их наклона, количеству витков и другим конструкционным элементам таких головок [8].

Изменением геометрических характеристик кольцевого и спиральных каналов можно регулировать время нахождения материала, перепад давления в головке. Увеличение числа заходов, угла наклона спиральных витков к оси экструзии позволяет сократить длину головки, но может увеличить время пребывания расплава при наличии интенсивного термомеханического воздействия на расплав. Последнее может оказаться нежелательным для материалов, подверженным термомеханодеструкции (например, ПП). Поэтому для разных материалов форму и размеры каналов спирального распределителя подбирают с учетом факторов, определяющих оптимальную конструкцию головки.

Другой эффективной конструкцией, в которой снижено влияние разделения потоков в дорнодержателе, являются головки с особой конструкцией дорнодержателя. Дорнодержатель в такой головке представляет собой решетку, установленную не по ходу течения расплава, как в головках средних и небольших размеров, а перпендикулярно осевому направлению. Расплав для прохождения поперечной решетки должен изменить продольное направление течения на поперечное. За решеткой он попадает в продольный кольцевой канал, где снова меняет направление уже на осевое. Интенсивное перемешивание струй при двойном повороте также способствует «залечиванию ран», вызванных разделением потока на струйки. Поскольку в головке при течении вязкой жидкости создается высокое давление, то слияние струй с образованием однородного потока происходит быстро и эффективно.

В некоторых случаях головки с двойным поворотом могут быть эффективнее головок со спиральным распределителем в отношении гомогенности расплава, их конструкция проще, и нет необходимости согласовывать соотношение потоков.

Несмотря на достаточно эффективные меры по сокращению размеров головок для производства труб большого диаметра, они остаются весьма металлоемкими и тяжелыми. На рис.4.20 показана такая головка для производства трубы из ПНД диаметром 1600 мм.

Рис. 4.20. Экструзионная головка для изготовления трубы диаметром 1600 мм из ПНД фирмы Battenfeld [2] Для экструзии труб из термостабильных материалов применяют также дорнодержатели с повернутыми под углом к направлению течения спицами, после дорнодержателя со спицами устанавливают перфорированную решетку или сужающее сечение кольцо. В некоторых случаях расплав после прохождения спиц дорнодержателя проходит по каналу с двойным поворотом. Эти меры не уменьшают длины головки, но способствуют улучшению свариваемости потоков и уменьшают эффект «холодного спая».

Спиральные распределители потоков эффективно используются и в головках для изготовления многослойных труб.

Основной поток расплава покрывается снаружи и изнутри слоем другого материала. Такого типа головки в настоящее время широко используются для изготовления трехслойных труб, в которых внутренний и внешний слои — из основного материала (например ПНД, НПВХ), а внутренний слой может быть из вспенивающегося или вторичного материала; пятислойные трубы, применяемые в горячем водоснабжении (рис 4.21). Использование многослойных труб позволяет облегчать трубы, улучшать их теплоизолирующие свойства или снижать стоимость за счет использования вторичных ресурсов.

Рис. 4.21. Двух- и пятислойная головки для Головки для изготовления однослойных гофрированных труб имеют обычную конструкцию для трубных головок небольшого и среднего размера. Отличие их в том, что они имеют длинный мундштук и дорн, которые нужны для подвода трубчатой заготовки почти вплотную к смыкающимся полуформам тракового устройства. Из-за такой конструкции они не могут обогреваться постоянно, так как нагреватель мешает смыканию полуформ. Обогрев производится стартовым нагревателем, представляющим собой съемную втулку с нагревательным элементом внутри. Перед пуском дорн и мундштук прогревают стартовым нагревателем, который затем снимают и налаживают процесс уже без внешнего обогрева.

В некоторых головках для гофротруб применяется сферическая посадка дорнодержателя в корпусе головки и регулирование зазора между мундштуком и дорном в месте посадки.

При такой конструкции даже незначительное перемещение дорнодержателя с длинным дорном вызывает большое дуговое смещение конца дорна относительно неподвижного мундштука.

Благодаря этому облегчается регулирование зазора между дорном и мундштуком Головки для изготовления двухслойных гофрированных труб (внутренний слой гладкий наружный — гофрированный, или наоборот) получают методами последовательной (рис. 4.22а) или совместной экструзии (рис. 4.22б). Трубы по схеме рис. 4.22а получают двухстадийным способом: сначала обычным способом производится гофрированная труба, которая в угловой головке второго экструдера покрывается снаружи слоем другого (или того же) материала.

Сложность этой схемы состоит в необходимости теплоизолирования гофрированной трубы в угловой головке второго экструдера во избежание искажения ее формы при нагреве (рис. 4.22-4.24).

Гофрированные трубы с гладким внутренним слоем получают традиционным соэкструзионным способом. Головки имеют еще более длинные мундштуки и дорны, чем в головках для изготовления обычных гофрированных труб. Они входят уже внутрь гофратора, что накладывает на конструкцию головки и полуформ гофратора жесткие ограничения по точности изготовления и позиционирования при работе.

Рис. 4.22. Схемы изготовления двухслойных гофрированных труб: а — с гладкой наружной оболочкой: 1 —уплотнительные кольца; 2 — вакуумная камера; 3 —угловая экструзионная головка;

4 — гофротруба-заготовка; 5 — мундштук; 6 — дорн; 7 —трубная заготовка наружной оболочки; 8 — охлаждающая форсунка;

9 — готовая комбинированная труба; 10 — тянущие валки;

б — с гладкой внутренней поверхностью: 1 — прямоточная экструзионная головка; 2 — дорн прямоточной головки;

3 — отверстие в дорне для сообщения с атмосферой;

4 — мундштук прямоточной головки; 5 —угловая экструзионная головка; 6 — дорн угловой головки; 7 — полость дорна угловой головки; 8 — мундштук угловой головки; 9 — полуформы гофратора;

10 — трубная заготовка для формования гофротрубы; 11 — каналы для отсоса воздуха; 12 — вакуумная камера; 13 — гофротрубазаготовка; 14 — готовая комбинированная труба; 15 — внутренняя оболочка [8] Рис. 4.23. Формование двухслойных труб методом наложения Рис. 4.24. Формование двухслойных труб из одного экструдера 4.3. Производство труб из сшитого ПНД Сшивка ПЭ обычно применяется при производстве термоусадочных, вспененных теплостойких композиций и производится радиационным облучением:

-излучением электронной пушки (рис. 4.25), или -облучением, (например, кобальтового источника), силанами (рис. 4.26) и/или пероксидами (рис. 4.27, 4.28). Трубы из сшитого ПЭ производят в Европе с 70-х годов ХХ века.

В результате сшивки вначале изменяются средние ММ и ММР, и затем образуется топологически непрерывная сетка.

Соответственно развитию процесса сшивки, меняются реологические свойства расплавов и механические показатели композиций. Увеличение плотности сетки ведет к возрастанию предела прочности ПЭ при растяжении и величины разрывного удлинения, хотя при этом происходит уменьшение модуля Юнга. Увеличение содержания геля в ПЭ приводит к уменьшению величины разрывного удлинения, скорости деформации и к увеличению длительной прочности ПЭ.

В зависимости от способа сшивки, на завершающих стадиях процесса достигается желаемая плотность поперечных связей, оцениваемая долей гель-фракции. Сшитый материал не подлежит переработке. Между началом сшивки и ее завершением лежит область, в которой возможна переработка композиции.

Для того чтобы реализовать пероксидный процесс получения сшитого ПЭ (РЕХа) нужны детальные представления об изменениях молекулярных характеристик в процессе переработки и специальное оборудование. В любом случае управлять этим процессом достаточно сложно.

Силанольная сшивка (РЕХb) обычно проводится в 2 стадии, между которыми возможна переработка. Химию процесса силанольной сшивки иллюстрирует рис. 4.27. Полифункциональная молекула органосилана, содержащая винилгруппу и гидролизуемые алкоксигруппы, химически прививается к макромолекуле полиэтилена. После такой прививки и гранулирования сырья его перерабатывают в трубы и другие изделия. Затем, на втором этапе, идет реакция гидролиза и поликонденсации.

Принципы двухстадийной силанольной сшивки дают очевидные технологические преимущества по сравнению с другими методами сшивки. Двухстадийный метод обеспечивает высокую скорость работы экструзионных линий, низкую стоимость переработки и хорошее качество поверхности изделий. Вместе с тем производство силанольно сшитых труб значительно сложнее обыкновенной экструзии, и поэтому продолжается поиск новых технологических решений, позволяющих более надежно управлять процессом. Например, предложено новое технологическое решение: наряду с загрузкой основного ПЭ сырья, силанола и стабилизатора, в экструдер добавляется пористый ПЭ, который адсорбирует силанол и улучшает гомогенность композиции. Естественным недостатком двухстадийного процесса являются двойные затраты на переработку.

По одноступенчатой технологии силанольной сшивки готовится смесь полиэтилена и необходимых компонентов. Затем смесь загружается в соответствующее оборудование и изготавливается изделие, а затем готовое изделие выдерживается при повышенной температуре и влажности. Одностадийная силанольная сшивка более экономична, чем двухстадийная, но сложнее управление процессом [12].

Радиационную сшивку, при которой получают так называемый РЕХс, проводят обычно на готовых изделиях, поскольку сшитые материалы не перерабатываются.

В настоящее время сшитые ПЭ (РЕХ разновидности «а», «b» и «c») применяются, как в качестве самостоятельных материалов труб, так и элементов металлполимерных и других композиционных труб и шлангов (рис. 4.29). Они занимают примерно половину рынка полимерных труб для горячего водоснабжения и отопления, вытесняя трубы из ПП, хлорированного ПВХ и полибутена (ПБ) как показано на рис. 4.30 [12].

H H H H H H H H H

C C C C C C C C C

H H H H H H H H H

H H H H H H H H H

C C C C C C C C C

H H H H H H H H H

Radiation

C C C C C C C C C

H H H H H H H

H H H H H H H

H H H H H H H

Рис. 4.25. -радиационная сшивка ПЭ [12] Рис. 4.26. Пероксидная сшивка ПЭ [12] Рис. 4.27. Силанольная сшивка ПЭ [12] Рис. 4.28. Структура узла сетки в силанольно сшитом ПЭ [12] Рис. 4.29. Различные типы труб из сшиваемых ПЭ Рис. 4.30. Структура мирового рынка труб Рис. 4.31. Кривые длительной прочности РЕХ (абсцисса:

время до разрушения; ордината: напряжение в стенке Рис. 4.32. Кривые длительной прочности специальной марки теплостойкого линейного ПЭ (абсцисса: время до разрушения;

ордината: напряжение в стенке трубы) [12] Основное преимущество РЕХ перед линейным ПЭ – высокие показатели длительной прочности (рис. 4.31, 4.32). Так, при 95C координаты точки перегиба кривой длительной прочности у РЕХ: 5 лет при напряжении 4.1 МПа, против 1.2 года при 3.2 МПа у теплостойкого линейного ПЭ.

Типичные характеристики силанольно сшиваемых компаундов фирмы Сольвей приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Некоторые характеристики силанольно сшиваемых компаундов [12] T/A-HF Принципиальная технологическая схема производства силанольно сшитых труб приведена на рис. 4.33.

VINYLSILANE, PEROXIDE

POLIDAN PEX

CROSS-LINKABLE PIPES

Рис. 4.33. Технологическая схема производства Изготовление металлполимерных и мультиполимерных теплостойких труб из РЕХ можно считать уже традиционным направлением применения сшитого ПЭ. Новое поколение объектов из РЕХ: теплостойкие фитинги, получаемые литьем под давлением (рис. 4.34), трубы для теплотрасс (рис. 4.35), оболочки армированных металлполимерных высоконапорных труб (рис. 4.36), применяемых на нефтепромыслах, в частности морских, различные трубки и шланги в автомобильной индустрии, заменяющие полиамиды и другие дорогие пластики (рис. 4.37) а также трубы для химической промышленности.

Рис. 4.34. Фитинги из РЕХ, получаемые литьем под давлением Рис. 4.36. Автомобильные детали Рис. 4.37. Кривые ползучести линейного и сшитого ПНД при 80С Актуальными преимуществами РЕХ перед ПНД являются замедленная ползучесть (рис 4.37), высокая стойкость к медленному и быстрому разрастанию трещин, а также ударная вязкость, особенно при низких температурах [12].

Технологические принципы производства композитных труб. Стадии процесса:

- изготовление первичной трубы (внутренней оболочки) из РЕХ;

- нанесение адгезива;

- формирование металлическиго слоя методом сварки алюминиевой фольги;

- нанесение адгезива;

- наложение второго слоя РЕХ на последнем экструдере.

Кроме традиционного для трубных линий оборудования и сварочных машин, в состав линии входят высокоточные дозаторы компонентов и устройства для контроля толщины каждого слоя, овальности, диаметра каждого слоя и трубы в целом [11].

Сшивка РЕХ по месту укладки. В число актуальных новаций следует включить освоение производства трубного полиэтилена сшиваемого после укладки труб в процессе эксплуатации, например материал POLIDAN TUX фирмы Сольвей [12].

«Сшивка по месту» состоит в укладке и соединении несшитых труб. Сшивка происходит путем циркуляции горячей воды или пара, при определенном давлении подаваемом в систему.

Сшиваемые по месту укладки трубы до сшивки свариваются электродиффузионной сваркой, причем фитинги могут изготавливаться из линейного или сшиваемого ПЭ, а также контактной сваркой.

4.4. Актуальные достижения в области Ниже приводятся материалы фирмы Battenfelid [2], иллюстрирующие современное состояние экструзионной техники.

Современное оборудование линий по производству ПЭ труб. Технический уровень производства труб в первую очередь определяется эффективностью экструзионного оборудования. Для производства полиолефиновых труб из гранул используют одношнековые экструдеры (рис 4.38), укомплектованные эффективными барьерными шнеками (рис 4.39) с зонами гомогенизации расплава.

Рис. 4.38. Современный одношнековый экструдер Исключение составляют комбинированные технологические процессы, объединяющие компаундирование и экструзию труб, в этих случаях формующий инструмент устанавливают на конце двухшнекового смесителя.

Барьерные шнеки используются, чтобы удовлетворить требования к высокой производительности плавления и одновременно получить гомогенный расплав. Принцип действия барьерного шнека сводится к отделению расплава от твердого вещества. Для этого в канал шнека был введен дополнительный виток (барьерный виток). Этот барьерный виток не такой высокий, как основной виток шнека. Расплавленный материал течет из канала твердого вещества в канал расплава через зазор между стенкой цилиндра и барьерным витком. Так как весь материал должен пройти через зазор, то течение обеспечивается таким образом, чтобы до конца шнека дошел только расплавленный материал. Комбинация рифленной загрузочной втулки с барьерным шнеком имеет следующие преимущества:

- оптимизированные свойства расплава позволяют увеличить перерабатываемое количество;

- возможность достижения более низкой температуры расплава;

- определенный сдвиг в барьерном зазоре приводит к хорошей гомогенности расплава;

- обеспечивается контролируемое плавление, т. е. в канал расплава поступают только такие частицы, размер которых меньше, чем размер барьерного зазора;

- обеспечивается широкий спектр перерабатываемых сырьевых материалов.

Обычно для шнеков и цилиндров используют азотированную сталь. Эта сталь благодаря своей высокой твердости поверхности обеспечивает высокую износостойкость.

В критических областях применения, например, при переработке регенерата или добавлении маточной смеси рекомендуется наплавить на витки шнека стеллит и использовать биметаллические цилиндры.

Рис. 4.39. Барьерный шнек и диаграммы В соотношении с диаметром шнека пропускная способность одношнековых экструдеров для изготовления газовых и водопроводных труб за последние 10 лет увеличилась почти вдвое. Высокая производительность достигается сегодня при значительно более низких температурах расплава и его более высокой гомогенности. Это является также последствием увеличения удельной объемной производительности. Выход материала за один оборот шнека значительно увеличился. Следовательно, растет объем перерабатываемого материала при более низких скоростях вращения шнека.

Формующий инструмент, особенно для выпуска труб больших диаметров, комплектуются спиральным распределителем расплава, и корзинного типа – фильерами (рис. 4.40 - 4.44).

Рис. 4.40. Спиральный распределитель Рис. 4.41. Головка со спиральным распределителем В экструзионной головке со спиральным распределителем поток входящего расплава распределяется с помощью системы предварительного распределения из нескольких отверстий по всему периметру головки.

Затем расплав поступает в каналы, расположенные в виде спирали снаружи на распределителе. Глубина спирали постоянно уменьшается в сторону выхода головки. Одновременно увеличивается зазор между распределителем и внутренним диаметром головки. Внутри потока материала осевые и радиальные струи в этой зоне накладываются друг на друга. В результате следы течения по каналам распределителя равномерно распределяются по всему периметру трубы и больше не вызывают локальных потерь прочности. Спиральная конструкция является компромиссом между требованием оптимального распределения толщины стенки, низким развитием давления и широким спектром использования головки.

В головке с сетчатой корзиной распределитель прикрепляется к основному инструменту с помощью зоны входа материала со звездообразным расположением отверстий. За входом расплав протекает через перфорированный сегмент. Эта часть – сетчатая корзина – расположена так, что поток расплава движется через нее изнутри наружу, но не в осевом направлении. Благодаря своей длине сетчатая корзина обеспечивает очень большую зону протекания при малом диаметре головки. В результате уменьшается рост давления в перфорированном сегменте при относительно малом размере головки.

В зоне сетчатой корзины весь поток расплава два раза меняет направление: сначала в радиальном направлении, а потом снова назад в осевом направлении. В результате обеспечивается хорошее смешение отдельных струй материала и расплав гомогенизируется. Благодаря большой поверхности поперечного сечения сетчатой корзины в этой головке создается намного меньшее давление, чем в головках других конструкций.

В результате уменьшается нагрузка на материал и обеспечиваются более низкие температуры расплава, увеличивается объемный расход расплава.

Двойное изменение направления движения материала приводит к наложению потоков материала и тем самым к отличному смешению расплава. Сетчатая корзина действует здесь как статический смеситель. В результате получается очень гомогенный расплав, даже при высоком объемном расходе расплава. Хорошая равномерность толщины стенок достигается по всему периметру трубы, даже при разных значениях вязкости материалов, пропускной способности и противодавления. Подобные экструзионные головки можно использовать для очень многих материалов, они позволяют изготавливать трубы отличного качества разных диаметров и при разных условиях переработки.

Рис. 4.43. Схема движения расплава через фильеру корзинного типа Рис. 4.44. Экструзионная головка с фильерой Сфера применения современных вакуумных калибраторов распространилась на производство труб больших диаметров (рис. 4.45).

Рис. 4.45. Калибрующее устройство для труб больших диаметров Важным компонентом современных экструзионных линий являются постоянно совершенствующиеся компьютерные системы.

Некоторые особенности современного оборудования по выпуску труб из ПВХ. Линии для производства труб из непластифицированного ПВХ состоят из таких же компонентов как и линии для полиэтиленовых труб. Поскольку трубы из НПВХ нельзя сваривать, то в состав этих линий входит еще устройство для формования раструбов.

ПВХ трубы выпускают на линиях с двухшнековыми экструдерами, снабженными питателями с принудительной загрузкой порошка (рис. 4.46). По сравнению с одношнековыми экструдерами они лучше подходят для переработки порошка.

Двухшнековый экструдер характеризуется принудительной подачей. В нем происходит целенаправленное и щадящее преобразование механической энергии в тепловую в термически нестабильном НПВХ.

Рис. 4.46. Питатель для двухшнекового экструдера Цилиндры имеют зоны дегазации, а форма шнека существенно отличается от шнеков для переработки более термостойких полиолефинов (рис. 4.47).Типичный сдвоенный шнек состоит из следующих функциональных зон:

• зона загрузки порошка;

• зона предварительного нагрева, где порошок предварительно нагревается за счет контакта с большой поверхностью шнека;

• зона развития давления, служащая для преодоления сопротивления зоны сжатия;

• зона сжатия, служащая для уплотнения вакуумной зоны;

• вакуумная зона: в вакуумной зоне НПВХ отделяется от всех летучих компонентов;

• зона развития давления, служащая для преодоления сопротивления головки и остаточной пластификации;

• зона смешения: здесь осуществляется гомогенизация расплава.

Рис. 4.47. Схема экструдера для ПВХ Двухшнековые экструдеры для изготовления труб из НПВХ обычно оснащены питателем, который обеспечивает возможность обработки материалов с разной насыпной массой с одинаковой производительностью. Благодаря этому устройству можно работать как с недозагрузкой, так и с набиванием материала, т. е. переработка материалов с низкой насыпной массой может осуществляться также с высокой производительностью.

Кроме того, благодаря хорошему заполнению можно использовать всю поверхность шнека для передачи тепла.

Шнеки снабжаются системами охлаждения (рис. 4.48):

замкнутой системой регулирования температуры, не требующей обслуживания или открытой. В замкнутой системе автогенное тепло, выделяющееся в конце шнека, транспортируется с помощью теплоносителя в начало загрузочной зоны и отводится там в сухую порошковую смесь. Эта эффективная система работает к тому же очень экономично. Открытая система регулирования температуры работает за счет циркуляции термостойкого масла.

Для переработки НПВХ используют специальные системы защиты шнека от износа, которые обеспечивают более высокий срок службы по сравнению с обычным способом нанесения покрытия. Защитный слой наносится только на определенные зоны шнека.

Рис. 4.48. Принципиальные схемы охлаждения шнеков Применение разнообразных периферийных устройств является характерной тенденцией многих экструзионных технологий. Периферийные устройства, в частности предварительные смесители, дозирующие элементы, объединенные компьютерами с экструзионными линиями в единые системы, позволяют в значительной мере усовершенствовать и разнообразить экструзионные процессы.

Дозирующие системы [12]. Бункер с вибратором (рис.4.49) может быть интегрирован в систему с помощью электроники.

Бункер с мешалкой (рис. 4.50) предпочтителен для дозирования порошкообразных полимеров. Следующий уровень развития питателей: их объединение в многобункерные системы (рис. 4.51), которые, в свою очередь, интегрируются с другими питателями и перерабатывающим оборудованием (рис. 4.52).

Рис. 4.50. Бункер с мешалкой Рис. 4.51. Многобункерная система (до 8 питателей) Рис. 4.52. Интеграция питателей и экструдера Другие актуальные новации. К актуальным новациям в области периферийных устройств относятся следующие.

Высокоточные весовые дозирующие системы с измерением потери веса в бункере и контролем дозирования по обратной связи, управляющей скоростью подачи материалов. Вакуумные загрузчики и сушилки современных конструкций с микропроцессорным управлением для гидрофобных и гидрофильных материалов (с молекулярными ситами). Вертикальные высокоскоростные миксеры. Металлосепараторы, устанавливаемые на линиях загрузки экструдеров. Эти агрегаты удаляют из сырья опасные для перерабатывающего оборудования частицы любых металлов. Компактные кондиционеры охлаждающей воды или низкотемпературных хладоагентов.

1. Преимущества прямого привода / Экструзия. - 2004. - №1.

C. 36-42.

2. Рекламные материалы Battenfield. - 2003. – 30 с.

3. Регулируемые калибраторы в производстве труб / Материалы фирмы RIVAL. Полимерные трубы. – № 4. 2004. – 29 c.

4. Рекламные материалы Uponor. - 2005. – 42 с.

5. Рекламные материалы Unicor. - 2004. – 54 с.

6. НТД ЗАО «Сибпромкомплект».

7.. Володин, В.П. Экструзионная оснастка / В.П. Володин // Пластикс. - 2004. - № 2 (16).- С. 30-36.

8.. Володин, В.П. Конструкции экструзионной оснастки / В.П. Володин // Пластикс. - 2004. - № 4 (18). – С. 49-52.

9. Рекламные материалы Krah. - 2006. – 42 с.

10. Никитенко, Е.А. Литье пластмасс под давлением / Е.А. Никитенко // Международные новости мира пластмасс. - 2005. - №7. – С. 35-40.

11. Рекламные материалы Solvay. - 2005. – 36 с.

12. Рекламные материалы Shenk. - 2006. – 44 с.

5. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ

ПРОИЗВОДСТВА СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ

Современная технология строительства полимерных трубопроводов, и в частности принципы индустриализации строительства, как правило, предусматривают использование полимерных труб в комплекте с соединительными деталями (фитингами) промышленного производства. Виды фитингов отличаются по конструкции и назначению, и их типоразмеры насчитывают тысячи наименований.

Фитинги можно классифицировать по способу соединения с трубами. Например, выделяют детали под стыковую, раструбную, седельную, электромуфтовую и электроседельную сварку, компрессионные муфты, фитинги для разъемных соединений на резиновых кольцах, фитинги под клеевое соединение.

Различаясь по конструкции, среди фитингов наиболее распространены: втулки под фланец, тройники (равнопроходные и неравнопроходные), отводы, переходы, раструбы, муфты, седелки, металлполимерные трансформаторы, накидные гайки и заглушки, а также полимерные колодцы.

По назначению трубопроводов выделяют газопроводные, воднохозяйственные, канализационные фитинги, соединительные детали для горячего водоснабжения и отопления, для монтажа оптико-волоконных систем, воздуховодов.

Материал фитингов под сварку обычно совпадает или очень близок к материалу труб. Это необходимо для обеспечения надежности сварных соединений и статической выносливости основного материала фитингов. Многие детали фитингов под сборку изготавливают из высокомодульных пластмасс, эластомеров и коррозионностойких металлических сплавов. Последние постепенно вытесняются высокопрочными и теплостойкими полимерами, например полисульфонами (ПСУ), в частности полифениленсульфоном (ПФС, PPSU) или поливинилиденфторидом (ПВДФ PVDF).

Виды фитингов [1-4]. Фитинги Q&E предназначены для соединения труб из сшитого ПЭ (РЕХ). При получения соединения используется «память» кольца из сшитого ПЭ.

Композиционные фитинги из полифениленсульфона ПФС (PPSU) со встроенной металлической гильзой предназначены для соединения металлполимерных труб.

Полимерные и металлполимерные теплосети комплектуются полимерными колодцами (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Теплоизолированный колодец из ПЭ Для сборки безнапорных канализационных систем широко используются раструбные детали из ПП и ПВХ (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Раструбные фитинги: переход, муфта упорная, муфта надвижная, отводы, тройники, гидрозатворы и другие фасонные детали Дренажные системы и ливневая канализация, по оптимальным проектам, монтируется из гофрированных ПЭ, ПП и ПВХ труб и соединяется соответсвующими раструбными деталями (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Сварные тройники, переход, муфта, отводы В системах хозяйственно – бытовой канализации используются гладкие трубы, предпочтительно из ПП с гладкими деталями для сборки на кольцах (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Фитинги хозяйственно – бытовой канализации:

муфты, отвод, переход, заглушка, седло, пробка, Детали для электротермической сварки широко используются при сооружении наиболее ответственных напорных трубопроводных систем различного назначения (включая газопроводы, напорные технологические и водно-хозяйственные) из ПЭ80 и ПЭ100 диаметром до 400 мм (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Электросварные детали: муфта, переход, отводы, тройник, седелка Фитинги с удлиненными хвостовиками (рис. 5.6) соединяются с трубами как встык, так и с помощью электросварных муфт.

Рис. 5.6. Фитинги с удлиненными хвостовиками: отводы, тройник, переход, заглушка, втулка под фланец Если предусматривается соединение ПЭ труб, преимущественно монолитных, (от малых до самых больших диаметров) методом сварки встык, то применяют экономичные фитинги с короткими подсоединительными частями. Подобные детали нередко (методом сварки в заводских условиях) соединяют в узлы, подготовленные для монтажа, на фланцах (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Фитинги с короткими подсоединительными частями. Втулка под фланец (а) и подготовленные к монтажу узлы: отвод(б), тройник (в), переход (г) В заводских же условиях патрубки приваривают к фитингам короткими подсоединительными частями, получая укрупненные узлы (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Укрупненные узлы: а – отвод; б – переход; в – тройник Фитинги больших диаметров изготавливают методами контактной или экструзионной сварки (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Сварные соединительные детали: а – отводы; б, в – тройники Экструзионная сварка обычно используется также при изготовлении на трубных заводах водно–хозяйственных полимерных колодцев (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Полимерные колодцы: а – ревизия; б – смотровой колодец;

Рис. 5.11, 5.12 дают представление о конструкции и разнообразии компрессионных фитингов, которые в настоящее время используются для соединения труб до Dн 110 мм.

Рис. 5.11. Конструкция и некоторые виды компрессионных фитингов:

1 - крышка-гайка из полипропилена (РРВ); 2 – корпус из полипропилена (РРВ); 3 – уплотнительное кольцо (резина NBR); 4 – зажимное кольцо (РОМ); 5 – запрессовывающая втулка (РРВ) Рис. 5.12. Конструкция и некоторые виды компрессионных фитингов Некоторые соединительные детали из ПВХ (рис 5.13) для напорных трубопроводов и безнапорной канализации существенно отличаются от полиэтиленовых и полипропиленовых.

Рис. 5.13. Фитинги из ПВХ: а – накидной фланец; б – тройники под склейку; в – втулка под фланец; г – отводы под склейку; д – переход;

Рис. 5.13. (окончание) Фитинги из ПВХ: ж – тройник;

з – отвод под кольцо; и – неравнопроходный тройник Сравнительно сложную конструкцию имеют фитинги металлполимерных теплотрасс и теплоизолированных полимерных труб (рис. 5.14- 5.18).

Рис. 5.14. Фитинги металлполимерных теплотрасс и теплоизолированных полимерных труб. Отвод: 1 — стальная труба;

2 — изоляция из пенополиуретана; 3 — оболочка из полиэтилена;

4 — центрирующая опора; 5 — стальной отвод; 6 — электроизоляционная трубка; 7— проводник-индикатор системы ОДК Рис. 5.15. Фитинги металлполимерных теплотрасс и теплоизолированных полимерных труб. Переход: 1 — стальная труба; 2 — электроизоляционная трубка; 3 — оболочка из полиэтилена;

4 — изоляция из пенополиуретана; 5 — центрирующая опора;

Рис. 5.16. Фитинги металлполимерных теплотрасс и теплоизолированных полимерных труб. Тройник: 1 — оболочка из полиэтилена; 2 — изоляция из пенополиуретана; 3 — центрирующая опора;

4 — проводник-индикатор системы ОДК; 5 — стальная труба Рис. 5.17. Фитинги для теплоизолированных полимерных труб Рис. 5.18. Фитинги металлполимерных теплотрасс и теплоизолированных полимерных труб. Тройниковое ответвление: 1 — стальной отвод; 2 — оболочка из полиэтилена;

3 — проводник-индикатор системы ОДК; 4 — изоляция из пенополиуретана; 5 — электроизоляционная трубка по ГОСТ 22056; 6— центрирующая опора Комплект для теплоизолированных полимерных труб рис.5.18 включает элементы, необходимые для соединения основных труб греющего кабеля, теплоизоляцию в виде скорлупы, хомуты для крепления теплоизоляции, скорлупы, а также резиновый концевой уплотнитель с кольцом и хомутом.

Среди многих других способов классификации полимерных соединительных деталей для технологов наиболее актуальна классификация по методам производства. Наиболее важные методы получения фитингов: литье под давлением, прессование, формование (гнутье отводов и получение крупногабаритных заглушек), различные виды сварки (в первую очередь стыковая и экструзионная), намотка экструдата и различные методы получения бипластмассовых деталей. Если позволяют параметры и число изделий, фитинги изготовляются преимущественно методом литья под давлением. Если же речь идет о фитингах из ПЭ, большие размеры которых и небольшое количество не позволяют применять литье под давлением, то могут быть использованы другие технологические приемы. Сюда относятся соединение сваркой, горячее прессование, гнутье отводов.

Литье под давлением — метод формования изделий из полимерных материалов, заключающийся в нагревании материала до вязкотекучего состояния и передавливании его в закрытую литьевую форму, где материал приобретает конфигурацию внутренней полости формы и затвердевает. Этим методом традиционно получали изделия массой от нескольких граммов до нескольких килограммов с толщиной стенок 120 мм. [5].

Современные технологии литья фитингов предусматривают изготовление как самых мелких, так и очень крупных деталей с номинальным диаметром до 315 мм и толщиной до 50 мм (рис. 5.19). Фирма Battenfeld сообщает о производстве фитингов из ПП весом до 80 кг [3].

Рис. 5.19. Диапазон размеров литых фитингов Несмотря на прогресс, достигнутый в технологии литья за последние десятилетия, только постоянное повышение эффективности производства позволяет сохранить его конкурентоспособность.

Перечень оборудования для литья под давлением значительно меньше, чем для экструзии труб. Машинная часть в основном ограничивается собственной литьевой машиной, литьевой формой и при необходимости инструментами и приспособлениями для дополнительной обработки.

Замыкающая половина формы литьевой машины состоит из подвижной и неподвижной зажимных плит. Неподвижная плита может также перемещаться на расстояние в несколько миллиметров в зависимости от конструкции литьевой формы и литьевого сопла. Это короткое расстояние перемещения неподвижной зажимной плиты служит для отвода литьевой втулки формы от литьевого сопла цилиндра литьевой машины во избежание ненужной теплопередачи на охлаждаемую половину формы или же во избежание охлаждения нагретого литьевого сопла.

Для осуществления литья под давлением обычно применяют плунжерные или шнековые литьевые машины (рис.

5.20), на которых устанавливают литьевые формы различной конструкции, например изображенной на рис. 5.21.

Основными технологическими параметрами процессов литья под давлением являются температура расплава Т р, температура формы Т ф, давление литья Р л, давление в форме Р ф, время выдержки под давлением t впд, время охлаждения t охл.

Рис. 5.20. Схема литьевой машины со шнековой (а) и плунжерной (б) пластикацией расплава: 1 — гидроцилиндр механизма смыкания;

2 — поршень гидроцилиндра механизма смыкания; 3— подвижная плита;

4— полуформы; 5— неподвижная плита; 6— пластикационный цилиндр;

7 — шнек; 8 — загрузочное окно цилиндра пластикации; 9— бункер;

10 — привод шнека; 11 — корпус гидроцилиндра механизма впрыска;

12 — поршень гидроцилиндра впрыска; 13 — гидроцилиндр шнека;

14 — торпеда рассекатель потока расплава; 15 — дозатор; 16 — плунжер [5] Рис. 5.21. Литьевая форма: 1 — подвижная полуформа; 2 — толкатель;

3 — выталкивающая плита; 4 — выталкиватели; 5— каналы термостатирования формы; 6— литниковая втулка; 7 — центральный литник; 8 — центрирующая втулка; 9 — центрирующая колонка;

10 — неподвижная полуформа; 11 — сопло литьевой машины;

12 — разводящий литник; 13 — впускной литник; 14 — формообразующая полость [5] Полуформы и при необходимости формовочные стержни охлаждаются водой через имеющиеся в форме охлаждающие отверстия. Поступившая в охлажденную форму масса, образует сначала на стенках формы быстро отвердевающую оболочку, на которую наращивается последующая формовочная масса. Охлаждение и отверждение расплава в форме осуществляется от стенок вовнутрь.

На стороне впрыска литьевой машины для осуществления впрыска формовочной массы в форму имеется поршень, который выполняется как экструдерный шнек. Цилиндр для шнекового поршня так же, как и цилиндр экструдера, снабжен загрузочной воронкой для формовочной массы.

Литьевая машина в начале процесса работает как экструдер при изготовлении труб, т.е. осуществляет подачу формовочной массы и обеспечивает ее гомогенную пластикацию. Требуемая для этого тепловая энергия обеспечивается нагревательными элементами в стенке литьевого цилиндра и выделяется в виде автогенного тепла, преобразованием механической энергии. Регулирование температуры также осуществляется размещенными в стенке цилиндра измерительными датчиками и электрическими и электронными регуляторами.

Червяк в литьевой машине перемещается в осевом направлении, так как здесь он выполняет двойную функцию: подает и пластицирует формовочную массу и одновременно служит в качестве шнекового поршня для заполнения литьевой формы. Осевое перемещение червяка, как правило, осуществляется гидравлическим приводом. Литьевая форма состоит в основном из двух плит, в которых выбраны гнезда, имеющие внешние контуры фасонной детали. Внутренние контуры фасонных деталей образуются формовочными стержнями. Решающее значение для качества поверхностей отливок имеют поверхности формы. Чаще всего они отполированы и хромированы.

Производство фитингов методом литья часто организуется в виде технологически автономных участков в цехах (или отделениях) трубных заводов. Возможна и организация самостоятельных производств (рис.5.22).

Рис. 5.22. Принципиальная технологическая схема участка по изготовления деталей методом литья под давлением: 1 — вагон (полувагон, цистерна); 2 — подвесная кран-балка; 3 — склад материала; 4 — вакуумная сушилка; 5 — литьевая машина; 6 — транспортер; 7 — станок механической обработки; 8 — стол упаковки; 9 — дробилка; 10 — экструдер; 11- охлаждающая ванна; 12 — гранулятор [5] Литье осуществляется или в режиме интрузии, или в инжекционном режиме. При интрузионном режиме расплав постепенно подается в форму вращающимся шнеком до заполнения ее на 70—80 %, а затем оставшаяся часть дозы впрыскивается в форму за счет поступательного движения шнека. При инжекционном режиме вращение шнека ведется только в период набора дозы материала и его пластикации в инжекционном цилиндре литьевой машины, а подача расплава в форму осуществляется только за счет поступательного движения шнека. Режим интрузии используется при изготовлении крупногабаритных толстостенных изделий; инжекционный процесс получил более широкое распространение.

Для литья под давлением в основном используются гранулированные термопласты (реже — порошкообразные) с показателем текучести расплава от 2 до 30 г/10 мин [5].

Однако для производства фитингов материалы литьевого назначения, в частности ПНД с большими значениями ПТР, не используются, поскольку имеют очень низкие показатели длительной прочности. Поэтому технология литья фитингов реализуется с применением высоковязких экструзионных материалов с низкими значениями ПТР или специальных марок, содержащих добавки, облегчающие высокоскоростное литье.

Улучшение качества сырья является одним из важнейших направлений развития литьевой технологии. В числе новых технологических решений – использование модификаторов и модифицирующих концентратов, состоящих из нескольких компонентов, например смазки, термостабилизаторы, антиоксиданты, компатибилизатор (компонент, облегчающий совмещение полимерных компонентов смеси) и светостабилизатор [6]. Неизменно актуальной задачей литьевого производства является совершенствование входного контроля сырья.

Только при наличие объективных данных анализов ПТР, влажности, термостабильности и других показателей, влияющих на поведение расплава при литье и на качество деталей, можно целенаправленно управлять процессом.

Перед литьем под давлением необходимо удалить из материала влагу и летучие вещества, так как их присутствие в расплаве приводит к образованию пор в готовом изделии и трещин на его поверхности. При переработке полимеров, имеющих склонность к гидролитической деструкции (например полиамиды), даже следы влаги приводят к снижению молекулярной массы, а следовательно и эксплуатационных показателей изделий [5].

Процесс литья под давлением является циклическим.

Цикл состоит из следующих стадий: загрузка сырья в пластикационный цилиндр литьевой машины и подготовка расплава (пластикация), смыкание формы, заполнение формы расплавом, выдержка под давлением в форме, выдержка без давления в форме, раскрытие формы и извлечение изделия.

Загрузка сырья проводится через загрузочный бункер и окно в цилиндре литьевой машины (рис. 5.20). В пластикационном цилиндре проводятся нагрев материала до перехода в вязкотекучее состояние, уплотнение и гомогенизация расплава. Под гомогенизацией понимается перемешивание, приводящее к равномерному распределению температуры по массе, что обеспечивает равномерную плотность и вязкость расплава. Условия пластикации не должны приводить к заметной деструкции материала.

Необходимая температура расплава создается за счет двух источников тепла: внешнего обогрева цилиндра и превращения в тепло работы сил трения, возникающих при деформировании материала вращающимся шнеком. Температура расплава должна обеспечивать необходимую вязкость для заполнения формы, но при этом не должна протекать деструкция материала. Обычно вязкость расплава, необходимая для литья под давлением, достигается у аморфных полимеров при температуре на 100—150°С выше температуры стеклования, а у кристаллических полимеров, при температурах, превышающих температуру плавления.

Максимально возможной является температура расплава на 30—40°С ниже, чем температура деструкции. Чем выше вязкость расплава материала, тем больше разница между температурой деструкции и предельной температурой расплава, так как при пластикации и впрыске происходит дополнительный нагрев материала. Разница между температурой нагревателей по зонам пластикационного цилиндра обычно составляет 10—20 °С, увеличиваясь от зоны загрузки к соплу. Для низковязких материалов температура сопла устанавливается ниже, чем в зоне дозирования, чтобы предотвратить вытекание расплава. Поскольку с ростом температуры снижается термостабильность расплава, то необходимо учитывать, что продолжительность пребывания материала в пластикационном цилиндре не должна быть больше времени термостабильности расплава при данной температуре.

Нагнетаемый шнеком расплав при закрытом сопле накапливается в зоне дозирования, и за счет развивающегося в материале давления шнек перемещается назад. Скорость отхода шнека регулируется путем создания в гидроцилиндре узла впрыска противодавления. Чем больше противодавление, тем выше плотность расплава и более однородна его температура. Кроме того, с ростом противодавления увеличивается нагрев материала в зоне дозирования за счет сдвиговых деформаций. Однако с ростом противодавления уменьшается пластикационная производительность литьевой машины, т. е. уменьшается количество материала, переводимого в расплав в единицу времени.

Если пластикационная производительность литьевой машины невелика, то за счет увеличения времени подготовки новой дозы расплава приходится увеличивать время пребывания отливки в форме, что снижает производительность оборудования.

Заполнение формы расплавом (впрыск) начинается после подготовки необходимой дозы расплава и смыкания формы.

Под действием усилия, развивающегося в гидроцилиндре узла впрыска, шнек движется вперед и через сопло и литниковую систему подает расплав в формующую полость. Создаваемое наконечником шнека давление затрачивается на вязкое течение расплава и входовые эффекты, обусловленные вязкоупругими свойствами расплавов полимеров. Поэтому давление в форме существенно ниже, чем давление, развиваемое шнеком. Движение расплава термопласта в полости формы сопровождается охлаждением расплава при соприкосновении со стенкой, так как температура его выше, чем температура формы [5].

Если на пути потока расплава встречается препятствие в виде вставки в форму, выступа и т. д., то поток расчленяется на отдельные потоки. При слиянии образовавшихся потоков возникают стыковые швы (холодные спаи), прочность которых ниже, чем в монолитном изделии. Холодные спаи характерны для крупногабаритных фитингов, в первую очередь литых тройников.

Борьба с ними начинается на стадии конструирования изделия, литьевой формы и завершается технологическими средствами.

Выдержка под давлением. Выдержка под давлением необходима для компенсации уменьшения объема (усадки) материала в форме в результате его постепенного охлаждения. В течение времени выдержки под давлением (включающего в себя и время заполнения формы) расплав продолжает подаваться в центральную часть изделия через литниковую систему (центральный, разводящий и впускной литники), и давление в форме остается практически постоянным. Процесс подачи расплава прекратится в момент затвердевания впускного литника, что соответствует охлаждению материала в литнике до температуры затвердевания (на 5—10 °С ниже, чем температура текучести) для аморфных или до температуры кристаллизации (как правило, Tкр на 5—10 °С ниже, чем Tпл) для кристаллических термопластов. После завершения выдержки под давлением сопло отводится от литниковой втулки формы.

Если какой-то из элементов литниковой системы застывает раньше, чем материал в центре изделия, то подпитка не будет завершена и изделие получится с раковинами и утяжками. Если для застывания литника требуется большее время, чем для застывания центральной части изделия (тонкостенные изделия), то при раскрытии формы за литником вытягивается незатвердевший материал. Чтобы избежать этого, приходится увеличивать время охлаждения, снижая тем самым производительность [5].

Охлаждение без давления завершает процесс формирования структуры изделия в форме. На этой стадии скорость охлаждения выше, чем в период выдержки под давлением. Причем, чем длительнее выдержка под давлением, тем меньше разница в скорости охлаждения на последней стадии. Давление в форме также падает более интенсивно, так как процесс тепловой усадки уже не компенсируется новыми порциями расплава, но к моменту раскрытия формы и извлечения охлажденного изделия в форме сохраняется сравнительно большое остаточное давление.

Продолжительность охлаждения изделия в форме связана с толщиной изделия и его формой, температуропроводностью полимерного расплава, перепадом температур расплава и формы (Тр и Тф), а также с температурой в центре изделия в момент его извлечения из формы (Ти) [5].

Извлечение охлажденной твердой отливки из формы осуществляется посредством размыкания формы перемещением подвижной зажимной плиты на стороне смыкания машины и посредством извлечения формовочных стержней. Извлечение формовочных стержней производится устройствами, которые приводятся в действие размыканием полуформ, или же независимыми гидравлическими или пневматическими приспособлениями. Выталкивание фасонной детали из формы производится штифтовыми выталкивателями, которые механически управляются плитой-выталкивателем. После освобождения форма автоматически закрывается, и процесс может быть повторен.

Фитинги для пластмассовых трубопроводов - это напорные фасонные детали с соответственно большими толщинами стенки, поэтому для системы впрыска применяются конические литники большого объема, позволяющие сократить время заполнения и обеспечивающие достаточную подпитку. Эти литники при соответствующей конструкции формы могут удаляться автоматически. Это осуществляется отдельными устройствами, приводимыми в действие механически в процессе размыкания формы. Там, где этого не позволяет конструкция, литники после извлечения из формы удаляются вне литьевой машины.

Для этого применяются стандартные устройства и приборы. Соединительные детали, изготовленные методом литья под давлением, нуждаются в минимальной доработке. В основном она сводится к удалению литников. Детали с очень большими толщинами стенки помещаются в водяные ванны до полного охлаждения, что позволяет сократить время охлаждения и избежать деформации. В них также вставляют временные технологические заглушки, предотвращающие овализацию.

5.3. Современное состояние и тенденции развития техники и технологии литья фитингов Литьевые технологии производства фитингов доминируют среди других методов. К основными тенденциями развития технологии литья относятся следующие.

Увеличение видов и размеров соединительных деталей. Благодаря постоянному совершенствованию и укрупнению литьевых машин появляются новые возможности производства таких деталей, которые недавно получали менее эффективным прессованием или сваркой.

Увеличивается ассортимент применяемых материалов, что в свою очередь, позволяет расширить сферы применения полимерных фитингов.

Развиваются такие прогрессивные технологии, как тонкостенное и многокомпонентное литье, литье с подпрессовкой, литье при низком давлении, с закладными деталями (в частности с резьбовыми вставками и электрическими закладными нагревателями деталей под электродиффузионную сварку, рис.5.23), литье с газом (при получении пористых деталей), с водой, сочетание мягкого и жесткого компонентов при литье.

Рис. 5.23. Детали из ПНД и ПП с закладными Рис. 5.24. Фитинги изготовленные с готовыми уплотнениями На рис. 5.24. показана последняя новация Компьютерные технологии. Широкое применение компьютерных технологий характерно для современной литьевой техники. Современные термопластавтоматы (ТПА) оснащаются терминалами (рис. 5.25), которые осуществляют мониторинг параметров процесса, управляют циклом согласно заданной программе, предоставляют оператору необходимую информацию для эффективного регулирования параметров и отладки процессов [6].

Фирма Battenfeld декларирует основные параметры современных систем управления литьем фитингов под давлением представленные ниже [3].

Интерфейс Windows, активный цветной экран, обзор важных функций на ограниченном числе страниц, свободный выбор технологических профилей, пользовательская система программирования. Опцией системы управления является дистанционный сервис. Связь с производителем осуществляется через Интернет.

Графическая индикация заданных значений и графика действительных значений позволяют быстро произвести визуальную оценку ситуации, облегчает настройку машины.

Современные международные нормы контроля качества Рис. 5.25. Терминал термопластавтомата Современное оборудование для производства фитингов [3]. Для некоторых полимеров необходимы специальные технические решения, обеспечивающие высокое качество изделий. Так, фитинги из непластифицированого ПВХ получаются в очень узком технологическом окне и требуют специального оборудования. Особенности узла пластикации ПВХ (рис. 5.26):

охлаждение цилиндра вентиляторами, специальная геометрия шнека имеющего L/D = 22, коррозионно-стойкие материалы, внутреннее охлаждение шнека.

Рис. 5.26. Пластицирующий узел ТПА для литья ПВХ В пластицирующих блоках для ПЭ и ПП применяют шнеки высокой производительности с высокой эффективностью пластикации, улучшенной степенью гомогенизации (рис.5.27).

Рис. 5.27. Шнек для литья крупных деталей из полиолефинов При литье фитингов под давлением при усилии замыкания до 6500 кН используют замыкающие блоки с коленчатым рычагом (рис. 5.28) или гидравлические блоки (рис. 5.29) [3].

Рис. 5.28. Схема замыкающего блока с коленчатым рычагом при литье фитингов под давлением при усилии замыкания до 6500 кН Рис. 5.29. Схема гидравлического замыкающего блока при литье фитингов под давлением при усилии замыкания до 6500 кН Особенности замыкающих блоков с усилием выше 8000 кН: конструкция повышенной прочности, большие зажимные плиты, большая площадь зоны установки инструмента, свободный доступ к инструменту (рис. 5.30).

Рис. 5.30. Замыкающий блок при литье фитингов С целью автоматизации процесса съема изделий из машины используются адаптированные к машине стандартные роботы (рис. 5.31).

Рис. 5.31. Автоматизированная система Рис. 5.32. Оснастка для производства фитингов На рис. 5.32 изображены примеры технологической оснастки, применяемой при производстве фитингов.

5.4. Изготовление фитингов методом сварки Соединительные детали большого размера, например, тройники, косые тройники, сегментные отводы или специальные фасонные детали в небольших количествах, преимущественно из полиэтилена, изготавливаются в виде сварных конструкций, например, равнопроходный тройник и отвод (рис. 5.33, 5.34).

Рис. 5.33. Тройник сварной d – диаметр трубы;

Рис. 5.34. Отводы сварные:d – диаметр трубы; s – толщина стенки трубы; z – длина до центра детали; l – длина заготовки В значительных объемах изготавливаются также неравнопроходные сварные тройники и укрупненные изделия, полученные сваркой литых или прессованных деталей (одной или нескольких) с отрезками труб (рис 5.34-5.38) а также многие другие детали стандартной или специальной формы.

Рис. 5.35.Тройники с приваренными патрубками Рис. 5.36. Отвод (а), переход (б), втулка под фланец (в) с приваренными патрубками 1 - Накидной фланец, 2 - Втулка под фланец, 3 - Приваренный б) Тройник с разъемным соединением 1 - Накидной фланец, 2 - Втулка под фланец, 3 - Литой тройник, 4 - Приваренный патрубок Рис. 5.37. Разъемное соединение из втулки и фланцев в сборе (а), тройник с приваренными втулками и фланцами (б) 1 - Накидной фланец, 2 - Втулка под фланец, 3 - Литой отвод, L – согласно проекту Рис. 5.38. Компенсатор с приваренными втулками и фланцами Описание сварки встык. Контактная сварка встык наиболее эффективна для соединения труб средних и больших диаметров с толщиной стенки более 2 мм. При этом способе сварки торцы труб центрируют, торцуют, оплавляют нагревательным элементом, затем элемент убирают и оплавленные торцы труб под определенным давлением соединяют. Качество сварки определяется соблюдением технологического режима сварки.

Удаление загрязненного слоя с торцов трубы выполняется с помощью специальных торцовок.

В комплекте с нагревательными элементами применяются центрирующие устройства, оборудованные силоизмерителями для контроля за усилением прижима труб в процессе оплавления и осадки.

Деградация полиэтилена. Термин «деградация ПЭ при сварке» включает в себя понятие о двух процессах: деполимеризации и термоокислительной деструкции. Эти процессы объединяет то, что оба приводят к разрушению полимерных цепей и снижению молекулярной массы. Деполимеризация протекает при нагревании полиэтилена без контакта с кислородом воздуха.

Первым проявлением деполимеризации является снижение молекулярной массы полиэтилена без выделения значительных количеств летучих веществ. Полиэтилен быстро деполимеризуется при 290°С, а примерно при 360°С начинают активно выделяться летучие вещества.

При контакте с воздухом, на разогретой до 260°С поверхности полиэтилена, бурно протекают термоокислительные реакции. При этом выделяются органические кислоты, альдегиды, кетоны и спирты, СО и СО2.

Термоокислительные процессы тормозятся с помощью добавок антиоксидантов, которые значительно увеличивают индукционный период окисления. При температуре сварки (200ч220 С) антиоксиданты задерживают окисление полиэтилена в течении периода, необходимого для проведения этого технологического процесса.

Деградация полиэтилена сопровождается снижением молекулярной массы и образованием разветвленных, а также сшитых структур. Продукты деградации не способны выполнять функции проходных цепей, и таким образом превращаются в макромолекулярный балласт. Сшитые структуры становятся очагами роста трещин. В результате ухудшаются физикомеханические показатели, особенно стойкость к растрескиванию. Поэтому температурно-временной режим сварки должен скрупулезно выдерживаться.

Концентраторы напряжений. Прочностные характеристики сварных конструкций полимеров зависят от эффекта концентраторов напряжений и величины сварочных напряжений.

Различные виды геометрических концентраторов можно разбить на две группы:

1. Конструктивные связаны с конструкциями трубопровода в области стыка.

2. Технологические обусловленные технологическими эффектами.

Влияние геометрических концентраторов состоит в значительных местных перенапряжениях. На практике раструбные соединения могут иметь весьма острые переходы с малыми радиусами закругления, когда коэффициент концентрации достигает 5 и более. Правда, в полиэтиленовых трубах пиковые напряжения релаксируют, но местные напряжения могут быть весьма значительны.

Одной из причин разрушения трубопроводов в области сварного шва могут быть краевые эффекты.

Величина перенапряжений для сварки встык зависит от формы бокового концентратора, то есть валика, а форма определяется технологией выполнения соединений и реологическими свойствами расплава. Валик оплавленного материала действует подобно бандажу. Величина перенапряжений от бандажа увеличивается с ростом его площади. Таким образом, чрезмерная длительность оплавления, излишне высокая температура и большое усилие прижима приводит к увеличению площади грата и, следовательно, к росту напряжений изгиба.

Короткое оплавление, низкая температура и слабый прижим могут привести к образованию острых углов сопряжения полуваликов и даже надрезов, которые станут опасными геометрическими концентраторами напряжения.

Значительные перенапряжения возникают и на границе оплавленной зоны с не оплавленным материалом.

Технологические дефекты: непровары, пузыри и включения по своему характеру подобны трещинам различной формы.

Эти дефекты могут не проявиться при кратковременных испытаниях, когда преобладают пластические деформации. При длительном нагружении с умеренными напряжениями скорость деформации оказывается меньше скорости хрупкого разрушения. В этом случае опасное сечение конструкции определяется местным перенапряжением.

При сварке встык дефекты особенно опасны. Концентраторы ухудшают сопротивление растрескиванию и динамическую выносливость трубопроводов. Эффект трещин, лежащих на поверхности, усугубляется в средах, содержащих поверхностно активные вещества (ПАВ). В среде ПАВ сварные швы с дефектами быстро разрушаются.

Внутренние сварочные напряжения. Эффект геометрических концентраторов суммируется со сварочным напряжением.

Остаточные напряжения, в том числе их разновидность сварочные, являются следствием предшествующей пластической деформации материала.

При соединении встык толстостенных труб внутренняя часть нагревается сильнее и охлаждается медленнее наружной, поэтому в швах появляются радиальные напряжения. Осевые напряжения при правильно выполненной сварке встык минимальны. Сварка при температуре воздуха ниже 0 єС приводит к росту сварочных напряжений.

Достоинства и недостатки сварки встык. Контактная сварка встык является оптимальным способом соединения полиолефиновых труб диаметром более 50мм. Преимущества этого метода:

• простота, универсальность комплекта инструментов (на одной установке можно варить несколько типов и размеров труб), • экономичность, • высокая производительность.

Его недостатки:

• необходимость высокой квалификации сварщиков, • некоторое снижение гидравлических характеристик трубопроводов (примерно на 15%) вследствие образования валика.

Впрочем, гидравлические потери от внутреннего валика с избытком компенсируются благодаря гладкости стенок полимерных труб.

Распределение температур в стенке трубы при сварке встык. Установлено, что граница оплавления имеет форму кривой с выпуклостью, направленной в сторону торца (рис. 5.39.).

Рис. 5.39. Зона расплавленного материала Рис. 5.43. Изменение температуры в трех точках трубы:

1 – на поверхности торца трубы, 2 – внутри зоны проплавления, 3 – за зоной проплавления. ТИ – температура нагревательного инструмента, Тпл – температура плавления, Тос – температура окружающей среды, 1+ – время выравнивания торцов + время прогрева, тп – время технологической паузы, ох – время охлаждения.

Форма границы проплавления обусловлена передачей тепла к наружным поверхностям трубы от нагревателя по механизму конвективного теплообмена и излучения. Выдавливаемый расплав полимера также увеличивает нагрев поверхностей. Это явление учитывают при выборе параметров сварки. В момент, когда торцы трубы соприкоснулись с нагревательным инструментом, на поверхности торца мгновенно устанавливается температура ТХ, равная температуре инструмента (рис. 5.40.). После удаления инструмента, за время технологической паузы, ТХ начинает резко снижаться. После стыковки торцов температура стыка повышается за счет притока тепла от внутренних слоев трубы. Затем ТХ снижается до температуры окружающей среды.

Температура инструмента ТИ должна быть существенно выше Тпл. В частности, при Т 180°С полиэтилен низкого давления (ПНД) плохо сваривается, с повышением ТИ прочность шва растет, а затем снижается вследствие структурных изменений в материале, ухудшения формы шва и повышения сварочных напряжений. Поэтому ПНД рекомендуют варить в диапазоне 190-230°С, причем считают, что чем больше диаметр трубы и толщина стенки, тем ниже должно быть ТИ.

Роль давления. Важную роль в процессе сварки встык играет давление при нагреве торцов и при осадке. Под действием давления при нагреве и осадке полимер вытекает из зоны нагрева, при этом уменьшается глубина оплавления слоя в середине шва, увеличивается неравномерность прогрева, полиэтилен ориентируется вдоль плоскости раздела. Это отрицательное воздействие давления. С другой стороны, давление при нагреве должно быть достаточным для быстрого сглаживания неровностей на торцах, а давление при осадке должно обеспечивать плотное соединение, выдавливание пузырей и воздушных включений, максимальное увеличение поверхности контакта.

Очень важно, что после окончания сварки давление должно компенсировать усадку. При охлаждении без давления усадка приводит к возникновению пузырей, усадочных раковин, увеличению остаточных напряжений.

Оптимальное давление при оплавлении в основном зависит от вязкости расплава полимера. Чем больше молекулярная масса и, следовательно, вязкость, тем выше требуемое давление.

Для полиэтилена низкого давления (ПНД) расчетное давление в плоскости стыка составляет 0,15 МПа при оплавлении и при охлаждении шва.

Наилучший режим оплавления включает две стадии:

форсированное выравнивание под давлением 0,15 МПа, и прогрев при давлении около 0,01-0,05 МПа после образования первичного валика заданных размеров. Для некоторых марок ПЭимеющих сравнительно невысокую вязкость расплавов рекомендуют более низкие значения (0,1-0,12 МПа) давления.

Роль продолжительности стыковки и паузы. Время охлаждения шва при сварке встык существенно превышает по длительности остальные стадии, так как из-за низкой теплопроводности полиэтилена остывает медленно. Все попытки ускорить охлаждение за счет обдува холодным воздухом или охлаждения водой ведут к появлению внутренних напряжений и раковин.

После удаления нагревателя расплав полимера на торцах свариваемых заготовок контактирует с кислородом воздуха и быстро окисляется. Кроме того, поверхность полимера охлаждается и быстро теряет способность к аутогезии самослипанию.

Поэтому продолжительность паузы всегда должна быть минимальной, особенно при низких температурах воздуха.

Нормативные значения длительности этапов сварки при нормальных условиях сведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Длительность этапов сварки Толщина Высота валика Длитель- Пауза, Время по- Время стенки в конце I ста- ность II не дачи давле- охлаждезаготовки, дии оплавле- этапа ста- более, ния осадки ния под Контроль технологического процесса сварки встык складывается из следующих стадий:

• проверки квалификации сварщиков, • проверки качества свариваемых труб и соединительных деталей, • проверки состояния сварочного оборудования, • контроля над выполнением технологии сварки (пооперационный контроль), • контроля сварных соединений.

Рассмотрим подробнее два последних вида контроля.

Пооперационный контроль. Для пооперационного контроля процесса сварки встык выбраны три основных параметра:

• температура нагревателя, • давление в плоскости стыка, • длительность каждого этапа сварки.

К вспомогательным параметрам можно отнести оценки подготовки торцов заготовок к сварке: визуальная оценка чистоты торцов до торцевания и после обработки торцов, смещение кромок до торцевания и после обработки торцов, зазор между заготовками после обработки торцов, а также размеры первичного валика после первой стадии оплавления (выравнивания торцов на нагревателе).

При неблагоприятных условиях сварки параметры корректируются, причем критериями оптимальности служат внешний вид, форма, размеры валика, а также результаты механических испытаний. В производственной практике используются кратковременные тесты на растяжение или изгиб, а в исследовательских работах определяются показатели длительной хрупкой прочности.

Традиционно пооперационный контроль возлагался на наиболее квалифицированного специалиста, наблюдающего за сваркой. Вместе с тем разработана техника и технология компьютерного протоколирования. Более того, необходимость автоматизации пооперационного контроля регламентируется рядом Международных и Российских норм. Специалисты считают компьютерной протоколирование важным средством повышения качества сварки.

Контроль соединений. Для контроля качества соединений используются следующие методы: внешний осмотр, ультразвуковой и рентгеновский контроль, механические и гидравлические (пневматические) испытания.

К сожалению, приборные методы неразрушающего контроля, ультразвуковой и рентгеновский контроль, хорошо зарекомендовавшие себя при контроле сварки металлов, неэффективны для полимеров. Этот факт объясняется как спецификой физических свойств полимеров, так и характером дефектов сварных соединений полимеров. В отличие от основных дефектов прутковой сварки металлов – раковин, непровары контактной сварки полимеров имеют исчезающе малую толщину.

Основной вид неразрушающего контроля внешний осмотр сварных швов. Визуальному осмотру подлежат все сварные швы.

Сварной шов должен удовлетворять следующим требованиям:

1 валик должен быть симметричным и круглым;

2 размеры валика должны соответствовать нормам для данной трубы;

3 поверхность валика должна быть гладкой (не иметь пор);

4 смещение кромок труб не должно превышать 10 % от номинальной толщины трубы.

Характеристика дефектов швов, причины дефектов и способы их устранения должны выявляться в процессе настройки режимов. Стыки, не удовлетворяющие внешнему виду, бракуются и вырезаются вместе с участком трубы длиной 40-50 мм по обе стороны шва. Исправление дефектов в стыках не допускается.

Дефекты сварки можно разделить на четыре группы: дефекты сборки и подготовки изделий под сварку, дефекты формы швов, наружные и внутренние макродефекты, дефекты микроструктуры.

Описание дефектов. Типичные дефекты подготовки несовпадение кромок труб, некачественная обработка торцов, загрязнение соединяемых поверхностей. Подготовленные к сварке детали должны соответствовать следующим нормам: непосредственно перед сваркой со свариваемых торцов должен быть снят слой толщиной не менее 0.5 мм, допустимое смещение кромок 10% от толщины стенки, допустимый зазор между подготовленными поверхностями 0.5, 0.7 и 1 мм для труб 110, 400 и более соответственно. Дефекты формы швов большой, маленький или неравномерный валик оплавленного материала.

Макродефекты поры, непровары, усадочные раковины, инородные включения. Основная причина образования пор термоокислительная деструкция полимера на перегретом инструменте, сопровождаемая выделением газов, и влага, попавшая на поверхность контакта. Непровары в швах возникают при недостаточной температуре соединяемых поверхностей, то есть при малом времени нагрева, и возможно, недостаточной температуре нагрева и малом давлении. Местные непровары могут возникнуть из-за загрязнений торцов труб или инструмента, плохой торцовки труб.

При нарушениях технологического режима сварки на стадии охлаждения шва в нем возникают усадочные раковины.

Этот дефект особенно часто возникает при низких температурах окружающего воздуха и при искусственном охлаждении, например, если шов обливают холодной водой.

Дефекты микроструктуры являются всегда следствием деградации ПЭ за счет перегрева на инструменте. Перегретый полиэтилен имеет низкую молекулярную массу и большую разветвленность, а следовательно значительно менее прочен и недолговечен.

Механические испытания. Для определения качества сварных соединений, а также уточнения технологических параметров сварки и настройки оборудования, производятся механические испытания образцов, вырезанных из сварных швов. Вырезка сварных образцов производится через 24 часа после сварки, а испытания через 16 часов после вырезки линейных образцов. Сварные стыковые образцы подлежат испытанию: на растяжение, на статистический изгиб. Для испытания из каждого контрольного стыка вырезают вдоль оси трубы не менее 5 образцов в соответствии с ГОСТ 11262-76. Метод испытания образцов на растяжение предусматривает ускоренную оценку сварного шва при растяжении; определение разрушающего напряжения при растяжении и относительного удлинения при разрыве; установление коэффициента сварки. При ускоренном испытании качество сварного шва считается удовлетворительным, если разрушение образца произошло по основному материалу.

Испытания на статистический изгиб рекомендуется производить по схеме, указанной в стандартах, при этом сварные образцы, вырезанные из труб, должны иметь форму брусков прямоугольного сечения с размерами, соответствующими указанным в стандартах. Изгиб осуществляется за 3-5 сек.

Следует подчеркнуть, что при испытании на одноосное напряжение полезно анализировать не только величины предельных напряжений, а также зависимость напряжения от деформации, рассчитывать работу разрушения сварных соединений.

Гидравлические испытания на стойкость к внутреннему гидростатическому давлению являются основным методом контроля сварных фитингов заводского производства. Разновидность гидравлических - пневматические испытания, практикуются в производстве укрупненных узлов газопроводного назначения в заготовительных цехах.

Сварочные машины для производства фитингов.

Стационарное сварочное оборудование, используемое для производства соединительных деталей в условиях трубных заводов и специализированных предприятий по выпуску фитингов, имеет существенные отличия от мобильных машин используемых непосредственно в сфере строительства. Особенности стационарных машин: рабочие столы или платформы высокой жесткости, съемные поворотные хомуты (зажимы ), высокая степень автоматизации, механизации, компьютеризации (рис. 5.41-5.46). Вместе с тем, во многих случаях оказываются полезны универсальные машины, пригодные для работы как в цеховых так и полевых условиях (рис. 5.42).

сальные машины, пригодные для работы, как в цеховых так и полевых условиях (рис. 5.45).