Порівняння довгострокових і короткочасних випробувань терморезисторних сполук в поліетиленових трубах

ВСТУП

Чудові технологічні властивості поліетиленових (ПЕ) труб забезпечують найширшу сферу їх застосування. Однак наявність в трубопровідній системі терморезисторних (ТР) з'єднань може впливати на її структурну цілісність у цілому. Тому, для оцінки механічних властивостей зварних з'єднань необхідна надійна стандартна випробувальна процедура. В даний час існує кілька різних методів механічних випробувань для визначення цілісності ТР з'єднань в ПЕ трубах. Ці випробування виконуються як на зразках, вирізаних із зварного з'єднання, так і на всьому зварному з'єднанні і можуть бути короткочасними або довгостроковими. Для контролю якості переважають короткочасні випробування: вони не вимагають великих витрат, а результат виходить досить швидко. Оскільки якість зварювання може проявитися через тривалий час, то дуже важливо, щоб результати цих випробувань корелювали з тими, які отримані в довгострокових випробуваннях. В даний час досліджень з отримання достовірних даних при зіставленні результатів короткочасних і довгострокових випробувань проведено недостатньо.

ВИХІДНІ ПАРАМЕТРИ ЕКСПЕРИМЕНТУ Для експериментів були взяті труби діаметром 125 мм SDR 11 з блакитного ПЕ 100 і ПЕ з'єднувальні деталі чорного кольору (всі фітинги однієї і тієї ж марки). Параметри зварювання відповідали рекомендованим виробником величинам, поверхня труб була підготовлена з використанням механічних скреперів.  Для того, щоб отримати з'єднання з різною якістю зварювання, поряд із стандартизованим зварюванням, виконаного згідно WIS 4-32-08 [1], були проведені зварювання з наявністю одного з чотирьох типів порушень: забруднення тальком, забруднення піском, холодне зварювання і зварювання при незачищеної труби.

Забруднення наносилося на спустошену поверхню труби за допомогою гумового валіка: тальк (Westmin D100) з розміром частинок 22 мкм або пісок (натуральний, неподрібнений кварцовий пісок по BS 1881-131: 1998 [2]) з розміром частинок 150 - 300 мкм. Холодне зварювання було виконано зі скороченням часу нагрівання до 38% від рекомендованого виробником значення. 

МЕХАНІЧНІ ВИПРОБУВАННЯ

На додаток до перерахованих вище були проведені два нестандартизованих випробування. Перше - короткочасне випробування на стійкість до гідростатичного тиску для відтворення умов обпресування, виконуваного після монтажу трубопроводу. На зварений зразок довжиною 900 мм впливають постійним внутрішнім тиском при кімнатній температурі з початковим тиском в 10 атм., Тиск у зразку реєструється протягом 1 ч. Потім порівнюється падіння тиску щодо тиску в контрольному зразку, що складається з труби довжиною 900 мм з ТР муфтою посередині, звареному без порушень. Друге випробування - перевірка на віддирання при розтягуванні (рис. 2). Воно полягає у впливі на весь зварений зразок труби постійним розтягиваючим тиском 5,5 МПа, прикладеним вздовж осі труби, у водному середовищі при 80° С. Розтягуюче зусилля було докладено до зразка за допомогою сталевого нержавіючого стрижня, що проходить всередині труби. Верхня частина стрижня була закріплена на штоку гідравлічного домкрата, нижня - приєднана до пластини з отвором для заповнення внутрішньої частини труби водою при зануренні у ванну. Випробування по ISO на віддирання поверхонь Результати випробування на віддирання поверхонь наведено в табл. 1. З даних таблиці видно, що це випробування може виділити тільки зварення, виконане за наявності талькового забруднення, яке не вдалася в основному через забрудненості поверхонь, що зварюються дрібними частками (рис. 3). Інші зразки зруйнувалися або через відшарування матеріалу фітинга від нагрівальної дроту (рис. 4) або через тріщини поверхні труби (рис. 5).  Випробування по EN на віддирання Розглянемо результати випробування по ЕN 12814 на віддирання (табл. 2).  Аналогічно випробуванню по ISO на віддирання поверхонь, випробування з ЕN також виділив лише звареннчя, проведене за наявності забруднення тальком. (Див. рис. 3). Випробування на відривання при сплющуванні Результати випробування на відривання (табл. 3) показують, що в цьому випадку можна виділити відмінність тільки між зварюванням, виробленими за наявності забруднення тальком (рис. 6), і зварюванням, виконаним без порушень.

Випробування на розтяг

При проведенні випробування на розтяг більш ніж в 90% зразків спостерігалася наявність кільцевих пустот на внутрішній поверхні з'єднувальних деталей (між нагрівальним дротом) (рис. 7). Незважаючи на те, що на ці порожнечі припадав невеликий відсоток всієї зварюваємої області, вони займали значну частину площі поверхні випробуваного зразка. Це призвело до збільшення ефективної напруги, прикладеної до звареної ділянки зразка і, як результат, до руйнування зразка по поверхні нагрівального дроту пластини незалежно від наявності забруднення і його типу (рис. 8). Тому була проведена додаткова серія випробувань з використанням фітингів (різних виробників), які не мали пустот (табл. 4).

З даних таблиці видно, що при зварюванні без порушень, зварюванні з піщаним забрудненням та зварюванні незачищених труб зразки руйнувалися по поверхні нагрівального дроту (рис. 9). Навіть незважаючи на те, що середній час до руйнування цих зразків був різним, отриманий брак не можна пояснити наявністю порушень при зварюванні, так як руйнування відбувалися не по зварюваній поверхні. Два з шести зразків, забруднених тальком, зруйнувалися по зварюваній поверхні (рис.10), один зразок - частково по зварюваній поверхні, а частково - по поверхні нагрівального дроту (рис.11), три зразки - по поверхні нагрівального дроту. Середній час до руйнування для цих зразків був менше, ніж для зразків при зварюванні без порушень.

При холодному зварюванні два зразка показали змішане руйнування, решта - руйнування по поверхні нагрівального дроту. Середній час до руйнування зразків при холодному зварюванні було дуже близько до середніх величин зварювання без порушень.  Випробування на стійкість до постійного внутрішнього тиску при 80° С З даних таблиці видно, що гідростатичні випробування на стійкість до постійного внутрішнього тиску при 80° С (табл. 5) не дозволяють виділити відмінностей між стандартизованим зварюванням і зварюванням, проведеним з яким-небудь з чотирьох навмисно заданих порушень виконання.

Фактично поява та поширення тріщин у всіх випадках була схожою через концентрацію напруги на внутрішньому краю холодної зони і опору повільного поширення тріщин у матеріалі муфти. Приклад руйнування при такому випробуванні показаний на рис. 12.  Короткочасне випробування гідростатичним тиском Результати короткочасного випробування гідростатичним тиском наведено в табл. 6.  Під час короткочасного випробування гідростатичним тиском жодне з зварних з'єднань не протікало. Падіння тиску, зареєстроване для всіх зразків, були дуже подібними, тобто цим випробуванням також неможливо виділити відмінність між зварюванням з порушеннями і якісним зварюванням.  Випробування всієї труби на розтяг Аналіз результатів випробування всієї труби на розтяг (табл. 7) показує, що і цей вид випробування не може виділити відмінності між зварюванням, виконаним з порушеннями, і якісним зварюванням. Утворення і розповсюдження тріщин відбувалося внаслідок концентрації напруги на зовнішньому краю холодної зони, а також по стінці труби для всіх випробовуваних зразків. Приклад руйнування з'єднання показаний на рис. 13.  ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ Проведені дослідження показують, що більша частина порушень при зварюванні, розглянутих у цій роботі, не можуть бути виявленими ні короткочасними, ні довгостроковими випробуваннями ТР сполук. Тільки короткочасні випробування однозначно дозволили виділити зварювання з забрудненням зварюваної поверхні. За результатами ж довготривалих випробувань ніякі порушення при зварюванні не вплинули на стан всієї труби  Це гарна кореляція короткочасних випробувань зразка з довгостроковими, в відтворюваності не тільки крихкого руйнування зварного з'єднання з тальковим забрудненням, але і руйнувань по поверхні нагрівальної дроту або за матеріалом стінки труби для інших видів навмисно заданих порушень. Однак, результати короткочасних випробувань не збігаються з результатами довгострокових для всієї труби, при яких незалежно від якості зварювання виникають тріщини в стінці труби або з'єднанні. Результати випробування зразка розтягуванням можуть іноді відрізнятися для зварювання, проведеного із забрудненням тальком, і для холодного зварювання.

Можлива причина відмінності руйнувань при випробуваннях зразка і випробуваннях всієї труби - різний розподіл напружень в цих випробуваннях. При випробуванні в зразку виникає більша напруга, а також діє більша напруга при випробуванні на віддирання і відрив, що прикладена перпендикулярно до зварюваних поверхонь. 

Якщо міцність зварного з'єднання менше, ніж у матріалу, що з'єднується (труби або фітинга), то, беручи до уваги зменшення площі поперечного перерізу по нагрівальному дроту, ці зразки зруйнуються по зварному з'єднанню. При випробуванні всієї труби виникають великі зсувні і кільцеві напруги, а тому на зварному з'єднанні, навіть якщо його міцність менше, ніж у матеріалу труби/муфти, напруги в стінці труби/муфти будуть більше, а тому зразок зруйнується не за місцем зварювання. 

При нормальних умовах експлуатації зварні з'єднання будуть піддаватися напруженням ближчим до тих, які спостерігаються при випробуванні всієї труби. Це передбачає, що порушення при зварюванні нададуть менший вплив на цілісність зварного з'єднання, ніж вони ж при випробуваннях зразка з'єднання.  Щоб пояснити різницю руйнування при випробуванні на розтяг всієї труби від руйнування при випробуванні гідростатичним тиском, було виконано моделювання за методом кінцевих елементів. На рис. 14 показано порівняння полів напружень в цих двох випробуваннях. Область максимальної напруги при випробуванні труби на розтяг знаходиться на зовнішньому краю холодної зони, що пояснює, чому зразок постійно руйнується в цьому місці. При випробуванні гідростатичним тиском подібна модель показує, що область максимальної напруги в з'єднанні знаходиться на внутрішньому краю холодної зони, що знову-таки збігається з експериментальними спостереженнями.

ВИСНОВКИ

Враховуючи відносно невелику кількість зразків при проведенні кожного методу випробувань, автори цієї статті роблять такі висновки: 

• ТР з'єднання ПЕ труб досить стійки до забруднення зварюваних поверхонь і порушень при зварюванні; 
• забруднення тальком (і будь-яким іншим забруднювачем з подібною дисперсністю) може бути виявлено при випробуваннях зразків, вирізаних з зварних з'єднань, але не під час випробувань всієї труби; 
• Моделювання за методом кінцевих елементів може бути використано для прогнозування місця утворення та напряму поширення тріщин при випробуваннях всієї труби на розтягування і на стійкість до постійного внутрішнього тиску. 

Література: 
1. WIS 4-32-08: 1994, Specification for site fusion jointing of PE80 and PE100 pipe and fittings. 
2. BS 1881-131: 1998, Testing concrete. Methods for testing cement in a reference concrete. 
3. ISO 13954: 1997, Plastics pipes and fittings - peel decohesion test for polyethylene (PE) electrofusion assemblies of nominal outside diameter greater than or equal to 90mm. 
4. BS EN 12814-4: 2001, Testing of welded joints of thermoplastic semi-finished products - Part 4: Peel test. 
5. ISO 13955: 1997, Plastics pipe and fittings - crushing decohesion test for polyethylene (PE) electrofusion assemblies. 
6. BS EN 12814-3: 2000, Testing of welded joints of thermoplastic semi-finished products - Part 3: Tensile creep test. 
7. BS EN 12201-3: 2003, Plastics piping systems for water supply - Polyethylene (PE) - Part 3: Fittings. 

Джерело: журнал "Полімерні труби - Україна" 

Дивись також: 

Терморезисторні фітинги, відводи для поліетиленових трубопроводів 
Технічні характеристики терморезисторних фітингів 
Огляд ринку імпорту полімерних труб, терморезисторних фітингів та зварювального обладнання в Україну

Читайте також

• З'єднання армованих поліетиленових труб в газопроводах високого тискуТехнічні статті / 20.06.2006
• Застосування поліетиленових труб в газопостачанні на підроблюваних і сейсмічно активних територіяхТехнічні статті / 10.06.2006