Інструкція зі зварювання ПЕ труб фітингами із заставними нагрівачами

4 Процеси у фітингу та трубі при зварюванні ДТ

Розглянемо на прикладі найбільш типового випадку: (1) напірний поліетиленовий фітинг, (2) напірна поліетиленова труба, (3) метод регулювання потужності нагріву – вибір фіксованого зварювального напруження в діапазоні 8÷48 В.

4.1 Зварювання – вид зсередини (для профі)

Щоб зрозуміти, що відбувається з поліетиленовим фітингом та трубою при зварюванні ДТ, розглянемо трубу та фітинг у розрізі (див. рис.3):

Зварювальний процес можна умовно розбити на кілька етапів:

Після подачі напруги на заставний нагрівач поліетилен внутрішньої поверхні фітинга швидко нагрівається і переходить у в'язко-плинний стан, одночасно розширюючись. Глибокі шари фітинга поки холодні і жорсткі, як панцир. У розплаву поліетилену вихід один - заповнювати зазор між фітингом і трубою.
Коли розплав поліетилену торкнеться труби, далі нагрівання від нагрівача йде у двох напрямках – углиб стінки фітинга та вглиб стінки труби. Поліетилен продовжує розширюватися і створює зварювальний тиск у зазорі. Але глибокі шари фітингу та труби все ще холодні та жорсткі. Розплаву нема куди подітися - він видавлюється вліво і вправо від нагрівача в холодні зони.
Далі стінки фітинга та труби поступово прогріваються все глибше, стають більш еластичними та починають подаватися під тиском розплаву. Тиск у зоні зварювання більше не зростає, і розтікання розплаву поліетилену зупиняється. Тільки стінки фітинга та труби все більше вигинаються у напрямку від нагрівача. На цьому ж етапі тепло доходить до індикатора нагріву, в'язко-текучий поліетилен видавлює його назовні та заповнює порожнину індикатора.
Після відключення нагрівання тепло, накопичене взоні зварювання, продовжує перерозподілятися все глибше та глибше у стінки фітингу та труби. Розплав поліетилену навколо нагрівача остигає та зменшується в обсязі. А глибокі шари фітингу та труби продовжують нагріватися, розширюватись та розм'якшуватися. Про остигання зварного з'єднання говорити поки що рано. Фітинг і труба поки що не прогрілися наскрізь, їх зовнішні шари поки що не почали віддавати тепло у повітря.
Коли тепло дійде до зовнішніх шарів фітинга і труби і почне розсіюватися в повітря, зварне з'єднання починає захолонути. Поліетилен навколо нагрівача продовжує остигати та зменшуватися в обсязі. Але стінки труби та фітингу вже прогрілися наскрізь до високоеластичного стану. Вони легко подаються назад у напрямку нагрівача. І компенсують розрядження.

З такого аналізу процесу зварювання ДТ стають зрозумілими найважливіші параметри зварювального процесу:

На 3-му етапі процесу нам необхідно синхронізувати дві події – (1) досягнення оптимального ступеня розтікання розплаву та (2) розм'якшення стінок труби та фітингу. Досягти синхронізації можна правильним підбором потужності нагріву. Точніше, питомої потужності на одиницю площі зварювання. Величина питомої потужності визначає градієнт температури – перекіс температури між різними шарами стінок фітингу та труби. Збільшення питомої потужності нагріву сильно збільшує швидкість розтікання розплаву та меншою мірою – швидкість прогріву глибоких шарів стінок. Для тонких стінок потрібна більш висока питома потужність нагріву, ніж для товстих. Для великого зазору між ПЕ фітингом та трубою потрібна більш висока питома потужність нагріву, ніж для малого зазору. Таким чином, перший критично важливий параметр зварювання ДТ – питома потужність нагріву, яка залежить від товщинистінок ПЕ фітинга та труби, а також від величини зазору між фітингом та трубою. Якщо питома потужність буде надмірною, то розплав поліетилену розтечеться раніше, ніж стінки встигнуть розм'якшитися. Може навіть витекти з-під фітінгу. А якщо питома потужність буде недостатньою, то на момент розм'якшення стін розплав поліетилену не встигне навіть впевнено заповнити весь зазор.

На 5-му етапі процесу стінки ПЕ фітинга і труби повинні легко сідати в напрямку поліетилену, що стискається, навколо нагрівача. Ця умова виконується в тому випадку, якщо загальна кількість тепла, що виділилося на нагрівачі, достатньо для поступового прогріву всього об'єму зварного з'єднання до високоеластичного стану. Якщо тепла буде недостатньо, стінки не будуть легко сідати в напрямку розрядження. І в остиглому з'єднанні залишиться напруга розтягування. Таким чином, другий критично важливий параметр зварювання ДТ - загальна енергія зварювання, або кількість тепла, яку необхідно передати нагрівачу. Саме енергія зварювання визначає момент, коли нагрівання можна припинити.

4.2 Забезпечення геометрії фітингу (для ботаніків)

Усі суттєві розміри електрозварного поліетиленового фітингу (див. рис.4) регламентуються ГОСТ Р 52779-2007.

Номінальна довжина зони зварювання L2 повинна бути досить великою для забезпечення міцності зварного з'єднання не нижче міцності вихідної труби. Мінімально допустима довжина зони зварювання визначена для кожного діаметра фітинга електрозварювання (див.табл.3 ГОСТ). Виробник фітингу має право збільшити цю довжину, проте це навряд чи має сенс, зате збільшить необхідну потужність нагрівання заставного нагрівача.

Зазор між внутрішньою поверхнею ПЕ фітинга та зовнішньою поверхнею ПЕ труби повинен бутимінімальним для якнайшвидшої синхронізації нагріву труби та фітингу. ДЕРЖСТАНДАРТ вимагає тільки, щоб діаметр D в середній частині зони нагріву був не менше номінального діаметра труби Dn (див.п.4.6.1 ГОСТ). Справа в тому, що ГОСТ визначає умови, які є суттєвими для якості зварювання. У свою чергу виробники електрозварних фітингів дбають ще й про практичну можливість ввести трубу у фітинг, тому на власний розсуд збільшують внутрішній діаметр фітинга D, забезпечуючи зазор. Цей зазор суттєво відрізняється у різних виробників електрозварювальних фітингів для поліетиленових труб.

Внутрішній діаметр фітинга D2 поза зоною суміщення з трубою повинен бути не менше внутрішнього діаметра труби, щоб фітинг не знижував корисний переріз трубопроводу. ДЕРЖСТАНДАРТ вимагає (див.п.4.6.1 ГОСТ), щоб цей діаметр був не менше Dn-2Emin, де Emin - мінімальна товщина стінки труби.

Довжина зовнішньої холодної зони L3 має бути достатньою прийому розплавленого поліетилену. ДЕРЖСТАНДАРТ вимагає (див.п.4.6.1 ГОСТ), щоб ця зона була не менше 5 мм. Величина не найкритичніша, оскільки можливий вихід розплавленого поліетилену назовні не вплине на експлуатаційні характеристики трубопроводу.

Довжина внутрішньої холодної зони - величина критичніша, розлив поліетилену всередину фітинга абсолютно неприпустимий. ГОСТ визначає цю величину опосередковано, через MIN і MAX обмеження довжини L1 заходу труби у фітінг (Табл.3 ГОСТ). Обмеження для кожного діаметра підібрані таким чином, що внутрішня холодна зона завжди виходить довшою за зовнішню.

Якщо електрозварний фітинг не має внутрішнього упору для труби або маєупор, що легко видаляється, конструкція фітинга повинна забезпечувати проходження труби крізь деталь (див.п.4.6.2 ГОСТ). У цьому випадку D2 має бути не меншимD.

Таким чином бачимо, що ДЕРЖСТАНДАРТ (і його прототип ISO 8085-3:2001) досить повно визначає геометрію електрозварного фітинга для будь-якого поліетиленового трубопроводу (з заздалегідь заданим DN і SDR). Будь-які «легальні» зміни (наприклад, збільшення довжини зони нагріву або товщини стінки фітинга) не покращать експлуатаційні характеристики трубопроводу, а застосовуються виробниками скоріше з маркетинговою метою. Каталог фітингів містить помпезний опис таких відмінностей від регламентованих характеристик.

4.3 Варіанти конструкції фітингу (для ботаніків)

ISO 8085-3:2001 та гармонізований ГОСТ Р 52779-2007 визначають деякі характеристики електрозварних ПЕ фітингів з допуском, а деяких характеристик не стосуються зовсім, вимагаючи лише кінцевого результату – якості зварного з'єднання. Таким чином, виробники мають свободу у зміні окремих технічних особливостей. Тому деякі технічні особливості трубних фітингів суттєво різняться у різних виробників.

4.3.1 Зазор між фітингом та трубою

Діаметр внутрішньої поверхні ПЕ фітингу під зварювання ДТ і, відповідно, проміжок між фітингом і трубою – компромісний параметр, значення якого вибирає виробник сполучних фітингів.

Маленький зазор ускладнює введення труби у фітінг, особливо при суттєвій овальності труби. Натомість покращує синхронізацію нагріву.

Великий зазор спрощує суміщення, але потім вимагає надто великої кількості розплаву для заповнення цього зазору та початку нагрівання труби.

ЦІКАВО: Існує трюк, який дозволяє вбити двох зайців. Внутрішній діаметр електрозварювального ПНД фітингу робиться більшим для зручності підготовки до зварювання. Після поєднання фітинга з трубою торці великого зазорузаклеюються малярним скотчем для запобігання виходу тепла, і потім заставний нагрівач довго прогрівається низькою потужністю, що дозволяє прогріти трубу і фітинг на всю товщину стінки. Температура нагрівання близько 90°C, достатньо для розширення труби та компенсації зазору. Фітинг при цьому не розширюється або розширюється набагато менше труби, оскільки сама технологія попереднього нагріву призначена для з'єднувальних муфт великого діаметру із зовнішнім армуванням (див.п.4.3.3).

Для позначення параметрів попереднього нагріву (напруга та час) фітинг під зварювання ДТ забезпечується додатковим штрих-кодом.

4.3.2 Відкрита або закрита спіраль заставного нагрівача

Жоден нормативний документ не визначає спосіб застосування спіралі в поверхню електрофузійного фітинга. Або хоча б глибину залягання спіралі.

Є 2 схеми розташування спіралі:

Т.зв. «закрита» спіраль – це коли витки повністю приховані в поліетилені на глибині 0,2÷0,5 мм (див. рис.5).
Т.зв. «відкрита» спіраль – це коли витки втоплені в поліетилен приблизно на 2/3 їхнього діаметра (див. рис.6).

Теоретично, кожна схема розташування має свої переваги та недоліки. У другому випадку нагрівання поверхні труби починається трохи раніше, особливо якщо перед зварюванням застосовується слабке попереднє нагрівання з метою збільшення об'єму труби і притиску її поверхні до фітингової спіралі. У першому випадку витки спіралі краще захищені від механічного ушкодження при поєднанні фітингу з трубою. Є й інші нюанси, які ще більше притягнуті за вуха.