Анализ поверхности полиэтиленовых труб и электросварных соединений. Часть 2

Далее будут описаны два основных метода сварки, объяснены различные свойства, которые влияют на процесс соединения, и различные методы, используемые для характеристики прочности электромуфтовых соединений. За последние 50 лет различные полиэтиленовые материалы были разработаны и использованы для достижения наилучших возможных свойств. Различные типы полиэтилена, которые использовались, были сначала классифицированы по разнице в плотности: полиэтилен низкой плотности (LDPE или ПНД), средней (MDPE или ПСД) и высокой (HDPE или ПВД). В начале 1990-х годов было разработано новое поколение материала HDPE с бимодальным молекулярно-массовым распределением. Преимущество бимодального HDPE заключалось в более высокой прочности при гидростатическом давлении и лучших долговременных свойствах, таких как повышенная устойчивость к медленному росту трещин.

В 1996 году был разработан стандарт ИСО, который классифицировал различные типы труб на основе их долгосрочной гидростатической прочности. Согласно этой классификации минимальная требуемая прочность (MRS) после 50 лет срока службы трубы для транспортировки воды при +20 °C составляет 8,0 МПа для PE80 и 10 МПа для PE100. Трубы также определяются их стандартным соотношением размеров (SDR), которое определяется как соотношение между наружным диаметром и толщиной стенки, поэтому труба SDR11 имеет более толстую стенку, чем труба SDR17. При стыковой сварке два конца трубы соединяются вместе в специальной сварочной машине. Концы трубы сначала выравниваются, а затем нагреваются, касаясь плоского нагревательного элемента. Когда концы трубы расплавлены, горячую плиту убирают, а концы трубы сдавливают и дают остыть. Электрофузионная сварка является обычной техникой для сварки полиэтиленовых труб и других полимерных материалов, таких, например, как полипропилен.

Труба включает в себя муфту, в которую могут вставляться два конца трубы, поэтому данный вид сварки нередко называют электромуфтовой сваркой. У некоторых соединителей также есть внутренний упор, чтобы препятствовать тому, чтобы концы трубы встретились. Внутри соединительной стенки находится катушка резистивного нагревательного провода, которая соединена с клеммой на каждом конце. Когда электрический ток проходит через нагревательный провод, окружающий полимер плавится. Расплавленный полимер, который пытается выйти из зоны плавления, остывает во внутренней или внешней холодной зоне и препятствует дальнейшему течению расплава. Таким образом, холодные зоны поддерживают расплавленный полимер в зоне плавления, где повышается давление расплава. Индикаторы сварки прикреплены к соединителю, чтобы дать оператору визуальную индикацию того, что было создано достаточное давление расплава. Если индикатор сварки выступает, это указывает на то, что процесс сварки был успешно выполнен.

Преимущество электросварки по сравнению со стыковой сваркой состоит в том, что процесс электросварки более практичен и может быть осуществлен, даже если пространство очень ограничено. Чтобы получить соединение с хорошей прочностью, важно следовать определенной процедуре подготовки. Сначала соскабливают примерно 0,2 мм поверхности трубы, а перед сваркой поверхность очищают безворсовой тканью, пропитанной этанолом или изопропанолом. Таким образом, загрязнение не может повлиять на прочность соединения. Затем трубы и муфта должны быть правильно выровнены и зажаты, чтобы избежать ненужных напряжений. После этого к клеммам подключается электричество, и в зависимости от размера трубы и температуры окружающей среды используется разное время сварки. Процесс плавления можно разделить на три этапа: начальный нагрев и расширение муфты, нагревание для создания стыка и охлаждение стыка. Первые две стадии обычно называют временем плавления. Электрофузионные фитинги могут быть различных размеров, обычно от 16 мм до 500 мм, но существуют также более крупные соединители, до 800 мм.

Существует несколько факторов, влияющих или способных повлиять на процесс электросварки и, в свою очередь, на прочность сустава. Процедура очистки, а также гипотеза о миграции добавок на поверхность трубы были кратко описаны ранее. В следующей части будет более подробно описано, какие различные свойства материала могут повлиять на соединение. Независимо от того, насколько хорошо охарактеризован и понятен материал, в конечном итоге соединяют трубы люди, и мастерство, конечно, влияет на качество стыка. Соединения, сделанные в идеальных лабораторных условиях, могут работать не так, как соединения, выполненные в полевых условиях. В реальности может оказаться намного теплее или холоднее, может наблюдаться повышенная влажность или загрязнение.

Влияние процедуры зачистки изучено достаточно хорошо. В одной из статей авторы хотели увидеть влияние на соединение, когда они создавали различные искусственные помехи: например, использовали грязные трубы, песок и тальк. Затем дефектные швы сравнивали с швом, изготовленным из зачищенных труб. Неочищенные и загрязненные песком соединения неожиданно прошли испытание на отслаивание, в то время как загрязненный тальк хрупким образом разрушился. Несмотря на свои результаты, авторы не хотят делать вывод о том, что зачистка не является необходимой, поскольку их соединения были выполнены в идеальной лабораторной среде (эти испытания проводила группа инженеров под руководством Траутона в 2006 году). Также сварка «свежих» экструдированных труб, по-видимому, даёт более пластичное поведение соединений, чем у труб, которые уже какое-то время хранились на складе.