Анализ поверхности полиэтиленовых труб и электросварных соединений. Часть 4

Добавление до 2 % технического углерода в полиэтилен обеспечивает защиту от атмосферных воздействий до 30 лет. Он изготавливается путем неполного сгорания органических веществ (обычно нефти или газа), и в зависимости от производственного процесса размер частиц может варьироваться. Для использования в полиэтиленовых трубах для водоснабжения технический углерод должен соответствовать стандартам качества, где средний (первичный) размер частиц технического углерода должен находиться в диапазоне от 10 до 25 нм (согласно таким стандартам, как ISO 4427 и EN 12201). Далее заметим, что длинные полимерные цепи оказывают наибольшее влияние на механические свойства, и поэтому большая длина нежелательна. Старение и деградация полимеров всегда включают снижение молекулярной массы. Это было показано в результате испытаний, проводимых на трубах из MDPE (внутренний диаметр составлял 28 мм, толщина стенки 2,2 мм, внутренняя поверхность было подвергнута воздействию воды под давлением с температурой +80 °C) методом эксклюзионной хроматографии.

Молекулярная масса для образцов, отобранных на внутренней поверхности стенки, показала резкое снижение примерно до 30% от исходного значения. Предполагается, что расщепление цепи происходит в основном в фазе аморфного полимера. Может случиться, что продукты с низкой молекулярной массой могут мигрировать на поверхность и создавать «жирный» слой, который, в свою очередь, может отрицательно повлиять на свариваемость. Этот жидкоподобный слой материала показан на старых пластинах из разветвленного полиэтилена. Скорее всего, это тонкий слой сильно разветвлённых низкомолекулярных олигомерных частиц. Как такой слой может повлиять на соединение, неизвестно, но очистка поверхности спиртом или органическим растворителем, вероятно, удалит его. HDPE является полукристаллическим материалом, состоящим из кристаллических и аморфных областей, с кристалличностью от 40 до 80%. В этой области не так много работ, посвящённых влиянию морфологии обычных полиэтиленовых труб на прочность электросварных соединений. В большинстве работ описывается работа с высокоориентированными материалами.

Кристаллическая морфология обычных труб из HDPE является сферической, и чаще всего с полосообразной структурой. Небольшая ориентация полимерных цепей в направлении экструзии может наблюдаться на внешней поверхности трубы. Ориентация макромолекул, по-видимому, не влияет на режим разрушения HDPE труб, что видно из работ, касающихся устойчивости к медленному росту трещин различных полиэтиленовых смол, используемых для экструзии водопроводных труб. Однако в статьях описаны только результаты краткосрочных гидростатических испытаний труб, а не влияние на электросварку. Во время экструзии трубы охлаждаются снаружи водой, а внутри — воздухом, что создает градиент плотности по толщине стенки трубы. Самая низкая степень кристалличности обнаружена снаружи трубы, а самая высокая степень кристалличности — в середине стенки трубы. Степень кристалличности внутри трубы несколько ниже, чем в середине. Распределение плотности происходит по той же схеме, поскольку плотность и степень кристалличности прямо пропорциональны.

Для оценки качества электросварного соединения можно использовать несколько методов. Швы или куски, вырезанные из швов, могут подвергаться различным долгосрочным или краткосрочным испытаниям. В этой работе основное внимание будет уделено краткосрочным испытаниям, в которых детали были вырезаны из соединений и испытаны в различных испытаниях на растяжение. Одна из проблем этих тестов заключается в их не количественном и субъективном характере. Разрабатываются новые методы механических испытаний электрофузионных соединений, которые могут стать кандидатом на замену теста на отслаивание. Испытание на отслаивание по ISO 13954 используется сегодня европейскими научно-исследовательскими институтами для оценки электрофузионных соединений. В этой работе также будет использоваться модифицированный стандарт EN 12814-4, который будет называться испытанием с двойным отслаиванием.

Изучая поверхность разрушения и используя данные, полученные в результате испытания на отслаивание, было высказано предположение, что количественную пластичность поверхности и нормированную энергию отслаивания можно использовать для более объективной оценки электросварных соединений. В результате исследований по ISO 13954 из соединения должно вырезаться восемь образцов для испытаний, по четыре образца с каждой стороны соединителя. Выбранные образцы должны включать части, где обнаружен максимальный и минимальный зазор между трубой и соединителем. Образцы для испытаний на отслаивание затем вырезаются ленточной пилой, чтобы получить нужные размеры. Образец монтируют в тиски, а до тестирования прикрепляются дужки. Затем образец для испытаний отслаивают со скоростью 25 мм / мин, и сила измеряется в зависимости от смещения, после чего строится кривая нагрузки / смещения. После того, как происходит сбой, образец характеризуется в соответствии со стандартом путем измерения длины зоны плавления и общей длины хрупкости на границе раздела между трубой и соединителем. Хрупкость затем рассчитывается по специальной формуле.

Если все восемь испытательных образцов соединения меньше или равны 33% хрупкости, то соединение одобряется. Поскольку большинство вязких отказов при испытании на отслаивание по ISO 13954 происходит либо в соединителе, либо в трубе, дана менее подробная информация о фактической прочности соединения. Чтобы получить эту информацию, можно использовать аналогичное испытание на отслаивание, EN 12814-4. Испытание по EN 12814-4 проводится несколько иначе. Образцы отбираются в соответствии с той же процедурой, что и в ISO 13954, но размеры образцов различаются. В этом стандартном испытании образцы с плоскими параллельными поверхностями вырезаются. Глубокая и глубокая канавка шириной 5 мм врезается в линию соединения с обеих сторон кусков. Образцы затем устанавливаются на растягивающую машину с использованием двух скоб. После разрушения рассчитывается прочность соединения с учётом максимального усилия, полученного во время испытания, и расстояния от центра загрузочного штифта до начала соединения.