Дефекты сварки полиэтиленовых трубопроводов
В процессе сварки полиэтилен нагревается до температуры плавления кристаллической фазы и становится вязкоупругим. В таком состоянии под воздействием давления длинноцепочечные молекулы полиэтилена могут расцепляться, высвобождаться и перемещаться относительно друг друга. На этом этапе можно соединять друг с другом два расплава. В процессе соединения молекулы расплавов начинают перемешиваться, сближаться друг с другом и соединяться. В процессе охлаждения подвижность цепей снижается, молекулы прекращают расцепление, кристаллическая структура восстанавливается, и материал затвердевает снова. Шов, получаемый при сварке плавлением, может обладать такой же прочностью, как и исходный материал.
Для успешного соединения полиэтиленовых труб с помощью данных методов необходим строгий контроль параметров и условий сварки. Для удовлетворения требованиям безопасности газоснабжения соединения должны быть абсолютно надежными.
Чистая поверхность без загрязнений - основной и самый важный фактор создания качественного шва между двумя соединяемыми поверхностями. Загрязнение ухудшает целостность сварного соединения, а посторонние включения могут действовать как области концентрации напряжения, что является предпосылкой для растрескивания под напряжением.
Учитывая, что соединение полиэтиленовых труб, как правило, выполняется в полевых условиях, где постоянно присутствует угроза загрязнения, подготовку необходимо проводить с особой тщательностью. В данных обстоятельствах загрязнение представляется основным предметом внимания при оценке целостности соединения. Ниже перечислены виды загрязнений, которые негативно влияют на целостность полиэтиленового соединения:
сильные загрязнения, такие как отложения грязи, почвы или смолы на поверхности трубы;
незначительные загрязнения, например пыль;
жировые или масляные следы, появившиеся от соприкосновения соединяемых поверхностей с загрязненной тканью или руками;
окисление поверхности в результате воздействия атмосферного воздуха;
эрозия поверхности в результате длительного воздействия ультрафиолетового излучения (например, хранение на улице более 12 месяцев);
влажность или вода на поверхности.
Все технологии сварки требуют принятия надлежащих мер, для того чтобы предотвратить загрязнение сварного соединения и защитить его от воздействия внешней среды. Для этого необходимо обязательно использовать водонепроницаемую подстилку и навесы.
Более того, на трубах должны быть установлены концевые пробки, чтобы избежать попадания воды и защитить от охлаждения ветром, которое может вызвать колебания температуры сварки.
Типичным разрушением, характерным для сварки встык, является растрескивание под напряжением, возникающее при концентрации напряжения в сварных швах. Вторичные изгибающие напряжения, к которым обычно относятся смещение кромок, неравномерность опор или осей, способствуют распространению трещин вокруг соединения. В результате оно теряет прочность, что приводит к полному разрушению. Скорость распространения трещин зависит от приложенного усилия и может составлять как несколько недель, так и несколько лет, при этом конечный результат - разрушение всего соединения. Возможные потери газа зависят от давления и диаметра трубы и могут оказаться весьма значительными. Существует множество производственных факторов, влияющих на качество сварного соединения. Рассматривая каждый фактор в отдельности, можно описать потенциальное повреждение.
Сварочное давление является важным параметром в процессе стыковой сварки, поскольку оно обеспечивает взаимопроникновение расплавов для образования соединения. При слишком высоком давлении весь расплавленный материал будет выдавлен в грат сварного шва, оставив в месте контакта соединяемых поверхностей материал, недостаточно прогретый для качественного сплавления. Слишком низкое давление может привести к недостаточному смешиванию расплавленного материала - в итоге соединение будет некачественным, с низкой прочностью.
Ранее значения сварочного давления указывали в специальной таблице, которой была снабжена каждая сварочная машина. В обязанности сварщика входило следить за соблюдением правильных параметров давления, указанных для того или иного материала и диаметра труб. Давление создавалось с помощью гидравлического привода с ручным управлением. Для контроля прилагаемого давления использовался манометр. Неверный выбор уровня давления может быть отнесен к ошибкам сварщика. Он проявляется в увеличении или уменьшении ширины сварочного грата (валик сварного шва). При низком давлении грат будет слишком узким, а при высоком, наоборот, излишне широким.
Давление протяжки - это усилие, которое нужно для того, чтобы перемещать трубы, преодолевая трение в сварочном аппарате. Перед тем как выполнять соединение, трубы помещают в аппарат и перемещают с помощью гидравлического привода. До появления автоматических аппаратов сварщик должен был контролировать показатели манометра и регистрировать давление, необходимое для перемещения труб. Давление протяжки следует устанавливать вместе со сварочным давлением, указанным в паспорте аппарата. Трубам разного диаметра и разной длины (6 м, 12 м и более), подлежащим перемещению, соответствует разное давление протяжки, поэтому при выполнении шва его надо каждый раз замерять. В некоторых случаях давление протяжки может быть значительно выше фактического сварочного давления, хотя при точной настройке и использовании рольгангов можно перемещать достаточно длинные трубы с приемлемым давлением протяжки. Неправильное измерение давления протяжки - ошибка сварщика, которая приводит к увеличению или уменьшению размеров валиков сварных швов.
Чтобы осуществить сварку полиэтилена, температура на поверхностях, подлежащих соединению, должна быть выше температуры плавления материала (140°C). Температура при стыковой сварке составляет 233°C, этого достаточно для плавки материала, но мало, чтобы вызвать термическое разложение. Недостаточная температура плавления приведет к более высокому коэффициенту вязкости плавления, сопротивлению плавлению и молекулярному смешиванию и, в конечном счете, ненадлежащему качеству сварного шва.
При сварке встык поверхность соединения ограничивается торцами труб, в связи с этим очень важно максимально использовать их площадь. Овальность полиэтиленовых труб обусловлена способом их транспортировки и хранения. Хомуты, которые обычно применяются для захвата труб, позволяют приблизить их форму к круглой, отрегулировав силу зажима на каждой трубе. Овальность трубы, как правило, не рассматривается как серьезная проблема при стыковой сварке, и маловероятно, что она станет причиной преждевременного разрушения соединения, за исключением тех случаев, когда присутствует значительное расхождение в форме труб.
Если зачистка торцов выполнена не полностью, концы труб будут неровными, некоторые участки станут окисляться, на них останутся следы грязи и пыли, при контакте с нагревательным элементом начнут образовываться зазоры, из-за которых теплопередача на концах трубы будет неравномерной. Перед тем как выполнить соединение, сварщик должен полностью зачистить торцы труб.
Центрирование труб влияет на давление протяжки и термический контакт между трубой и нагревательным элементом. Во-первых, если необходимо выполнить соединение длинных труб и при этом для их перемещения или центрирования не используются рольганги, это требует значительного увеличения давления протяжки. Во-вторых, без центрирования фактический вес труб может изогнуть раму сварочного аппарата и тем самым повысить вероятность возникновения зазора между концами труб и верхней частью нагревательного элемента.
Время нагрева торцов - это время, в течение которого торцы трубы контактируют с нагревательным элементом. Если время нагрева будет слишком коротким, расплавленные поверхности не достигнут нужной температуры и при снятии труб с нагревательного элемента быстро остынут.
В результате увеличивается степень вязкости расплава, кристаллизация начинает происходить еще до момента соединения, что в конечном счете приводит к неполному сплавлению лишенных какого бы то ни было загрязнения, надлежащим образом центрированных и прекрасно очищенных торцов труб. Такое соединение будет непрочным и при изгибе полностью распадется.
Технологическая пауза - это время, необходимое для снятия нагревательного элемента и состыковки концов трубы. Чем быстрее концы трубы будут состыкованы, тем меньше вероятность того, что расплавленные поверхности успеют остыть. Результат продолжительной задержки при стыковой сварке окажется точно таким же, как и при недостаточном нагреве: из-за неполного сплавления соединение будет непрочным.
Типичным разрушением, характерным для сварки встык, является растрескивание под напряжением, возникающее при концентрации напряжения в сварных швах
.Технические требования по проведению ультразвукового контроля
Согласно СП 42-103-2003 сварные соединения полиэтиленовых подвергаются контролю качества. Методы контроля качества сварных соединений подразделяются на обязательные методы, проводимые лабораториями строительно-монтажных организаций, и специальные, которые рекомендуются к использованию отраслевыми испытательными центрами в случае необходимости подтверждения результатов экспресс-методов, проведения углубленных исследований и других целей.
Ультразвуковой контроль является обязательным методом при проведении контроля качества сварных соединений. Ультразвуковому контролю подвергаются соединения полиэтиленовых труб, выполненные сваркой нагретым инструментом встык и соответствующие требованиям визуального контроля.
Количество сварных соединений, подвергаемых ультразвуковому контролю, следует определять в зависимости от условий прокладки газопровода и степени автоматизации сварочной техники. При неудовлетворительных результатах контроля ультразвуковым методом стыковых соединений полиэтиленовых трубопроводов необходимо провести проверку удвоенного числа стыков на участках, которые к моменту обнаружения брака не были приняты по результатам этого вида контроля. Если при повторной проверке хотя бы один из проверяемых стыков окажется неудовлетворительного качества, то все стыки, сваренные данным сварщиком на объекте, должны быть проверены ультразвуковым методом контроля.
К выполнению работ по ультразвуковому контролю допускаются специалисты, имеющие сертификат установленной формы на право проведения контроля не ниже второго уровня квалификации по акустическим методам контроля, а также удостоверение о дополнительном обучении по контролю сварных стыковых соединений полиэтиленовых газопроводов.
С помощью ультразвукового контроля должны выявляться внутренние дефекты типа несплавлений, трещин, отдельных или цепочек пор, включений.
Дефекты сварных стыковых соединений полиэтиленовых газопроводов по результатам ультразвукового контроля относят к одному из следующих видов:
одиночные (поры, механические включения, примеси);
протяженные (несплавления, трещины, удлиненные поры и включения, цепочки или скопления пор, включений).
Оценка качества сварных стыковых соединений полиэтиленовых газопроводов производится по следующим признакам:
максимально допустимой площади дефекта (амплитудный критерий);
по условной протяженности дефекта (амплитудно-временной критерий);
по количеству допустимых дефектов на периметре стыка.
В качестве примера представлена таблица с предельно допустимыми размерами и количеством дефектов для трубы SDR 11.
Критерии оценки качестваУсловное обозначение труб SDR 11 63 5,8 75 6,8 90 8,2110 1012511,414012,7 16014,6 180 16,4 200 18,2 225 20,5 250 22,7 280 25,4 315 28,6Максимал допустимая площадь, мм20,781,091,582,373,053,085,05,566,828,6813,3616,7521,22Диаметр плоскодон отверстия, мм1,11,31,71,82,12,32,63,03,33,43,74,24,7Условная протяжен дефекта, мм10102020303030303030303030Допустимое количество дефектов на периметре стыка, мм3323222333445
В случае определения разных значений условной протяженности дефекта при контроле сварного шва с двух его сторон оценка качества производится по большему из них.
Результаты ультразвукового контроля оформляют в виде протокола проверки сварных стыков газопровода ультразвуковым методом. В него входит указание маркировки труб, тип ультразвукового дефектоскопа, его рабочая частота, условия проведения испытаний, температура испытаний, номер стыка, сварщик, угол ввода луча, браковочная чувствительность, описание дефектов и оценка стыка.
.Сущность способа УЗК
Ультразвуковые волны представляют собой упругие колебания материальной среды, частота которых лежит за пределами слышимости в диапазоне от 20 кГц (волны низкой частоты) до 500 МГц (волны высокой частоты).
Ультразвуковые колебания бывают продольные и поперечные. Если частицы среды перемещаются параллельно направлению распространения волны, то такая волна является продольной, если перпендикулярно-поперечной. Для отыскания дефектов в сварных швах используют в основном поперечные волны, направленные под углом к поверхности свариваемых деталей.
Ультразвуковые волны способны проникать в материальные среды на большую глубину, преломляясь и отражаясь при попадании на границу двух материалов с различной звуковой проницаемостью. Именно эта способность ультразвуковых волн используется в ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений. Ультразвуковые колебания могут распространяться в самых различных средах - воздухе, газах, дереве, металле, жидкостях. Для выявления мелких дефектов в сварных швах следует пользоваться коротковолновыми ультразвуковыми колебаниями, так как волна, длина которой больше размера дефекта, может не выявить его.
Основным документом в России по ультразвуковому контролю сварных швов является ГОСТ 14782-86, в котором подробно описаны стандартные образцы (эталоны) СО-1, СО-2 (СО-2А), СО-3 и СО-4 и стандартные образцы предприятия, необходимые для настройки дефектоскопа, а также их параметры для их изготовления. Объёмы контроля и нормы оценки качества сварного соединения устанавливаются различными нормативными документами в соответствии с требованиями прочности к конкретной сварной конструкции. На предприятиях, изготавливающих особо ответственные изделия, а также различными надзорными органами могут выпускаться собственные методические материалы для оценки качества сварных швов.
.Приборы, необходимые для проведения ультразвукового контроля
При проведении ультразвукового контроля следует применять оборудование, сертифицированное в установленном порядке и одобреное Госгортехнадзором России, а именно:
ультразвуковые эхо-импульсные дефектоскопы общего назначения отечественного или зарубежного производства, рассчитанные на рабочую частоту ультразвука в диапазоне от 1 до 5 МГц или специализированные дефектоскопы;
стандартные образцы предприятия (СОП) с эталонными отражателями для настройки параметров контроля, размеры которых определены в зависимости от диаметра и толщины стенки контролируемого газопровода;
пьезоэлектрические преобразователи на рабочую частоту в диапазоне от 1 до 5 МГц, работающие по совмещенной, раздельно совмещенной, раздельной или комбинированной схемам.
Аппаратура АУЗК сварных соединений должна предусматривать получение ультразвукограмм, адекватных по информативности рентгенограммам и должна, как минимум, обеспечивать:
обнаружение и фиксацию несоответствующих нормам дефектов
оценку формы дефекта (объемный, плоскостной, дефект промежуточной формы);
определение и фиксацию координат или зон расположения обнаруженных дефектов;
слежение за наличием акустического контакта между применяемым акустическим преобразователем (акустической системой) и контролируемым изделием, фиксацию участков сканирования с отсутствием акустического контакта;
отображение на ультразвукограмме:
значений основных параметров аппаратуры и контроля, реализованных при АУЗК;
основных параметров объекта контроля;
самоконтроль работоспособности аппаратуры.
Для проведения ручного ультразвукового контроля необходимо наличие:
импульсного ультразвукового дефектоскопа;
контактных пьзоэлектрических преобразователей (ПЭП)
стандартных образцов СО-2, СО-3 по ГОСТ 14782;
стандартного образца предприятия;
средств измерения шероховатости и волнистости поверхности объекта контроля;
контактной смазки и средств для ее хранения, нанесения и транспортировки;
измерительного инструмента (для измерения параметров сварного соединения и характеристик выявленных дефектов);
средств для разметки контролируемого соединения и отметки мест расположения выявленных дефектов;
средств записи результатов контроля.
Применяемые при ультразвуковом контроле дефектоскопы, как средства измерения, должны иметь сертификат об утверждении типа средств измерений и свидетельство о метрологической поверке, установленных форм. Дефектоскопы подлежат периодической поверке не реже одного раза в год соответствующими службами Ростехрегулирования.
.Методика ультразвукового контроля сварных соединений
Температура околошовной зоны стыка при проведение ультразвукового контроля сварного стыкового соединения должна быть не выше 30 °С.
К сварному соединению должен быть обеспечен доступ для беспрепятственного сканирования околошовной зоны, поэтому перед проведением контроля тщательно очищаются околошовные поверхности сварного стыкового соединения от грязи, снега и т.п. Ширина зоны очистки определяется конструкцией применяемых пьезоэлектрических преобразователей и технологией контроля. Перед проведением прозвучивания стыковые соединения покрываются слоем контактирующей жидкости. В качестве контактирующей жидкости в зависимости от температуры окружающего воздуха следует применять: при положительных температурах - специальные водорастворимые гели типа «Ультрагель», обойный клей, глицерин, при отрицательных температурах окружающего воздуха - моторные масла, разведенные до необходимой концентрации дизельным топливом. При применении глицерина и моторных масел поверхность трубы после проведения ультразвукового контроля должна быть очищена и обезжирена.
Контроль качества стыкового соединения проводят на двух уровнях чувствительности - браковочном и поисковом. Поисковая чувствительность отличается от браковочной на 6 дБ. Настройку чувствительности контроля осуществляют при температуре, соответствующей температуре окружающего воздуха в месте проведения контроля.
Оценка качества стыковых сварных соединений полиэтиленовых газопроводов производится по альтернативному признаку - «годен» или «не годен».
Сварное стыковое соединение считается «не годным», если в нем обнаружены:
дефекты, амплитуда отраженного сигнала от которых превышает амплитуду сигнала от эталонного отражателя в СОП на браковочном уровне чувствительности;
дефекты, амплитуда отраженного сигнала которых превышает амплитуду сигнала, отраженного от эталонного отражателя в СОП на поисковом уровне чувствительности, если условная протяженность дефекта или количество дефектов превышают нормативные значения.
Поиск дефектов осуществляют следующим образом. Сканирование стыкового соединения газопровода проводят с двух сторон от шва с контролем прямым и однократно отраженными лучами, обеспечивающими контроль всего сечения сварного соединения. Сканирование выполняют путем поперечно-продольного перемещения преобразователя. В процессе перемещения осуществляют поворот преобразователя на ±10-15º относительно линии поперечного перемещения.
При появлении на рабочем участке развертки экрана дефектоскопа эхосигналов величиной, равной или превышающей уровень фиксации, следует убедиться, что источником эхосигнала является несплошность, а не посторонний («ложный») отражатель. Источниками ложных эхосигналов могут быть неровности усиления шва, провисы, конструктивные элементы, смещение кромок, разнотолщинность, конструктивный зазор, реверберационные шумы самого ПЭП и другие помехи.
При обнаружении дефекта с эквивалентной площадью Sдеф. Sк, определяют следующие его характеристики:
координату (местоположение) на трубе L, мм;
глубину залегания дефекта Y, мм;
расстояние от точки выхода ПЭП до проекции дефекта на наружную поверхность трубы X, мм;
максимальную амплитуду эхосигнала от дефекта Адеф, дБ, и его максимальную эквивалентную площадь Sдеф, мм2;
условную протяженность вдоль продольной оси сварного шва ∆L, мм;
суммарную условную протяженность дефектов на участке шва длиной 300 мм (для труб диаметром D ≥ 100) или по всему периметру (для труб D< 100) ∑Д, мм.
Суммарную условную протяженность дефектов ∑Д определяют как сумму условных протяженностей дефектов ∆L обнаруженных на участке шва длиной 300 мм (для труб диаметром D ≥ 100) или по всему периметру (для труб D < 100) и сравнивают с суммарным максимально допустимым значением. Условное расстояние между двумя отдельными дефектами ∆l определяют как расстояние между двумя ближайшими положениями ПЭП на уровне фиксации дефектов. Два соседних дефекта считают как один объединенный дефект, если условное расстояние между дефектами ∆l не превышает условной протяженности ∆L наименьшего из них.
Признаком наличия дефекта типа «скопления» считают одновременное появление трех и более эхосигналов от различных дефектов, идущих с разных глубин при одном из положений ПЭП, перемещаемого вдоль или поперек шва, или появление признаков эхосигналов по EN 1713 . Признаком наличия дефекта типа «цепочки» считают появление трех и более эхосигналов от различных дефектов, расположенных в линию и преимущественно идущих с одной глубины при перемещении ПЭП вдоль шва.
Оценку качества сварного соединения по результатам ультразвукового контроля осуществляют следующим образом. В качестве браковочных параметров используют эквивалентную площадь Sдеф, условную протяженность ∆L суммарную протяженность фиксируемых дефектов ∑Д на единицу длины шва.
Дефект, эквивалентная площадь которого превышает максимально допустимую эквивалентную площадь Sдеф. > Sбрак, считают недопустимым (не соответствующим нормам) по результатам ручного ультразвукового контроля. Дефект, условная протяженность ∆L которого превышает максимально допустимое значение, считают недопустимым (не соответствующим нормам) по результатам ручного ультразвукового контроля. Дефекты, суммарная протяженность которых ∑Д превышает значение, считают недопустимыми (не соответствующими нормам) по результатам ручного ультразвукового контроля.
В случае, если определить форму дефекта не удается, дефект считают плоскостным. Если по совокупности признаков дефект идентифицирован как трещина, то такой дефект не допускается вне зависимости от его эквивалентных и условных размеров.
Сварные стыки по результатам ручного ультразвукового контроля считают годными, если в них не обнаружено недопустимых дефектов (не соответствующих нормам).
Заключение
Таким образом, УЗК позволяет обнаружить дефекты при стыковой сварке полиэтиленовых труб нагретым инструментом, тем самым избежать аварии в системе газоснабжения. Однако применяемая в настоящее время методика проведения УЗК не гарантирует получения достаточной информации, которая бы позволяла определить форму и реальные размеры дефектов, а, следовательно, и ответственно принять решение о качестве сварного шва, в частности дефектов круглой и цилиндрической формы. Таким образом, большее внимание стоит уделять именно выполнению высококачественных сварных соединений полиэтиленовых труб. С одной стороны, наличие современного оборудования с высокой степенью автоматизации позволяет максимально снизить влияние человеческого фактора при выполнении сварочного цикла, с другой - небрежность в ходе проведения всего комплекса технологических операций неизбежно приводит к браку, что, в свою очередь, влечет значительные экономические потери, а иной раз - серьезные аварии и человеческие жертвы.
Список использованной литературы
1.СП 42-103-2003. Проектирование и строительство газопроводов из полиэтиленовых труб и реконструкция изношенных газопроводов. - М.: Полимергаз, 2003.
.ГОСТ 14782 - 86. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые.
.СНиП 42-01-2002. Газораспределительные системы. - М.: Госстрой России, 2003.
.Полиэтиленовые трубопроводы: как избежать дефектов сварки, Газ России №3, 2012
.Сварка полиэтиленовых труб: причины дефектов, Газ России №1, 2012
.Ялышко Г.Ф. Сварка и монтаж трубопроводов из полимерных материалов.: - М.: Стройиздат, 1990.
.Голямина И.П. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. - М.: «Советская энциклопедия», 1979.
.Алешин Н.П., Щербинский В.Г. Контроль качества сварочных работ. - М.: Высшая школа, 1981.