Вплив режиму зварювання на механічні та корозійні властивості з’єднань металопластикових труб

В.І. Алімов, А.П. Штихно, М.С. Глущенко

Вступ

Полімерні матеріали міцно увійшли до побуту людини, упроваджуючись у всі галузі промислового виробництва. Труби, виготовлені із полімерних матеріалів, завдяки позитивним властивостям, які вони мають, почали активно витісняти сталеві та чавунні трубопроводи [1]. Однією з найважливіших властивостей поліетилену, як основної складової металопластикових труб, є його довговічність. Загально прийнято вважати, що поліетилен не піддається корозії і отже внутрішній діаметр поліетиленової труби не звужується, але може старіти. Процес старіння супроводжується зниженням пластичності, міцності, підвищенням крихкості і мимовільним розтріскуванням [2]. Металопластикові труби зазвичай виробляються на основі "зшитого" поліетилену, але останнім часом набуває популярності "лінійний" поліетилен. Поліетиленовий шар є таким, що несе і забезпечує міцність труби. Алюмінієвий шар виконує стабілізуючу функцію і перешкоджає проникненню кисню [3]. Шар алюмінію у металопластиковій трубі перешкоджає проникненню у воду не тільки кисню, але і фотонів світла, що спостерігається в звичайних пластикових трубах. Світло, що потрапило в потік, активізує життєдіяльність всіх мікроорганізмів [4, 5]. Завдяки своїм властивостям, а саме пластичності та технічним параметрам данні труби просто незамінні при проведенні ремонту та реконструкційних робіт. Зварювання є найбільш надійним і тому найбільш переважним способом з’єднання металопластикових труб [6, 7]. Терморезисторна зварка придбала найбільш поширене застосування в цьому напрямку.

Метою досліджень є пошук оптимальних температур зварювання металопластикових труб шляхом варіювання температури нагріву конструкційних елементів, тому що температура зварювання та якість з’єднання впливає на властивості труб при їх експлуатації. Також в роботі розглядається вплив агресивних середовищ (миючих засобів) на корозійну поведінку металопластикових труб при їх експлуатації.

Дослідження проводили на зразках металопластикових труб марки stabi PN-20 діаметром 20 мм. Металопластикові труби і фітинги поєднували терморезисторним зварюванням на установці типу Polis P - 4a . В умовах АТЗТ «Агроспецмонтаж» проводили терморезисторне зварювання металопластикових труб діаметром 20 мм (рисунок 1) та фітингу (муфти) діаметром 25 мм., зразки труб для досліджень виготовлені зі «зшитого» поліетилену та алюмінієвої фольги, фітинг із поліетилену. Загальний вигляд конструкції металопластикової труби наведено на рисунку 1.

Рисунок 1 – Загальний вигляд конструкції металопластикової труби марки stabi PN-20.

Торці трубної заготівки з металопластику перед зварюванням зачищали спеціальним інструментом під терморезисторне зварювання по всьому зовнішньому діаметру для зняття алюміниєвого шару. Технологічний процес зварювання складався з: прогріву поверхонь, які зварюються; технологічної паузи, яка обумовлена необхідністю видалення інструменту для нагріву; безпосереднього з’єднання під тиском та охолодження зварного з’єднання. В результаті зварювання пластикової труби та фітингу отримували монолітне з’єднання матеріалу та системних елементів. Нагрів під зварювання виконували до температур 220, 240, 260 (±5) ^oС з витримкою 10с.

Після зварювання були відібрані зразки, які піддавали випробуванню на розтягнення при кімнатній температурі 20 ^oС та при температурі 80 ^oС.

З отриманих зварних з’єднань вирізали по 2 зразки тип ІІІ за ГОСТ – 6996-66 для випробування на розтягнення. Випробування на розтягнення проводили в лабораторії ДонНТУ на розривній машині FR-100. Перед випробуваннями на розрив зразки обміряли штангенциркулем ШЦ-1 з точністю до 0,1 мм і кернили через 50 мм. Для проведення випробувань на розрив при температурі 80 ^oС попередньо зразки витримували у гарячій воді при температурі 80 0С протягом 10 хв.

Корозійну стійкість зразків досліджували в умовах лабораторії корозійних випробувань ДонНТУ. Зразки металопластикових труб марки stabi PN-20 зачищали на шліфувальному верстаті, обміряли штангенциркулем ШЦ-І та зважували на аналітичних вагах з точністю до 0,0001г. Зразки поміщали в 5, 10 і 15%-ний розчин Н₂SО₄ в воді. Зразки витримували у розчині сіркової кислоти протягом 20 хвилин. Після цього проводили повторне важення та оцінювали зміну маси. Виходячи з отриманих результатів, розраховували негативний показник зміни маси за формулою [8].

Після того, як виявилося, що корозія все ж таки відбувалася, зразки піддавали випробуванню у різноманітних миючих засобах: «Крот» - на основі NaOH, «Cillit» - на основі соляної кислоти, «Мистер Мускул» - на основі хлору та >5% амфотерних поверхнево-активних речовин. Зразки витримували у засобах на протязі 6 годин після чого оцінювали вплив корозійного середовища на негативний показник зміни маси.

Після зварювання металопластикових труб марки stabi PN-20 за різними режимам проводили випробування на розтягнення. Встановлено, що зовнішній контроль не пройшли зразки з температурою зварювання 220 та 260 ^oС. В першому випадку температура занизька, тому не відбувається формування якісного з’єднання, в другому випадку за рахунок перегріву поліетилену на місці з’єднання утворюються великі напливи, які назовні так і в середині труби, вони є концентраторами напружень, які в свою чергу сприяють руйнуванню по місцю сплавлення труби з муфтою. Відповідно механічні властивості і геометричні розміри не відповідають діючим вимогам ДСТУ Б.В.2.7-73-98 [9]. З’єднання виконане при температурі 240 ^oС повністю відповідає діючим стандартним вимогам.

При температурі зварювання 220 ^oС руйнування відбувається по з’єднанню. Занизька температура зварювання призводить до виникнення концентраторів напружень (несплавлення), які приводять до руйнування з’єднання. При температурі зварювання 240 ^oС руйнування відбувається по тілу труби, місце з’єднання труби та фітингу не зруйнувалося. При збільшені температури зварювання до 260 ^oС утворюються великі напливи не тільки на поверхні, але й в середині труби. Внутрішні напливи призводять до звуження внутрішнього діаметру труби, а це в свою чергу знижує швидкість теплообміну в системах опалювання.

Виходячи з результатів випробувань можна зробити висновок, що рекомендована температура зварювання металопластикових труб складає 240-250 ^oС. При даній температурі зварювання з’єднання має задовільний зовнішній вигляд, а за механічними властивостями відповідає всім вимогам і нормам ДСТУ Б.В.2.7-73-98.

Металопластикові труби широко застосовуються в системах опалювання, тому були проведені випробування на розтягнення при температурі 80 ^oС. Метою цих випробувань є спостереження за зміною механічних властивостей труб при транспортуванні в них гарячої води.

Оцінюючи отримані результати, які наведено на рисунках 2 і 3 встановили, що при проведені випробувань при температурі 80 ^oС значення тимчасового опіру дещо нижчі по відношенню до результатів випробувань проведених при кімнатній температурі.

Рисунок 2 – Залежність тимчасового опору металопластикових труб від температури зварювання

Рисунок 3 – Залежність відносного подовження металопластикових труб від температури зварювання

Проте при підвищенні температури зразків труби ми можемо бачити зростання відносного подовження в декілька разів. При цьому руйнування зразків відбувається по з’єднанню при будь – якій температурі зварювання.

Як бачимо (рис. 2), при зростанні температури зварювання зростає і тимчасовий опір зварних зразків металопластикових труб. При збільшені температури зварювання матеріал труби (поліетилен) і матеріал фітингу прогріваються на більшу глибину, між молекулами поліетилену утворюється міцний зв'язок, і виконується міцне з’єднання. Порівнюючи результати випробувань при кімнатній температурі та при 80 ^oС, бачимо зниження тимчасового опору при 80 ^oС. Результати випробувань при температурі 80 ^oС можна пояснити тим, що при нагріванні клей, який з’єднує складові частини металопластикової труби не витримує підвищених температур і складові частини труби розклеюються.

Відносне подовження зварного з’єднання металопластикових труб при температурі 20 ^oС (рис 3), практично однакове, при будь якій температурі зварювання. Тобто підвищення пластичності металопластикових труб при кімнатній температурі практично не спостерігається. Випробування при нагріванні зразків до 80 ^oС показали, що поліетилен нагрівається та стає більш пластичним і відносне подовження відповідно зростає.

Випробування на корозійну стійкість металопластикових труб марки stabi PN-20 у 5, 10 і 15%-ному розчині Н₂SО₄ в воді показали, що металопластикові труби все ж таки піддаються корозії. У 5%-ному розчині Н₂SО₄ в воді показник зміни маси найбільший, тому що на алюмінієвому шарі не встигла утворитися окисна плівка, при 10 % Н₂SО₄ в воді показник зміни маси найменший завдяки захисній плівці, а в 15%-ному розчині Н₂SО₄ в воді окисна плівка руйнується, через що показник зміни маси більший, ніж при 10 %.

Виходячи з того, що зразки металопластикових труб кородували, вирішили провести випробування у різноманітних миючих засобах, які широко використовуються у побуті для прочистки труб.

Гістограма залежності показника зміни маси металопластикових труб від миючого засобу наведено на рисунку 4, з якого бачимо, що найагресивнішим засобом у даному випадку є миючий засіб «Крот». Отже, алюмінієвий шар найбільше кородує у засобі на основі NaOH. Найменший показник зміни маси має миючий засіб «Містер Мускул» на основі хлору та >5% амфотерних поверхнево-активних речовин.

Після випробування змінився і зовнішній вигляд зразків - неозброєним оком було видно, що шар алюмінію у деяких місцях руйнується (рис.5).

Рисунок 4 – Залежність показника зміни маси металопластикових труб (без захисту алюмінієвого шару) від виду миючого засобу

Рисунок 5 – Вид зразку металопластикової труби stabi PN-20 після взаємодії з миючим засобом «Крот»: 1 – поліетілен (PE-X); 2 – алюміній; 3 – поліетілен (РЕ-Х)

Як видно з рисунку 5, у випадку взаємодії зразку металопластикової труби з миючим засобом «Крот» шар алюмінію у деяких місцях був зруйнований наскрізь. Отже, якщо при монтажі або експлуатації пошкодиться поверхня металопластикової труби та алюмінієвий шар буде контактувати з агресивними середовищами, можливе значне руйнування алюмінієвого шару та конструкції металопластикової труби в цілому. Суцільна алюмінієва оболонка, окрім забезпечення механічної міцності труби, забезпечує антидифузійний захист закритих систем опалювання і знижує температурне подовження труби.

Виводи

1. Температура зварювання впливає на властивості з’єднань металопластикових труб. При температурах зварювання металопластикових труб 240-250 ^oС забезпечується найліпша якість зварного шву, а механічні властивості задовольняють вимогам ДСТУ Б.В.2.7-73-98. Найгірші механічні властивості мають зварні з’єднання металопластикових труб при підвищеній температурі випробувань 80 ^oС; жоден зразок не витримав випробувань на розрив. Усі зразки розірвалися не в місці зварного шву, а поруч. Це означає, що незалежно від температури нагріву під зварювання місце зварного шву при різних видах навантаження може бути порушено.
2. Корозійні випробування дають підставу вважати, що металопластикові труби можуть піддаватися корозійному руйнуванню. При витримці зразків металопластикових труб у різних миючих засобах, де є незахищений прошарок алюмінію, найбільш агресивним виявися засіб «Крот». При пошкоджені поверхневого шару пластику при експлуатації є можливість втрати міцності труб за рахунок контакту алюмінію з агресивними середовищами, тому що відбувається значне його руйнування. Якщо не спостерігається контакту з алюмінієвим прошарком, то найбільш агресивним миючим засобом виявився засіб «Cillit».
3. Є підстави, що до пошуку і оптимізації армуючого матеріалу для металопластикових труб, його складу та технології виготовлення.

Перелік посилань

1. Кривенко М.К. Пластиковые водопроводные трубы/ М.К. Кривенко, И.Н. Юрченко// Полимерные материалы – 2005 – №8. – С.25-31.
2. Катаев В.М. Справочник по пластическим массам/ Катаев В.М. – М.: Химия, 1975. – 323с.
3. Василенко Ю.П. Металополімерні трубопроводи [Електронний ресурс] / Полімерні матеріали – 2005 - №4.–С 10. - Режим доступу до журн.: http://www.agrovodcom.ru/info_polimer.php
4. Павлов Б.А. Металлопластик в современном мире [Електронний ресурс] / Полимер-ные материалы – 2006 - №1.–С5. - Режим доступу к журн.: http://www.suntrade-s.com/index.php?name=cat=5
5. Николаенко К.А. Перспективы использования металлопластиковых труб/К.А. Нико-лаенко, Ю.Р. Пархоменко// С.О.К. – 2006 - № 9. С.21-24.
6. Дудкин В.К. Способы сварки полиэтиленовых трубопроводов [Електронний ресурс] / Полимерные материали – 2008 - №1.–С 8. - Режим доступу к журн.: http://www.meto.ru/trubi.htm
7. Руденко Т.И. Металлопластиковые трубы для систем отпления/ Т.И. Руденко// С.О.К – 2008 – №7. – С. 18-23.
8. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов/ Жук Н.П. – М.: Металлургия, 1976. – 472 с.
9. ДСТУ Б В.2.5-17-2001. Трубы из структурированного полиэтилена для систем хо-лодного, горячего водоснабжения и отопления./ Технические условия. - Киев: Госстрой Украины, 2001 – 36 с.

Рецензент: д.т.н., проф. А.Н.Смирнов

© В.І. Алімов, А.П. Штихно, М.С. Глущенко