РЕФЕРАТ Тема: «Производство сегментных полиэтиленовых соединительных деталей для монтажа газопроводов систем газораспределения»

Министерство общего и профессионального образования Ростовской области

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Ростовской области «Ростовский-на-Дону строительный колледж»

Специальность 270841

Монтаж и эксплуатация оборудования

и систем газоснабжения

РЕФЕРАТ

Тема: «Производство сегментных полиэтиленовых соединительных деталей для монтажа газопроводов систем газораспределения»

Выполнил студент

группы ДГ-31

Алейников Денис Викторович

Ростов-на-Дону

2015

Производство сегментных полиэтиленовых соединительных деталей для монтажа газопроводов систем газораспределения.

Для строительства трубопроводов из термопластов необходимы не только трубы, но и соединительные детали (фитинги), которые различаются как по конструкции и назначению, так и по способу изготовления. Фитинги нужны для соединения труб, изменения направления прокладки трубопровода, его диаметра, присоединения отводов, разветвления трубопровода, заглушения его, перехода с полимерных труб на трубы из металла, проведения перекрытий и врезок, а также для других целей. Стоимость фитингов может составлять до 20-50% от общих затрат на материал при прокладке трубопровода. Применение некачественных или не соответствующих требованиям нормативных документов (НД) фитингов чревато потерями и дополнительными затратами.

Соединительные детали можно разделить на две большие группы: детали с закладными нагревателями (их внутренний диаметр соответствует наружному диаметру присоединяемых труб) и детали без закладных нагревателей (гладкие) - их наружный диаметр равен наружному диаметру присоединяемых труб.

При производстве деталей используются следующие основные способы:

-        литье под давлением (включая центробежное), когда деталь целиком отливается в пресс-форме из расплава термопласта;

-        роторное формование;

-        механическая обработка, когда деталь (обычно большого диаметра) вырезается специальными станками с ЧПУ из больших блоков полимера;

-        стыковая сварка нагретым инструментом (НИ) из трубных заготовок;

-        комбинированные способы (сочетание литья, механической обработки, стыковой или экструзионной сварки).

Например, литье в пресс-форме заготовок деталей с короткими хвостовиками (втулки под фланец, ре-дикционные переходы), на которые невозможно надеть муфту с ЗН и которые невозможно закрепить в зажимах стыкового сварочного аппарата, может сочетаться с приваркой к ним встык НИ прямым швом (соосно) патрубков, нарезанных из ПЭ труб соответствующего назначения. К этим патрубкам в дальнейшем при монтаже трубопровода можно приваривать трубы как встык НИ, так и деталями с ЗН. Так могут производиться следующие виды соединительных деталей (как спиготы, так и с ЗН) и арматуры для трубопроводов:

-        удлиненные втулки под фланец;

-        удлиненные редукционные переходы диаметров (рис. 1);

-        повороты (отводы) с удлиненными хвостовиками (рис. 2);

-        тройники разной формы с удлиненными хвостовиками;

-        крестовины с удлиненными хвостовиками;

-        накладные уходы и патрубки-на-кладки с ЗН (рис. 3);

-        шаровые полиэтиленовые краны.

Для приварки патрубков к литым заготовкам используют цеховые сварочные аппараты со специальными узкими зажимами или фланцедержателями, позволяющими их фиксировать в процессе сварки. Контроль качества сварных стыков на таких деталях и армату -ре может производиться в соответствии с требованиями НД, определяющих требования для сварки встык полимерных трубопроводов.

Детали, произведенные с помощью только стыковой сварки НИ из трубных заготовок, называются также сегментными фитингами (СФ). Особенностям их производства и контроля качества и посвящена эта статья.

Для полиэтиленовых трубопроводов СФ производят из труб по ГОСТ 18599-2001 из полиэтилена марок ПЭ100 и ПЭ80 в диапазоне диаметров от 63 до 800 мм, рассчитанными

на рабочее давление от 0,6 до 1,6 МПа (от 6 до 16 бар). Монтируются СФ так же, как и другие гладкие детали, способ монтажа и сварки выбирается согласно проекту.

Однако сварная конструкция фитинга накладывает некоторые ограничения на практику их применения по сравнению, например, с литыми. В РФ СФ можно применять лишь на трубопроводах систем водоснабжения или канализации, на технических трубопроводах. Использовать их для газопроводов запрещено.

Более высокая надежность литых фитингов по сравнению с сегментными объясняется их физическими характеристиками и особенностями конструкции. Та их часть, где напор транспортируемой среды наиболее силен (обычно там, где поток меняет направление или разделяется) имеет большую толщину стенки. Цельная структура литого фитинга способствует равномерную распределению давления, а свойства материала одинаковы по всей площади.

У сегментных фитингов прочность материала не одинакова в разных местах. В точках максимальных нагрузок, возникающих при эксплуатации трубопровода, расположены сварные швы, ослабляющие их. Поэтому существует опасность разрушения СФ, сваренных косым швом, при больших переменных нагрузках, в частности, при гидроударе в водопроводах.

За рубежом для давлений, на которые рассчитаны сегментные фитинги, применяют понижающие коэффициенты. Так, если трубы, из которых сделан СФ, рассчитаны на 16 бар, то, согласно стандарту DIN 16963-5, СФ можно использовать лишь до давления 8 бар (коэффициент 0,5). А согласно стандарту EN 12201-3 (ISO 4427-3) такие СФ можно использовать лишь до 10 бар (коэффициент 0,6).

В нашей стране при строительстве напорных водопроводов большого диаметра СФ размещают и фиксируют в армированных бетонных опорах для передачи на них и компенсации возникающих в трубопроводе нагрузок. Если установка бетонных опор невозможна, рекомендовано использование фитингов, изготовленных из труб, рассчитанных на более высокое давление, чем применяемые при монтаже данного трубопровода, т.е. из более прочного ПЭ или с большей толщиной стенки. Так как встык НИ сваривать трубы и детали с разной толщиной стенки и из разных видов ПЭ нельзя, усиленные СФ следует в этих случаях приваривать деталями с ЗН.

Виды СФ, последовательность процесса их производства и контроля качества определяются НД и соответствующими техническими условиями (например, ВСН 440-83, ТУ 2248-002-63782914). Производство СФ требует наличия специального цехового оборудования (аппарата для сварки встык НИ под углом, распиловочного станка, углошлифовальной машинки и т.п.), а также обученного персонала.

Чаще всего с помощью сварки встык НИ под углом производятся следующие виды соединительных деталей (рис. 4):

-        повороты (отводы) 30°, 45°, 90е:

-        тройники;

-        крестовины.

В настоящее время на российском рынке имеется широкий выбор оборудования для изготовления СФ. Один из таких аппаратов (рис. 5) с гидравлическим приводом, на котором предусмотрена возможность одиночного или совместного перемещения станины для удобства процесса торцовки и автоматическое удаление нагревателя, позволяет, к примеру, сваривать:

■        отводы Du 630 - 1200 мм;

■        тройники прямоугольные (Т-типа) DH 630:900мм;

■        тройники У-типа от 30° до 45° Du 630:900        мм;

■        фитинги Х-типа (крестовины) DH 630:900 мм;

■        патрубки с короткими втулками пол фланец DH 315:630 мм;

■        патрубки с короткими редукционными переходами Dn 315:630 мм.

Помимо обычных СФ, на соответствующем оборудовании можно изготавливать и сложные фитинги нестандартных конструкций и размеров (отводы 11°, 22.5офланцованные тройники, подставки под гидрант, коллекторы и т.п.) по индивидуальным чертежам или эскизам.

Чем больше диаметр фасонных изделий, тем более выгодным становится их производство с по- 0

мощью сварки НИ или комбинированными способами, т.к. стоимость оборудования для литья под давлением (термопласт-автомата, пресс-форм) резко возрастает с увеличением размеров и массы отливок.

Изготовление деталей из обрезков труб, судя по ценам, обходится значительно дешевле производства литых фитингов, начиная с Du = 160 мм. В таблице сопоставлены стоимости сегментных и литых фитингов разных видов и трубных заготовок, использованных для их производства (по состоянию на март 2015 г.), при средней стоимости ПЭ труб 110 руб./кг массы.

Производство сегментных фитингов можно разделить на несколько этапов.

■        Разметка труб для вырезания патрубков - заготовок. Их чаще всего размечают вручную, с запасом на торцевание и оплавление. Для нестандартных и сложных деталей могут использоваться специальные шаблоны - лекала, рассчитанные на компьютере.

■        Вырезание заготовок (патрубков) из трубы. Торцы заготовок отрезают под требуемым углом к продольной оси трубы, обычно от 15° до 85° (рис. 6).

■        Подготовка патрубков к сварке: торцевание, снятие с торцов заусенцев, и их предварительная подгонка друг к другу.

■        Сборка заготовок для торцевания. Она проводится на сварочных аппаратах-стендах, при этом патрубки фиксируются в зажимах: одни - в подвижных, другие – в неподвижных. Привод зажимов может быть, как гидравлическим, так и от электродвигателя. Зажимы с патрубками поворачивают на требуемый угол, чтобы они после сварки точно состыковались друг с другом.

■        Торцевание и окончательная подгонка сегментов-заготовок.

■        Сварка заготовок согласно режимам, задаваемым технологическими картами.

■        После окончания времени остывания давление в аппарате снижают до нуля и готовый фитинг (или заготовку для дальнейшей обработки) освобождают из зажимов.

Важными стадиями производства СФ являются контроль их качества, маркировка и хранение.

Качество сварных деталей сильно зависит как от используемого оборудования, так и от квалификации работников. Оно может быть обеспечено строгим соблюдением режимов сварки и хорошим состоянием сварочного оборудования.

Входной контроль полиэтиленовых патрубков следует осуществлять в соответствии с СП 40-102-2000. Операционный контроль при изготовлении СФ следует также осуществлять в соответствии с НД.

Контроль качества приварки втулок под фланец, редукционных переходов может проводиться как у труб, сваренных прямым швом.

В ходе проведения контроля качества СФ возможно проведение испытаний. Один из видов таких испытаний - испытание на стойкость к постоянно действующему внутреннему давлению. При этом фитинг помещают в ванну с жидкостью определенной температуры    

и подают внутрь через герметичные заглушки давление в 1,25:4 раза выше рабочего, в зависимости от назначения фитингов. Результаты испытаний оформляются протоколом.

Для проведения испытаний готовых фитингов, а также входного контроля полиэтиленовых труб необходимы обученные специалисты и специальное оборудование.

На готовые детали следует нанести маркировку, содержащую номер заказа или числовой индекс установки, номер блока, номер линии и номер узла. Маркировку необходимо наносить цветной водостойкой краской на расстоянии 200-300 мм от края узла. Для маркировки допускается применение бирок из фанеры или пластмассы [2].

Определение режимов сварки СФ НИ под углом. Давления оплавления и осадки при сварке встык НИ ПЭ патрубков под углом (Ру) в процессе производства СФ отличаются от их значений при сварке встык НИ ПЭ труб прямым швом (Рп). Согласно [1], при повороте зажима с патрубком на угол а относительно оси направляющей сварочного аппарата, площадь свариваемого торца трубы, который приобретает вид овального сегмента, увеличивается в (1/cos а) раз. Поэтому давление, с которым торцы труб прижимаются к зеркалу нагревателя и друг другу, должно быть больше в (1/cos а), чем давление для прямых сварных швов тех же труб. Давления при сварке (оплавления, нагрева, осадки) должны зависеть, таким образом, не только от марки ПЭ, толщины стенки патрубков, но и от угла, пол которым они свариваются (углов поворота зажимов, угла обрезки патрубка).

Площадь овального сегмента трубы (S0) (рис.7, б) при сварке под углом равна разнице площади двух эллипсов, образованных наружной (Sou) и внутренней (*S0B) поверхностями труб. Площадь эллипса: Sэ = n ab,где а и b - соответственно малая и

большая полуоси эллипса, в нашем случае. а внешнего эллипса = Dн/2; а внутреннего эллипса = (DH - 2е)/2 ; B внешнего эллипса = Dн/2sinP;

Р - угол, образуемый осью патрубка и большой осью косого торца патрубка после обрезки (угол, под которым обрезается патрубок при подготовке к сварке). Углы а и р - дополнительные, т.е. а+ р = 90° и sinP = cos а (рис. 5).

Тогда отношение усилий, необходимых сварочному аппарату для поддержания нужного давления при оплавлении и осадке на прямом и косом шве. относятся как:

Теперь рассмотрим, как определять времена оплавления, нагрева, осадки и остывания торцов патрубков при сварке под углом, т.к. эти

параметры, согласно действующей НД [3], линейно зависят от толщины стенки трубы.

У овального сегмента патрубка толщина стенки переменная: вдоль малой полуоси эллипса она равна толщине стенки трубы (ем — е), а потом увеличивается и вдоль большой полуоси уже равна еб = =e/sin р = е/ cos а.

При изготовлении прямоугольных тройников сначала сваривают два из трех сегментов (патрубков) под углом 90°, при этом патрубки предварительно обрезают под углом (3 = 45° (рис. 8). Затем «уголок» полученной заготовки отрезают ленточной пилой и торцуют. Подготовленную таким образом заготовку сваривают с третьим патрубкам, обрезанным также под углом 45 ° (рис. 9).

При сварке тройников У-типа с углом 45-60° (рис. 10) сначала сваривают два сегмента, обрезанных под углом р = 22,5 - 30° (рис. 11.12), затем острый угол заготовки отрезают, торцуют. Для второго шва подготавливают патрубок с углом реза 22,5 - 30° и приваривают к заготовке (рис. 13).

Таким образом, угол Р минимален при сварке заготовок для тройников - прямого (а = р = 45°) и У-образного (Р = 22,5 - 30°, а = 60 - 67,5°). Разница в толщине стенки нарастает с увеличением, а (уменьшением Р).

Рассмотрим сварку под углом а= =60°(Р = 30°) патрубков из ПЭ трубы диаметром 355 мм с SDR 17. Толщина ее стенки ем = е = 355/11 ~ 21 мм. При р = 30° sin 30° = 0,5, е6 = 21/0,5 = 42 мм. Разница толщины стенки таким образом достигает 100 %.

Применим зависимости параметров сварки [3] для нашего случая. Этап оплавления торцов свариваемых труб должен заканчиваться при высоте первичного грата hx = 0,5 + ОДе, тогда:

Время нагрева (Г2) так зависит от толщины стенки:

Максимально допустимое время технологической паузы (Т3) тем больше, чем больше толщина стенки трубы или ее диаметр:

Т3 (с) = 4 + ОД • е (мм), тогда:

для е = 21 мм Г3 = 4+ 0,1*21= 6,1 с; для е6 = 42 мм Т3 = 4+ 0,1 -42 = 8,2 с.

Время осадки Т4 является дополнительным параметром, оно тоже зависит от толщины стенки:

Г4 (с) = 2 + 0,4 • е (мм), тогда: для е = 21 мм Г4 = 2+ 0,4*21= 10,4 с; для е6 = 42 мм Т4 = 2+ 0,4*42 = 18,8 с.

Время остывания (Г5) определяется как:

Т5 (мин) = 3 + е (мм), тогда: для е = 2\ мм Т5 = 3 + 21= 24 мин; для еб = 42 мм Т5 = 3 + 42 = 45 мин.

Возникает вопрос, каким образом определять параметры режимов сварки под углом, т.к. различие в основном исходном параметре достаточно велико и сильно зависит от угла сварки, а допустимые размеры грата также зависят от толщины стенки. Согласно [4]: для е=21 мм высота конечного грата h = =3:4,5 мм, ширина B = 11:21,5 мм;

для е6 = 42 мм значений величины грата нет, ближайшее значение толщины стенки 32 мм, для нее h = 3:4,5 мм, ширина b = 15,5:32,5 мм.

Согласно п.7.5.7.6 [5] «высота валиков грата должна находиться в пределах 0,15-0,25 номинальной толщины стенки труб, а ширина одного валика грата ... должна быть в пределах 1,8-2,2 его высоты». Таким образом, согласно [5]: для е = 21 мм высота конечного, грата h = 3,15:5,25 мм, ширина B = 11,3        23,1 мм;

для е6 = 42 мм h = 6,3:10,5 мм, ширина B = 12,6-^46,2 мм.

Как видим, такие отличия в требованиях для геометрии грата при разной толщине стенки существенно затрудняют контроль качества готовых фитингов.

Следует учесть также, что на распространение тепла от нагревателя и распределение расплава в грате сварного шва, помимо толщины стенки, влияет также геометрия торцов свариваемых под углом патрубков. Острые (наружные) углы патрубков будут прогреваться быстрее, чем внутренние, т.к. с острых углов затруднен теплоотвод. Это должно привести к дополнительному увеличению размеров сварочного грата (рис. 14).

Существенной будет также разница в величине внутреннего и внешнего грата на одной и той же стороне патрубка, т.к. на внутренних сторонах угловых соседи-нений патрубков грату мешает растекаться острый угол (рис. 15), а снаружи угол соединения стенок труб тупой и не мешает растекаться расплаву. Таким образом, размеры внутреннего и наружного грата одного и того же участка сварного шва на концах большой оси овального сектора будут всегда различны.

Размеры и форма грата вдоль частей СФ, сваренных косым швом, зависят от:

-        материала патрубков;

-        угла обрезки патрубков;

-        места расположения грата на патрубке (относительно большой и малой осей овального сектора, внутри или снаружи патрубков).

При производстве СФ необходимо определиться, в соответствии с какими НД, какими способами по мимо ВИК осуществлять контроль их качества. Поддержанию уровня качества могла бы помочь автоматическая запись всех параметров сварки каждого шва при производстве СФ.

В настоящее время далеко не все аппараты оснащены блоками регистрации (памяти) и управления, позволяющими их запоминать и в дальнейшем распечатывать. Также следует отметить, что требования к наличию таких блоков на сварочном оборудовании для СФ и к предоставлению соответствующих распечаток режимов потребителям в НД отсутствуют.

Список литературы

1.        А. В. Жуков Коротко о производстве фасонных изделий методом стыковой сварки. Сантехника № 1, 2007.

2.        ВСН 440-83 Инструкция по монтажу технологических трубопроводов из пластмассовых труб.

3.        ГОСТ Р 55276- 2012 Трубы и фитинги пластмассовые. Процедуры сварки нагретым инструментом встык полиэтиленовых (ПЭ) труб и фитингов, используемых для строительства газо- и водопроводных распределительных систем.

4.        DVS 2207 Welding of Thermoplas-tics (Сварка термопластов).

5.        ВСН 003-88 Строительство и проектирование трубопроводов из пластмассовых труб.