Диссертация (Сварка полиэтиленовых труб для газопроводов при естественно низких температурах)

На правах рукописиДАНЗАНОВА ЕЛЕНА ВИКТОРОВНАСВАРКА ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ ДЛЯ ГАЗОПРОВОДОВ ПРИЕСТЕСТВЕННО НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХСпециальность 05.02.10 – Сварка, родственные процессы и технологииАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2012Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетномучреждении наукиИнституте проблем нефти и газа Сибирского отделения РАННаучный руководитель:кандидат технических наук,Герасимов Александр ИннокентьевичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессорКомаров Герман Вячеславовичкандидат технических наук, профессорВолков Станислав СтепановичВедущая организация:ФГБУН Институт физико-техническихпроблем Севера СО РАНим. В.П. ЛарионоваЗащита состоится "_22_"_мая_ 2012 г.

в _15_ часов в ауд. _232_ назаседании диссертационногосовета Д.212.200.10 при Российскомгосударственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу:119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 65.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеРоссийского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина.Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенныегербовой печатью организации, просим направлять в адрес диссертационногосовета.Автореферат разослан "_20_"_апреля_2012 г.Ученый секретарьдиссертационного советапрофессор, доктор технических наук2Л. А.

ЕфименкоОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы: Низкая стоимость, легкий вес, простотатехнологии монтажных и сварочных работ, отсутствие необходимостидополнительной изоляции и долговечность материала способствовалиширокому использованию полиэтиленовых (ПЭ) труб в газовых сетях вместостальных по всему миру.

Однако существование ограничения при проведениистроительных работ по температуре окружающего воздуха (ОВ) несколькосдерживает темпы повсеместного внедрения данного перспективногоматериала. В средней полосе и, особенно в северных регионах РоссийскойФедерации, с середины сентября по май месяц среднесуточная температура ОВниже минус 15 °С. Согласно действующим СНиП по проектированию истроительству газопроводов из полиэтиленовых труб при температурах ОВниже минус 15 °С сварочные работы производятся во временных укрытиях илисооружениях, в которых поддерживается температура из допустимогодиапазона (от –15 °С до 45 °С).

Такие вынужденные мероприятия приводят кудорожанию и сокращению сезона строительства полиэтиленовыхгазопроводов. С другой стороны, прерывание подачи газа ниже минус 40 °С втечение нескольких часов в энерго- и теплоснабжающие системы можетпривести к чрезвычайным ситуациям и в бедственном положении могутоказаться жители целых кварталов и поселков. Существующие методыразрушающего и неразрушающего контроля не всегда позволяют адекватноустанавливать качество сварного соединения. В связи с изложенным, возникаетактуальная задача разработки технологических режимов сварки нагретыминструментом встык (НИВ) и сварки с закладным нагревательным элементом(ЗНЭ) при температурах воздуха ниже нормативных и разработки новыхэффективных методов контроля качества сварных соединений.Объектом исследования является контактная тепловая сваркатермопластов, а предметом исследования является сварка полиэтиленовых трубпри низких температурах.Целью работы является обоснование технологической возможностивыполнения качественной сварки полиэтиленовых труб нагретыминструментом встык и сварки закладным нагревательным элементом сприменением муфты при температурах окружающего воздуха ниже минус 15°С без строительства временных укрытий.3Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:• Определение технологических режимов сварки НИВ и сварки ЗНЭполиэтиленовых труб при температурах ОВ, ниже нормативных сиспользованиемкомплексовпрограмм«СТЫК-1»,«ПОДОГРЕВ-1»,«МУФТА», разработанных для анализа нестационарных температурных полей;• Исследование эффективности существующих методов контроля качествасварных соединений;• Исследование надмолекулярнойизготовленных при различных режимах;структурысварныхсоединений,• Исследование качества стыковых и муфтовых сварных соединений,изготовленных при температурах ОВ, ниже нормативных по предлагаемымрежимам.Научная новизна работы состоит в следующем:На основе управления тепловыми процессами при сварке нагретыминструментом встык полиэтиленовых труб в условиях естественно низкихтемператур (до минус 45 °С), установлено, что при сварке при низкихтемпературах участок свариваемой трубы с длиной вылета, равной пятикратнойтолщине трубы необходимо предварительно подогреть отдельныминструментом с температурой ниже температуры плавления полиэтилена, т.е.ниже 80 °С, затем свободно охладить до допустимой температуры ОВ длявыравнивания температурного поля.

Данные условия приводят к снижениютемпературных напряжений в сварном соединении до уровня, гарантирующеготребуемую длительную прочность.Установлено, что наибольшее влияние на прочность сварного стыковогосоединения ПЭ труб оказывают размеры кристаллических образованиймикроструктуры отдельных участков зоны сварного соединения. Дляобеспечения требуемой длительной прочности сварного соединения ПЭ трубразмеры кристаллических образований в структуре материала на линиисплавления свариваемых поверхностей должны изменяться в пределах 5-15мкм, что происходит при скорости охлаждения менее 1 °С/с в интервалетемператур от 135 °С до 80 °С.Достоверность научных положений и выводов обеспечиваетсяиспользованием стандартных и разработанных методов испытаний сварныхсоединений при статических нагрузках и изучения структуры сварных швов4методами световой и атомно-силовой микроскопии, большим объемомэкспериментальныхданных,применениемкомплексовпрограмм,использующих методы вычислительной математики, совпадением расчетных иэкспериментальных температурных данных при сварке в условиях низкихтемператур.Практическая значимость и реализация результатов работы:Найденные и обоснованные технологии сварки расширяют диапазондопустимых температур ОВ для проведения сварки ПЭ труб диаметром от 50до 160 мм для газопроводов в сторону естественно низких температур безстроительства дополнительных сооружений.

Использование результатовданной работы позволяет определить прочность сварного соединения по зонесплавления кратковременными испытаниями без нанесения надреза илиудаления грата. Новизна предлагаемых решений подтверждена тремяпатентами РФ на изобретения на способ сварки полимерных труб, однимпатентом на изобретение на способ испытаний сварного стыкового соединенияи одним положительным решением на выдачу патента на изобретение наспособ испытания муфтовых сварных соединений. Результаты проведенныхисследований приняты к использованию на ООО ПМК «Намгазстрой».Апробациярезультатовдиссертации.Основныерезультатыисследований докладывались и обсуждались: на всероссийской конференциимолодых ученых «Материаловедение технологии и экология в третьемтысячелетии» (г.

Томск, 2009 г.), XIV Международном симпозиуме имениакадемика М.А. Усова (г. Томск, 2010 г.), IX Международном симпозиуме поразвитию холодных регионов «ISCORD» (г. Якутск, 2010 г.), научнойконференции «Перспективы развития нефтегазового комплекса РеспубликиСаха (Якутия)» (г. Якутск, 2010 г.), IV и V Евразийском симпозиумах«EURASTRENCOLD» (г. Якутск, 2008, 2010 гг.).Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано26 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах,рекомендованных ВАК, 1 статья в электронном научном журнале, 16 вматериалах научных конференций различного уровня, 4 патента РФ наизобретение.Личный вклад автора заключается в определении технологическихрежимов и проведении экспериментальной сварки при низких температурахОВ, обработке полученных результатов, разработке методов испытаний для5контроля качества сварных соединений, обобщении теоретических иэкспериментальных результатов.Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав,общих выводов, списка использованной литературы из 137 наименований.Объем диссертации составляет 143 стр., включая 52 рисунка и 12 таблиц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность исследований, определены цели изадачи работы. Отмечается, что в данной работе, теоретические иэкспериментальные результаты по сварке нагретым инструментом встык изакладным нагревательным элементом в основном получены дляполиэтиленовых труб для газопроводов ПЭ80 SDR11 63×5,8, как наиболееудобных для отработки методик. Однако результаты исследований с равнымуспехом могут использоваться при разработке технологий сварки труб изразличных пластмасс с различными типоразмерами.В первой главе на основе литературных источников проведен анализсовременногоПоказано,чтоэкономическоесостоянияпроблемыприменениепреимуществоПЭпоприменениятрубимеетсравнениюполиэтиленовыхсущественноесостальными.труб.техникоОднако,существуют некоторые температурные ограничения по технологии сварки ПЭтруб.

Литературный обзор работ по сварке полимерных материалов показал,чтометодырегулированиятемпературныхрежимов,основанныенаособенностях теплофизических свойств полимерных материалов, используютсянедостаточно. Также в главе приведен анализ существующих методовиспытаний неразрушающего и разрушающего контроля сварных соединений.Отмечается вклад в изучение процессов при тепловой сварке полимерныхматериалов отечественными и зарубежными исследователями А.А.